公路瀝青路面檢測技術(shù)發(fā)展綜述

任傳亭， 任廣海， 李森哲

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067； 2.招商局公路信息技術(shù)(重慶)有限公司， 重慶 400067： 3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

我國高速公路建設(shè)始于20世紀(jì)80年代，截至2020年年底，高速公路里程161 000 km[1]，約76.7%的高速公路運(yùn)營時間超過5年，進(jìn)入養(yǎng)護(hù)維修高峰期[2]。如何準(zhǔn)確、高效地檢測與評價路面使用性能是路面質(zhì)量控制和路況評定的前提，也是路面養(yǎng)護(hù)維修決策的基礎(chǔ)和依據(jù)。

公路路面檢測技術(shù)的總體發(fā)展趨勢經(jīng)歷了3個階段：從傳統(tǒng)的人工檢測到半自動化檢測，再發(fā)展到無損自動檢測[3]，其主要檢測方法和特征如表1所示。

隨著工程信息技術(shù)的發(fā)展，智能化檢測逐步成為路面檢測的主要方式，當(dāng)今廣泛使用的無損智能檢測技術(shù)在多源傳感器的輔助下，能夠快速采集路面技術(shù)狀況信息，并初步給出評估結(jié)果，極大地提升了路面檢測效率。

1 路面損壞檢測技術(shù)

路面損壞檢測通常采用人工法和視頻法檢測路面裂縫、坑槽、擁包等表觀損壞，視頻法自動檢測識別路面損壞是未來研究的主要方向。路面三維激光可視化系統(tǒng)是用高能傳感器獲取路面的細(xì)微構(gòu)造，通過圖像識別算法來判斷路面損壞狀況。

1.1 圖像識別方法

路面破損圖像采集通過車載的高分辨率、超高幀率的拍攝設(shè)備獲取路面破損的數(shù)據(jù)情況，為后續(xù)的路面破損自動識別提供數(shù)據(jù)來源?，F(xiàn)階段較為常用的是面陣或線陣CCD采集數(shù)據(jù)，二者特點(diǎn)如表2所示。面陣CCD的數(shù)據(jù)形式是能夠表征路面尺寸的圖片，而線陣CCD的數(shù)據(jù)形式更為靈活，數(shù)據(jù)可實(shí)時處理，也可先存儲以便后期使用[4-5]。

表1 路面檢測方法

表2 路面數(shù)據(jù)采集方法

1.2 路面破損自動識別算法

自20世紀(jì)70年代以來，各種類型的路面裂縫自動識別算法被開發(fā)出來，路面破損自動識別技術(shù)得到了飛速發(fā)展，從空間域到頻域，結(jié)合數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)，從全局分析的角度優(yōu)化算法，同時結(jié)合模糊邏輯、小波變換、目標(biāo)優(yōu)化及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種理論和工具，路面破損自動識別算法取得了許多研究成果。

路面破損自動識別的大部分研究憑借路面二維圖像進(jìn)行裂縫識別(無法考慮路面立體特征)，考慮不同初始沉降下路表縱縫擴(kuò)展時程，主要包括如下幾大類：閾值分割算法，邊緣檢測算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，頻域識別算法，機(jī)器學(xué)習(xí)算法，紋理分析方法以及其他算法。采用三維圖像進(jìn)行裂縫識別是近年來的熱點(diǎn)，彭博等[6]通過構(gòu)建三維虛擬路面多角度投影下的4幅光強(qiáng)度圖像，采用并行框架設(shè)計(jì)算法，對路面三維特征裂縫進(jìn)行了識別試驗(yàn)和算法優(yōu)化，該成果提高了裂縫識別的召回率、完整性和穩(wěn)定性。

基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的路面損壞檢測基本實(shí)現(xiàn)了對路面破損的自動化檢測，極大降低了人工工作量，但是在面對復(fù)雜的交通狀況時，自動識別準(zhǔn)確度波動較大，路面損壞識別技術(shù)需進(jìn)一步研發(fā)。另外，檢測系統(tǒng)對軟硬件要求高，設(shè)備昂貴，阻礙了自動化檢測設(shè)備的推廣。

2 路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測技術(shù)

路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的檢測通常選用路面彎沉值作為評價指標(biāo)，路面彎沉是車輛荷載垂直作用于路面引起的豎向變形。路面彎沉檢測技術(shù)按照加載方式分為靜態(tài)測定和動態(tài)測定，且均已實(shí)現(xiàn)自動化檢測。

貝克曼梁法是一種規(guī)范化的靜態(tài)彎沉檢測方法，該方法操作簡單，應(yīng)用廣泛，我國路面設(shè)計(jì)與檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法及基本參數(shù)均是基于該試驗(yàn)方法，但該方法整個測試過程全是人工操作，測試結(jié)果受人為因素影響較大，且檢測效率較低。

