基于养护决策分析需求的路面技术状况检测

笔者将基于路面养护决策分析需求的路面技术状况检测细分为路面破损检测、路面平整度检测、路面车辙检测、路面抗滑性能检测，以及路面弯沉检测，并从检测技术、适用范围、优缺点对比等方面，进行了详细介绍。

01 路面破损检测

路面破损检测的目的是检测路面裂缝、坑槽、壅包、沉陷、松散等表面病害，用以评价路面技术状况，作为路面养护决策的依据。路面破损检测分为人工采集和机器自动采集两种方法，人工法一般仅在低等级公路或维修设计前需要详细勘察的情形中使用，现阶段大规模路况检测都利用综合检测车自动采集路面破损数据。

人工检测

人工检测主要利用卷尺、直尺、相机等简易器具，对路面各类裂缝、变形、车辙、修补等破损状况进行人工徒步调查与检测，记录各类病害的类型、程度、数量。缺点是速度慢、效率低、对检测人员经验要求高，优点是检测宽度涵盖路面全幅、检查更加细致。

早期的自动化检测车一般检测宽度为车道宽度的70%，可检测一个车道或全部车道，而人工检测可以检测包括路肩全部路面宽度范围。基于平面图像的自动化检测对于变形类病害鉴别，以及各类病害严重程度分辨能力有限，当需要细致调查路面病害时，还需要人工补充检测，因此人工检测法是检测车自动化检测的有益补充。随着信息技术的发展，人工法路面破损检测也引入了手持式终端，利用手机网络，实时记录现场检测信息并上传到数据库，实现了数据的快速汇集和处理。

基于平面图像的路面破损检测

该技术主要是在检测车上集成图像采集系统和距离定位系统，应用照相或摄像技术快速采集路面破损照片，同步利用距离传感器、卫星定位系统采集检测车位置信息，然后通过人工、机器辅助或机器识别的方式，识别路面病害，获取定量的路面破损检测数据。

随着现代科技及仪器制造工艺水平的快速发展，路面检测技术已逐渐从传统的以人工手动检测为主发展为以快速、自动化、无损为特点的新型检测技术。

基于平面图像的路面破损检测技术最早研制成功并投入使用的是法国，其开发的设备采用高速摄像机和车辆定位系统，实现路面损坏图像的同步采集，用电影胶片存储路面图像，通过技术人员后续判读各种路面病害并统计汇总相应数据。

随着数字成像、数据存储、图像处理、计算机硬件技术的发展，路面病害图像采集技术也得到了快速发展，数字相机、线扫描相机的应用，极大地提高了图像采集速度和分辨率，使检测车的检测速度达到每小时100公里、图像尺寸最小分辨度达到1毫米。图像处理技术和高速硬盘的应用，可以满足大量图像数据快速处理和存储的需要。同时，基于路面图像几何和灰度等特征的机器自动识别技术，也逐步得到了应用。

目前，基于平面图像的路面破损检测技术已经广泛应用于我国各等级公路的路况检测，国内包括交通运输部公路科学研究所、武汉大学等多家科研院、高校、企业，在早期引进国外检测设备的基础上研究开发了国产设备，经过多年的发展，技术已经非常成熟。现行行业标准也对设备基本组成、检测速度、分辨率、长度允许误差、图像采集处理软件功能等性能参数做出了明确规范。

基于平面图像的路面破损检测技术的主要优点是检测速度快、自动化、图像分辨率高、数字化图像便于后期计算机处理及机器自动识别。但受技术和环境限制，在以下3个方面需要进一步研究和提高。一是光照环境对成像效果影响较大，因此设备一般需配备专门的照明装置，且光照参数需要根据环境光照情况随时调整，才能保证最终照片的高度可识别性；二是由于路面照片是平面的，对竖直方向上的变化不能准确表现，因此对路面变形类病害识别准确度不高，因此，此类设备检测的路面破损率实质上为路面裂缝率；三是基于机器学习的病害自动识别能力方面仍有待提高；路面病害照片的差异性和复杂性大，并受到阴影、杂物、油迹等现实因素的干扰，虽然一些设备厂商、科研机构已经开发并应用了多款自动识别软件，但多数仍然需要在人工干预、核校的情况下才能达到90%以上的识别准确率。

