谈现代公路路面检测技术发展与应用

张 成 李 娟

(1.安徽省高速公路路政支队,安徽 合肥 340111； 2.中公高科养护科技股份有限公司,北京 100095)

0 引言

根据交通运输发展现状和规划，公路基础设施逐步进入大规模养护周期，庞大的路网体量给开展公路养护管理和使用性能检测评价带来更大挑战，大规模的公路设施养护检测需要科学先进的检测技术研究应用作支撑。本文主要就当前公路路面性能状况基于自动化技术、计算机技术、三维及高精度识别与控制技术、图像识别分析技术、超声波等新技术发展的国内外快速检测主要技术及相关的检测设备发展和应用情况进行研究分析。

1 路面破损检测技术

根据JTG H20—2007公路技术状况评定标准，路面破损检测的主要内容包括裂缝类、变形类、松散类以及泛油和修补等其他类，针对水泥混凝土的检测内容，包括了裂缝类、接缝类、竖向位移类和表层类等。目前广泛使用检测技术可基本归纳为两类别：一种是基于数字图像技术的检测，主要目的是对路表面裂缝类指标的检测，即通过拍摄获取路表高清图像，对图像进一步系统处理得到路面裂缝、修补以及泛油等破损指标结果数据；第二类是基于激光技术的位移检测，主要目的是对路面变形指标的检测，即通过对路表面相对变形指标的检测，对获取的数据进一步系统处理得到路面沉陷、坑槽等指标结果数据[1]。

普及自动化的路面检测设备和系统研发应用是当前及今后公路路面性能检测发展应用的方向。国外自动化路面损坏检测设备及检测系统的发展应用起步早、技术较为成熟，最早起源于20世纪70年代法国GERPHO设备及系统研发的基于摄影技术及车辆定位同步采集路面损坏图像的检测技术应用[2]，后期不同学者叠加各时代新技术的运用不断研究改进方法，损坏图像采集及处理先后经历视频技术采集、CCD数字成像并辅助数字图像技术处理计算、基于线阵相机摄影、红外激光照明技术辅助应用等，到目前，随着三维技术发展，3D激光扫描技术应用于路面检测系统成为主要研究应用方向，通过3D扫描可获取到路面微观三维轮廓，不含复杂纹理及颜色的点云路面信息集合有利于后期数据处理，虽然目前尚存在采集数据量大、数据可靠性待提高等问题，但该技术的发展应用仍是代表未来路面检测系统的主要发展方向[1]。

国内路面损坏检测技术及系统发展较晚，但发展速度较快，并取得一定成果。其中，以长安大学道路交通智能检测与装备工程技术研究中心开发的GT-501A高速激光道路检测车[3]、中国高科养护科技股份有限公司研发的CiCS多功能路况快速检测车装备(如图1所示)及配套CiAS路面破损处理软件的研究与应用等几家单位成果为代表。其中，CiCS装备相关检测技术已经纳入交通运输部JTG H20—2007公路技术状况评定标准，2012年成功通过世界上针对多功能路况快速监测设备的最严格的英国运输研究所(TRL)SCANNER认证。

2 路面平整度检测技术

对路面平整度指标的检测设备和技术主要包括断面类和反应类两大类，断面类是基于检测道路纵断面获取各种指标评价计算，国内外研究中，王建锋、吴秉军、毛庆州、Du等人致力于对激光位移传感器获取路面纵向高程的数据质量、获取数据后处理和计算方法、设备检测效率等的不断研究改进并取得一定成果；反应类检测设备实质是测量记录路面纵向高程变化影响的车辆振动颠簸指标，国际平整度指数IRI已成为国内外研究应用广泛的平整度性能检测评价指标，反应类检测核心是寻求建立检测值同IRI指数间的关系。研究如何运用反应类测量设备的数据得到IRI指数是平整度指标检测技术方面的一个热点研究，其中，包括对标定反应类测量设备的方法研究，IRI指数模拟及指标映射转换方程的研究，基于BP神经网络、广义回归神经网络仿真方法及线性模拟映射的指标检测识别的研究以及相关评价标准的研究等，目前，美国、澳大利亚等研究应用的道路平整度仪、颠簸累计仪、惯性激光断面仪等研究应用水平较为先进。

国内对平整度指标的检测还是以断面类设备和技术为主，反应类是研究热点，能突破检测速度适应和自主激光位移传感器研发应用是研究的关键技术问题[4]。虽然当前的设备都可以满足平整度指标的快速测量，但因设备的研发设计初期几乎都是基于高等级公路、均速连续行驶条件下的检测，对于如何满足当前日渐拥堵的交通环境及路口检测停车等情况的非匀速、随时停检需求，仍是需进一步研究优化的问题。

