基于空間信息技術(shù)的路隧病害一體化監(jiān)測(cè)車(chē)的原理分析

齊英杰 杜祥哲 方彥 白璐

摘要：

基于空間信息技術(shù)的路隧病害一體化監(jiān)測(cè)車(chē)是通過(guò)整合空間技術(shù)、公路、病害一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的新型特種車(chē)輛，具有路網(wǎng)病害可視化，監(jiān)測(cè)高效化，數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)準(zhǔn)確化等功能。本文總結(jié)了現(xiàn)有的3種一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)，分析我國(guó)多功能監(jiān)測(cè)車(chē)的使用現(xiàn)狀，并通過(guò)實(shí)際檢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)詳解一體化監(jiān)測(cè)車(chē)的工作原理，認(rèn)為相對(duì)于傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)，現(xiàn)有的基于空間技術(shù)的路隧病害一體化監(jiān)測(cè)車(chē)在硬件和軟件方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)，本文為早日研發(fā)在各級(jí)公路的監(jiān)測(cè)工作實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的監(jiān)測(cè)手段提供參考。

關(guān)鍵詞：

病害養(yǎng)護(hù)；多功能監(jiān)測(cè)車(chē)；監(jiān)測(cè)車(chē)特性

中圖分類(lèi)號(hào)：U 415.54；U 495文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-005X（2018）01-0080-05

Abstract：

The highway tunnel disease integrated testing vehicles based on spatial information technology is a new type of special vehicle developed through integration of space，road and disease monitoring technology，and has the functions of road network disease visualization，monitoring efficiency，data transmission timely and accurately.This paper summarizes the existing three kinds of integrated monitoring technologies，analyzes the application status of multifunction monitoring vehicles in China，and explains the principle of integrated monitoring vehicle through actual monitoring data.Compared with the traditional detection technology，the highway tunnel disease integrated testing vehicle has obvious advantages in both hardware and software.This article provides more advanced monitoring methods for early research and development of monitoring at all levels of roads.

Keywords：

Disease conservation；multifunction testing vehicles；detecting vehicle characteristics

0引言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，公路、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施逐步完善，但是公路、隧道建成通車(chē)后，受自然力的侵蝕和風(fēng)化、車(chē)輪的磨損和沖擊以及自身的材料老化等因素的影響，使用質(zhì)量會(huì)逐漸降低。如不及時(shí)消除公路、隧道運(yùn)行中的安全隱患，勢(shì)必造成經(jīng)濟(jì)和人員的巨大損失。所以，公路、隧道在通車(chē)以后需采取病害養(yǎng)護(hù)，及時(shí)修復(fù)損害的地方，以提高公路、隧道的通行能力和服務(wù)水平[1]。美國(guó)、加拿大、日本等早在20世紀(jì)80年代就研制出了適合本國(guó)路況的公路監(jiān)測(cè)車(chē)。瑞典的PAVUE系統(tǒng)和美國(guó)的PCES系統(tǒng)，是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的系統(tǒng)。進(jìn)入21世紀(jì)，加拿大的路維（Roadware）公司研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ARAN公路路面病害檢測(cè)車(chē)，中國(guó)的浙江省和江蘇省等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)相繼引進(jìn)了這款檢測(cè)車(chē)，取得了良好的效果[2]。我國(guó)在這一方面的研究也取得重大進(jìn)展，北京理工大學(xué)、交通部公路科學(xué)研究院等單位研制出的路面智能檢測(cè)車(chē)技術(shù)水平也已達(dá)到或接近國(guó)外水平[3]。吸收現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外先進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)辟更新型道路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是我國(guó)道路檢測(cè)設(shè)備的研究目標(biāo)。

1監(jiān)測(cè)設(shè)備技術(shù)

1.1公路、隧道病害一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)

主流的車(chē)載監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有CCD相機(jī)技術(shù)的二維自動(dòng)化隧道檢測(cè)車(chē)技術(shù)、空間信息技術(shù)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)、多源數(shù)據(jù)可視化分析技術(shù)等，多種檢測(cè)設(shè)備技術(shù)的使用使得公路隧道的監(jiān)測(cè)取得突破性進(jìn)展。

