路面車轍檢測工作中三維線激光技術(shù)的應(yīng)用

宋 雙

（中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

路面養(yǎng)護(hù)是增強(qiáng)道路耐久性、營造良好通車環(huán)境的重要前提，需要選擇合適的技術(shù)準(zhǔn)確檢測路面車轍。在道路工程發(fā)展初期階段，人工檢測方法得到廣泛應(yīng)用，但有精度低、效率低的局限性?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展促使激光傳感技術(shù)逐步被應(yīng)用于道路工程領(lǐng)域，為路面車轍檢測提供了重要技術(shù)支持。

1 三維線激光檢測系統(tǒng)的組成及工作原理

路面車轍激光檢測技術(shù)有較多的細(xì)分形式，其中三維線激光檢測系統(tǒng)較為典型。激光器可提供光源，照相機(jī)則協(xié)同運(yùn)行，確定被測路面上產(chǎn)生的光斑，最終完成檢測[1]。

激光器是重要的裝置，通常以結(jié)構(gòu)光激光器為主，照相機(jī)則選擇市面上較普遍的CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）照相機(jī)。通過激光的作用可有效照射路面，若待檢測的區(qū)域內(nèi)存在車轍，則形成的光線狀況將發(fā)生變化，即出現(xiàn)變形現(xiàn)象，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，通過軟件可以確定被測路面的平整情況；CCD 照相機(jī)則記錄三維圖像，經(jīng)過處理后得到二維變形條紋圖像，再提取光條中心線，根據(jù)此信息創(chuàng)建車轍變形曲線，從而得到車轍的深度情況（圖1）。

圖1 中，a 為激光器與路表面虛交點(diǎn)至透鏡的距離，m；b 為透鏡至CCD 感光面的距離，m；θ 為路表面法線與成像鏡頭光軸的夾角，°；h'為像點(diǎn)在成像面上的位移，m。根據(jù)圖1 各項(xiàng)要素的幾何關(guān)系，確定車轍深度h，h=。

2 LMI 三維線激光檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

圖1 三維線激光檢測原理

圖2 LMI 三維線激光檢測系統(tǒng)在路面檢測中的應(yīng)用

三維線激光檢測系統(tǒng)是路面車轍檢測中的新型方式，但采購成本較高，且在技術(shù)層面仍有深入的空間，因此在國內(nèi)工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用較少。值得一提的是，LMI 公司推出的三維線激光檢測系統(tǒng)具有突破性意義，具有性能良好、采購成本較低等特點(diǎn)，在國內(nèi)有一定的市場份額（圖2）。

LMI 三維智能傳感器有兩種較為主流的形式，即Gocator2000 系列和Gocator2300：兩者的掃描效率較高，能夠與車輛高速行駛狀態(tài)相適應(yīng)，且數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有保障；運(yùn)行穩(wěn)定性好，可有效抵御光照影響，可用于各種條件的路面工程。這兩類產(chǎn)品具有如下3 個(gè)特點(diǎn)。

（1）配置了激光器以及高度穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)，由于采用的是出廠前標(biāo)定方式，因此實(shí)際使用更為便捷，無需繁瑣的準(zhǔn)備工作。

（2）傳感器的功能豐富，如激光測量和數(shù)據(jù)處理，在確定被測物的輪廓后可以將其轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)，期間可獨(dú)立運(yùn)行，無需硬件支持，并且傳感器內(nèi)置軟件，能與瀏覽器連接，對傳感器相機(jī)的控制更靈活。

（3）配備了全密閉鋁合金外殼，其防水等級達(dá)到IP67 級，在多種工業(yè)環(huán)境中均具有適用性，可以按照實(shí)際需求組合傳感器，靈活性更強(qiáng)。

路面車轍檢測的受擾因素較多，對路面檢測設(shè)備的要求較高：設(shè)備要有較高的掃描速度，以便與道路上高速行駛的車輛相適配，及時(shí)且準(zhǔn)確地獲取車輛數(shù)據(jù)；配套的設(shè)備要具有較強(qiáng)的覆蓋能力，當(dāng)路面存在粗糙現(xiàn)象時(shí)即可及時(shí)獲取數(shù)據(jù)；由于光照對路面車轍檢測的影響較大，設(shè)備要具備較強(qiáng)的抗光照干擾能力；在潮濕路面、新鋪路面等工程中均要具有適用性。

2.2 實(shí)際應(yīng)用

下面則引入工程實(shí)例，圍繞三維線激光技術(shù)在路面車轍檢測中的應(yīng)用展開探討。三維線激光傳感器是重要的裝置，掃描頻率為700 Hz，正常狀態(tài)下每秒可獲取高達(dá)700 個(gè)的圖像數(shù)據(jù)。本文所探討的案例中，選取規(guī)格為300 mm×300 mm×60 mm 的瀝青車轍板，對其展開測量工作。所用工具為精度0.1 mm 的游標(biāo)卡尺，在其支持下確定車轍深度，并選取多個(gè)車轍位置，經(jīng)計(jì)算后得到其平均值，將其作為最終結(jié)果。

