車載輕量化公路病害自動(dòng)檢測系統(tǒng)方案研究

摘要：針對目前我國公路日常巡檢工作中效率低、安全性差和成本高等問題，文章提出了由終端多傳感器融合控制、云端智能算法與管理平臺(tái)構(gòu)成的車載輕量化公路病害自動(dòng)檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對公路路面病害及交安設(shè)施損壞高效、安全的自動(dòng)檢測，為公路精細(xì)化管養(yǎng)提供新思路和新方案。

關(guān)鍵詞：公路病害檢測；自動(dòng)檢測系統(tǒng)；病害識(shí)別；輕量化

中圖分類號(hào)：U412.6

0 引言

公路交通是覆蓋范圍最廣、服務(wù)人口最多、使用最廣泛的交通運(yùn)輸方式。截至2021年底，中國公路總里程已達(dá)528.07×104 km，其中養(yǎng)護(hù)里程525.16×104 km，占公路總里程的99.4%［1］。同時(shí)，機(jī)動(dòng)車保有量已達(dá)3.95億輛，公路負(fù)荷日益增大，出現(xiàn)病害的頻率增加，不但影響出行舒適感，甚至?xí)斐缮?cái)產(chǎn)損害，嚴(yán)重制約城市的高效運(yùn)行和發(fā)展［2］。因此，能夠快速、準(zhǔn)確地檢測出路面病害及交通安全設(shè)施損壞信息，是提升公路養(yǎng)護(hù)與管理的重要舉措。

目前，公路病害巡檢主要有如下3種方式：

（1）人工巡檢。巡檢人員手動(dòng)測量，記錄發(fā)現(xiàn)的病害。優(yōu)點(diǎn)在于發(fā)現(xiàn)病害及時(shí)［3］；缺點(diǎn)在于耗時(shí)低效，錯(cuò)漏多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，成本高昂，路況復(fù)雜，危險(xiǎn)系數(shù)高，各巡檢人員水平不一，評(píng)判依據(jù)有差異等。

（2）自動(dòng)巡檢車。巡檢車輛搭載多臺(tái)攝像機(jī)實(shí)時(shí)獲取路面圖像后，通過服務(wù)器部署的檢測算法來識(shí)別公路病害事件［4-5］。優(yōu)勢在于檢測速度快，費(fèi)用低；缺點(diǎn)在于難以做到實(shí)時(shí)檢測，車載服務(wù)器設(shè)備體積較大。

（3）機(jī)器人巡檢。通過工控機(jī)綜合控制管理電氣、運(yùn)動(dòng)、通信和定位子系統(tǒng)，硬件設(shè)備都集成在機(jī)器人機(jī)身中［6］。優(yōu)點(diǎn)在于檢測速度較快，功能齊全；缺點(diǎn)在于設(shè)備費(fèi)用高，無法在運(yùn)營的高速公路上工作。

為了進(jìn)一步提升公路病害檢測的自動(dòng)化、智能化水平，結(jié)合自動(dòng)巡檢車和機(jī)器人巡檢的優(yōu)勢，本文提出了車載高清攝像機(jī)、GNSS定位裝置、外掛式里程裝置和補(bǔ)光照明裝置等輕量化設(shè)備的自動(dòng)病害檢測方案，設(shè)備架構(gòu)簡單，并且可在指定公路檢測區(qū)域開展全覆蓋的自主檢測作業(yè)，全面、快速、高效地采集公路路面及交安設(shè)施數(shù)據(jù)，檢測速度可達(dá)80 km/h。智能算法能夠識(shí)別公路病害的種類豐富，并且速度快、準(zhǔn)確率高，巡檢云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)巡檢結(jié)果可視化、巡檢管理流程化，有助于巡檢養(yǎng)護(hù)工作提高效率，降低成本。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

車載輕量化公路病害自動(dòng)檢測系統(tǒng)旨在針對公路病害而設(shè)計(jì)能夠自主完成病害數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理和分析的一套檢測設(shè)備，其總體架構(gòu)如圖1所示，主要以終端多傳感器融合控制、云端智能算法與管理平臺(tái)構(gòu)成。

終端部分主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息采集功能。里程裝置獲取巡檢車輛行駛距離信息，每隔5 m向一體化主控機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，從而控制高清攝像機(jī)拍攝路面及路側(cè)交安設(shè)施圖像，結(jié)合GNSS定位裝置的經(jīng)緯度信息和公路樁號(hào)對病害位置進(jìn)行定位。一體化主控機(jī)綜合管理控制各子系統(tǒng)設(shè)備，并將采集的原始圖像、經(jīng)緯度和車輛行駛距離信息等打包、處理，而后通過4G/5G模塊將其上傳至云端服務(wù)器。