（1）基于CCD相機(jī)技術(shù)的二維自動(dòng)化隧道檢測(cè)車(chē)技術(shù)

二維自動(dòng)化隧道檢測(cè)車(chē)主要使用CCD相機(jī)為主要核心部件，搭配強(qiáng)光源和距離傳感器、速度傳感器、數(shù)字處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和分析存儲(chǔ)。將拍攝到的二維圖像變成電子信號(hào)，然后通過(guò)A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換，變?yōu)橛?jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字圖像信息進(jìn)行存儲(chǔ)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件，自動(dòng)識(shí)別隧道、路面缺陷后對(duì)每一處缺陷自動(dòng)給出參考解決方案[4]。

（2）基于空間信息技術(shù)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)

隨著高分辨率遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，遙感衛(wèi)星圖像質(zhì)量逐步提升，擁有不同遙感波段的高分辨率觀測(cè)能力。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐與研究，已經(jīng)建立了交通遙感應(yīng)用系統(tǒng)，并為公路維護(hù)和管理提供了科學(xué)依據(jù)，利用遙感數(shù)據(jù)開(kāi)展了遙感應(yīng)用取得了很好的效果[5]。

（3）多源數(shù)據(jù)可視化分析技術(shù)

借助于高仿真三維場(chǎng)景、完善的公路、隧道數(shù)據(jù)庫(kù)（包括勘測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)參數(shù)、竣工資料等數(shù)據(jù)信息）和GIS強(qiáng)大的空間信息管理和分析處理能力，以三維圖形、二維圖表等相結(jié)合和互動(dòng)的方式展示分析結(jié)果，協(xié)助管理者預(yù)測(cè)公路技術(shù)狀況的發(fā)展趨勢(shì)?；诙嘣磾?shù)據(jù)庫(kù)的可視化分析技術(shù)是大數(shù)據(jù)時(shí)代實(shí)現(xiàn)形式之一。

隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（GIS）、路面構(gòu)造深度及雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)逐步在發(fā)展應(yīng)用之中，使得檢測(cè)車(chē)的功能更為全面，將逐步成為公路、隧道檢測(cè)的方式。

現(xiàn)階段公路病害自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)基本上都已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。如加拿大的路維公司開(kāi)發(fā)一套路面裂縫自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，該系統(tǒng)核心軟件包已經(jīng)在全球十幾個(gè)國(guó)家和地區(qū)廣泛使用[6]。

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，道路、地鐵以及各類(lèi)管線(xiàn)等工程不斷修建，各種病害及安全事故不斷發(fā)生，這對(duì)公路隧道的預(yù)防養(yǎng)護(hù)帶來(lái)新的問(wèn)題，所以利用新的科學(xué)技術(shù)手段采取全新的檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)預(yù)防，是未來(lái)病害養(yǎng)護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)[7]。

1.2一體化多功能監(jiān)測(cè)車(chē)優(yōu)越性

一體化多功能監(jiān)測(cè)車(chē)至今已經(jīng)完成對(duì)杭州灣跨海大橋、甬金、杭千等公路、隧道的監(jiān)測(cè)任務(wù)，累計(jì)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度達(dá)到1 000 km，它為高速公路的病害養(yǎng)護(hù)工作提供了精確的科學(xué)依據(jù)。

現(xiàn)以某高速公路檢測(cè)結(jié)果分析，該高速公路路面檢測(cè)長(zhǎng)度共614.2 km，檢測(cè)包括路面損壞、路面行駛質(zhì)量、路面車(chē)轍、路面抗滑性能。

在檢測(cè)中利用智能道路檢測(cè)車(chē)，該檢測(cè)車(chē)集成了路面破損檢測(cè)系統(tǒng)、車(chē)轍檢測(cè)系統(tǒng)、平整度檢測(cè)系統(tǒng)、路基病害檢測(cè)系統(tǒng)，可以完成圖像分類(lèi)、破損識(shí)別、車(chē)轍分析、路面變形分析、平整度分析、路況信息錄入、道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷分析、對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確智能化的分析處理[8]。其檢測(cè)分析見(jiàn)表1～表4。