從車轍板的轍槽底部來看，其較為平整，選擇該處的激光數(shù)據(jù)點(diǎn)，經(jīng)整理后取均值，將所得結(jié)果作為車轍深度測量值。按照參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果，合理控制好三維線激光檢測設(shè)備的工作參數(shù)，曝光值1200 μs，架設(shè)高度1.4 m，檢測寬度1400 mm。

3 工程實(shí)踐

3.1 工程概況

某公路總長42 km，設(shè)計(jì)時(shí)速90 km/h，路面寬24.5 m。伴隨使用時(shí)間的延長，受行車荷載、降雨等因素的影響，局部路面出現(xiàn)車轍病害。為準(zhǔn)確掌握病害類型，采取抽樣測量的方法，以手工直尺為主要工具檢測路面車轍深度，再整理兩邊和中間的測點(diǎn)所得到的深度，取其平均值，將所得結(jié)果作為測量真實(shí)值。此后，再使用LMI 三維線激光檢測系統(tǒng)進(jìn)一步采集車轍深度數(shù)據(jù)，按照相同的參數(shù)采集4 次，計(jì)算所得結(jié)果的平均值，將該結(jié)果作為測量值。

3.2 檢測結(jié)果

根據(jù)上述檢測方法，將形成人工測量數(shù)據(jù)和系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)，按照J(rèn)T/T 677—2009《車載式路面激光車轍儀》[2]展開計(jì)算分析，確定偏差系數(shù)（表1）。

根據(jù)上述內(nèi)容得知，4 次測量結(jié)果產(chǎn)生的絕對誤差穩(wěn)定在0.1～0.8 mm，并且相對誤差幾乎控制在2%以內(nèi)。從檢測值偏差系數(shù)來看，也完全滿足規(guī)范“＜5%”的要求。由此說明，此處所選用的三維線激光設(shè)備工作狀態(tài)良好，具有較高的測量精度。以測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對其展開相關(guān)性分析，綜合考慮真實(shí)值y和測量值x，創(chuàng)建兩項(xiàng)指標(biāo)的線性回歸方程y=1.159 4x-2.074 9，并求得具體的相關(guān)系數(shù)R2=0.978 3。

表1 車轍測量值與人工測量真實(shí)值的對比結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，此處的相關(guān)系數(shù)為0.978 3，滿足規(guī)范“相關(guān)系數(shù)大于0.90”的要求。

4 三維線激光技術(shù)應(yīng)用的影響因素分析

從上述案例來看，對比測量值和表面平整度等級，可以發(fā)現(xiàn)兩者并非完全符合，結(jié)合表面激光數(shù)據(jù)重復(fù)穩(wěn)定性不同值之間所具有的差異性情況，推測對激光數(shù)據(jù)特性造成不利影響的因素主要源自于表面色彩、構(gòu)造深度等方面。

4.1 色彩的影響

從我國公路建設(shè)狀況來看，高速公路建設(shè)領(lǐng)域絕大部分都使用的是瀝青路面，顏色方面均呈黑色，且道路還設(shè)置了兩種標(biāo)線，顏色呈黃色和白色。根據(jù)此特點(diǎn)，在激光檢測時(shí)易受到路面顏色的影響，伴隨此因素的變化所得到的檢測結(jié)果也存在差異。各顏色的測量值誤差不盡相同，具體關(guān)系為“黑色＞黃色＞白色”，表明激光測量在白色條件下可以有效控制誤差，黑色對激光測量精度的影響最為明顯。

4.2 構(gòu)造深度的影響

現(xiàn)階段，三維線激光技術(shù)主要見于瀝青路面工程中，但在路面材料類型、粒徑、油石比等方面的影響下，最終路面表現(xiàn)出的構(gòu)造深度具有差異性，也不利于三維線激光檢測結(jié)果的可靠性。并且，通過對道路表面構(gòu)造的分析，能夠較為準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出路表孔隙情況。

經(jīng)分析后得知，細(xì)孔瀝青路面所產(chǎn)生的正值誤差相對較大，但從負(fù)值誤差的角度來看，最明顯的則是粗孔瀝青路面。分析各自的置信區(qū)間，得知細(xì)孔、中孔和粗孔分別對應(yīng)的是［-0.1，+0.1］、［-0.11，+0.11］和［-0.13，+0.13］，所以細(xì)孔瀝青路面的值最小，進(jìn)一步說明在經(jīng)過檢測后所得數(shù)據(jù)的誤差高度集中，檢測結(jié)果可以更為準(zhǔn)確地反映真實(shí)情況，精度相對較高。基于對中孔和粗孔的進(jìn)一步分析得知，其在99%置信區(qū)間呈現(xiàn)出依次增加的特點(diǎn)，因此應(yīng)用三維線激光技術(shù)所得到的結(jié)果精度較好。

5 結(jié)束語

瀝青路面在長時(shí)間使用后易產(chǎn)生車轍病害，嚴(yán)重時(shí)易引發(fā)安全事故。本文探討三維線激光檢測技術(shù)在工程實(shí)例中的應(yīng)用情況，得知其檢測結(jié)果精度較高，且在實(shí)際應(yīng)用中有操作便捷的特點(diǎn)，有較顯著的應(yīng)用效果，可用于路面車轍的檢測工作。