自動彎沉儀也是目前應(yīng)用較多的檢測方法，其原理與貝克曼梁法相同，都是應(yīng)用簡單的杠桿原理。安裝有自動彎沉儀的檢測車工作時，按照規(guī)定的速度行駛，安裝在前后軸測定梁上的傳感器能夠?qū)⒈粰z測的彎沉數(shù)據(jù)記錄。

落錘式彎沉儀測試彎沉法是采用落錘式彎沉儀測試路表在沖擊荷載作用下產(chǎn)生的瞬時變形，即動態(tài)彎沉，以動態(tài)測定評價路面承載能力。JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中推薦使用落錘彎沉儀進(jìn)行路面強(qiáng)度的現(xiàn)場試驗(yàn)檢測，也是目前廣泛使用的路面強(qiáng)度檢測方法。

激光式高速路面彎沉測定儀是目前世界上最先進(jìn)的彎沉測試裝置，它在高速行駛過程中利用激光多普勒技術(shù)測試地面在荷載作用下的垂直下沉速度，再通過分析程序計(jì)算出最大彎沉值及彎沉盆數(shù)據(jù)，該類設(shè)備最早由丹麥GreenWood公司研發(fā)。目前，我國科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的激光式高速路面彎沉測定儀，并在國內(nèi)推廣使用。JTG 3450—2019《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》[8]已納入了高速激光彎沉儀檢測方法。

由于貝克曼梁、自動彎沉儀及落錘式彎沉儀檢測裝備一般檢測速度只有3 km/h～5 km/h，進(jìn)行全面、大規(guī)模的路面彎沉檢測存在一定的技術(shù)困難。

高速激光彎沉儀具有測量精度高、安全性好、檢測效率高等特點(diǎn)，且檢測結(jié)果與傳統(tǒng)方法相關(guān)性好，更適宜于大規(guī)模公路網(wǎng)快速路面檢測。隨著高速激光彎沉檢測技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外實(shí)際工程應(yīng)用也將越來越廣泛，但這種技術(shù)尚未完全成熟，理論體系和評價方法的研究深度與廣度有待進(jìn)一步推進(jìn)和創(chuàng)新[9]。

3 路面平整度檢測技術(shù)

平整度是評價路面施工質(zhì)量與服務(wù)水平的重要指標(biāo)之一，是以標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)間斷或連續(xù)量測路表面的凹凸情況的方法。車輛直接與路面面層接觸，不平整的表面將會增大行車阻力，使車輛產(chǎn)生附加振動效應(yīng)。這種振動效應(yīng)會造成行車顛簸，影響行車的速度、安全、舒適，同時會加劇路面及機(jī)車的損壞。

3.1 平整度檢測方法

平整度的測試系統(tǒng)分為斷面類及反應(yīng)類。斷面類測試系統(tǒng)實(shí)際上是測定路面縱向斷面高程值，如最常用的3 m直尺、連續(xù)式平整度儀、激光斷面測試儀等。反應(yīng)類測試系統(tǒng)是通過測試車在路面上通行時車軸與車身之間的垂直位移或車身的加速度作為其對路面不平整度的反應(yīng)值，其測試結(jié)果與測試車的動態(tài)性能有關(guān)，因而具有時間不穩(wěn)定、不易于轉(zhuǎn)換等特征。如今平整度檢測基本實(shí)現(xiàn)自動化測試，常用的平整度測試方法如表3所示。

表3 平整度檢測方法

3.2 平整度指標(biāo)間相互關(guān)系

1) 國際平整度指數(shù)

平整度測定的方法和儀器很多，獲取的指標(biāo)也各不相同。為使采用不同的方法和儀器測定的結(jié)果可相互比較，需尋求一個標(biāo)準(zhǔn)的(或通用的)平整度指標(biāo)。為解決這個問題，世界銀行于1982年組織國際研究小組，在大規(guī)模路面平整度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出將國際平整度指數(shù)IRI作為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化的平整度指標(biāo)[10]。它與反應(yīng)類平整度測定系統(tǒng)類似，但采用數(shù)學(xué)模型模擬1/4車輪(即單輪，類似于拖車)以規(guī)定速度行駛在路面上，從而分析行駛距離內(nèi)動態(tài)反應(yīng)懸掛系的累計(jì)豎向位移量。

2) 各平整度指標(biāo)與IRI換算

世界上大部分國家采用IRI作為瀝青路面平整度規(guī)范指標(biāo)，將IRI運(yùn)用于路況評定是路面平整度的發(fā)展趨勢[11]。JTG 5210—2018《公路技術(shù)狀況評價標(biāo)準(zhǔn)》[12]中規(guī)定，路面平整度檢測指標(biāo)應(yīng)為國際平整度指數(shù)IRI。為使不同平整度儀的測試結(jié)果統(tǒng)一到IRI上來，通過相關(guān)性試驗(yàn)確定標(biāo)定路段IRI值及其他相應(yīng)平整度儀的測試值，并將二者測試值進(jìn)行回歸分析，建立相應(yīng)線性關(guān)系，從而換算成IRI值來評價路面的平整度。

4 抗滑性檢測技術(shù)

