基于3D相機(jī)成像的公路護(hù)欄梁板中心高度快速檢測(cè)技術(shù)研究

錢(qián)敬之 范道英

收稿日期：2024-03-20

作者簡(jiǎn)介：錢(qián)敬之（1975—），男，本科，高級(jí)工程師，從事道路交通工程及沿線設(shè)施檢測(cè)以及智能交通研究等工作。

通信作者：范道英（1986—），女，本科，工程師，從事道路交通工程沿線設(shè)施檢測(cè)及質(zhì)量管理等工作。

摘要 中心高度是公路波形梁鋼護(hù)欄的一個(gè)重要工程指標(biāo)，無(wú)論是新建護(hù)欄還是運(yùn)營(yíng)期公路的波形梁鋼護(hù)欄，均需對(duì)其中心高度進(jìn)行檢測(cè)。文章為實(shí)現(xiàn)對(duì)波形梁鋼護(hù)欄中心高度的快速檢測(cè)，基于3D相機(jī)成像技術(shù)開(kāi)發(fā)了車(chē)載式的梁板中心高度快速檢測(cè)系統(tǒng)，并就該檢測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)就該系統(tǒng)在工程實(shí)際中的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析，以期為公路波形梁鋼護(hù)欄中心高度檢測(cè)提供新的思路。

關(guān)鍵詞 波形梁鋼護(hù)欄；中心高度；3D相機(jī)；檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào) U418.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0067-04

0 引言

護(hù)欄作為公路的重要附屬設(shè)施，其在保障道路交通安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，截至目前，我國(guó)公路總里程逾5 350 000 km，隨著新建公路及運(yùn)營(yíng)公路里程的不斷增加，作為交通安全設(shè)施重要組成部分的公路護(hù)欄里程也在不斷增加。公路護(hù)欄中波形梁鋼護(hù)欄因防撞性能良好，在各等級(jí)公路中均得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在高等級(jí)公路中，大都采用波形梁鋼護(hù)欄。

波形梁鋼護(hù)欄具有引導(dǎo)行車(chē)人員視線、防止車(chē)輛沖出路面、保護(hù)車(chē)輛及司乘人員等功能，但其功能的正常發(fā)揮是以安裝養(yǎng)護(hù)到位為基礎(chǔ)的，而在波形梁鋼護(hù)欄的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)中，梁板中心高度值是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，在各階段針對(duì)護(hù)欄的檢測(cè)中都需要對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[1]。但當(dāng)前的檢測(cè)方式效率較為低下，嚴(yán)重依賴(lài)于人工操作，因此該文提出了一種基于3D相機(jī)成像的公路波形梁鋼護(hù)欄梁板中心高度快速檢測(cè)技術(shù)。

1 公路波形梁鋼護(hù)欄分類(lèi)及其技術(shù)要求

當(dāng)前在公路工程中所應(yīng)用的波形梁鋼護(hù)欄分為兩波形梁板鋼護(hù)欄和三波形梁板鋼護(hù)欄，針對(duì)不同類(lèi)型的波形梁鋼護(hù)欄，相關(guān)規(guī)范中對(duì)其梁板中心高度的要求也有所不同。在《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81—2017）中規(guī)定了兩波形梁板中心高度為600 mm，三波形梁板中心的高度為697 mm，該規(guī)范從設(shè)計(jì)的角度對(duì)不同類(lèi)型波形梁鋼護(hù)欄梁板的中心高度作出了規(guī)定，為波形梁鋼護(hù)欄的設(shè)計(jì)以及施工提供了明確的依據(jù)[2]。在工程實(shí)踐中，對(duì)于新建公路，可能由于施工因素導(dǎo)致梁板中心的高度無(wú)法滿足規(guī)范要求，而對(duì)于運(yùn)營(yíng)期的公路，則可能由于車(chē)輛碰撞、自然環(huán)境、人為破壞等因素使得梁板中心高度發(fā)生變化，所以無(wú)論是在公路的交竣工階段還是運(yùn)營(yíng)期，都需要對(duì)護(hù)欄梁板中心高度進(jìn)行檢測(cè)，以確保其滿足規(guī)范的要求。

