基于機器視覺的公路路面壓實度檢測方法

摘要 由于傳統(tǒng)的壓實度檢測方法通常采用取樣點的方式進行檢測，需要大量的人工操作，檢測效率低下，因此文章提出了基于機器視覺的公路路面壓實度檢測方法。首先，基于機器視覺進行檢測設備的布置，進而標定出各項設備的參數(shù)；其次，選取合適的壓實度質量檢測指標；最后，進行公路路面的壓實度計算，并對壓路機的壓實次數(shù)進行合理配置。實驗結果表明，相較于方法1及預設的實驗數(shù)值，文章采用的基于機器視覺的公路路面壓實度檢測方法展現(xiàn)出了更為緊密的匹配度，充分驗證了該方法能夠精確無誤地評估路面的壓實狀態(tài)；相較于傳統(tǒng)檢測手段，該方法不僅在準確性上實現(xiàn)了顯著提升，還以更高的可靠性確保了檢測結果的信賴度，為公路施工質量的監(jiān)測提供了更為先進和可靠的解決方案。

關鍵詞 機器視覺；市政路面；壓實度；路基路面

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0119-03

0 引言

隨著我國經濟和社會的快速發(fā)展，公路建設領域迎來了顯著的飛躍。在這一背景下，瀝青路面憑借其諸多優(yōu)勢，如較短的建設工期、良好的平整度、分階段施工、無縫連接的特性、卓越的行車舒適度、低噪聲污染及出色的防塵效果，已成為公路建設中不可或缺的重要材料，廣泛應用于各類道路工程中[1]。

道路的質量不僅是評估車輛行駛過程中安全性能與乘坐舒適度的關鍵指標，還影響道路的運營維護成本及效率。在公路的構筑過程中，壓實作業(yè)的質量直接關系公路的堅固性、耐久性、結構穩(wěn)定性以及駕駛的舒適度。如果路面壓實未達到理想狀態(tài)，極易誘發(fā)裂縫、滲水及車轍等嚴重問題。因此，嚴格把控路面壓實度，確保達到規(guī)定標準，是公路建設中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

當前，我國公路路面的壓實作業(yè)主要依賴傳統(tǒng)ybsqSZUX2PcSFvtJ0KHVpMJVz8ZFjzo0QtEH0Gk4+Yc=的人工操作模式，難以有效把控壓實過程中的質量細節(jié)。具體而言，它容易導致“漏壓”現(xiàn)象的發(fā)生，即部分區(qū)域未能得到充分壓實，采取了一項稱為靜載試驗的技術手段，旨在對高速公路的土質路基壓實度進行科學評估。在該試驗中，重點關注土體在靜態(tài)加載下的變形及其所承受的壓力變化，然后，進一步推導出土體的承載力及其變形模量等核心參數(shù)，這些參數(shù)直觀反映了土質路基的密實程度。王亞曉等人[2]以灌砂法作為壓實度的標準測定方法，對核子密度儀法的檢測結果進行了最小二乘法擬合_{ybsqSZUX2PcSFvtJ0KHVpMJVz8ZFjzo0QtEH0Gk4+Yc=}，建立了回歸擬合方程，并分析其相關性和差異。

基于前述的深入分析，該文創(chuàng)新性地提出了一種利用機器視覺技術的公路路面壓實度檢測方案。該方案首先精心部署機器視覺的檢測設備，并通過嚴格的參數(shù)標定流程，以確保設備的準確性和可靠性。隨后，精心挑選了一系列能夠全面表征路面壓實狀態(tài)的指標，以全面反映路面的壓實情況。在檢測過程中，運用先進的機器視覺技術捕捉路面高清圖像，并通過復雜而精細的圖像處理與分析算法，從圖像中提取與壓實度緊密相關的關鍵特征信息。基于這些信息，采用科學的計算方法，準確推導出公路路面的壓實度數(shù)值。最后，根據(jù)計算得到的壓實度結果，合理配置壓路機的壓實次數(shù)，以達到最佳的壓實效果。

