新時代智能探路人記同濟大學交通運輸工程學院副院長杜豫川教授團隊

◎ 文/王 鵬

8.08 萬公里，這是新中國成立之初整個中國能通車的公路里程。

到2019 年，這個數(shù)字變成了484.65 萬公里，僅高速公路里程就達到了14.26 萬公里，居世界第一。

70 年，條條高速遍神州，公路通到家門口。在這個過程中，我國的公路交通發(fā)展也逐步由建設為主過渡到建設養(yǎng)護并重，且養(yǎng)護需求越來越大。

養(yǎng)護體量大、頻率高，養(yǎng)護設備昂貴、操作復雜，種種問題造成的養(yǎng)護難，已成為我國公路交通發(fā)展面臨的一大窘境，也是交通運輸工程領域科學家們面臨的一大挑戰(zhàn)。

同濟大學交通運輸工程學院副院長杜豫川教授領導的STEP 課題組，正致力于解決這一難題。他們立足國家需求，大膽創(chuàng)新實踐，利用先進感知與大數(shù)據(jù)人工智能技術(shù)，承擔起了新時代智能探路人的使命。

STEP（Research Team for Smart Transport Emerging computing and Perception）課題組，是同濟大學交通運輸工程一流學科在“交通系統(tǒng)全息感知與智能應用”領域重點建設的一流高峰學科團隊。

該團隊擁有杜豫川教授、暨育雄教授、沈煜副教授等核心成員，多年聚焦交通系統(tǒng)中運行狀態(tài)和設施性能的高精度感知、交通大數(shù)據(jù)人工智能分析決策等方面的應用基礎理論和工程技術(shù)，已取得多項創(chuàng)新性成果并推廣應用。近期榮獲2019 年度上海市科技進步一等獎的“路面多維高頻檢測裝備和智能養(yǎng)護技術(shù)及應用”項目，正是課題組攻關(guān)多年的結(jié)晶。

道路設施養(yǎng)護維修，是道路建成通車后的必做“售后”，也是保證道路在全生命周期內(nèi)正常運營的基礎。面對我國已然十分巨大，且仍在不斷增長的道路設施體量，足夠范圍與頻率的道路檢測，可為養(yǎng)護決策的制定提供科學支撐。

杜豫川介紹，目前，我國已基本實現(xiàn)高速公路的全線年度檢測及典型國省干線質(zhì)量檢測，但傳統(tǒng)的路面性能檢測技術(shù)與方法多基于激光雷達等重型機械，操作復雜且設備昂貴，我們?nèi)悦媾R著存量設施檢測覆蓋度低、更新時間長，進而難以有效支持養(yǎng)護維修決策的難題。

這一背景下，一種高效便捷、經(jīng)濟合理、操作方便、易于推廣的路面行駛質(zhì)量快速檢測系統(tǒng)成為了整個道路檢測及養(yǎng)護行業(yè)的迫切需求。STEP 課題組推出的“路面表觀損傷智能快速巡檢系統(tǒng)”，恰好滿足了這一需求。

該系統(tǒng)由課題組多年產(chǎn)學研聯(lián)合攻關(guān)成功研發(fā)，在路面平整度、路面損壞等多維指標的高頻檢測和數(shù)據(jù)分析等瓶頸問題上取得了突破，獲得了從基礎理論到檢測裝備再到運維管理系統(tǒng)的系列成果。

經(jīng)過多年的理論技術(shù)攻關(guān)，杜豫川教授團隊揭示了復雜車路振動耦合環(huán)境下的路面表觀損傷的演化機理與多尺度聯(lián)動機制，探究了多種類型路面損傷的表征方法與特征規(guī)律，為路面病害的輕量化檢測與養(yǎng)護系統(tǒng)決策提供了理論基礎。

在此基礎上，自主研發(fā)了支持高頻檢測的輕量化路面性能巡檢裝備，實現(xiàn)了路面平整度、路表損傷、裂縫發(fā)育等多維性能參數(shù)的快速精準感知，可保證多指標測量精度均超過90%，病害識別速度提高至0.1s/張，綜合檢測效率提高2～3 倍，費用降低50%以上，可支持檢測周期降至季度/月度檢測，實現(xiàn)多維路面性能指標的高頻、快速、低耗檢測。

以海量檢測數(shù)據(jù)為支撐，課題組創(chuàng)建了云邊融合的道路設施大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和智能分析平臺，建立了時空完備的路面損傷信息庫，可實現(xiàn)路面自然損傷時空狀態(tài)追溯和時空三維索引，完成高頻路面性能狀態(tài)的數(shù)字化管理與跟蹤預測。