2 波形梁鋼護(hù)欄梁板中心高度檢測(cè)方法概述

2.1 尺量檢測(cè)

根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊(cè) 土建工程》（JTG F80/1—2017）規(guī)定，波形梁鋼護(hù)欄橫梁中心高度允許偏差為±20 mm，其中所規(guī)定的檢測(cè)方法為尺量，每1 km每側(cè)測(cè)5處[3]。該抽檢方式采樣間距達(dá)到200 m，往往無(wú)法真實(shí)表征梁板中心高度的實(shí)際情況，同時(shí)采樣點(diǎn)的選擇對(duì)于最終的檢測(cè)結(jié)果也有較大的影響。采用尺量檢測(cè)的方式針對(duì)里程較長(zhǎng)的護(hù)欄，所需要的檢測(cè)時(shí)間也會(huì)大幅增加，尤其是對(duì)于高速公路，在檢測(cè)過(guò)程中由于需要保證現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員的人身安全，往往需要封閉交通進(jìn)行[4]。

2.2 基于線結(jié)構(gòu)光掃描的測(cè)量技術(shù)

在白佳迪[5]的研究中，其通過(guò)巡檢機(jī)器人載運(yùn)平臺(tái)，基于結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器所采集的圖像，并通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法對(duì)所采集的圖像進(jìn)行處理，然后結(jié)合系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行護(hù)欄中心高度的解算。但是在其研究中，整個(gè)巡檢機(jī)器人載運(yùn)平臺(tái)與護(hù)欄之間的距離需要保持恒定，在通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)梁板中心高度進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，需要依賴(lài)于載運(yùn)平臺(tái)的高度保持相對(duì)恒定。該檢測(cè)方式的檢測(cè)效率相較于尺量檢測(cè)有了大幅提升，但是其巡檢機(jī)器人需要與護(hù)欄之間建立連接以使得二者之間的距離在檢測(cè)過(guò)程中保持穩(wěn)定，同時(shí)在檢測(cè)的過(guò)程中，由于所采用的是小型機(jī)器人，往往也不適用于全路段的檢測(cè)。此外，在梁板中心高度解算方面，其算法相對(duì)復(fù)雜，而在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，周邊環(huán)境、護(hù)欄自身狀況都會(huì)對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果造成影響。因此，該檢測(cè)技術(shù)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用仍然受限。

3 基于3D相機(jī)成像的公路波形梁鋼護(hù)欄梁板中心高度快速檢測(cè)系統(tǒng)

3.1 基于3D相機(jī)成像的測(cè)量原理分析

3D相機(jī)中的激光發(fā)生器所發(fā)出的激光被投射到待測(cè)物體表面時(shí)，在待測(cè)物體的表面會(huì)形成激光條紋，而激光經(jīng)過(guò)物體表面的漫反射或反射又會(huì)被3D相機(jī)的CMOS傳感器捕捉，此時(shí)激光發(fā)生器、待測(cè)物體的表面以及圖像傳感器在空間上就會(huì)形成一定的三角幾何關(guān)系，而CMOS傳感器所捕捉的激光條紋圖像則包含了被測(cè)物體的三維信息，CMOS圖像傳感器中的成像點(diǎn)對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的位移距離與被測(cè)物體表面相對(duì)于基準(zhǔn)面高度之間的關(guān)系如式（1）所示，再通過(guò)建立合適的數(shù)學(xué)模型，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物體表面三維信息的提取，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于待測(cè)物的測(cè)量[6]。