云端部分主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、分析及展示功能。公路病害識(shí)別算法部署于云服務(wù)器中，以提升檢測速度，完成公路路面病害及交安設(shè)施損壞的自動(dòng)檢測。同時(shí)引入云平臺(tái)，對數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一管理，使得巡檢結(jié)果輸出更為清晰、美觀，為養(yǎng)護(hù)決策者提供直觀依據(jù)。

2 方案設(shè)計(jì)

車載輕量化公路病害自動(dòng)檢測系統(tǒng)方案可劃分成硬件系統(tǒng)和軟件算法及平臺(tái)兩部分設(shè)計(jì)。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車載輕量化公路病害自動(dòng)檢測系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，可以快速安裝部署在普通車輛上，當(dāng)巡檢車輛年限期滿時(shí)，也可以將所有系統(tǒng)拆下安裝在其他車上，同時(shí)，當(dāng)功能需求增加時(shí)，可直接添加外設(shè)模塊快速實(shí)現(xiàn)［7-8］。其主要由高清攝像機(jī)、GNSS衛(wèi)星定位裝置、外掛式里程裝置、補(bǔ)光照明裝置、一體化主控機(jī)和4G/5G模塊組成，該電子設(shè)備分布如圖2所示。

高清攝像機(jī)：共4臺(tái)，朝向車頭的3臺(tái)攝像機(jī)用于采集周圍公路路面、交通標(biāo)志牌及交安設(shè)施（如：波形板護(hù)欄、警示樁和輪廓標(biāo)等）圖像，朝向車尾的攝像機(jī)用于防止漏拍和冗余備份，皆通過以太網(wǎng)與一體化主控機(jī)通信。其參數(shù)指標(biāo)需滿足像素＞300萬、頻率＞25 fps、IP65防護(hù)等級(jí)，能夠識(shí)別和確認(rèn)裂縫寬度達(dá)5 mm。

GNSS衛(wèi)星定位裝置：用于獲取當(dāng)前巡檢車輛的經(jīng)緯度信息，通過RS485串口與一體化主控機(jī)通信。其參數(shù)指標(biāo)需滿足20 Hz數(shù)據(jù)更新率、單點(diǎn)定位水平誤差＜3 m、IP65防護(hù)等級(jí)。

外掛式里程裝置：用于獲取巡檢車輛行駛里程信息，同時(shí)針對衛(wèi)星信號(hào)易受隧道、山林等高大物體遮擋，造成衛(wèi)星失鎖而影響定位精度的問題。其可以輔助GNSS進(jìn)行短暫定位，提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性，通過RS485串口與一體化主控機(jī)通信。其主體由懸掛式旋轉(zhuǎn)編碼器組成，使用壓鑄鋁合金及鋼制材料，單圈2 000個(gè)脈沖信號(hào)、IP66防護(hù)等級(jí)。

補(bǔ)光照明裝置：用于在隧道段或陰雨天氣輔助照明，提高圖像質(zhì)量，通過RS485串口與一體化主控機(jī)通信。

一體化主控機(jī)：由中央控制器、WiFi設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、觸控式顯示屏和供電設(shè)備組成，用于對各子系統(tǒng)的綜合控制、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)、供電及信息展示。中央控制器采用基于ARM Cortex應(yīng)用處理器的硬件平臺(tái)、VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件處理平臺(tái)，能夠滿足系統(tǒng)所需的各項(xiàng)性能要求，并通過對應(yīng)的接口協(xié)議與各個(gè)外設(shè)模塊通信，實(shí)現(xiàn)對各子系統(tǒng)綜合控制與狀態(tài)監(jiān)控功能。該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案較大程度提高了車載公路病害自動(dòng)檢測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和易擴(kuò)展性［9］。將高性能的處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相結(jié)合，擁有了更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)保證了其靈活性和高度的實(shí)時(shí)性；預(yù)留部分控制接口，可為后續(xù)功能擴(kuò)展和設(shè)備迭代更新時(shí)提供更為便利的操作。WiFi設(shè)備采用802.11a/b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，支持熱點(diǎn)鏈接便攜式顯示裝置，方便巡檢信息展示及下發(fā)控制指令操作設(shè)備。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備主要用作數(shù)據(jù)備份，采用移動(dòng)硬盤，支持USB 3.2 Gen1高速接口，向下兼容USB 2.0，2 TB容量。觸控式顯示屏展示巡檢信息及操縱一體化主控機(jī)。供電設(shè)備以鋰電池、逆變器、整流器等設(shè)備集成，兼顧各電子器件用電標(biāo)準(zhǔn)，能夠提供至少200 km巡檢電量、最大輸出功耗≥150 W。