從理論到設備再到管理，課題組最終構(gòu)建了“路面損傷演化機理—多維高頻檢測裝備—智能養(yǎng)護運維系統(tǒng)”的閉環(huán)體系。該系統(tǒng)可精準定位路面病害產(chǎn)生的位置，追溯不同病害在時間序列下的發(fā)育狀態(tài)，為路面養(yǎng)護和預防性養(yǎng)護的最優(yōu)化策略提供數(shù)據(jù)支持與科學支撐。

到目前為止，項目成果已在上海市道路設施網(wǎng)絡及多地區(qū)高速公路系統(tǒng)中得到大規(guī)模推廣應用，服務于上海市域內(nèi)790 公里高速公路、310 公里城市快速路和18 座越江橋隧，覆蓋超過95%的城市重要道路基礎設施，跟蹤未修補損壞188047處，并實現(xiàn)季度數(shù)據(jù)更新，具備百GB 量級的養(yǎng)護外場數(shù)據(jù)日處理能力，在進口博覽會等重大活動中也發(fā)揮了重要作用。

同時，相關(guān)成果在浙江、山東、四川、河北、廣東等十余省市得到推廣應用，服務于中電建路橋、招商公路、浙江交投等大型企業(yè)，及寧波、湖州、煙臺等地的行業(yè)管理單位，累計應用里程超過10000 公里，為港珠澳大橋、雄安新區(qū)道路改造等重大工程提供了相關(guān)技術(shù)支撐。實踐證明，檢測效率顯著提高，實現(xiàn)了多車協(xié)同檢測與校核，獲得了業(yè)內(nèi)專家與工程合作伙伴的高度評價。3 年來，項目成果應用實現(xiàn)新增產(chǎn)值4.96 億元，新增利潤5385 余萬元，顯著降低了養(yǎng)護工程的社會影響，經(jīng)濟與社會效益顯著。

項目相關(guān)成果獲得上海市科技進步一等獎、2017 年中國公路學會科學技術(shù)一等獎，授權(quán)國家發(fā)明專利8 項，國際發(fā)明專利5 項，發(fā)表高水平學術(shù)論文十余篇。

在交通運輸工程領域深耕多年，STEP 課題組還在智慧公交大數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)、城市路網(wǎng)交通運行態(tài)勢智能分析及預測系統(tǒng)、大型停車場車輛運行精準感知與運行重構(gòu)等方向取得了突出成果，有效提升了城市路網(wǎng)交通的智能化和自動化水平，為我國智能化交通及智慧城市建設作出了貢獻。

杜豫川介紹，接下來，相關(guān)成果將繼續(xù)服務于高速公路、國省干道的多維高頻路面性能采集及智能養(yǎng)護，為精細化養(yǎng)護提供可靠數(shù)據(jù)來源，滿足新時代路網(wǎng)精細化養(yǎng)護管理新要求，使路網(wǎng)養(yǎng)護周期由“年度養(yǎng)護-季度養(yǎng)護”轉(zhuǎn)化為“精細化管理”成為可能。

同時，他們還將推動相關(guān)成果服務我國超過400 萬公里的農(nóng)村公路網(wǎng)，“響應國家數(shù)字農(nóng)村建設規(guī)劃，制定適用于農(nóng)村公路的設施性能評定和管養(yǎng)技術(shù)規(guī)范，建立國家農(nóng)村公路設施性能檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心，解決大范圍農(nóng)村公路質(zhì)量缺乏檢測管理的難題，助力推動社會主義新農(nóng)村建設，為鄉(xiāng)村致富路保駕護航。”

在起到“基石”作用的基礎研究方面，STEP 課題組同樣毫不放松。“現(xiàn)階段，我們團隊仍潛心開展基于高頻重復采集的路面綜合性能的時空連續(xù)數(shù)據(jù)體系構(gòu)建、基于深度三維相機的路面宏微觀紋理特征識別、基于多通道探地雷達信號挖掘的人工智能識別等方面的技術(shù)研究，致力于形成近遠期結(jié)合的公路網(wǎng)絡基礎設施性能監(jiān)測和系統(tǒng)性優(yōu)化方案。”杜豫川介紹。

杜豫川說，未來他們將一如既往，以時代與國家需求為引領，以先進科技和海量數(shù)據(jù)為支撐，堅定不移創(chuàng)新創(chuàng)新再創(chuàng)新，努力做好新時代的智能探路人。