基于光纖傳感的交通隧道內道路病害檢測方法

羅宗倫

（貴州橋梁建設集團有限責任公司,貴州 貴陽 558000）

0 引言

交通隧道在運營的過程中，由于地質環(huán)境緩變、環(huán)境溫濕度周期性變化、來往行駛車輛長期碾壓等因素，道路路面出現(xiàn)如坑洼、裂縫、凹陷等病害是難以避免的，如果不進行及時處理，會導致路面破損加劇，影響行車安全[1]。道路病害監(jiān)測一般采用人工現(xiàn)場巡檢方法，該方法存在成本高、效率低等不足之處。隨著城市的建設和發(fā)展，交通公路的里程不斷增長，人工現(xiàn)場巡檢方法已經(jīng)不能滿足當前道路病害檢測工作的要求，國內外研究者開始利用圖像處理技術進行道路病害數(shù)據(jù)的分析。當前基于圖像處理技術的道路病害檢測系統(tǒng)普遍面臨的瓶頸在于需要處理的數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)分析耗時較長。因此，道路病害檢測在大多數(shù)情況下仍然采用人工巡檢與圖像自動識別結合，甚至依賴人工現(xiàn)場巡檢的方式[2-5]。而對于隧道內的交通道路，由于隧道內光線昏暗，不同于常規(guī)場景，更增加了視頻圖像分析的難度?；谝陨峡紤]，該文利用分布式光纖傳感技術在交通公路隧道內構建振動探測網(wǎng)絡，通過在隧道路面下方布設振動傳感光纜，對車輛碾壓路面產(chǎn)生的振動進行采集和分析，評估車輛行駛振動信號是否存在異常，并對異常位置進行定位，作為交通隧道內道路病害的輔助判斷檢測方法。

1 數(shù)據(jù)分析

1.1 數(shù)據(jù)采集

選取一段實驗路段，將單模光纖作為振動傳感光纜，敷設于路面沿線下方，埋設方向與道路走向平行，將傳感光纜接入光纖振動傳感系統(tǒng)。在實驗路段選擇一處位置，人為制造一個凹陷坑，用以模擬道路病害情形，同時在另一處位置設置一個風機，模擬交通隧道內的機械運行振動干擾。實驗車輛反復行駛碾壓測試路段，光纖傳感系統(tǒng)采集車輛碾壓路面產(chǎn)生的振動信號，獲得振動信號時間—空間矩陣，數(shù)據(jù)采集步驟如下：

（1）在整條光纖鏈路上，按照光纖距離將探測區(qū)域劃分為多個相等長度的小段，每個小段作為一個監(jiān)測單元，將探測區(qū)域等間距劃分為多個探測單元，劃分間距為1 m。

（2）各個探測單元分別采集和存儲各自探測到的振動信號，采樣率400 Hz。

（3）在一段時間內，將光纖鏈路中空間連續(xù)的多個探測單元采集的振動信號進行拼接，即：矩陣每列為一個探測單元的采集數(shù)據(jù)，按照各個探測單元的空間順序，將每列數(shù)據(jù)進行拼接，得到這段時間內的全段振動信號矩陣，即得到光纖振動時間—空間數(shù)據(jù)圖像矩陣。這個圖像矩陣的橫軸表示距離，縱軸表示時間。

圖1為其中一組車行碾壓測試所得的光纖振動時間—空間數(shù)據(jù)矩陣三維圖像，數(shù)據(jù)時長為60 s。模擬道路病害情形的凹陷坑在約175 m的位置?？梢娷囁倩緸閯蛩傩旭?，在常規(guī)路面區(qū)域的信號振幅仍具有一定的波動性，鄰近信號之間的波動幅度處在一定的數(shù)值范圍之內。而當車輛碾壓經(jīng)過凹陷坑時，產(chǎn)生的振動信號相較于其鄰近探測單元，信號振幅數(shù)值出現(xiàn)較大的跳變。同時，在600 m位置，開啟風機，從圖中可見明顯的模擬機械振動干擾信號。

圖1 模擬測試車行信號時間—空間數(shù)據(jù)

1.2 頻譜對比

分別截取100 m位置和200 m位置的常規(guī)路面上車行碾壓振動信號，以及175 m位置的車輛碾壓凹陷坑產(chǎn)生的振動信號，進行頻譜分析和對比。如圖2（a）所示，100 m位置和200 m位置的常規(guī)路面車行信號，具有相似的頻譜，其頻譜主要集中在小于35 Hz范圍，如圖2（b）所示，175 m位置的車輛碾壓凹陷坑產(chǎn)生振動信號，其頻譜主要集中在1～80 Hz范圍，如圖2（c）所示，與常規(guī)路面車行信號的頻譜分布存在較為明顯的區(qū)別。

圖2 常規(guī)路面和凹陷坑車行信號頻譜對比

1.3 形態(tài)區(qū)分

考慮到交通公路隧道內可能存在的其他振動干擾，如風機運轉產(chǎn)生的噪聲、隧道內機電設備運轉產(chǎn)生的振動等。為了對車輛行駛信號進行正確有效地提取，需要先對光纖振動時間—空間數(shù)據(jù)圖像矩陣中的前景圖塊進行判斷，找到符合車行振動信號形態(tài)特征的圖塊，然后根據(jù)這些圖塊涵蓋的范圍，提取各探測點采集的原始信號中的車行振動信號片段。如圖3所示，觀察光纖振動時間—空間數(shù)據(jù)圖像中存在的多種激勵振動信號，風機運轉產(chǎn)生的噪聲和隧道內機電設備運轉產(chǎn)生的振動等干擾振動具有激勵位置固定的特點，在光纖振動時間—空間數(shù)據(jù)圖像中的形態(tài)為一條方向垂直的豎線，而車行信號由于車輛在隧道內基本以均勻速度行駛，在光纖振動時間—空間數(shù)據(jù)圖像中的形態(tài)為一條具有斜率的直線，基于以上分析，車行信號判斷方法如下：