3 路面弯沉(结构强度)检测技术

路面弯沉是由于机动车行驶荷载作用于路面出现的路面垂直向下形变，是表征路基路面整体结构强度的重要指标，研究实现快速、高精度、自动化弯沉检测以便评价路面结构强度和使用性能十分重要。

总结国内出现最早且应用相对较广的贝克曼梁、落锤式弯沉仪、自动弯沉仪，落锤式弯沉仪FWD等检测技术设备，存在着检测效率不高、检测过程受交通情况限制、高级公路检测作业安全性低、检测结果对道路评价需要响应度不足等等问题，各学者多年研究不断改进方法技术。周岚等基于FWD检测设备研究改进提出多点弯沉盘差值检测方法，通过不同弯沉盘差值进行路基路面结构强度评价，可适用于对高速公路沥青混凝土各结构层状况评价；宋宏勋等发明一种路面弯沉指标光电快速检测装置，通过各类线激光阵照明光源光束输出装置及光电接收传感器装置组合应用，实现对路面回弹弯沉、动弯沉指标的高精度检测；国外很多研究在FWD基础上改进优化，研发TSD高速弯沉仪检测设备，改善实际检测作业中交通、速度影响问题；随着探地雷达技术应用于道路无损检测的发展，国外Marecos等学者结合运用GPR探地雷达和FWD更加准确研究分析路面结构，Ahmed等验证采用GPR和FWD相结合检测技术评估路面质量的可靠性等。综上，弯沉检测技术向着高精度、自动化、快速检测方向逐步发展。

4 路面抗滑能力检测技术

路表抗滑性能主要体现在轮胎与路面间作用的摩阻系数上。行业现行相关规范和方法中，表征路面抗滑性能的主要测试方法及测试指标包括构造深度类测试方法检测路面构造深度MTD指标、横向力系数测定车法检测横向力系数SFC指标、摆式仪法测定摩阻摆值BPN指标等，其中对构造深度类测试方法及MTD指标研究应用最为广泛，国内外的各类先进检测技术研究也是主要围绕不断优化改进对MTD指标的测试方法设备研发上，包括二维/三维数字图像法、激光构造深度法等的研究。

数字图像处理技术的发展及在公路领域的应用，国内外众多学者开展基于对路表面二维图像、三维构造模型等分析的抗滑检测技术设备研究，早期研究基于单个或双目相机获取路表面二维纹理图像并提取图像纹理特征，通过图像灰度处理等计算出路表面测点构造深度；随着激光技术在公路检测中的应用，研发激光构造深度测试设备，通过二极管接收到设备发射至路表面不同深度处后反射回的激光束，计算从光束发射到不同二极管被点亮间的时差得出测试路表面测点的MTD指标值，激光法测试速度快、自动化程度高，在检测评价干燥沥青路表面抗滑性能上优势突出，但对路表坑槽或裂缝较多的路段，其检测效果受限。逐步研究中有学者基于多线激光视觉技术与数字图像技术结合检测方法设备，建立了基于三角测量原理的三维数学模型，实现了路表面剖面层的三维结构重建，根据优化的模型及方程计算得到三维平均纹理深度指标检测值，检测结果的精度大大提高，验证中也基本满足实验室及外场实际检测作业的测定要求。综上，研究利用先进的数字图像技术、激光技术应用于路面抗滑检测，不断提高检测方法设备的自动化水平、检测环境适应性水平及检测结果精度等是未来一定阶段的主要研究发展方向。

5 结语

分析国内外路面检测技术发展，各指标检测技术和设备已基本实现自动化，发展趋向由破损检测到无损检测、由低效检测到快速检测、由低精度数据获取到高精度、由单指标检测到多功能设备综合检测的新局面，基于声波、激光、计算机图像处理等先进技术的路面三维结构检测重构及综合性能指标检测评定技术设备研发应用是未来检测的重要方向。国内在路面检测技术和产品等方面起步较晚，但发展较快，整体检测技术水平逐步提高，与国外差距不大，尤其现有的部分检测技术路线与设备产品都已经领先国外，但就核心技术研究引领性及一些检测设备的核心传感器研发应用等方面同国外仍存在差距。总体来说，我们需不断总结研究现有国内外各检测技术设备的方法原理及投入实际应用的优劣势，积极创新解决现有技术水平限制的各项问题，不断推动检测技术发展追求实现公路路面及各类基础设施性能检测的精确化、高效化、智能化水平，助力推进公路养护水平的提高。