基于機(jī)器視覺(jué)的公路路面壓實(shí)度檢測(cè)方法

周華榮

（甘孜藏族自治州交通運(yùn)行監(jiān)測(cè)中心，四川 甘孜 626000）

0 引言

道路質(zhì)量直接影響行車(chē)的安全和舒適，并關(guān)系到運(yùn)營(yíng)期間的維護(hù)保養(yǎng)工作，在公路建設(shè)過(guò)程中，壓實(shí)的好壞直接影響公路的耐久性、穩(wěn)定性和行車(chē)舒適性。路面壓實(shí)不充分會(huì)導(dǎo)致路面開(kāi)裂、滲水和車(chē)轍等病害，因此，控制路面壓實(shí)度非常重要。目前，我國(guó)公路路面的壓實(shí)工作仍以傳統(tǒng)的人工方式為主，無(wú)法實(shí)時(shí)、精確地掌握壓實(shí)過(guò)程中的壓實(shí)質(zhì)量，容易出現(xiàn)漏壓、超壓、欠壓等不良?jí)簩?shí)狀態(tài)。

王鵬[1]使用靜載試驗(yàn)測(cè)定高速公路土質(zhì)路基壓實(shí)度，該方法通過(guò)測(cè)量土體的變形量和壓力值，計(jì)算出土體的承載力和變形模量等參數(shù)，這些參數(shù)可用于評(píng)價(jià)土質(zhì)路基的壓實(shí)程度和承載能力。本文提出基于機(jī)器視覺(jué)的公路路面壓實(shí)度檢測(cè)方法，與王鵬[1]的方法進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證該方法的有效性與可行性。

1 基于機(jī)器視覺(jué)的公路路面壓實(shí)度檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 基于機(jī)器視覺(jué)的布置檢測(cè)設(shè)備

機(jī)器視覺(jué)是一種利用圖像處理技術(shù)獲得圖像中的特性信息，識(shí)別物體的位置和大小的技術(shù)。傳統(tǒng)的壓實(shí)度檢測(cè)方法通常需要物理接觸，會(huì)對(duì)路面造成一定程度的損害，而基于機(jī)器視覺(jué)的壓實(shí)度檢測(cè)方法可以在不接觸路面的情況下開(kāi)展，避免了這一問(wèn)題。該種方法通過(guò)高分辨率相機(jī)和合適的光源獲取路面圖像，能夠更精準(zhǔn)地分析路面的壓實(shí)度，且不會(huì)對(duì)路面造成損害。此外，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以自動(dòng)、高效地處理和分析路面圖像。通過(guò)圖像處理算法，自動(dòng)提取路面的紋理和顏色信息，計(jì)算出壓實(shí)度。通過(guò)深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)智能化分析，進(jìn)一步提高壓實(shí)度檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性[2]。

根據(jù)公路現(xiàn)場(chǎng)的路面布局與測(cè)試需求，壓實(shí)度的采樣點(diǎn)由一臺(tái)CCD攝像機(jī)、一個(gè)測(cè)量樁、一個(gè)采樣特征點(diǎn)組成，檢測(cè)壓實(shí)度的設(shè)備工作參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備參數(shù)

針對(duì)待測(cè)公路段的路面，選用全反射式金屬標(biāo)度板，以700×1155×0.4mm銅片、450×5440×0.4mm鋁板為例，通過(guò)測(cè)量這些金屬板的高程與角點(diǎn)，定位路面中的金屬片，并將其固定在路面下部。其次，設(shè)置一個(gè)對(duì)比鉆孔，選取公路中一段典型地段，鉆孔深度為80mm，連續(xù)取樣，分析相關(guān)參數(shù)，采用鉆孔校準(zhǔn)方法測(cè)量各土層的介電常數(shù)和電磁波波速，觀測(cè)這些數(shù)據(jù)在路面基層中的異常特性[3]，更好地理解路面壓實(shí)度的變化情況。