基于三维激光扫描技术的路面破损检测

为解决平面图像不能识别路面壅包、沉陷等不具备明显边缘的变形类病害问题，科研工作者开始研究三维测量相机在路面破损信息采集中的应用，开发出了基于三维激光扫描技术的路面破损检测设备。该技术利用三维测量相机、线激光器组成测量单元，并基于激光三角测量原理，连续采集路面三维断面，组成连续的路面三维图像，再结合路面平面图像，可以实现破损类病害和变形类病害的统一采集，病害识别准确率高于平面图像，该技术已在部分省份测试使用。

三维检测技术检测信息量大，可以还原路面完整三维模型，除用于路面破损数据提取外，还可以直接利用模型中的高程信息计算路面平整度、构造深度、几何线型等其他检测数据，是未来路况检测技术的发展方向。现阶段，该技术的应用还处于初步阶段，尚未建立相关设备及检测标准，需要进一步研究的内容包括两方面：首先，是数据的快速采集、存储、处理和传输方面，由于三维模型数据量远超二维平面数据量，因此要求数据采集系统有很高的带宽和数据处理速度，系统成本也远高于普通设备；其次，三维模型的建立与信息提取方面，由于需先建立三维模型，再根据病害特征提取病害信息，需要开发出高效率、高准确性的程序算法，才能进一步促进此项技术的推广应用。

根据我国公路建设发展的现状与规划，大量公路已进入大规模养护周期，预防养护、功能性修复、结构性修复的养护需求急剧增加，给公路网养护管理带来严峻挑战。图为海南海文跨海大桥。

02 路面平整度检测

路面平整度检测是以规定方法测量路面纵断面凹凸、不平整情况，用以表征车辆行驶舒适性。除了平整度之外，新版《公路技术状况评定标准》还提出了跳车指数指标，用于表示由路面异常突起或沉陷等损坏引起的车辆突然颠簸，这项指标可以利用平整度检测时所获得的路面纵断面数据计算得出。

现行行业规范规定了多种平整度检测方法，其中3米直尺法和连续式平整度仪法，一般仅用于公路建设过程中各结构层平整度质量控制和低等级公路的交工验收检测；手推式断面仪多用于城市道路等连续检测受限的区域，上述方法检测速度慢，不适宜大规模路况采集。在路面技术状况评价的检测中，普遍使用快速自动化检测设备。

常用的自动化检测设备分为断面类和响应类两种，断面类方法测定的是路面纵向凹凸状况，响应类方法测定的是由于路面不平整造成的车辆振动颠簸情况。各类自动化检测方法所获得的结果一般需与国际平整度指数IRI建立换算关系，IRI基准值是由精密水准仪测量路段测线的纵断面高程后，再根据IRI标准计算程序计算得到。由于平整度结果是基于路面纵断面高程数据计算获得的，因此前面提到的三维激光扫描技术获取的路面三维模型中，也可以提取出路面平整度数据。

激光平整度检测法

激光平整度测试仪是目前国内外广泛应用的平整度检测设备，主要部件包括激光位移传感器、加速度计、陀螺仪，以及相应的数据采集处理系统，工作时以正常车速行驶，通过固定在车架上的激光传感器测试竖向距离变化，利用加速度计和陀螺仪的数据，消除自身颠簸影响，从而得到路面纵断面数据，通过系统实时处理得到国际平整度指数等检测结果。该类仪器的特点是检测速度快、精度高、准确性好，国内已形成成熟的产品标准，但国产高性能激光传感器与进口产品相比在耐久性和稳定性上还有差距，市面上国产高端设备一般采用进口激光传感器组装，高性能国产激光传感器是进一步研究的方向。

车载颠簸累计仪法

车载颠簸累计仪是一种响应式平整度检测设备，通过机械传感器采集由路面不平整状况引起的汽车后轴与车厢之间单向位移累计值VBI，通过换算可以得到国际平整度指数。由于该类设备测试的是机械系统的振动特性，因此测试结果与行驶速度有关，另外该类设备不适用于破损较为严重的路面平整度测定，国内仅少部分检测机构在使用。

03 路面车辙检测

路面车辙检测根据规范规定的方法采集路面横断面数据，从而获取路面轮迹带位置的纵向带状车辙变形深度，这种变形一般由交通荷载、高温引起，与路面结构层材料性能有关。车辙的检测方法主要包括基准尺法、横断面仪法、超声波法和激光检测法，其中，基准尺法和横断面仪法是利用人工方法采集路面车辙信息，不用于大规模路况检测。目前，普遍使用的车辙检测技术为各类激光车辙检测技术。平整度数据可以从路面三维模型中提取，车辙计算所需的路面横断面数据也可以从三维激光扫描技术获取的路面三维模型中提取。

