“感-算-融-判” 精准体检 智能决策

文/ 供图 | 长安大学 汪海年

“道路材料-结构-性能多源协同检测与智能研判技术及装备”项目研究，创建了道路基础材料性能精细化表征和控制体系，自主研发了高频率、高精度、大幅宽路表状态三维动态检测装备，研制了可变荷载激光动态弯沉高速检测装备和道路结构空洞声效检测装备，形成了道路内外病害协同诊断和全寿命周期维养决策技术。研究成果总体上达到国际先进水平，在集料形态精细表征与质量控制、道路结构及隐性病害检测等方面达到国际领先水平，有效提升了道路服役状态识别效率和养护决策智能化水平。

当前，我国正从公路建设的高峰期快速进入以养护和维修为主的新阶段，公路管理部门将长期面临艰巨的养护管理任务。全面准确、快速可靠地掌握道路服役性能状态，不仅直接影响行车的舒适性和安全性，更是科学养护管理决策的关键一环。目前，道路服役状态评估和预测主要基于破损、车辙、平整度等独立技术状况指标。然而，在长期的工程实践过程中发现，分析单一检测数据难以准确反映道路在荷载和环境作用下的服役状态衰变规律，难以科学建立病害成因或层位之间相互关系，导致难以精准、全面地评价道路状况，使得养护决策过程中存在很大的局限性。

“道路材料-结构-性能多源协同检测与智能研判技术及装备”项目，历经12年科研攻关和工程验证，从道路基础材料精细表征与质量控制、道路表面功能状态高效辨识及装备研发、道路内部隐性病害精准诊断及装备研发、道路运维养护决策智能支持及平台开发四个方面开展了全链条研究，取得了一系列新理论、新技术和具有自主知识产权的新装备等系统性研究成果。

道路“材料-结构-性能”多源协同检测与智能研判体系

该项目成果获省部级科学技术奖一等奖1项；授权国际专利1项、国家发明专利31项，实用新型专利26项，软件著作权8部；发表高水平科技论文92篇，出版专著两部，主/参编包括交通运输行业标准《车载式路面损坏视频检测系统》（JT/T 678-2019）在内的技术标准6部。成果在全国20多个省份及部分海外国家的实体工程中得到成功应用，自主研发的路面三维检测装备连续3年参与16个省份的国检，同时在加拿大安大略省完成近500公里的道路检测。

该项目成果系统解决了道路基础材料性能表征及质量控制水平不高、服役状态识别精度及效率不足和运维养护决策智能化水平不高3个关键难题，自主研发了多套自动化检测装备与智能化分析软件，有力促进了道路养护行业产业升级，对保障在役道路基础设施服役可靠性、耐久性和安全性具有重要意义。

/ 材料性能精细表征与质量控制/

集料形态多维表征 实现基础材料质量控制

项目构建了基于二维形态扫描与3DXCT技术联合的集料形态多维度特征检测与评价体系，为集料形态定量评价与质量控制提供理论依据；提出了集料三维形态特征评价方法，可准确获取集料的形状、棱角、表面纹理等参数，对集料三维特征进行全面、准确表征，结果稳定性和有效性提升50%；自主研发了集料三维形态特征检测与分析系统，测试结果稳定性强、精度高、速度快，可实现大批量集料形态评价与优选，有效控制工程质量。

基于激光和机器视觉的集料三维形态表征设备

沥青性能多尺度分析 探索基本组分影响机理

项目提出了基于沥青四组分拓展的“六分子”动力学模型构建方法及多尺度性能追溯技术，有效提升了分子动力学模拟精度，沥青材料性能追溯准确性提升了17%；通过核磁共振、红外光谱、凝胶色谱、元素分析等多源检测技术，实现了沥青材料组分分离、平均分子结构计算、沥青分子模型构建等；基于布朗-拉德纳法则计算出各个组分平均分子结构的组成参数，构建了各个组分的平均分子结构；通过分子动力学模拟，从微观性能视角表征沥青材料密度、内聚能、扩散速率、自愈合行为、弹性模量等性能，从纳米尺度揭示了沥青流变性能、黏附性能、耐候性能机理等。

混合料性能关联分析 优选关键材料组合配比

项目提出了基于体积阈值计算的沥青混合料内部结构分割方法，能够准确判别沥青混合料的空隙、胶结料和集料三相阈值边界，实现了沥青混合料孔隙率、级配、矿料间隙率等指标反演与验证；建立了基于三维细观结构特征的沥青混合料三维高精度模型及性能虚拟试验方法，实现了沥青混合料应力-应变曲线分析、温度-频率影响分析、开裂发展、疲劳寿命预测和永久变形预测；揭示了集料的岩相学特征对界面强度的影响规律，揭示了集料形状、棱角度、纹理等特性对沥青混合料路用性能的影响规律。