（1）統(tǒng)計光纖振動時間—空間數(shù)據(jù)圖像矩陣的中位值作為分割閾值，對圖像矩陣進行二值化處理，提取前景部分。

（2）對前景部分做霍夫變換，查找并提取圖像中的直線區(qū)域。

（3）對前景部分做連通域分割，得到多個獨立的圖塊。

（4）根據(jù)圖像中直線的斜率，排除方向為垂直或水平的線段，對于余下的斜率符合條件的直線段，其所涵蓋的圖塊，認為是符合車行信號特征的激勵圖塊。在圖3中，繪制的直線段為找到的符合車行信號特征的信號，繪制的虛線段為應當排除的干擾信號，可見準確地找到了模擬機械干擾的位置。

圖3 車行信號和干擾信號判斷結果

1.4 算法設計

根據(jù)以上分析，通過對時域信號振幅的跳變點以及信號頻譜主頻變化的綜合分析，可以對道路病害進行判斷。設計道路病害判斷方法如下：

（1）已經(jīng)找出圖像中由斜線覆蓋的區(qū)域，認為是符合車行信號特征的激勵圖塊，分別對其涵蓋區(qū)域的振動信號進行提取。

（2）對于每一個符合車行信號特征的激勵圖塊，對于其中涵蓋的每一個探測單元，分別提取處于激勵信號圖塊中的原始振動數(shù)據(jù)片段。

（3）對提取的每一段車行振動數(shù)據(jù)做fft變換，得到對應的車行振動數(shù)據(jù)片段頻譜，同時查找這段車行振動數(shù)據(jù)的振幅絕對值的最大值，記為車行振動幅值。

（4）對于第三步中得到的一系列探測單元的多個頻譜，分別查找幅值最大值所對應的頻率，記為相應探測單元的主頻。

（5）對從同一激勵圖塊得到的主頻序列進行光滑樣條擬合，得到該激勵圖塊的主頻序列的包絡趨勢線。

（6）計算各個探測單元主頻與其對應位置包絡線數(shù)值的差值絕對值，再求得此差值絕對值序列的均值，再計算差值絕對值序列與其均值的比值，設置比值閾值為T1，查找是否存在比值超過閾值T1的探測單元。

（7）對于第三步中得到的一系列探測單元的多個車行振動幅值，也進行光滑樣條擬合，得到該激勵圖塊的車行振動幅值序列的包絡趨勢線。

（8）計算各個探測單元車行振動幅值與其對應位置包絡線數(shù)值的差值絕對值，再求得此差值絕對值序列的均值，再計算差值絕對值序列與其均值的比值，設置比值閾值為T2，查找是否存在比值超過閾值T2的探測單元。

（9）若存在主頻比值超過閾值T1，同時車行振動幅值比值超過閾值T2的探測單元，則其對應的異常分值自增1。

（10）當某探測單元的異常分值達到閾值T_score，則對應位置被認為存在道路病害的情況。

（11）對于判斷為存在道路病害的探測單元，系統(tǒng)發(fā)送對應位置的道路病害報警信息，同時將其位置信息推送給視頻聯(lián)動系統(tǒng)，進行圖像復核。

2 測試統(tǒng)計

該次實驗中，分別控制平均車速30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h，在實驗路段各自進行了50組車行碾壓凹陷坑測試，識別定位結果統(tǒng)計如表1所示。

表1 減速帶位置識別定位結果統(tǒng)計

由凹陷坑位置識別定位統(tǒng)計結果可知，在不同的平均車速下，算法對道路路面病害的識別率≥80%，定位偏差≤10 m。當平均車速為50 km/h，識別率可達92%。而其他無凹陷坑的位置，沒有出現(xiàn)誤識別情況。該文所提出的基于光纖振動傳感的道路病害輔助檢測方法，能夠有效識別和準確定位道路路面出現(xiàn)的坑洼凹陷等病害情況。

3 結束語

該文基于分布式光纖傳感系統(tǒng)構建隧道內的路面振動探測網(wǎng)絡，對車輛碾壓路面產(chǎn)生的振動進行采集和分析，評估車輛行駛振動信號是否存在異常，并對異常位置進行定位，作為對交通隧道內道路病害的輔助判斷檢測方法。通過分析比較平整路面的車行振動數(shù)據(jù)和病害位置的車行振動數(shù)據(jù)，針對病害位置振動信號出現(xiàn)的時域和頻域的異常突變進行算法設計，由模擬測試統(tǒng)計結果，該文提出的方法能夠準確檢測路面凹陷引起的異常振動，定位偏差≤10 m，能夠有效識別和準確定位道路病害情況，提供能夠針對具體位置的道路病害報警信息，作為圖像復核檢測的參考依據(jù)，極大地減少視頻圖像處理的計算量，有效提高交通隧道的道路運維管理水平。