超声波车辙检测技术

超声波车辙检测方法使用多个超声波距离传感器采集路面横断面信息，利用模型提取车辙数据。该方法早期曾在国外大量使用，但在激光测试方法出现之后，相比之下，该方法测试速度低、精度差、易受外界干扰等缺点明显，目前已基本不使用。

公路路面技术状况检测与评价是公路建设与资产管理中的关键性、基础性技术。（摄影：张啸天）

截至2019年末，我国公路总里程已达到501.25万公里，高速公路里程达到14.96万公里，位居世界前列。（摄影：韦志胜）

共梁多点激光车辙检测技术

该方法将多个激光位移传感器依次安装在一根刚性横梁上，横梁架设在车辆的前部或后部，用激光束照射被测路面，由各传感器直接测出横梁与地面各照射点之间的距离，再根据各传感器所测得距离做成连续图像，即可获得路面横断面，可以根据模型实时计算出车辙深度检测结果。特点是非接触、速度快、精度高、功耗低，现行行业规范规定激光传感器数量不少于13个，检测宽度范围不小于3.5米，纵向采样间距10厘米，可以满足各类检测需要，国内多个生产厂商都已形成成熟的产品，此类设备已成为目前最广泛使用的车辙检测设备。由于该方法用离散点连线获取横断面，可能存在漏测的情况。

线激光车辙检测技术

该类技术与点激光技术不同，是基于激光三角测量原理，应用线激光和高速数字图像采集技术，将激光光源发射的激光光束经透镜扩束后，照射到路面横断面上形成一条激光线，如果路面存在车辙，激光线就会发生扭曲，用一定偏离角度的高速数字相机拍摄这条激光线，并结合相机拍摄角度数据处理图像，可以获得路面横断面数据，通过车辙模型计算即可提取路面车辙信息。

该技术与多点共梁式激光车辙检测技术相比，采用连续激光线代替多个离散的激光点，减少了激光光源数量，提高了设备可靠性，同时连续激光线获取连续横断面，避免了点激光可能的漏测现象。目前，已有部分国内厂商研制出了该类设备，并应用到了实际工程中。

04 路面抗滑性能检测

路面抗滑性能是用户对道路行驶安全的基本要求。路面抗滑性能检测包括摩擦系数检测和构造深度检测两部分内容，摩擦系数表征轮胎与路面之间的摩擦力和垂直力比值，直接表征路面抗滑性能；构造深度表征路表面的粗糙程度，间接表征路面抗滑性能。

摩擦系数检测方法包括摆式仪法、横向力测试仪法和动态旋转式摩擦系数测定法等，其中摆式仪法是人工检测方法，主要用于路面施工质量控制，动态旋转摩擦系数测定仪法在国内很少应用，国内路况检测摩擦系数主要使用横向力系数仪法。

构造深度检测方法主要有手动铺砂法、电动铺砂法和激光构造深度仪法等，其中铺砂法检测速度慢，主要用于施工质量控制、低等级公路交工验收，路况检测普遍采用激光构造深度仪法。

单轮式横向力系数仪

单轮式横向力系数测试仪基于英国SCRIM系统，设置一个与行驶方向成一定角度的、受恒定竖向荷载，并于路面紧密接触的测试轮，利用压力传感器测试车辆行驶时在侧向轮上产生的侧向滑动摩阻力，侧向力与竖向荷载的比值，即位横向力系数SFC。这种设备是我国常用的一种横向力系数检测设备，也是规范规定的基准设备，其他横向力系数检测设备需要与此类设备建立比对换算关系。该类车辆和仪器不可分离，设备体积庞大、用水量大、使用不便，一般在科研院所或大型检测机构才配备此类设备。

双轮式横向力系数测试仪

双轮式横向力系数测定仪组成结构和测试原理与英国的Mu-meter摩擦系数测试设备类似，由安装有电测设备的三轮小拖车和供水系统组成，包含两个摩擦力测试轮与一个距离测试轮，测试轮与行车方向固定15度夹角，测试轮横向力与竖向力之间的比值即位横向力系数。该仪器体积小，方便运输和使用，可以使用不同的车辆牵引，价格相对单轮式横向力系数仪低得多，在国内各检测机构得到广泛使用。由于此类设备与SCRIM标准单轮式横向力系数测试仪原理和结构有所不同，因此需要与标准测试仪进行比对，并建立换算关系，将测值换算成标准SFC横向力系数值使用。