結(jié)果分析：

路面損壞狀況與路面行駛質(zhì)量較好，日常養(yǎng)護(hù)為主，并對(duì)局部破損小修，對(duì)評(píng)價(jià)為中的路段可以進(jìn)行罩面等措施。

路面車(chē)轍與路面抗滑性能較好，也是以養(yǎng)護(hù)為主，對(duì)良、中進(jìn)行小修，次、差的路段，以微表處理的方式進(jìn)行修整。

通過(guò)以上實(shí)例可以得知與傳統(tǒng)檢測(cè)方式相比，多功能檢測(cè)車(chē)優(yōu)越性明顯：

（1）利用二維自動(dòng)化隧道檢測(cè)車(chē)技術(shù)直接得到公路隧道的平整損害的相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確，成本較低。

（2）檢測(cè)范圍廣，速度快，以空間立體化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)車(chē)在行駛的過(guò)程中即可對(duì)公路隧道進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)利用拍照的方式對(duì)公路隧道進(jìn)行信息的獲取，不會(huì)對(duì)路面造成損害。

（3）信息具有可重復(fù)性，在ARAN中采集數(shù)據(jù)可重復(fù)性很好，激光平整測(cè)試儀的最大平均偏差為3.6%，最大偏差為8.0%，激光車(chē)轍儀最大平均偏差10.7%，最大偏差16.2%，激光紋理測(cè)試儀最大偏差4.9%，最大平均偏差8.8%。能夠及時(shí)校對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)，并可對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)為日后養(yǎng)護(hù)提供參考。

但對(duì)于多功能一體化監(jiān)測(cè)車(chē)來(lái)說(shuō)，也存在一些缺陷，在自動(dòng)識(shí)別裂縫軟件中，由本身的局限性，在識(shí)別過(guò)程中僅識(shí)別裂縫的長(zhǎng)度和寬度而不能檢測(cè)先行規(guī)范要求的裂縫的面積，因此還需要通過(guò)人為的進(jìn)行識(shí)別，另一方面其產(chǎn)生的檢測(cè)的數(shù)據(jù)不能自動(dòng)計(jì)算輸出結(jié)果，檢測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)零散不能夠與管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)接，須有人工參與，同時(shí)多功能檢測(cè)車(chē)對(duì)于彎沉、摩擦系數(shù)以及路面厚度的檢測(cè)還存在相應(yīng)的問(wèn)題[9]。

2基于空間技術(shù)的路隧病害一體化多功能監(jiān)測(cè)車(chē)構(gòu)成原理

2.1多功能監(jiān)測(cè)車(chē)構(gòu)成

作為道路質(zhì)檢部門(mén)驗(yàn)收檢測(cè)公路、隧道的檢測(cè)儀器，多功能監(jiān)測(cè)車(chē)可以在不收回臂架的情況下慢速行駛，對(duì)公路隧道進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，為道路養(yǎng)護(hù)部門(mén)提供基礎(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù)與技術(shù)方案。它具有效率高、安全性好、適應(yīng)性強(qiáng)、功率消耗低等優(yōu)點(diǎn)[10～13]。部分檢測(cè)車(chē)設(shè)備各部件分布如圖1所示。

多功能公路、隧道監(jiān)測(cè)車(chē)是一套模塊化的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，由一輛特別改裝的汽車(chē)底盤(pán)和各種數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)組成[14]，一般包括縱向斷面測(cè)量系統(tǒng)、激光掃描橫斷面系統(tǒng)、定位定向系統(tǒng)、道路全景攝像系統(tǒng)、全自動(dòng)裂縫探測(cè)系統(tǒng)、全球定位GPS系統(tǒng)等，各個(gè)系統(tǒng)特定功能保證了監(jiān)測(cè)車(chē)能夠及時(shí)有效的對(duì)公路、隧道進(jìn)行監(jiān)測(cè)。檢測(cè)車(chē)各系統(tǒng)功能如圖2所示。

（1）縱向斷面測(cè)量：比較斷面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)判斷監(jiān)測(cè)點(diǎn)是否發(fā)生變化，掃描速度快、精度高，動(dòng)態(tài)檢測(cè)如圖3所示。