1 基于機器視覺的公路路面壓實度檢測方法的設計

1.1 基于機器視覺的檢測設備布置

基于機器視覺的公路路面壓實度檢測方法是一種運用先進的圖像處理與分析技術，對圖像進行自動處理，以獲得其中的特性信息，并對物體的位置、大小進行識別的一項新技術。與傳統(tǒng)人工檢查相比，基于機器視覺的公路路面壓實度檢測具有實時性強、精度高、可重復性好的優(yōu)勢，開始在越來越多的公路路面工程得到應用。該技術可以有效地克服現(xiàn)有的缺陷，例如精度、速度等，并可有效降低成本，提高檢測效率，提高路面施工質量。

在公路現(xiàn)場進行路面壓實度檢測時，設計了由一臺高精度CCD攝像機、一個穩(wěn)固的測量樁及多個采樣特征點構成的采樣體系，其關鍵設備的工作參數(shù)見表1所示：

針對待測公路段的路面，選用全反射式金屬標度板，該文以（700×1 155×0.4） mm銅片、（450×5 440×0.4） mm鋁板為例，通過該公路路段的介質介電常數(shù)，確定不同界面處的標準反射波和異常反射波的特性，并對該待測路面中的金屬片進行定位，將金屬片固定于下部，測量金屬片的高程與角點，確定金屬片的參數(shù)。接下來，為了進一步增強測量數(shù)據(jù)的可靠性與精確度，實施對比鉆孔策略。這一步驟聚焦于公路上的某個代表性區(qū)段，通過鉆探至80 mm深度，并進行連續(xù)的土樣提取，旨在全面剖析該區(qū)域土層的物理與電學特性[3]。

在啟用CCD攝像機進行施工現(xiàn)場的壓實度監(jiān)測前，首要任務是精確標定其各項參數(shù)，以確保采集到的圖像數(shù)據(jù)準確無誤。隨后，將攝像機聚焦于施工現(xiàn)場，對三層結構中的36個測量樁進行細致的圖像捕捉，并采用三維“十”字形模型對這些圖像坐標進行精確擬合[4]。在選擇檢測點時，需權衡其數(shù)量與代表性，過小的檢測點可能因缺乏全面性而難以真實反映路面的實際狀況，而過多的檢測點不僅增加了工作負擔，還降低其整體效率。合理確定檢測點數(shù)量與位置，是確保檢測結果準確性與有效性的關鍵。接下來，進一步提出了基于路面特征點中心圖像坐標的采樣策略，這一策略巧妙地利用了圓形采樣標志在機器視覺捕捉下形成的橢圓形態(tài)，精確提取橢圓的長軸與短軸像素尺寸。通過對比“十”字形圖像的尺寸，以及取樣檢測點的對應關系，能夠準確無誤地計算出從取樣檢測點至測量樁參照點的垂直距離。進而，將這一距離與上一次的檢測結果進行比對，即可精確地計算公路路面在壓實過程中產生的沉降量λ[5]。

1.2 選取壓實度質量檢測指標

在公路建設中，路面的構建通常采用瀝青作為主要鋪設材料。隨著我國公路建設的持續(xù)推進，對路面結構的耐久性能設立了更為嚴苛的標準。在公路路面的壓實作業(yè)中，振動壓路機發(fā)揮著至關重要的作用，它利用振動輪這一關鍵部件，將自身重量與強大的激振力精準地施加于路面，從而誘發(fā)路面材料的深層次塑性變形。這一過程促使路面壓實系數(shù)逐步上升，直至達到理想狀態(tài)。值得注意的是，提升壓實度可促進頻率加快，而頻率的加快又進一步促進了壓實度的提升。因此，在振動作業(yè)過程中，輪軸中心位置的振動加速度響應信號會呈現(xiàn)顯著的變化特征，直接反映了路面壓實狀態(tài)的動態(tài)演變。

在路面壓實的質量監(jiān)控體系中，一旦檢測設備布置完畢，便會針對公路的壓實度進行多維度評估，其中振動輪軸心位置的振動加速度頻譜圖成為分析的核心。壓實測量值的計算尤為關鍵，通過二次諧波幅值與基波幅值之間的數(shù)學關系進行推導，具體如下：

