高速公路路面車轍三維線激光技術(shù)的應(yīng)用分析

文/饒明超、辛鳴

1 前言

對于高速公路路面工程而言，在車輛長期運行之下會產(chǎn)生荷載，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)車轍問題，嚴重影響到車輛通行的舒適性以及安全性。由于路面車轍形成的因素較多，不僅有材料強度因素,同時也有車載因素以及環(huán)境因素。不同的影響因素產(chǎn)生的車載類型是存在差異性的，所以在路面車轍處理環(huán)節(jié)，就需要采用三維線激光技術(shù)對車轍的形式進行測定，以判斷車轍形成的主要原因，以便按照檢測結(jié)果采取有效的修補措施。

2 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，照相機則協(xié)同運行，以確定被測路面上產(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，照相機是CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）照相機。在檢測環(huán)節(jié)當(dāng)中，通過激光的作用能夠全面地照射路面結(jié)構(gòu)，使其處于待測定區(qū)域，可以按照光纖的情況進行改變，能呈現(xiàn)變形的情況。并且在數(shù)據(jù)處理時，可以通過軟件對平整度的情況進行計算；此外CCD 系統(tǒng)還能全面地記錄三維圖像參數(shù)，在經(jīng)過系統(tǒng)處理以后能夠編程二維條紋圖像，且通過光條中心線提取以后，按照信息參數(shù)值構(gòu)建出車轍的變形曲線，能夠快速、準(zhǔn)確地反應(yīng)出車轍的深度（圖1）。

圖1 深度情況分析

在圖1中，a 表示激光器和路表交點的透鏡距離（m）；b 表示透鏡到感光面（CCD）的距離（m）；θ 表示路表面法線和像鏡頭的角度（°）；h'表示位移（m），按照圖1的幾個關(guān)系系數(shù)，對于車轍的深度可以按照以下公式計算:

3 LMI 三維線激光檢測系統(tǒng)

對于三維線激光檢測技術(shù)而言，其主要包括檢測系統(tǒng)以及監(jiān)測設(shè)備，由于對檢測技術(shù)的要求較高，因此對LMI 三維線激光檢測系統(tǒng)內(nèi)容進行以下分析。

3.1 系統(tǒng)組成

在公路路面車轍檢測工作開展中，三維線激光檢測系數(shù)屬于一種全新的檢測手段。該系統(tǒng)功能豐富，具備很強的操作性，然而采購成本相對比較高。當(dāng)前在我國建設(shè)領(lǐng)域中應(yīng)用不夠廣泛。但是在新時期背景下，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，LMI 公司在總結(jié)科學(xué)技術(shù)經(jīng)驗之下推出的三維線激光檢測系統(tǒng)具備一定的突破性，該操作系統(tǒng)性能好、成本低，當(dāng)前在我國建設(shè)市場中反響效果很好。LMI 三維智能傳感器主要分為兩種方式：Gocator2000 系列和Gocator2300。這兩種檢測系統(tǒng)的掃描費用非常高，能夠在車輛行駛的狀態(tài)下調(diào)節(jié)掃描功能，實現(xiàn)精確的數(shù)據(jù)捕捉，能夠減少光照影響帶來的不穩(wěn)定因素，此類技術(shù)具備以下特征。

傳感器功能強大，能夠進行激光測量以及數(shù)據(jù)快速處理，且在確定被測物的輪廓以后，可以構(gòu)建出三維坐標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)獨立高效運行，不需要借助其他的硬件支持；同時，該系統(tǒng)還配置有軟件能夠與傳感器相對接，可快速處理數(shù)據(jù)[2]。

3.2 實際應(yīng)用

以某高速公路路面車轍檢測中應(yīng)用三維線激光技術(shù)檢測為案例進行分析，在檢測工作開展中，傳感器裝置是非常重要的一項設(shè)備，所以需要做好相關(guān)的配置；針對檢測儀器掃描頻率設(shè)為700Hz，正常條件下每秒可以掃描700 個的圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)本次案例的要求，選擇規(guī)格為300mm×300mm×60mm 的瀝青車轍板，進行路面的測量。測量數(shù)據(jù)精度為0.1mm，主要的設(shè)備為游標(biāo)卡尺，使其能夠?qū)囖H的深度進行測定，且在測定環(huán)節(jié)考慮到車轍位置對涉及平均參數(shù)進行計算，得出最終結(jié)論。從槽底的實際情況分析，其平整性較好，按照目前激光數(shù)據(jù)的要求，整理后獲得平均值參數(shù)，然后計算確定車轍深度值[3]。根據(jù)試驗參數(shù)結(jié)論分析，對檢測設(shè)備的運行參數(shù)進行合理設(shè)計，在具體設(shè)計中曝光值與假設(shè)高度以及檢測寬度參數(shù)分別為1200μs、1.4m、1400mm。