（1）

式中，x——相機(jī)鏡頭成像的物距；d——像距；x'——CMOS圖像傳感器上像點(diǎn)移動(dòng)的距離。

3.2 梁板中心高度快速檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成

該文基于線激光3D成像原理設(shè)計(jì)了針對(duì)公路波形梁鋼護(hù)欄梁板中心高度檢測(cè)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件部分包括檢測(cè)車(chē)輛、線激光3D相機(jī)、支架、吸盤(pán)、觀測(cè)相機(jī)、距離傳感器、PLC、電腦，其中線激光3D相機(jī)、觀測(cè)相機(jī)通過(guò)支架和吸盤(pán)安裝在檢測(cè)車(chē)輛之上，線激光3D相機(jī)用于投射線激光到待檢測(cè)護(hù)欄的表面并在表面形成激光輪廓線，而3D相機(jī)中的CMOS圖像傳感器則會(huì)對(duì)護(hù)欄表面的激光輪廓線信息進(jìn)行捕捉和收集，這些激光輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳輸至電腦上，經(jīng)過(guò)配套軟件的處理即可獲得護(hù)欄激光輪廓的坐標(biāo)信息。同時(shí)，線激光3D相機(jī)所發(fā)出的線激光還會(huì)進(jìn)一步投射到地面以及路緣石上，與投射到護(hù)欄表面的線激光相同，投射到地面以及路緣石上的激光輪廓線信息也會(huì)被記錄和傳輸。觀測(cè)相機(jī)則用于拍攝護(hù)欄以及周邊環(huán)境的實(shí)景照片，并且距離傳感器觸發(fā)觀測(cè)相機(jī)和線激光3D相機(jī)同步采樣，從而保證二者所對(duì)應(yīng)的公路里程樁號(hào)一致。

3.3 梁板中心高度快速檢測(cè)系統(tǒng)的軟件

為實(shí)現(xiàn)對(duì)線激光3D相機(jī)所獲得的護(hù)欄梁板、地面及路緣石激光輪廓信息的處理，該文還開(kāi)發(fā)了與硬件相配套的軟件。線激光3D相機(jī)和觀測(cè)相機(jī)所采集的圖像和信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)被發(fā)送到電腦的配套軟件之中，配套軟件包括數(shù)據(jù)處理界面程序和AI分類(lèi)程序，其中數(shù)據(jù)處理界面程序用以加載原始數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、導(dǎo)出數(shù)據(jù)和修改參數(shù)，AI分類(lèi)程序用于識(shí)別護(hù)欄波形梁板的類(lèi)型。其中，AI分類(lèi)程序在視覺(jué)算法上結(jié)合了傳統(tǒng)視覺(jué)算法與深度學(xué)習(xí)視覺(jué)算法，傳統(tǒng)視覺(jué)算法部分負(fù)責(zé)對(duì)護(hù)欄激光輪廓圖像進(jìn)行預(yù)處理，去除特異的雜點(diǎn)，進(jìn)行模板匹配，即進(jìn)行梁板和路緣石的匹配、計(jì)算；深度學(xué)習(xí)視覺(jué)算法部分則用于對(duì)護(hù)欄梁板進(jìn)行分類(lèi)，深度學(xué)習(xí)視覺(jué)算法使用ResNet50網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，同時(shí)使用TensorRT的16位推理引擎進(jìn)行推理，進(jìn)而可以經(jīng)過(guò)分析得到護(hù)欄梁板的類(lèi)型為兩波形或三波形。

