基于人工智能算法的路面三維檢測技術(shù)與前沿應(yīng)用

文 同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 郎洪 圖 新疆維吾爾自治區(qū)交通運(yùn)輸廳

瀝青路面和水泥混凝土路面損壞機(jī)理復(fù)雜，形態(tài)多樣，準(zhǔn)確高效的路面損壞檢測是必要且必須的。

瀝青路面和水泥混凝土路面損壞機(jī)理復(fù)雜，形態(tài)多樣，準(zhǔn)確高效的路面損壞檢測是必要且必須的?；谌斯ぶ悄芩惴ǖ穆访嫒S檢測技術(shù)利用三維激光成像，獲得高分辨率的路面三維圖像，能實(shí)現(xiàn)快速全自動的路面損壞檢測分析。同時，利用路面大數(shù)據(jù)預(yù)測也可以評估預(yù)防資產(chǎn)狀態(tài)，指導(dǎo)工程建設(shè)和經(jīng)營決策，設(shè)計更科學(xué)全面的解決方案。

路面損壞檢測技術(shù)背景

近年來，我國公路交通已進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行階段，公路事業(yè)發(fā)展重點(diǎn)轉(zhuǎn)向養(yǎng)護(hù)與管理。截至2020年，我國公路養(yǎng)護(hù)總里程為514.4萬公里，占公路總里程的99%。

同時，公路的養(yǎng)護(hù)與管理也面臨著新的形式與挑戰(zhàn)。公路交通流量特別是重載交通量的持續(xù)快速增長，公路將面臨集中大修和改造的壓力，養(yǎng)護(hù)任務(wù)較為艱巨。為進(jìn)一步加強(qiáng)和規(guī)范公路的養(yǎng)護(hù)與管理，提高養(yǎng)護(hù)質(zhì)量和效益，交通運(yùn)輸部于2021年1月印發(fā)了《公路養(yǎng)護(hù)工程管理辦法》。

5G基建、城際鐵路、新能源充電樁、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)……新基建浪潮已然到來，交通強(qiáng)國建設(shè)和數(shù)字化改革進(jìn)入到了白熱化階段?！?G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+智能化”賦能制造業(yè)發(fā)展，以人工智能為核心的新基建將成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展新燃料。公路的養(yǎng)護(hù)與管理模式正向精細(xì)化、信息化、自動化和智能化發(fā)展。

目前，路面損壞造成了種種問題——路面老化加速，使用壽命縮短；路面抗滑能力下降，不適應(yīng)公路設(shè)計的行車時速，產(chǎn)生安全隱患，可能導(dǎo)致車輛失控；行車舒適感大幅降低，汽車磨損增大。

如何開展長期的交通基礎(chǔ)設(shè)施巡查和監(jiān)測，自動化采集設(shè)施服役性能數(shù)據(jù)，智能分析病害，科學(xué)評估設(shè)施技術(shù)狀況并制定經(jīng)濟(jì)合理的養(yǎng)護(hù)方案是養(yǎng)護(hù)管理中亟需解決的問題。

路面損壞檢測技術(shù)

路面損壞檢測技術(shù)經(jīng)歷了從人工檢測到二維檢測再到三維檢測的演變。人工檢測包括步行人眼觀察法和坐車錄像屏幕測讀法，存在安全性差、效率低和影響正常交通等缺點(diǎn)，不適用于大規(guī)模路面檢測；基于二維檢測的線陣掃描技術(shù)和面陣掃描技術(shù)，容易受到路面油污、陰影及材料等因素的干擾，需要大量人工干預(yù)；基于三維檢測的三維結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)、雙目視覺立體成像技術(shù)和三維激光掃描儀技術(shù)正不斷成熟，擁有效率高，可靠性和魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。

三維結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)

光條投射到被測路面，由于破損與路面表面存在高度差，光條在病害處會發(fā)生形變，3D相機(jī)捕獲感興趣區(qū)域，對變形光條圖像，獲得被測路面輪廓，從而提取破損信息。

激光（雷達(dá)）掃描儀技術(shù)

三維激光掃描儀采用非接觸式主動測量方式，利用脈沖測距法計算點(diǎn)的三維坐標(biāo)，以點(diǎn)云的形式獲得復(fù)雜物體表面的三維高程數(shù)據(jù)。

雙目視覺立體成像技術(shù)