4 工程實踐

4.1 工程概況

某公路項目工程全長為31km，車輛行駛速度為100km/h，寬度為24.5m。該線路工程在長時間的投入使用后出現(xiàn)了車轍問題以及路面脫空等問題。因此，為了全面了解路面病害問題的程度，從而按照病發(fā)機理進行處理。本項目主要以隨機抽樣檢測的方式，對車轍的深度進行了檢測，計算確定平均值，然后明確真實參數(shù)，再使用LMI 三維線激光檢測系統(tǒng)采集確定車轍深度數(shù)據(jù)，連續(xù)采集4 次參數(shù)，得到平均值，最終可以獲取最終結(jié)果。

4.2 不同速度下試驗

本次研究主要是進行平整度參數(shù)的測量，得到的數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性。由于城市內(nèi)部交通通行量較少（通常在70km/h 以下），為了真實模擬城市道路運行實際情況，選擇其中兩個路段，每個路段有100m長，每個路段有10 次檢測。在路段1 中檢測10 次，在路段2 進行10 次檢測，測得的IRI 值分析之后發(fā)現(xiàn)，不管是路段1 還是路段2，每次檢測速度都和勻速相差不大。在路段2 中，速度是比較平均的，為55km/h，而路段1 除了第2 次行駛在27km/h 左右，其他9 次都是勻速，56km/h。從測量結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在路段1 第2 次檢測中，得到IRI 值與平均值相似，這就表示不足30km/h 速度時所得到的檢測值與中高速獲取的數(shù)值有很大的差距。

4.3 檢測結(jié)果

在檢測的過程中采取上述的方法，選擇人工測量以及系統(tǒng)測量的方式進行，對兩者的測量有效值進行比較，具體結(jié)果見表1。

表1 車轍測量值與人工測量真實值的對比結(jié)果

從上述測量內(nèi)容分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過4 次測量之后所產(chǎn)生的絕對誤差為0.1～0.8mm，誤差不會超過2%。根據(jù)檢測偏差參數(shù)對比分析，符合不足5% 的標(biāo)準(zhǔn)。因此，這種情況下應(yīng)用的三維激光設(shè)備運行條件良好，測量精度較高。按照獲取的結(jié)果對設(shè)計的參數(shù)進行分析，在觀察y 值與X 值后創(chuàng)建指標(biāo)的線性回歸方程y=1.1594x ? 2.0749，而后通過方程套用可確定測量值。本次計算數(shù)據(jù)為0.9783，達到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5 三維線激光技術(shù)應(yīng)用的影響因素分析

通過以上系數(shù)分析可知，比較測量值和平整度的等級是存在差異性的兩者參數(shù)并不是完全重合的狀態(tài)。通過對表面激光數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和差異性分析之后，可推測出影響三維線激光技術(shù)的影響因素有色彩、構(gòu)造深度等方面的影響。

5.1 色彩的影響

瀝青路面結(jié)構(gòu)是我國公路工程的主要形式，瀝青整體顏色均以黑色為主，并且路面中還設(shè)置了白色與黃色的標(biāo)線。由于存在這種特點在進行相關(guān)檢測時，就會受到路面反射顏色影響導(dǎo)致效果變差，隨著顏色變化系數(shù)的不斷增加，精確性就愈發(fā)不準(zhǔn)確。對于不同類型的顏色來說產(chǎn)生的影響是不同的，一般而言其具體影響大小以黑色最明顯，其次是黃色，再次是白色。因而在三維激光技術(shù)應(yīng)用時，需要對顏色誤差引起的偏差問題進行考慮，并且針對特定工程需要進行多次檢測，在平均檢測數(shù)據(jù)結(jié)果基礎(chǔ)上選擇最接近的參數(shù)作為參考值。

5.2 構(gòu)造深度的影響

在應(yīng)用該技術(shù)時，受到材料粒徑以及外界因素的影響，性能會出現(xiàn)一定差異，導(dǎo)致檢測的效果不夠真實。其次，在三維線激光檢測技術(shù)應(yīng)用時，需要綜合考慮路面結(jié)構(gòu)層的平整度，選擇一些路段工況較好的路段作為試驗路段，在此路段試驗檢測以后掌握相關(guān)試驗參數(shù)的同時再進行整體工程的檢測，如此才能保證三維線激光檢測的參數(shù)滿足實際需求。

6 結(jié)語

瀝青路面經(jīng)過長期運營后，極易產(chǎn)生車轍的問題，導(dǎo)致安全性事故的發(fā)生。本文以實際案例分析確定三維線激光檢測技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)精度很高且操作非常方便，可以促進總體應(yīng)用效果的提升，準(zhǔn)確地掌握車轍的情況，為瀝青路面的質(zhì)量管理水平的提升起到積極的作用。