4G/5G模塊：用于將經(jīng)過一體化主控機(jī)處理后的數(shù)據(jù)高效、安全地上傳至云端服務(wù)器。模塊內(nèi)部安裝SIM卡槽，支持移動(dòng)、電信和聯(lián)通三家運(yùn)營商。

2.2 軟件算法及平臺(tái)設(shè)計(jì)

云端服務(wù)器部署基于深度學(xué)習(xí)圖像識(shí)別技術(shù)、支持多源圖像視頻輸入及國產(chǎn)化適配環(huán)境的公路病害識(shí)別算法，強(qiáng)大的云計(jì)算、精準(zhǔn)定制化的算法使識(shí)別的準(zhǔn)確率更高，輸出結(jié)果及時(shí)、穩(wěn)定地傳送至公路巡檢云平臺(tái)，在該平臺(tái)上完成巡檢養(yǎng)護(hù)流程化管理［10］。

參照《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG5210-2018）相關(guān)規(guī)定對公路病害訓(xùn)練樣本做出明確分類、判定和標(biāo)注［11］。此外，開發(fā)基于YOLO-v5目標(biāo)檢測和HRNet語義分割的算法，并集成在巡檢平臺(tái)的病害識(shí)別管理模塊中，可對路面病害及交安設(shè)施損壞事件進(jìn)行快速篩查。同時(shí)，還能夠?qū)v史數(shù)據(jù)價(jià)值深入挖掘，即把算法已識(shí)別完成的公路病害數(shù)據(jù)加入樣本池以提高模型的準(zhǔn)確率和靈敏度［12］。該套算法能夠識(shí)別的公路病害種類豐富，包括裂縫、坑槽、龜裂、輪廓標(biāo)缺失、交通標(biāo)志牌遮擋及波形板護(hù)欄變形等，如圖3所示為在便攜式顯示裝置上展示公路病害識(shí)別的結(jié)果。

公路巡檢平臺(tái)采用B/S架構(gòu)開發(fā)，面向巡檢與管理人員，管理公路病害檢測與養(yǎng)護(hù)全流程的數(shù)據(jù)。巡檢過程中生成大量數(shù)據(jù)，如巡檢路段、路段樁號(hào)、病害位置等，都與地理位置有關(guān)，可結(jié)合地理信息系統(tǒng)GIS電子地圖進(jìn)行展示，并自動(dòng)生成相關(guān)報(bào)表，能夠讓管理人員更全面、直觀地了解病害分布和巡檢情況，及時(shí)做出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)、管養(yǎng)計(jì)劃等。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)業(yè)務(wù)邏輯功能，包括：巡檢任務(wù)管理、巡檢數(shù)據(jù)管理、病害識(shí)別管理、養(yǎng)護(hù)管理、數(shù)據(jù)看板和日志管理等。

3 結(jié)語

我國公路建設(shè)快速發(fā)展，傳統(tǒng)的人工巡檢方式已無法滿足現(xiàn)階段病害檢測需求，自動(dòng)化、信息化和智能化是大勢所趨。本文提出了公路病害自動(dòng)檢測系統(tǒng)設(shè)備模塊化、輕量化設(shè)計(jì)，可快速部署安裝，適用性強(qiáng)。通過深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練檢測設(shè)備采集的公路路面及交安設(shè)施圖像，有效識(shí)別裂縫、坑槽、龜裂、輪廓標(biāo)缺失、交通標(biāo)志牌遮擋及波形板護(hù)欄變形等病害類型。根據(jù)業(yè)務(wù)管理要求，為巡檢管理人員提供公路巡檢云平臺(tái)，可全流程化管理巡檢養(yǎng)護(hù)工作，查看病害數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)解決了人工日常巡檢工作的痛點(diǎn)問題，從工作效率、成本和質(zhì)量等方面都得到大幅度提高，促進(jìn)了公路巡檢養(yǎng)護(hù)科學(xué)決策，為交通行業(yè)提供了一個(gè)更為科學(xué)經(jīng)濟(jì)的病害檢測方案。

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收稿日期：2024-03-12

基金項(xiàng)目：2022年度廣西交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)科技項(xiàng)目清單-創(chuàng)新研發(fā)項(xiàng)目“基于國產(chǎn)化環(huán)境和多源圖像視頻識(shí)別的道路智能巡查成套技術(shù)研究與應(yīng)用示范”（編號(hào)：2022-ZD4-052）

作者簡介：黃培銘（1996—），碩士，主要從事交通行業(yè)相關(guān)的軟件研發(fā)工作。