车载式激光构造深度测试仪

激光构造深度测试方法采用激光位移传感器，对路面纵向测线进行连续高频率测距，在一定概率分布假设的基础上，通过理论模型推算路面构造深度。由于铺砂法路面构造深度是指路表面开口空隙的平均深度，理论模型与激光构造深度测定方法有所不同，激光构造深度检测仪器需要与铺砂法构造深度检测对比，并建立换算关系，将测值换算成铺砂法构造深度值使用。

由于激光构造深度仪与激光平整度测定仪或激光车辙测定仪都采用激光位移传感器，可集成在一起，但因构造深度纵向采样间隔要求不大于5毫米，高于平整度和车辙仪的纵向采样间隔要求，当共用激光传感器时需换用采样频率更高的传感器。车载式激光构造深度仪相对摩擦系数类抗滑性能检测设备，具有采集速度快、数据精确度高、操作方便等特点，加之可以与激光平整度或车辙检测设备集成在一起，其在最新的《公路技术状况评定标准》中已经作为路面抗滑性能检测的替代方法，代替摩擦系数检测。

随着我国路面检测技术水平的不断提升，需要及时建立相应的仪器设备标准与检测方法规程，规范各类检测活动，更好地为路面养护服务。

05 路面弯沉检测

公路技术状况评定中对路面结构整体强度评定的检测指标是路面弯沉，弯沉是指路基或路面在规定荷载作用下产生的垂直变形，利用路面弯沉实测值和路面弯沉标准值可以计算出路面结构强度指数，路面弯沉标准值由公路技术等级、累计标准当量轴次、路面结构类型等因素确定。弯沉检测还用于路面各结构层交工验收检测，以及水泥混凝土路面板底脱空的判断。弯沉检测包括多种检测方法及相应设备。

贝克曼梁法弯沉检测

该方法利用杠杆原理，人工测试在标准车作用下路面垂直变形量，检测结果为单点静态回弹弯沉。这种方法操作简便、仪器简单，在我国公路建设质量控制和低等级公路交工验收检测中大量使用，其缺点是测试速度慢、占用人员多、需封闭交通，不适用于大规模路况检测。

自动弯沉仪

自动弯沉仪是基于贝克曼梁工作原理发展起来的静力弯沉检测设备，车辆以时速3公里至5公里行驶，同时将测定梁放在车辆底盘前端，并支于地面保持不动，当后轴双轮通过测点时，通过位移传感器自动采集路面总弯沉值，然后测定梁被牵引车拖动到下一检测点，从而实现连续测定。

落锤式弯沉仪

新型检测技术将检测速度相近的检测设备集成在同一台检测车上，共用纵向距离传感器等设备，可以实现一次检测采集多项数据。

落锤式弯沉仪（FWD）通过计算机控制将一定质量的重锤提升到一定高度后自由下落，冲击荷载作用于承载板并传递至路面，使路面产生瞬间变形，通过位移传感器采集测点在动态荷载作用下的变形，从而获得路面动态弯沉。该方法具有高效、高灵敏度的优点，动态荷载也与实际交通荷载作用更加吻合，因此获得了广泛应用。国内厂商已开发出了车载式、拖车式等多种形式国产落锤式弯沉仪。

由于路面各结构层强度相差较大，生产厂商开发出了不同质量重锤的落锤式弯沉仪，包括轻型落锤式弯沉仪（LWD)，也称便携式落锤式弯沉仪（PFWD），采用轻型重锤，体积小、携带方便，主要用于不含结合料的路面结构层强度，以及路基强度的检测；还有重型落锤式弯沉仪（HWD），使用重型重锤，主要用于机场跑道等设计荷载要求更高的路面结构强度检测。

落锤式弯沉仪在检测时需要每个点都停留检测，因此检测速度较慢，在已通车道路上检测时，需要做好安全防护措施。

激光弯沉仪

激光弯沉仪是一种新型的弯沉检测设备，其利用安装在荷载车辆上的多个激光多普勒传感器同步采集不同测点的弯沉变形速度，再通过弹性力学数学模型计算出各个测点的动态弯沉值。其最大特点是可以以时速15公里至80公里的正常车速行驶并检测，不会影响正常交通通行，从而大大提高了检测效率，特别适合大规模路况检测。

目前，激光弯沉仪测试方法已列入最新发布的《公路路基路面测试规程》，国内中公高科、武大卓越等企业也已实现了激光弯沉检测车的国产化。