基于視覺原理并利用成像設(shè)備從不同位置獲取被測物體的兩幅圖像，通過計算圖像對應(yīng)點(diǎn)間的位置偏差，來獲取物體三維幾何信息的方法。

二維檢測技術(shù)與三維檢測技術(shù)的性能對比

路面損壞三維檢測涉及三維圖像路面檢測技術(shù)，即采用三維激光成像技術(shù)，獲得路面高分辨率三維圖像，實(shí)現(xiàn)快速、全自動路面破損檢測和分析。目前主要的技術(shù)難題是1毫米激光高速掃描、海量數(shù)據(jù)存儲及處理及各類病害的特征提取等。

路面損壞三維檢測系統(tǒng)是應(yīng)用線激光三維成像原理自動檢測和評定路面損壞類型和嚴(yán)重程度的設(shè)備，可自動計算裂縫率（CR）、路面破損率（DR）和路面損壞狀況指數(shù)（PCI），主要由線激光發(fā)生器、高速高分辨率三維相機(jī)、縱向距離傳感器、計算機(jī)處理系統(tǒng)等部分組成。

路面裂縫本質(zhì)上是一個三維結(jié)構(gòu)，因此就判斷成因和確定位置來說，三維成像是特征損失最小的方法。三維路面成像技術(shù)主要涉及三維結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)、激光（雷達(dá)）掃描儀技術(shù)和雙目視覺立體成像技術(shù)。

三維結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)支持行駛速度在低速和高速情況下采集和處理路面狀況；激光掃描儀技術(shù)支持在低速時跟蹤捕獲路面狀態(tài)信息；雙目視覺立體成像技術(shù)對算法的要求極高，室外檢測精度仍待驗(yàn)證和提高。目前，路面三維圖像檢測技術(shù)中，市場上普遍采用的是三維結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)。

我國三維路面破損檢測系統(tǒng)主要有車載式路面破損三維檢測系統(tǒng)、道路三維快速巡檢裝備（RFIS）、三維路面損壞檢測系統(tǒng)（T系列）、路面狀況激光三維智能檢測車、ZOYON-RTM智能道路檢測系統(tǒng)、道路綜合檢測系統(tǒng)ACTS、三維智能路面檢測系統(tǒng)等。

根據(jù)車載式路面損壞三維檢測系統(tǒng)的技術(shù)性能和應(yīng)用場景的需要，設(shè)備可分為Ⅰ級和Ⅱ級，I級系統(tǒng)和II級系統(tǒng)主要的差異在于檢測性能和相應(yīng)的系統(tǒng)硬件及軟件的配置。

路面損壞人工智能檢測技術(shù)

人工智能（Artificial Intelligence）是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新技術(shù)科學(xué)。人工智能領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理及專家系統(tǒng)等。

發(fā)展至今，深度學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)、聯(lián)邦學(xué)習(xí)、自然語言理解和生成、知識圖譜、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、對抗學(xué)習(xí)等成為人工智能的熱門研究分支。

自2013年開始，人工智能領(lǐng)域有關(guān)深度學(xué)習(xí)的研究呈井噴式發(fā)展，一躍成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。近年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像分割和圖像處理成為路面病害檢測領(lǐng)域的三大研究熱點(diǎn)。隨著計算機(jī)運(yùn)算性能和算力的提升，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)憑借在圖像處理方面的技術(shù)優(yōu)越性，在路面檢測研究中的應(yīng)用日趨廣泛。

基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)的路面檢測技術(shù)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

大量的人工神經(jīng)元聯(lián)結(jié)進(jìn)行計算，在路面病害信息的基礎(chǔ)上自適應(yīng)的改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對病害進(jìn)行檢測。

AdaBoost分類器

在每一輪中加入一個新的弱分類器，直到達(dá)到某個預(yù)定的足夠小的錯誤率。通過這樣的方式，AdaBoost方法能聚焦于那些更富信息的病害上。

高斯混合模型

使用EM算法在病害數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練高斯混合模型，把參數(shù)保持恒定，為每個可能的病害計算新圖像的概率。

基于深度學(xué)習(xí)的路面檢測技術(shù)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

由多個卷積層和頂端的全連接層組成，人工神經(jīng)元響應(yīng)一部分覆蓋范圍內(nèi)的周圍單元，同時包括關(guān)聯(lián)權(quán)重和池化層。能夠利用輸入數(shù)據(jù)的二維和三維結(jié)構(gòu)，需要考量的參數(shù)更少，檢測病害更準(zhǔn)確。

