“感-算-融-判” 精準(zhǔn)體檢 智能決策

文/ 供圖 | 長安大學(xué) 汪海年

“道路材料-結(jié)構(gòu)-性能多源協(xié)同檢測與智能研判技術(shù)及裝備”項(xiàng)目研究，創(chuàng)建了道路基礎(chǔ)材料性能精細(xì)化表征和控制體系，自主研發(fā)了高頻率、高精度、大幅寬路表狀態(tài)三維動態(tài)檢測裝備，研制了可變荷載激光動態(tài)彎沉高速檢測裝備和道路結(jié)構(gòu)空洞聲效檢測裝備，形成了道路內(nèi)外病害協(xié)同診斷和全壽命周期維養(yǎng)決策技術(shù)。研究成果總體上達(dá)到國際先進(jìn)水平，在集料形態(tài)精細(xì)表征與質(zhì)量控制、道路結(jié)構(gòu)及隱性病害檢測等方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平，有效提升了道路服役狀態(tài)識別效率和養(yǎng)護(hù)決策智能化水平。

當(dāng)前，我國正從公路建設(shè)的高峰期快速進(jìn)入以養(yǎng)護(hù)和維修為主的新階段，公路管理部門將長期面臨艱巨的養(yǎng)護(hù)管理任務(wù)。全面準(zhǔn)確、快速可靠地掌握道路服役性能狀態(tài)，不僅直接影響行車的舒適性和安全性，更是科學(xué)養(yǎng)護(hù)管理決策的關(guān)鍵一環(huán)。目前，道路服役狀態(tài)評估和預(yù)測主要基于破損、車轍、平整度等獨(dú)立技術(shù)狀況指標(biāo)。然而，在長期的工程實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，分析單一檢測數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確反映道路在荷載和環(huán)境作用下的服役狀態(tài)衰變規(guī)律，難以科學(xué)建立病害成因或?qū)游恢g相互關(guān)系，導(dǎo)致難以精準(zhǔn)、全面地評價(jià)道路狀況，使得養(yǎng)護(hù)決策過程中存在很大的局限性。

“道路材料-結(jié)構(gòu)-性能多源協(xié)同檢測與智能研判技術(shù)及裝備”項(xiàng)目，歷經(jīng)12年科研攻關(guān)和工程驗(yàn)證，從道路基礎(chǔ)材料精細(xì)表征與質(zhì)量控制、道路表面功能狀態(tài)高效辨識及裝備研發(fā)、道路內(nèi)部隱性病害精準(zhǔn)診斷及裝備研發(fā)、道路運(yùn)維養(yǎng)護(hù)決策智能支持及平臺開發(fā)四個方面開展了全鏈條研究，取得了一系列新理論、新技術(shù)和具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新裝備等系統(tǒng)性研究成果。

道路“材料-結(jié)構(gòu)-性能”多源協(xié)同檢測與智能研判體系

該項(xiàng)目成果獲省部級科學(xué)技術(shù)獎一等獎1項(xiàng)；授權(quán)國際專利1項(xiàng)、國家發(fā)明專利31項(xiàng)，實(shí)用新型專利26項(xiàng)，軟件著作權(quán)8部；發(fā)表高水平科技論文92篇，出版專著兩部，主/參編包括交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《車載式路面損壞視頻檢測系統(tǒng)》（JT/T 678-2019）在內(nèi)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)6部。成果在全國20多個省份及部分海外國家的實(shí)體工程中得到成功應(yīng)用，自主研發(fā)的路面三維檢測裝備連續(xù)3年參與16個省份的國檢，同時在加拿大安大略省完成近500公里的道路檢測。

該項(xiàng)目成果系統(tǒng)解決了道路基礎(chǔ)材料性能表征及質(zhì)量控制水平不高、服役狀態(tài)識別精度及效率不足和運(yùn)維養(yǎng)護(hù)決策智能化水平不高3個關(guān)鍵難題，自主研發(fā)了多套自動化檢測裝備與智能化分析軟件，有力促進(jìn)了道路養(yǎng)護(hù)行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，對保障在役道路基礎(chǔ)設(shè)施服役可靠性、耐久性和安全性具有重要意義。