在使用攝像機(jī)前需要參數(shù)標(biāo)定，通過(guò)CCD攝像機(jī)采集施工現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)圖像，并對(duì)3層共36個(gè)測(cè)量樁的圖像坐標(biāo)開(kāi)展三維“十”型的擬合[4]。檢測(cè)點(diǎn)的選擇是否正確直接影響到氣壓實(shí)力的測(cè)量結(jié)果，同時(shí)，檢測(cè)點(diǎn)過(guò)小位置不客觀，沒(méi)有代表性，很難體現(xiàn)實(shí)際狀況，而檢測(cè)點(diǎn)過(guò)多則會(huì)浪費(fèi)時(shí)間并降低工作效率。在此基礎(chǔ)上，提出采樣路面特征點(diǎn)中心的圖像坐標(biāo)，以及經(jīng)過(guò)圓形采樣標(biāo)志特征點(diǎn)圖像后的橢圓大零點(diǎn)五軸齒輪和橢圓短零點(diǎn)五軸齒的輪像素尺寸參數(shù)。通過(guò)對(duì)比“十”字圖像的實(shí)際大小、圖像大小及取樣測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際大小、圖像大小等信息，計(jì)算出從取樣的測(cè)量點(diǎn)到測(cè)量樁所選的參照點(diǎn)的豎直距離，通過(guò)與上一次的豎直距離相比較，得出公路路面這一次壓實(shí)工作產(chǎn)生的沉降量[5]。

1.2 壓實(shí)度質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)選取

公路路面通常以瀝青作為主要材料，對(duì)路面結(jié)構(gòu)的耐久性具有較高要求。在公路路面的壓實(shí)施工過(guò)程中，振動(dòng)輪會(huì)將自身的重量及激力通傳給路面，造成路面塑性形變，使路面壓實(shí)系數(shù)不斷增加，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，由于振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)程度和路面剛度的增加，路面對(duì)振動(dòng)輪的反力也隨之增加，路面的振動(dòng)頻率增加，導(dǎo)致在振動(dòng)時(shí)輪軸中心處的振動(dòng)加速度響應(yīng)信號(hào)發(fā)生改變。

在檢測(cè)設(shè)備布置完成后，公路壓實(shí)度的質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)包括壓實(shí)測(cè)量值、壓實(shí)控制值、總諧波畸變值、諧振儀值等，通過(guò)分析振動(dòng)輪軸心處的振動(dòng)加速度頻譜圖，可以觀察到基波、半倍基頻諧波、高倍基頻諧波、二次諧波對(duì)應(yīng)的幅值。利用二次諧波的幅值與基波計(jì)算壓實(shí)測(cè)量值，公式如下：

壓實(shí)控制值的計(jì)算使用高倍基頻諧波幅值、半倍基頻諧波幅值，公式如下:

總諧波畸變值的計(jì)算使用高次諧波幅值，公式如下：

壓路機(jī)在碾壓過(guò)程中要經(jīng)歷起振、平穩(wěn)壓實(shí)和停止3個(gè)階段。實(shí)際測(cè)試的振動(dòng)信號(hào)具有不穩(wěn)定的特性，在分析時(shí)應(yīng)該選擇平穩(wěn)壓實(shí)階段的振動(dòng)信號(hào)。在每次壓實(shí)過(guò)程中，平穩(wěn)壓實(shí)階段的時(shí)間大約為3分鐘。為了使振動(dòng)碼元與局部碾軋區(qū)域保持一致，將具有不同圈數(shù)的振動(dòng)碼元?jiǎng)澐殖蓵r(shí)間長(zhǎng)度為兩秒的短消息編號(hào)，相應(yīng)的壓路機(jī)輾壓長(zhǎng)度在1m左右。在眾多的壓實(shí)度質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)中，壓實(shí)測(cè)量值因具有清晰的諧波信號(hào)、易于提取且計(jì)算簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。

1.3 公路路面壓實(shí)度計(jì)算

將機(jī)器視覺(jué)方法應(yīng)用于壓實(shí)度的檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)工作人員對(duì)路基壓實(shí)度的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓實(shí)狀態(tài)，并有效控制壓實(shí)質(zhì)量，確保在最低的碾壓次數(shù)下，路基的壓實(shí)程度能夠得到最大程度的滿(mǎn)足，同時(shí)還可以防止壓實(shí)不足或過(guò)度壓實(shí)等問(wèn)題。此外，通過(guò)增設(shè)檢測(cè)點(diǎn)，可同時(shí)測(cè)量不平度及搭接寬度這兩項(xiàng)工作的質(zhì)量指標(biāo)，這是其他方法所不能比擬的。

結(jié)合機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和上述章節(jié)中收集到的路面沉降量與壓實(shí)測(cè)量值，可推導(dǎo)出該公路路面的壓實(shí)度，公式如下:

式(4)中:λ為經(jīng)過(guò)一次壓實(shí)后產(chǎn)生的沉降量;h為壓實(shí)作業(yè)前的公路鋪層厚度:r為壓實(shí)作業(yè)前的鋪層的壓實(shí)度;k為經(jīng)過(guò)一次壓實(shí)后的壓實(shí)度。

在實(shí)際施工中，振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)次數(shù)越多，壓實(shí)效果越好。在滿(mǎn)足一定壓實(shí)條件下，單純提高壓實(shí)次數(shù)對(duì)壓實(shí)的影響不大。但過(guò)多的碾壓次數(shù)可能導(dǎo)致波浪、路面過(guò)壓、粗集料破碎等問(wèn)題，而壓實(shí)次數(shù)過(guò)少則可能導(dǎo)致壓實(shí)效果不佳，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能出現(xiàn)開(kāi)裂、車(chē)轍和水損壞等路面損壞。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

以A省省道的高速公路為研究對(duì)象，以一處路面施工工程為測(cè)試環(huán)境，在立匝道上鋪設(shè)SJI17級(jí)面層，起始樁號(hào)k45+1557，終點(diǎn)樁號(hào)k46+546，全長(zhǎng)為4.95km。在施工過(guò)程中，使用往復(fù)連續(xù)的振動(dòng)碾壓方法，共實(shí)施8個(gè)來(lái)回（單趟16次）。為了盡量消除其他壓路機(jī)對(duì)振動(dòng)信號(hào)與攝像機(jī)收集圖像的影響，選擇一條單行道施工，確保施工過(guò)程中沒(méi)有其他壓路機(jī)干擾，實(shí)驗(yàn)路段分為兩個(gè)階段。由于壓路機(jī)在起振和止振過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)不穩(wěn)定，需要剔除這兩個(gè)階段的壓碎段。經(jīng)過(guò)篩選，得到有效碾壓長(zhǎng)度為45m和58m，共計(jì)103m的數(shù)據(jù)。然而，由于車(chē)流量大、場(chǎng)地條件復(fù)雜等原因，攝像機(jī)的有效信號(hào)受到了較強(qiáng)的干擾，加上物探技術(shù)本身的多解性，出現(xiàn)誤判是客觀常態(tài)。測(cè)試采用單鋼輪振動(dòng)輾壓機(jī)，其工作參數(shù)如表2所示。

表2 壓路機(jī)工作參數(shù)

在壓實(shí)度測(cè)試前，需要在該段路面安裝設(shè)備，同時(shí)還需要設(shè)定該路段的壓實(shí)次數(shù)以達(dá)到所需的壓實(shí)度。公路壓實(shí)遍數(shù)所得到的壓實(shí)度結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同壓實(shí)遍數(shù)的公路路面壓實(shí)度

根據(jù)上述歷史數(shù)據(jù)，可以得出在不同壓實(shí)遍數(shù)下的壓實(shí)度，當(dāng)壓實(shí)遍數(shù)為7時(shí)，路面的壓實(shí)度達(dá)到了99.9%，選擇圖中與7次壓實(shí)遍數(shù)對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度作為實(shí)驗(yàn)設(shè)定數(shù)值。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備開(kāi)展測(cè)試，將本文方法與王鵬[1]的方法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本文基于機(jī)器視覺(jué)的公路路面壓實(shí)度檢測(cè)方法的可行性，對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

根據(jù)上述對(duì)比結(jié)果可以看出，本文方法相較于王鵬[1]的方法更符合實(shí)驗(yàn)設(shè)定數(shù)值，表明基于機(jī)器視覺(jué)的公路路面壓實(shí)度檢測(cè)方法能夠準(zhǔn)確地測(cè)量路面的壓實(shí)度，與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比具有更高的可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于機(jī)器視覺(jué)的公路路面壓實(shí)度檢測(cè)方法。這種方法通過(guò)圖像采集、圖像處理和壓實(shí)度計(jì)算3個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)了對(duì)公路路面的準(zhǔn)確檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，可以有效地檢測(cè)公路路面的壓實(shí)度。同時(shí)，該方法還可以實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測(cè)，提高檢測(cè)效率，降低檢測(cè)成本。總之，基于機(jī)器視覺(jué)的公路路面壓實(shí)度檢測(cè)方法具有廣泛的應(yīng)用前景，可以為公路路面的建設(shè)和維護(hù)提供重要的技術(shù)支持。未來(lái)研究方向應(yīng)當(dāng)集中在優(yōu)化圖像處理算法、提高檢測(cè)速度、降低檢測(cè)成本等方面。