路面抗滑性能是指車輛輪胎受到制動時沿表面滑移所產(chǎn)生的力。通常，抗滑性能被看作是路面的表面特征，并用輪胎與路面間的摩阻系數(shù)來表示，抗滑性能檢測方法有制動距離法、偏轉(zhuǎn)輪拖車法、擺式儀法、構(gòu)造深度測試法。各種檢測方法的特點(diǎn)和測試指標(biāo)如表4所示。

動態(tài)旋轉(zhuǎn)式摩擦系數(shù)測試儀(簡稱DF儀)測試路面的摩擦系數(shù)，在美國、日本有所應(yīng)用，但目前在國內(nèi)的使用單位一直不多，該方法有待進(jìn)一步推廣。

實(shí)際上瀝青路面的抗滑性能與混合料表面的凹凸分布有著密切的關(guān)系，通過對微觀結(jié)構(gòu)的研究就可定量評價路面的抗滑性能，一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)和模型研究。黃寶濤等[13]用離散型外露尺寸函數(shù)研究了瀝青路面微觀凹凸隨機(jī)分布特性，建立了瀝青路面微觀結(jié)構(gòu)和路面抗滑性能之間的關(guān)系。童申家等[14]基于變異函數(shù)理論，通過分析路面紋理分形特性，建立路面紋理分形維數(shù)和集料粒徑分布分形維數(shù)之間的關(guān)系，提出了以路面紋理分形維數(shù)作為瀝青路面抗滑性能評價指標(biāo)。

表4 路面抗滑性能檢測方法

鑒于抗滑性能測試設(shè)備和方法的多樣性，不同設(shè)備測試結(jié)果之間轉(zhuǎn)換性較差，且沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，致使對同一路段很難得到相同的評價結(jié)果。因此，未來路面抗滑性能檢測和評價將向更加精確化和統(tǒng)一化方向發(fā)展。

5 路面車轍檢測技術(shù)

瀝青路面車轍是指路面經(jīng)汽車反復(fù)行駛產(chǎn)生流動變形、磨損、沉陷后，在車行道軌跡上產(chǎn)生的縱向帶狀轍槽。車轍嚴(yán)重路段不僅影響行車安全性、舒適性，還將使路面產(chǎn)生積水，加速路面的破壞。因此，車轍是瀝青路面使用性能評價指標(biāo)，也是瀝青路面養(yǎng)護(hù)決策的依據(jù)。

常用的瀝青路面車轍測試方法有橫斷面尺法、激光車轍儀測試方法。目前國內(nèi)自動化車轍儀主要包括點(diǎn)激光車轍儀和線激光車轍儀，高速公路、一級公路車轍應(yīng)采用自動化車轍儀檢測。

郎洪等[15]從激光車轍檢測技術(shù)中車轍深度異常及橫斷面數(shù)據(jù)不完整的問題入手，基于高精度三維高程數(shù)據(jù)，通過包絡(luò)線算法，提取瀝青路面橫斷面高程輪廓線，完成車轍深度的自動測量。所提方法不僅能高效地提取車轍深度，還能準(zhǔn)確地檢測造成車轍檢測異常的其他病害。

任瑞波等[16]運(yùn)用Sigmoid函數(shù)工具優(yōu)化了RDI評價模型，通過規(guī)定的臨界車轍深度，將車轍病害等級化，對現(xiàn)有的車轍深度指數(shù)評價模型的改進(jìn)具有指導(dǎo)意義，同時提出新的評價指標(biāo)車轍槽深度、寬度、車轍槽曲率半徑等對車轍進(jìn)行綜合評價，彌補(bǔ)了現(xiàn)有評價指標(biāo)和模型的缺陷。

綜上所述，路面車轍檢測技術(shù)借助于激光傳感器和數(shù)字圖形處理方法實(shí)現(xiàn)了自動化檢測，如何正確、高效處理大量車轍斷面數(shù)據(jù)是今后研究重點(diǎn)。

6 結(jié)束語

1) 當(dāng)前，我國瀝青路面技術(shù)狀況檢測大都實(shí)現(xiàn)了自動化檢測，路面檢測更加高效、信息更加豐富，提高檢測成果精度仍是今后研究方向和重點(diǎn)。

2) 激光測量儀器在路面檢測中廣泛應(yīng)用，該設(shè)備有著精度高、效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是未來路面檢測主要儀器。但是，激光測量設(shè)備昂貴，路面三維掃描檢測仍是成本高，未來如何降低掃描成本，同時保證所需精度，是未來需要研究的問題，也是激光測量儀器推廣的關(guān)鍵。

3) 開發(fā)適合各種環(huán)境路況下的路面檢測設(shè)備和數(shù)據(jù)處理方法，仍是實(shí)現(xiàn)路面檢測高效化與智能化發(fā)展的重點(diǎn)。

4) 規(guī)范路面檢測結(jié)果指標(biāo)，建立通用接口的數(shù)據(jù)共享平臺，最終實(shí)現(xiàn)公路瀝青路面智能管養(yǎng)是未來發(fā)展方向。