/ 材料性能精細(xì)表征與質(zhì)量控制/

集料形態(tài)多維表征 實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)材料質(zhì)量控制

項(xiàng)目構(gòu)建了基于二維形態(tài)掃描與3DXCT技術(shù)聯(lián)合的集料形態(tài)多維度特征檢測與評價(jià)體系，為集料形態(tài)定量評價(jià)與質(zhì)量控制提供理論依據(jù)；提出了集料三維形態(tài)特征評價(jià)方法，可準(zhǔn)確獲取集料的形狀、棱角、表面紋理等參數(shù)，對集料三維特征進(jìn)行全面、準(zhǔn)確表征，結(jié)果穩(wěn)定性和有效性提升50%；自主研發(fā)了集料三維形態(tài)特征檢測與分析系統(tǒng)，測試結(jié)果穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高、速度快，可實(shí)現(xiàn)大批量集料形態(tài)評價(jià)與優(yōu)選，有效控制工程質(zhì)量。

基于激光和機(jī)器視覺的集料三維形態(tài)表征設(shè)備

瀝青性能多尺度分析 探索基本組分影響機(jī)理

項(xiàng)目提出了基于瀝青四組分拓展的“六分子”動力學(xué)模型構(gòu)建方法及多尺度性能追溯技術(shù)，有效提升了分子動力學(xué)模擬精度，瀝青材料性能追溯準(zhǔn)確性提升了17%；通過核磁共振、紅外光譜、凝膠色譜、元素分析等多源檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了瀝青材料組分分離、平均分子結(jié)構(gòu)計(jì)算、瀝青分子模型構(gòu)建等；基于布朗-拉德納法則計(jì)算出各個組分平均分子結(jié)構(gòu)的組成參數(shù)，構(gòu)建了各個組分的平均分子結(jié)構(gòu)；通過分子動力學(xué)模擬，從微觀性能視角表征瀝青材料密度、內(nèi)聚能、擴(kuò)散速率、自愈合行為、彈性模量等性能，從納米尺度揭示了瀝青流變性能、黏附性能、耐候性能機(jī)理等。

混合料性能關(guān)聯(lián)分析 優(yōu)選關(guān)鍵材料組合配比

項(xiàng)目提出了基于體積閾值計(jì)算的瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)分割方法，能夠準(zhǔn)確判別瀝青混合料的空隙、膠結(jié)料和集料三相閾值邊界，實(shí)現(xiàn)了瀝青混合料孔隙率、級配、礦料間隙率等指標(biāo)反演與驗(yàn)證；建立了基于三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的瀝青混合料三維高精度模型及性能虛擬試驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)了瀝青混合料應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析、溫度-頻率影響分析、開裂發(fā)展、疲勞壽命預(yù)測和永久變形預(yù)測；揭示了集料的巖相學(xué)特征對界面強(qiáng)度的影響規(guī)律，揭示了集料形狀、棱角度、紋理等特性對瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律。

路面結(jié)構(gòu)連續(xù)性空洞聲效檢測裝備

/ 路面功能狀態(tài)高效辨識及裝備研發(fā)/

路表高速激光掃描 快速重構(gòu)三維形貌

項(xiàng)目研制了三維全自動標(biāo)定系統(tǒng)及基于采控分離技術(shù)的三維精細(xì)測量傳感器，進(jìn)一步研發(fā)了高頻率、高精度、大幅寬的路面線掃描三維動態(tài)檢測裝備，檢測時度最大為100公里，橫向測量范圍4米，橫縱向采樣精度1毫米，高程測量精度0.25毫米，實(shí)現(xiàn)了對路面破損、變形、紋理、修補(bǔ)等各類病害的高精度三維數(shù)據(jù)采集；提出了基于關(guān)鍵輪廓信息自適應(yīng)提取的激光斷面數(shù)據(jù)實(shí)時、高速預(yù)處理和壓縮傳輸理論及算法，相比于傳統(tǒng)的激光掃描數(shù)據(jù)傳輸和處理，數(shù)據(jù)傳輸速率提升10倍以上，實(shí)現(xiàn)了1毫米采樣間距下時速80公里連續(xù)采集與數(shù)據(jù)傳輸。

病害自動識別 高效定位各類表面病害

項(xiàng)目提出了基于深度學(xué)習(xí)的種子點(diǎn)云分類算法、基于感知編組的微觀線性目標(biāo)提取算法、及基于深度與灰度信息融合的目標(biāo)檢測方法，實(shí)現(xiàn)了對路面裂縫、修補(bǔ)、車轍、坑槽、擁包、板角斷裂等病害的三維特征重構(gòu)、多目標(biāo)提取及自動識別，總體準(zhǔn)確率超過90%；提出了裂縫快速檢測、智能分類、破損面積準(zhǔn)確計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了裂縫位置、類型、長度、寬度、破損面積5個特征指標(biāo)自動量化計(jì)算，總體準(zhǔn)確度超過85%。