對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)：

x=-L·cosα+a。

y=L·sinα+b。

（2）激光掃描橫斷面：通過(guò)激光測(cè)距的方法對(duì)公路、隧道的橫斷面進(jìn)行掃描：

t=Φ/ω=Φ/2πf。

D=（c/2）Φ/2πf。

Φ=ΔΦ（λ<2D時(shí)）。

Φ=ΔΦ+2nπ（λ≤2D時(shí)）。

D=（λ/2）（N+ΔΦ/2π）=Lx（n+ΔΦ/2π）

式中：f為激光源調(diào)制頻率；D為調(diào)制光徑的距離；t為激光發(fā)射與接收時(shí)間；ω為調(diào)制光的調(diào)制角頻率，ω=2πf；n為波動(dòng)的數(shù)目；Lx為度量長(zhǎng)度的單位長(zhǎng)度；Lx=λ/2；c為空氣中的光速。

監(jiān)測(cè)車(chē)行進(jìn)的過(guò)程中，由于自身因素會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)對(duì)隧道斷面的檢測(cè)產(chǎn)生影響，所以在后期的數(shù)據(jù)處理中對(duì)其進(jìn)行修正。

（3）全景攝像系統(tǒng)：通過(guò)攝像系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)路表圖像的采集，通過(guò)后期處理軟件自動(dòng)處理與人工判讀相結(jié)合，分類(lèi)統(tǒng)計(jì)各種公路隧道的病害，可以避免人工檢測(cè)帶來(lái)的危險(xiǎn)性。

（4）自動(dòng)裂縫探測(cè)系統(tǒng)：利用現(xiàn)代電子成像技術(shù)，把公路、隧道表面裂縫信息實(shí)時(shí)顯示在屏幕上；分辨率可達(dá)0.002 5 mm，保證微細(xì)裂縫的判讀精確性。它具有獨(dú)特的自校準(zhǔn)功能，可用標(biāo)準(zhǔn)刻度板進(jìn)行校準(zhǔn)。強(qiáng)大的文件管理功能可按構(gòu)建名稱(chēng)進(jìn)行管理，便于日后查詢(xún)。同時(shí)它可以對(duì)裂縫進(jìn)行更深入的分析，并生成檢測(cè)報(bào)告。

（5）車(chē)載定位定向系統(tǒng)：在定向定位系統(tǒng)中包括IMU、里程計(jì)、高度計(jì)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)等硬件組成，還包含捷聯(lián)慣導(dǎo)算法、航位推算算法、誤差補(bǔ)償算法等軟件組成部分，慣導(dǎo)導(dǎo)航系統(tǒng)與里程計(jì)具有互補(bǔ)的特性，它們的組合可以抑制由于慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差隨時(shí)間的發(fā)散問(wèn)題，高度計(jì)準(zhǔn)確確定車(chē)輛高度定位信息[11]，組成原理如圖4所示。

（6）GPS作為先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)定位準(zhǔn)確，范圍廣、及時(shí)有效對(duì)檢測(cè)點(diǎn)定位。

2.2多功能監(jiān)測(cè)車(chē)監(jiān)測(cè)原理

在眾多的檢測(cè)指標(biāo)中，路面損壞指數(shù)PCI是對(duì)道路隧道各種損壞的類(lèi)型、范圍以及嚴(yán)重狀況的指標(biāo)，路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI反映路面的平整狀況，紋理車(chē)轍則是排水與抗滑的性能標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測(cè)車(chē)不但檢測(cè)各種項(xiàng)目指標(biāo)外，還對(duì)其所搜集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，通過(guò)對(duì)公路隧道的檢測(cè)信息進(jìn)行拍照錄像，并進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。同時(shí)利用智能數(shù)據(jù)管理平臺(tái)對(duì)檢測(cè)路段與隧道進(jìn)行病害的分級(jí)與分類(lèi)[14～16]。

式中：DR為路面損壞率。其中PCI數(shù)值范圍為0～100。

（1）在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，利用高速攝像機(jī)對(duì)公路、隧道進(jìn)行連續(xù)拍攝，這種相機(jī)搭配的同步的強(qiáng)光源會(huì)消除公路隧道中存在的陰影，拍攝到二維影像會(huì)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像進(jìn)行存儲(chǔ)。