4 梁板中心高度快速檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果分析

4.1 護(hù)欄梁板中心高度檢測(cè)流程

該梁板中心高度快速檢測(cè)系統(tǒng)的硬件與軟件協(xié)同工作，其工作的主要流程：檢測(cè)車(chē)輛搭載線激光3D相機(jī)、觀測(cè)相機(jī)等在車(chē)道上正常行駛，檢測(cè)車(chē)輛開(kāi)始行駛后，即帶動(dòng)距離傳感器開(kāi)始工作，距離傳感器向PLC發(fā)送信號(hào)，PLC進(jìn)一步向電腦發(fā)送信號(hào)，電腦控制線激光3D相機(jī)采集護(hù)欄、路面及路緣石激光輪廓數(shù)據(jù)，并控制觀測(cè)相機(jī)采集護(hù)欄、路面及路緣石的觀測(cè)圖像。然后電腦對(duì)采集的激光輪廓數(shù)據(jù)和觀測(cè)圖像進(jìn)行保存。通過(guò)線激光3D相機(jī)和觀測(cè)相機(jī)獲得激光輪廓數(shù)據(jù)和觀測(cè)圖像之后，再通過(guò)配套軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。配套軟件分析處理數(shù)據(jù)的具體流程：首先讀取本地的激光輪廓數(shù)據(jù)，并且AI分類(lèi)程序構(gòu)建一幅護(hù)欄輪廓的剖面圖，然后再由AI分類(lèi)程序進(jìn)行圖像預(yù)處理，去除激光輪廓圖像中的雜點(diǎn)，再將靠近線激光3D相機(jī)一側(cè)的路面激光輪廓線作為路面基準(zhǔn)線，進(jìn)行圖像旋轉(zhuǎn)，同時(shí)AI分類(lèi)程序根據(jù)波形梁梁板和路緣石的模板文件，進(jìn)行模板匹配，找到對(duì)應(yīng)部位的圖像位置，將對(duì)應(yīng)部位的圖像截取下來(lái)，利用深度學(xué)習(xí)分類(lèi)網(wǎng)絡(luò)，將波形梁圖像劃分為兩波形、三波形梁板，至此即可完成對(duì)公路護(hù)欄梁板類(lèi)型的劃分。

由于線激光3D相機(jī)所采集的護(hù)欄激光輪廓數(shù)據(jù)包含了各個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息，利用AI分類(lèi)程序可得到梁板上部和下部波峰A和B的坐標(biāo)信息，如圖1所示，AB所在直線與路面基準(zhǔn)線的交點(diǎn)為O（x2， y2， z2），AB所構(gòu)成的線段的中點(diǎn)為M（x1， y1， z1），如式（2）所示，M與O之間的歐式距離即為梁板的中心離地高度H1。同時(shí)，根據(jù)軟件中所儲(chǔ)存的路緣石模板，AI分類(lèi)程序可以判斷是否存在路緣石，如檢測(cè)路段沒(méi)有路緣石，則護(hù)欄梁板中心離地高度為梁板中心點(diǎn)與所述交點(diǎn)之間的歐式距離H1。

（2）

如果存在路緣石，將路緣石頂面激光輪廓線作為路緣石基準(zhǔn)線，并進(jìn)行圖像旋轉(zhuǎn)，如圖2所示，AB所在直線與路緣石基準(zhǔn)線所在直線的交點(diǎn)為O'，M與O'之間的距離即為護(hù)欄梁板的中心離地高度H2，再通過(guò)對(duì)路緣石的激光輪廓信息進(jìn)行分析即可得到路緣石高度H'，如式（3）所示，此時(shí)護(hù)欄梁板的中心離地高度H2為梁板中心距離路面的距離H3減去路緣石的高度H'。該文之所以采用式（3）計(jì)算存在路緣石的情況下護(hù)欄梁板中心高度，是因?yàn)槁肪壥斆鎸挾纫话阍?00～150 mm之間，激光在路緣石上的投影長(zhǎng)度相較于路面和護(hù)欄更短，實(shí)際所獲取的路緣石頂面激光輪廓數(shù)據(jù)往往較為零散，故通過(guò)算法對(duì)零散的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和擬合以得到路緣石頂面距離地面的距離。而由于地面和護(hù)欄激光輪廓數(shù)據(jù)較為完整，因此護(hù)欄梁板中心距離地面距離的計(jì)算結(jié)果誤差較小，故采用式（3）的計(jì)算方式能夠減少誤差的傳遞。

