农村公路沥青路面养护智能决策系统研究

文/柏鲁甬、石家福、汪海年、张琛、李元乐、刘胜兰

1 前言

当前，我国交通运输部门以及各地方公路管理部门都搭建了信息化管理系统，为公路运营管理以及养护提供数据支撑，有效提高了我国的公路运营管理水平以及养护工作效率。然而，目前这些信息化管理系统的功能主要集中在数据管理方面，包括路面信息、病害管理以及养护信息等，功能相对比较单一。鉴于此，我们需要构建农村公路沥青路面养护智能决策系统，通过对农村公路沥青路面进行评估分析，实现路面养护决策的智能化以及自动化，从而在保障养护质量的基础上进一步提高路面养护工作效率。

2 农村公路沥青路面养护智能决策系统设计思路

路面养护工作本质上就是及时发现沥青路面出现的病害，并制定出针对性的养护措施，使路面恢复健康的状态。路面养护工作大致可分为信息采集、分析处理、实施以及结果反馈等几个环节[1]。农村公路沥青路面养护智能决策系统主要是为养护工作的实施提供决策辅助，因此必须要具备信息采集、分析处理、养护决策、过程记录以及结果反馈功能，其中信息采集主要收集农村公路沥青路面的信息；分析处理环节主要通过对基础数据信息的处理，识别路面存在的病害；养护决策环节主要是根据病害的类型、特点、大小等制定出具体的养护方案；过程记录环节主要是记录养护方案实施的整个过程；结果反馈环节主要是记录路面养护结果，以为后续养护工作提供参考[2]。

3 农村公路沥青路面养护智能决策系统指标评价体系

考虑到农村地区公路设计等级低、车辆行驶速度低、行驶车辆少、大型车辆少等特点，在评估沥青路面状况时不考虑抗滑性能以及平整度，综合评估分析路面状况时仅从路面结构强度以及路面破损状况两方面进行分析，评价指标体系建立如下：

3.1 路面破损状况评估指标

路面状况指的是路面结构保持完好的程度，是沥青路面破损情况的直观体现和反映。一般情况下，针对路面不同破损的类型以及破损程度，采用路面状况指数（PCI）表示，计算公式如下：PCI= 100 - 15DR0.412；DR=∑∑DijKij/A；其中DR 表示路面综合破损率；A 表示破损路段面积；Kij表示i 中破损类型、j 级破损严重程度换算系数，具体可参照表1；Dij表示i 中破损类型、j 级破损严重程度实际面积[3]。

表1 农村公路沥青路面破损换算系数表

3.2 路面结构评价指标

沥青路面结构承载性能指的是路面在达到预定的损坏状况之前还能承受的行车载荷作用次数或者还能使用的年数[4]。通过该指标可以确定沥青路面的剩余使用寿命，对公路改建或者加铺的时间进行预判。路面结构评价指标（RPSI）的计算公式如下：；SSI=lR/l0；其中RPSI 表示路面结构强度指数；l0表示路面实测弯沉，单位为mm；lR表示路面允许弯沉，单位为mm；a0表示模型参数，为15.71；a1表示模型参数，为5.19。

4 农村公路沥青路面养护智能决策系统的构建

近年来，随着“村村通”工程的实施，农村地区的路面基本都采用沥青或者是混凝土，但无论采用的是哪种路面，描述路面性能一般都是根据平整度、结构强度、破损状况、耐久度以及抗滑性能等指标进行评估[5]。结合农村地区公路的实际情况，本文只考虑路面结构强度以及破损状况两项指标进行评估，基于此，构建农村公路沥青路面养护智能决策系统，具体主要分为以下五大模块：

4.1 数据采集

数据采集模块主要是负责收集包括路面建造信息、基础参数以及巡检信息等方面的数据信息，以便实时掌控路面的情况。考虑到农村地区范围大，并且公路相对比较分散，如果采用人工巡检的方式获取路面信息，不仅效率低下，而且需要投入大量人力资源，因此，在本系统设计中，拟主要采用航拍的形式获取路面信息，同时拍摄路面高清图片判断路面当前的状态。此外，还可以根据路面附近居民或者过往车辆司机的报告获取到路面病害信息，以掌握更全面的基础资料。及时掌握全面的信息对于开展路面养护工作极为关键，它是确保养护工作高效进行的重要前提，在本模块设计中采用现代化技术手段，降低了人工采集的难度和强度，为识别路面病害以及判断路面整体状态奠定了坚实基础。

4.2 病害识别

病害识别模块主要是对信息采集模块收集的数据资料进行处理分析，通过识别航拍图片以及相关信息报告，判断路面存在的病害以及路面结构状态。为了提高病害识别的准确度，在本模块中除采用图像识别技术外，还采用了神经网络技术、深度学习技术以及大数据技术。通过多种现代化技术手段，可以提高数据信息处理分析的效率，同时准确度也能得到保障，及时、准确地识别出路面病害；在没有有关病害类型的典型视频图片时，可通过对大量图片基于聚类分析的方式加以处理，获得疑似病害的图片集等信息，然后通过人工再次确认等方法，最终得到病害图片，并确定路面病害所处位置。随着后续路面病害信息的规模越来越大，在后续路面病害识别过程中，可将病害信息以及待识别信息在相同规则下进行量化处理，并结合计算公式计算出待识别信息相似度，根据既定的相似度阈值对待识别信息进行分类处理，最终输出结果，具体流程如图1 所示[6]。

4.3 智能化决策模块

这是本系统的核心模块，主要是负责根据信息采集模块以及病害识别模块的输出结果制定出具有针对性的专业化养护方案，以指导路面养护工作的开展。首先，根据病害识别模块输出的结果，确定路面病害类型，然后对数据信息进行进一步的处理分析，结合实地勘察结果，对路面病害范围、严重程度、影响大小以及其他方面的因素做出准确判断；其次，参照我国现行的农村公路沥青路面养护工作的相关标准规范、法律法规以及政策条例等，结合病害路面位置的实际情况与周围环境因素、人文因素等，对养护工作的工程量进行预估，并做出资金规划、人员安排、使用机械设备情况等相关事务的安排；最后，结合上述所有要素，输出最终的养护决策方案，为实际工作的开展提供切实依据。

4.4 过程记录

过程记录模块主要是负责记录路面养护工作的全过程，完整记录人力资源、物料、工期、资金使用以及施工安全等方面的信息，并与预定的养护方案进行比对，适时根据实际情况对预定方案进行调整和优化。

4.5 结果反馈

结果反馈模块主要是负责收集病害路面养护工作完成的相关信息，包括养护工作完成后路面的结构强度指数以及破损状况评估等，并对路面整体情况做出客观评估，包括路面剩余使用寿命、潜在的隐患等，以便为后续的路面养护工作以及公路改建、加铺等工作提供参考依据。此外，过程记录模块以及结果反馈模块所收集的各项信息也能充实系统数据库，再次识别到路面发生类似病害时，系统可以更快地做出反应，并且输出的养护决策方案更科学、更精准。

5 结语

本系统充分结合农村地区公路的特点和实际情况，对沥青路面的评估指标体系进行了简化；同时，在系统设计上，也不仅考虑到了当前路面病害处理的需求，同时还考虑到了后续养护工作的需求，这对路面养护工作具有一定的价值。