r=c·a2χ aχ （1）

式（1）中：a2χ——二次諧波的幅值（m/s2）；aχ——基波的幅值（m/s2）；c——常數(shù)。

壓實控制值的計算公式如下：

t=100·aχ 2+a3χ 2 +a2χ+a5χ 2 +a3χ aχ 2+aχ （2）

式（2）中：aχ 2，a3χ 2，a5χ 2——半倍基頻諧波的幅值（m/s2）；aχ，a2χ，a3χ——基波、高倍基頻諧波的幅值（m/s2）。

總諧波畸變值的表達公式如下：

y=c·aχ 2 aχ （3）

式（3）中：aχ 2——半倍基頻諧波的幅值（m/s2）；aχ——基波的幅值（m/s2）；c——常數(shù)。

壓路機在路面碾壓作業(yè)中，會依次經歷啟動振動、穩(wěn)定壓實及停止振動等三個關鍵階段。由于實際作業(yè)環(huán)境中的各種因素，所采集到的振動信號往往呈現(xiàn)不穩(wěn)定的特性。為了確保分析結果的準確性和可靠性，通常會選擇穩(wěn)定壓實階段（該階段大約持續(xù)3 min）的振動信號作為分析對象。為了更精確地匹配振動信號與壓路機在路面上的實際碾壓區(qū)域，將連續(xù)的振動數(shù)據(jù)按照時間長度（如2 s）進行分段處理，每段數(shù)據(jù)對應壓路機在路面上約1 m的碾壓長度。應用這種處理方式有助于更細致的觀察和分析不同位置、不同時間點的壓實情況。在眾多壓實度質量檢測指標中，壓實測量值因其獨特的優(yōu)勢而備受青睞。首先，壓實測量值所依賴的諧波信號清晰可辨，便于從復雜的振動信號中提取出來；其次，其計算方法相對簡單，能夠快速得出結果；最后，壓實測量值能夠直觀地反映路面的壓實狀態(tài)，為工程質量控制提供有力支持。因此，該文選擇壓實測量值作為評估路面壓實度的主要指標，以實現(xiàn)對路面壓實質量的準確監(jiān)測和評估。

1.3 公路路面壓實度的計算

將機器視覺技術引入路基壓實度的檢測領域，開創(chuàng)了一種前沿的道路質量非破壞性評估手段，可以實現(xiàn)對壓實過程的實時監(jiān)控。這一創(chuàng)新方法賦予了施工人員前所未有的能力，能夠實時洞察壓實作業(yè)的狀態(tài)，并據(jù)此精準調控壓實質量，確保在最優(yōu)化的碾壓次數(shù)內，達到路基壓實度的最大化要求。這不僅有效規(guī)避了壓實不足可能導致的結構隱患，也防止了過度壓實造成的資源浪費，顯著提升了施工效率和經濟效益。接下來，通過在檢測點增設相應功能，引入機器視覺技術，實現(xiàn)對路面不平整度與搭接寬度這兩項關鍵參數(shù)的同步高精度評估。這種能力突破了傳統(tǒng)方法的局限。此外，其捕獲的豐富圖像信息也在構建更加智能、安全的交通網絡方面發(fā)揮了重要作用。

綜上所述，通過整合信息能夠構建一套高效的方法計算公路路面的壓實度，其計算公式如下：

k=r· h h?λ （4）

式（4）中：λ——經過一次壓實后產生的沉降量（cm）；h——壓實作業(yè)前的公路鋪層厚度（cm）；r——壓實作業(yè)前鋪層的壓實度（%）；k——經過一次壓實后的壓實度（%）。

綜上所述，根據(jù)式（4）可以得出該檢測公路路段的壓實度，但在公路建設的實際操作過程中，壓實次數(shù)并非越多越好，以盲目增加壓實次數(shù)追求更高的壓實度并非全部有效。具體而言，當路面達到一定的密實程度后，繼續(xù)增加壓實遍數(shù)對于進一步提升壓實度的貢獻將逐漸減弱。過度碾壓不僅無益于壓實質量的進一步提升，反而可能引發(fā)一系列的負面問題，如路面波浪變形、過壓導致的結構破壞、粗集料顆粒的碎裂等。相反，壓實次數(shù)不足則會導致壓實不充分，進而影響路面的耐久性，可能在使用過程中出現(xiàn)裂縫、車轍加深及水損害等嚴重問題。因此，深入研究并精確掌握壓實機的壓實次數(shù)與路面壓實度之間的動態(tài)關系至關重要，有助于科學合理地配置壓路機的壓實次數(shù)，從而實現(xiàn)施工效率與道路質量的最佳平衡。