全卷積網(wǎng)絡(luò)

減少了卷積網(wǎng)絡(luò)中的全連接層，使其可以適應(yīng)不同病害的不同尺寸，例如不同大小的裂縫。

多層特征網(wǎng)絡(luò)

以特征金字塔的方式把上下文信息集成到低級特征中以進(jìn)行病害檢測，平衡不同圖像對破損造成的影響。

路面養(yǎng)護(hù)決策技術(shù)

氧化和光照作用造成的瀝青老化，行車、空隙、損壞造成的路面滲水等都會導(dǎo)致路面使用性能衰退。為科學(xué)合理地養(yǎng)護(hù)和管理公路，實(shí)現(xiàn)全生命周期的養(yǎng)護(hù)規(guī)劃與決策，我國在21世紀(jì)初開始引入路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)理念和技術(shù)。

路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是指在不增加路面結(jié)構(gòu)承載力的前提下，對結(jié)構(gòu)完好的路面或附屬設(shè)施有計劃地采取某種具有費(fèi)用效益的措施，以達(dá)到保養(yǎng)路面系統(tǒng)、延緩損壞、保持或改進(jìn)路面功能狀況的目的。

傳統(tǒng)被動養(yǎng)護(hù)或者反應(yīng)性養(yǎng)護(hù)存在不能緩解養(yǎng)護(hù)任務(wù)加重的壓力，不能適應(yīng)適應(yīng)路面交通荷載重型化，不能縮小養(yǎng)護(hù)資金投入與需求的差距，對降低交通干擾和滿足用戶要求不足等問題。

效益費(fèi)用法可作為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)最佳時機(jī)的確定方法，通常選取效益費(fèi)用比最大的時間作為最佳養(yǎng)護(hù)時機(jī)。效益的確定方式有單個指標(biāo)確定和多個指標(biāo)確定兩種方式，使用的指標(biāo)分為減小型效益指標(biāo)（PCI、PSSI、RQI等）和增加型效益指標(biāo)（IRI等）。使用多個指標(biāo)確定方式時，需要考慮各個路面狀況指標(biāo)的權(quán)重。

路面狀況指標(biāo)可用于路面狀況的評價和路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)效益的計算?；谌斯ぶ悄芎腿S檢測技術(shù)的路面巡檢及定檢技術(shù)的發(fā)展不僅大幅度地提升檢測效率，還可獲取路面病害的長度、寬度及深度等幾何參數(shù)。我國和國外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的很多指標(biāo)是基于病害的二維特征評價路面狀況，例如路面損壞狀況指數(shù)（PCI）。建立融合深度信息的體系依然十分困難，但環(huán)境、路面、地下全息感知融合的發(fā)展必將成為大勢所趨。

基于目前二維破損檢測技術(shù)僅可提供破損面積、長度和寬度的信息，缺乏破損深度信息，無法客觀評價破損的“惡性程度”，三維破損檢測技術(shù)可在某種程度上提供破損“深度信息”，有助于評價破損的“惡性程度”，可為養(yǎng)護(hù)決策提供新的思維“維度”。

三維檢測技術(shù)通過5G、高精度北斗定位、距離測量裝置、激光傳感器、三維相機(jī)等技術(shù)裝置的組合應(yīng)用，三維結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、人工智能技術(shù)的交叉應(yīng)用，具備了解決傳統(tǒng)和二維路面檢測技術(shù)缺陷的可行性，既保證了安全，又大大提高了工作效率。

基于人工智能和三維檢測技術(shù)建立適用于瀝青路面和水泥混凝土路面等不同道路路面，不同檢測需求（定期檢測、快速巡檢等），不同道路類型（高速公路、國省干線、農(nóng)村公路、城市道路等）的路面數(shù)字化檢測系統(tǒng)是未來科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展的主要方向。

未來，開發(fā)一套系統(tǒng)化的路面病害檢測和養(yǎng)護(hù)決策的計算機(jī)輔助系統(tǒng)，能夠覆蓋路面外業(yè)病害信息采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理、路面狀況分析與評價、路面養(yǎng)護(hù)決策、路面狀況預(yù)測的全部過程，可以大大提高養(yǎng)護(hù)設(shè)計的效率，明顯改善養(yǎng)護(hù)決策的科學(xué)性，更好地為養(yǎng)護(hù)工作服務(wù)。