路面透水性差熱圖譜檢測裝備

道路智能運(yùn)維系統(tǒng)與養(yǎng)護(hù)決策平臺

/ 道路內(nèi)部隱性病害精準(zhǔn)診斷及裝備研發(fā)/

路面激光彎沉測量 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能高速評估

項(xiàng)目開展了可變荷載激光動態(tài)彎沉檢測設(shè)備在不同道路結(jié)構(gòu)、層厚、溫度和季節(jié)條件下的現(xiàn)場試驗(yàn)；基于大數(shù)據(jù)挖掘與分析手段，改進(jìn)了角度測量系統(tǒng)、車速和行駛方向測量系統(tǒng)、振動速度計(jì)算方法等核心控制參數(shù)測量與計(jì)算方法；構(gòu)建了彎沉測量大數(shù)據(jù)模型，提升了對不同環(huán)境、溫度、道路結(jié)構(gòu)（剛性/半剛性路基、柔性路基）等的彎沉值修正精度；提升了可變荷載動態(tài)激光彎沉裝備的測試穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)自重復(fù)性達(dá)95%以上，與貝克曼梁測量數(shù)據(jù)相關(guān)性達(dá)95%以上。

路面內(nèi)部聲效檢測 清晰定位結(jié)構(gòu)隱性病害

項(xiàng)目研發(fā)了路面結(jié)構(gòu)連續(xù)性空洞聲效檢測技術(shù)，可及時檢測出半剛性基層瀝青路面和水泥路面的早期空洞型病害，并在此基礎(chǔ)上自主研發(fā)了聲效激勵檢測車，通過使用激勵裝置連續(xù)敲擊路面產(chǎn)生振動，每小時40公里連續(xù)檢測，構(gòu)建路面結(jié)構(gòu)不連續(xù)指數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對路面結(jié)構(gòu)層連續(xù)狀況檢測與分級，清晰獲取路面結(jié)構(gòu)毫米級連續(xù)性病害信息。

路面差熱圖譜分析 掌握全局表征透水壓實(shí)程度

項(xiàng)目自主研發(fā)了車載路面透水性差熱圖譜檢測裝備，由行走定位系統(tǒng)、紅外線傳感系統(tǒng)、特殊事件記錄系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)構(gòu)成，以每小時80公里高速采集雨后瀝青路面溫度，生成準(zhǔn)確定位的溫度曲線和地表差熱圖譜，溫度數(shù)據(jù)精度為±0.5攝氏度，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了瀝青路面透水性指數(shù)，實(shí)現(xiàn)了路面透水性能評價(jià)，間接表征瀝青路面密實(shí)程度。

/ 道路運(yùn)維養(yǎng)護(hù)決策智能支持及平臺開發(fā)/

多源數(shù)據(jù)協(xié)同評價(jià) 判別道路服役狀態(tài)

通過三維檢測數(shù)據(jù)對二維衰變模型進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化，項(xiàng)目獲取從道路表面功能、結(jié)構(gòu)性能、隱性病害等評價(jià)指標(biāo)，綜合考慮道路結(jié)構(gòu)、材料、交通、氣候、服役性能多源數(shù)據(jù)，基于大數(shù)據(jù)挖掘、語義分析、深度學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建了基于多源檢測數(shù)據(jù)的路面性能衰變可靠性評價(jià)方法，建立了道路材料、結(jié)構(gòu)與性能的多維度、多尺度協(xié)同評價(jià)體系，提升了道路健康狀況評價(jià)的可靠性和全面性。

路面劣化長期預(yù)測 服務(wù)全壽命周期養(yǎng)護(hù)決策

項(xiàng)目構(gòu)建了基于多源檢測數(shù)據(jù)協(xié)同評價(jià)和路面性能衰變的道路服役性能預(yù)測方法，提出了基于多層次投資決策模型和多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化的養(yǎng)護(hù)修復(fù)方案決策，研發(fā)了道路資產(chǎn)智能管理系統(tǒng)與平臺；從管理者費(fèi)用和用戶費(fèi)用兩個視角，提出了路面服役全壽命周期費(fèi)用分析方法，進(jìn)而開發(fā)了路面服役全壽命周期效益/費(fèi)用分析系統(tǒng)，開發(fā)了路面服役全壽命周期費(fèi)用分析軟件，實(shí)現(xiàn)了基于全壽命周期分析的路面養(yǎng)護(hù)決策。