H2=H3?H' （3）

4.2 檢測(cè)結(jié)果分析

4.2.1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為檢測(cè)該文的梁板中心高度快速檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的精度，選取了100 m的測(cè)試路段，與傳統(tǒng)尺量的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于尺量檢測(cè)，按照傳統(tǒng)檢測(cè)方式獲得護(hù)欄梁板中心高度數(shù)據(jù)。對(duì)于車(chē)載式快速檢測(cè)，首先啟動(dòng)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)和橫梁中心高度測(cè)量裝置電源，打開(kāi)控制系統(tǒng)軟件，檢查確認(rèn)控制系統(tǒng)軟件中各項(xiàng)功能和技術(shù)參數(shù)狀態(tài)正常。然后在控制系統(tǒng)軟件上輸入待測(cè)路段信息，檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)測(cè)量護(hù)欄橫梁中心高度及實(shí)時(shí)記錄對(duì)應(yīng)樁號(hào)。在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，檢測(cè)車(chē)輛分別以30 km/h、50 km/h、80 km/h速度行駛，以測(cè)試在不同速度下檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性，人工測(cè)試與快速檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比情況如圖3所示。從圖3中不難發(fā)現(xiàn)，通過(guò)人工檢測(cè)所獲得的檢測(cè)數(shù)據(jù)與利用梁板中心高度快速檢測(cè)系統(tǒng)所測(cè)得的結(jié)果基本一致，由此表明快速檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度與人工檢測(cè)基本相同，且快速檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果不受檢測(cè)車(chē)輛行駛速度的影響，在80 km/h以?xún)?nèi)行駛能夠獲得相同的檢測(cè)結(jié)果。

4.2.2 工程檢測(cè)結(jié)果分析

為進(jìn)一步了解該檢測(cè)系統(tǒng)在長(zhǎng)距離、復(fù)雜環(huán)境下的檢測(cè)效果，選取了G4217蓉昌高速（成灌段）K11+137～

K31+137共計(jì)20 km路段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)車(chē)輛以90～120 km/h的速度行駛，選取其中K23+840

～K25+000路段的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該段護(hù)欄中心高度檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。通過(guò)對(duì)快速檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，該路段均為兩波形護(hù)欄，護(hù)欄梁板中心高度在600±20 mm范圍內(nèi)。如圖5所示，為K23+544處的檢測(cè)結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)此時(shí)觀測(cè)相機(jī)所顯示的現(xiàn)場(chǎng)情況為水泥護(hù)欄，同時(shí)相應(yīng)的護(hù)欄高度檢測(cè)結(jié)果也為0，此外，針對(duì)其他檢測(cè)結(jié)果為0的情況，通過(guò)對(duì)比觀測(cè)相機(jī)所采集的現(xiàn)場(chǎng)照片，發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)位置基本為水泥護(hù)欄、無(wú)護(hù)欄或受到植物遮擋的情況。通過(guò)工程檢測(cè)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，梁板中心高度快速檢測(cè)系統(tǒng)在長(zhǎng)距離、復(fù)雜環(huán)境的條件下也能夠獲得較為準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，且檢測(cè)車(chē)輛的行駛速度對(duì)于檢測(cè)結(jié)果未造成嚴(yán)重影響，檢測(cè)車(chē)輛最高行駛速度可以達(dá)到120 km/h。

圖5 K23+544檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

在該文的研究中，首先明確了波形梁鋼護(hù)欄梁板中心高度傳統(tǒng)人工檢測(cè)以及其他檢測(cè)方式所存在的不足之處，然后基于3D相機(jī)成像技術(shù)研究和設(shè)計(jì)了公路波形梁鋼護(hù)欄梁板中心高度快速檢測(cè)系統(tǒng)。最后通過(guò)與傳統(tǒng)人工檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果與人工檢測(cè)結(jié)果吻合度較高，同時(shí)將該檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于高速公路的護(hù)欄高度檢測(cè)之中，通過(guò)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在高速、復(fù)雜環(huán)境下也能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)護(hù)欄梁板中心高度的檢測(cè)，因此驗(yàn)證了該系統(tǒng)用于波形梁鋼護(hù)欄梁板中心高度快速檢測(cè)的可行性。

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