2 實驗測試與分析

2.1 實驗準備

該實驗聚焦于A省省道高速公路的一特定路段（K45+1557至K46+546，全長約4.95 km），位于立匝道上，鋪設了SJI 17級高標準路面層。為了精確評估振動壓實效果，選用了往復連續(xù)振動的碾壓方式，共執(zhí)行了8個循環(huán)（相當于單方向碾壓16次）。為了保證實驗數(shù)據(jù)的純凈性，實驗特意挑選了一條單向車道，確保在測試期間無其他壓路機作業(yè)，從而最大限度地減少外界干擾對振動信號及攝像機圖像采集的影響。實驗設計巧妙地將路段劃分為兩個階段，并特別注意壓路機起振與止振階段的振動信號不穩(wěn)定性，因此決定剔除這些階段的數(shù)據(jù)，以確保分析的有效性和準確性。經過篩選，確定了兩個有效的碾壓路段，長度分別為45 m和58 m，總有效長度為103 m。然而，值得注意的是，盡管采取了諸多措施減少誤差，但實驗uXHKkO1FOUj82+VhE9zdRWGlVKep4TCaUw09BH7gHxI=仍面臨不小的挑戰(zhàn)。該實驗選用單鋼輪振動壓路機作為主要測試設備，其運行規(guī)格及關鍵性能如表2所示：

在進行壓實度檢測前，首要任務是在目標路段安裝所需的測試設備，確保所有設備能夠準確無誤地采集數(shù)據(jù)。其次，基于工程要求、材料特性及過往經驗，為該路段設定一個合理的壓實度目標值，并據(jù)此規(guī)劃所需達到的壓實次數(shù)范圍。圖1為歷史公路不同壓實遍數(shù)所得到的壓實度結果。

通過對歷史數(shù)據(jù)進行詳盡的分析與比對，即可清晰地揭示在不同壓實遍數(shù)條件下，路面壓實度所呈現(xiàn)出的具體變化情況。由圖1可知，當路面的壓實操作達到第7遍時，其壓實度達到了極高的99.9%水平。在所提供的圖像展示中，明確指出了某個具體的壓實遍數(shù)所對應的路面壓實度狀態(tài)。

2.2 檢測結果與分析

基于上述詳盡的實驗計劃，正式開展檢測，旨在通過對比分析檢驗該方法的可行性，其對比檢測結果如表3所示：

基于上述詳盡的檢測結果與對比分析，可以明確看出，該文所采用的基于機器視覺的公路路面壓實度檢測方法，其檢測結果相較于方法1而言，與實驗預設的數(shù)值更為貼近。因此，該實驗證明了基于機器視覺的公路路面壓實度檢測方法在評估路面壓實度方面的卓越性能，相較于傳統(tǒng)的檢測方法，該方法不僅展現(xiàn)出高度的準確性，還確保了檢測結果的可靠性。

3 結束語

該文闡述了一種利用機器視覺技術實現(xiàn)的公路路面壓實度檢測新方法，主要包括圖像采集、圖像處理和壓實度計算三個步驟。在圖像采集階段，使用高分辨率相機和合適的光源獲取路面的圖像；在圖像處理階段，采用一系列算法對圖像進行處理，以提取路面的紋理和顏色信息；在壓實度計算環(huán)節(jié)，巧妙運用了從路面圖像中提取的詳盡紋理與色彩特征，精確計算了路面的壓實度。檢測數(shù)據(jù)確鑿地驗證了這一方法的高精確度和強可靠性，能夠精準無誤地評估公路路面的壓實質量。值得一提的是，該方法還實現(xiàn)了非侵入式的檢測方式，大幅度加快了檢測流程。綜上所述，這一技術不僅是公路建設與維護領域的重大技術飛躍，更是提升工程質量、優(yōu)化資源利用的重要手段。展望未來，將進一步優(yōu)化圖像處理算法，加速檢測流程，并不斷探索降低成本的新途徑，以期將該技術推向更高的應用層次，為公路行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻更大力量。

參考文獻

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[3]丁崢時，盧波，唐春剛，等.填土密度檢測儀檢測路基壓實度的研究與應用[J].山西建筑，2021（8）：138-139+150.

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[5]張銳，肖宇鵬，劉闖，等.考慮吸附結合水影響的高液限土路基壓實度控制標準[J].中國公路學報，2020（1）：32-40+50.

收稿日期：2024-07-23

作者簡介：柳正軍（1977—），男，本科，工程師，研究方向：土木工程。