路面结构连续性空洞声效检测装备

/ 路面功能状态高效辨识及装备研发/

路表高速激光扫描 快速重构三维形貌

项目研制了三维全自动标定系统及基于采控分离技术的三维精细测量传感器，进一步研发了高频率、高精度、大幅宽的路面线扫描三维动态检测装备，检测时度最大为100公里，横向测量范围4米，横纵向采样精度1毫米，高程测量精度0.25毫米，实现了对路面破损、变形、纹理、修补等各类病害的高精度三维数据采集；提出了基于关键轮廓信息自适应提取的激光断面数据实时、高速预处理和压缩传输理论及算法，相比于传统的激光扫描数据传输和处理，数据传输速率提升10倍以上，实现了1毫米采样间距下时速80公里连续采集与数据传输。

病害自动识别 高效定位各类表面病害

项目提出了基于深度学习的种子点云分类算法、基于感知编组的微观线性目标提取算法、及基于深度与灰度信息融合的目标检测方法，实现了对路面裂缝、修补、车辙、坑槽、拥包、板角断裂等病害的三维特征重构、多目标提取及自动识别，总体准确率超过90%；提出了裂缝快速检测、智能分类、破损面积准确计算方法，实现了裂缝位置、类型、长度、宽度、破损面积5个特征指标自动量化计算，总体准确度超过85%。

路面透水性差热图谱检测装备

道路智能运维系统与养护决策平台

/ 道路内部隐性病害精准诊断及装备研发/

路面激光弯沉测量 实现结构性能高速评估

项目开展了可变荷载激光动态弯沉检测设备在不同道路结构、层厚、温度和季节条件下的现场试验；基于大数据挖掘与分析手段，改进了角度测量系统、车速和行驶方向测量系统、振动速度计算方法等核心控制参数测量与计算方法；构建了弯沉测量大数据模型，提升了对不同环境、温度、道路结构（刚性/半刚性路基、柔性路基）等的弯沉值修正精度；提升了可变荷载动态激光弯沉装备的测试稳定性，数据自重复性达95%以上，与贝克曼梁测量数据相关性达95%以上。

路面内部声效检测 清晰定位结构隐性病害

项目研发了路面结构连续性空洞声效检测技术，可及时检测出半刚性基层沥青路面和水泥路面的早期空洞型病害，并在此基础上自主研发了声效激励检测车，通过使用激励装置连续敲击路面产生振动，每小时40公里连续检测，构建路面结构不连续指数，实现了对路面结构层连续状况检测与分级，清晰获取路面结构毫米级连续性病害信息。

路面差热图谱分析 掌握全局表征透水压实程度

项目自主研发了车载路面透水性差热图谱检测装备，由行走定位系统、红外线传感系统、特殊事件记录系统和计算机数据存储系统构成，以每小时80公里高速采集雨后沥青路面温度，生成准确定位的温度曲线和地表差热图谱，温度数据精度为±0.5摄氏度，并在此基础上构建了沥青路面透水性指数，实现了路面透水性能评价，间接表征沥青路面密实程度。

/ 道路运维养护决策智能支持及平台开发/

多源数据协同评价 判别道路服役状态

通过三维检测数据对二维衰变模型进行验证与优化，项目获取从道路表面功能、结构性能、隐性病害等评价指标，综合考虑道路结构、材料、交通、气候、服役性能多源数据，基于大数据挖掘、语义分析、深度学习算法，构建了基于多源检测数据的路面性能衰变可靠性评价方法，建立了道路材料、结构与性能的多维度、多尺度协同评价体系，提升了道路健康状况评价的可靠性和全面性。

路面劣化长期预测 服务全寿命周期养护决策

项目构建了基于多源检测数据协同评价和路面性能衰变的道路服役性能预测方法，提出了基于多层次投资决策模型和多目标协同优化的养护修复方案决策，研发了道路资产智能管理系统与平台；从管理者费用和用户费用两个视角，提出了路面服役全寿命周期费用分析方法，进而开发了路面服役全寿命周期效益/费用分析系统，开发了路面服役全寿命周期费用分析软件，实现了基于全寿命周期分析的路面养护决策。