（2）通過(guò)智能數(shù)據(jù)管理平臺(tái)中先進(jìn)的圖像識(shí)別系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行開(kāi)放結(jié)構(gòu)的程序離線(xiàn)處理，并對(duì)公路、隧道病害生成報(bào)告，展示病害的類(lèi)型、位置及嚴(yán)重程度。公路、隧道管理人員通過(guò)對(duì)輸出的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行合理的判斷并及時(shí)做出病害養(yǎng)護(hù)方案，由于通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件獲得的第一手信息保證了公路、隧道評(píng)估的準(zhǔn)確性。

采集到的原始數(shù)據(jù)在檢測(cè)車(chē)上僅生成特殊文件并不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出與更改，這樣保證了原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠性，數(shù)據(jù)利用硬盤(pán)拷貝到數(shù)據(jù)管理中心，并利用專(zhuān)門(mén)的處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，在此過(guò)程中數(shù)據(jù)不存在遺失的狀況。

在最新的公路、隧道的檢測(cè)中，道路綜合檢測(cè)智能數(shù)據(jù)管理平臺(tái)是綜合各種最新技術(shù)并最終對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成報(bào)告交于決策人員。如圖5所示。

2.3多功能監(jiān)測(cè)車(chē)特性

多功能監(jiān)測(cè)車(chē)本身固有的優(yōu)越性，包含硬件與軟件方面的特性。

從硬件方面來(lái)說(shuō)，監(jiān)測(cè)車(chē)具有速度快，檢測(cè)效率高的特點(diǎn)，由于測(cè)量?jī)x器安裝在與車(chē)身固結(jié)為一體的構(gòu)架上保證了良好的振動(dòng)性能。監(jiān)測(cè)車(chē)的車(chē)身動(dòng)態(tài)特性極大影響檢測(cè)數(shù)據(jù)的精確性，為了保證精確的測(cè)得限界尺寸，對(duì)于檢測(cè)車(chē)本身來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度性能和制震性能必須滿(mǎn)足相應(yīng)的工作條件[17]。

從監(jiān)測(cè)車(chē)的軟件特性來(lái)說(shuō)，多功能監(jiān)測(cè)車(chē)的基礎(chǔ)設(shè)施采集工具具有一體化、模塊化與多測(cè)量的特點(diǎn)[18-19]。它的子系統(tǒng)能夠詳盡采集道路隧道的性能數(shù)據(jù)，這為交管部門(mén)提供準(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠與商用GIS程序兼容，高效率歸并到如PC機(jī)、UNIX等管理系統(tǒng)中。由于模塊化的特性，使得現(xiàn)存的采集系統(tǒng)與日后開(kāi)發(fā)研制的新技術(shù)完全兼容。

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)比基于空間技術(shù)的路隧病害一體化多功能監(jiān)測(cè)車(chē)和傳統(tǒng)的車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置，基于空間信息技術(shù)的路隧病害一體化監(jiān)測(cè)車(chē)優(yōu)勢(shì)明顯，PCI評(píng)價(jià)系統(tǒng)和其搭載的定位、全景攝像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算能力使其精度和全方位監(jiān)測(cè)功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先靠人力目視監(jiān)測(cè)。然而，筆者認(rèn)為，目前的多功能檢測(cè)車(chē)只能通過(guò)一次次機(jī)械的監(jiān)測(cè)施工，缺乏連續(xù)的監(jiān)測(cè)記錄和可視化、情景化的病害顯示手段，而且不能過(guò)多地顯示地形地貌的沉降和預(yù)警。對(duì)于整個(gè)公路隧道一體化監(jiān)測(cè)而言，只將目光局限于通過(guò)研發(fā)多功能一體化監(jiān)測(cè)終端是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須把強(qiáng)化全面的路面與隧道的預(yù)測(cè)預(yù)防；建立全面的道路隧道管理系統(tǒng)；收集全線(xiàn)道路路面的技術(shù)數(shù)據(jù)；建立健全公路、隧道性能狀況管理大數(shù)據(jù)作為主要針對(duì)點(diǎn)，結(jié)合北斗系統(tǒng)和可視化地圖模型手段，為下一步更先進(jìn)的檢測(cè)手段做好前瞻性的技術(shù)儲(chǔ)備和鋪墊。

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