高速公路路面車轍三維線激光技術的應用分析

文/饒明超、辛鳴

1 前言

對于高速公路路面工程而言，在車輛長期運行之下會產生荷載，導致路面結構出現車轍問題，嚴重影響到車輛通行的舒適性以及安全性。由于路面車轍形成的因素較多，不僅有材料強度因素,同時也有車載因素以及環境因素。不同的影響因素產生的車載類型是存在差異性的，所以在路面車轍處理環節，就需要采用三維線激光技術對車轍的形式進行測定，以判斷車轍形成的主要原因，以便按照檢測結果采取有效的修補措施。

2 三維線激光檢測系統的組成及工作原理

路面車轍激光檢測技術有較多的細分形式，其中三維線激光檢測系統較為典型。激光器可提供光源，照相機則協同運行，以確定被測路面上產生的光斑，最終完成檢測[1]。激光器是重要的裝置，通常以結構光激光器為主，照相機是CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）照相機。在檢測環節當中，通過激光的作用能夠全面地照射路面結構，使其處于待測定區域，可以按照光纖的情況進行改變，能呈現變形的情況。并且在數據處理時，可以通過軟件對平整度的情況進行計算；此外CCD 系統還能全面地記錄三維圖像參數，在經過系統處理以后能夠編程二維條紋圖像，且通過光條中心線提取以后，按照信息參數值構建出車轍的變形曲線，能夠快速、準確地反應出車轍的深度（圖1）。

圖1 深度情況分析

在圖1中，a 表示激光器和路表交點的透鏡距離（m）；b 表示透鏡到感光面（CCD）的距離（m）；θ 表示路表面法線和像鏡頭的角度（°）；h'表示位移（m），按照圖1的幾個關系系數，對于車轍的深度可以按照以下公式計算:

3 LMI 三維線激光檢測系統

對于三維線激光檢測技術而言，其主要包括檢測系統以及監測設備，由于對檢測技術的要求較高，因此對LMI 三維線激光檢測系統內容進行以下分析。

3.1 系統組成

在公路路面車轍檢測工作開展中，三維線激光檢測系數屬于一種全新的檢測手段。該系統功能豐富，具備很強的操作性，然而采購成本相對比較高。當前在我國建設領域中應用不夠廣泛。但是在新時期背景下，隨著技術的不斷發展，LMI 公司在總結科學技術經驗之下推出的三維線激光檢測系統具備一定的突破性，該操作系統性能好、成本低，當前在我國建設市場中反響效果很好。LMI 三維智能傳感器主要分為兩種方式：Gocator2000 系列和Gocator2300。這兩種檢測系統的掃描費用非常高，能夠在車輛行駛的狀態下調節掃描功能，實現精確的數據捕捉，能夠減少光照影響帶來的不穩定因素，此類技術具備以下特征。

傳感器功能強大，能夠進行激光測量以及數據快速處理，且在確定被測物的輪廓以后，可以構建出三維坐標，能夠實現獨立高效運行，不需要借助其他的硬件支持；同時，該系統還配置有軟件能夠與傳感器相對接，可快速處理數據[2]。

3.2 實際應用

以某高速公路路面車轍檢測中應用三維線激光技術檢測為案例進行分析，在檢測工作開展中，傳感器裝置是非常重要的一項設備，所以需要做好相關的配置；針對檢測儀器掃描頻率設為700Hz，正常條件下每秒可以掃描700 個的圖像數據。根據本次案例的要求，選擇規格為300mm×300mm×60mm 的瀝青車轍板，進行路面的測量。測量數據精度為0.1mm，主要的設備為游標卡尺，使其能夠對車轍的深度進行測定，且在測定環節考慮到車轍位置對涉及平均參數進行計算，得出最終結論。從槽底的實際情況分析，其平整性較好，按照目前激光數據的要求，整理后獲得平均值參數，然后計算確定車轍深度值[3]。根據試驗參數結論分析，對檢測設備的運行參數進行合理設計，在具體設計中曝光值與假設高度以及檢測寬度參數分別為1200μs、1.4m、1400mm。

4 工程實踐

4.1 工程概況

某公路項目工程全長為31km，車輛行駛速度為100km/h，寬度為24.5m。該線路工程在長時間的投入使用后出現了車轍問題以及路面脫空等問題。因此，為了全面了解路面病害問題的程度，從而按照病發機理進行處理。本項目主要以隨機抽樣檢測的方式，對車轍的深度進行了檢測，計算確定平均值，然后明確真實參數，再使用LMI 三維線激光檢測系統采集確定車轍深度數據，連續采集4 次參數，得到平均值，最終可以獲取最終結果。

4.2 不同速度下試驗

本次研究主要是進行平整度參數的測量，得到的數據具有較高的準確性。由于城市內部交通通行量較少（通常在70km/h 以下），為了真實模擬城市道路運行實際情況，選擇其中兩個路段，每個路段有100m長，每個路段有10 次檢測。在路段1 中檢測10 次，在路段2 進行10 次檢測，測得的IRI 值分析之后發現，不管是路段1 還是路段2，每次檢測速度都和勻速相差不大。在路段2 中，速度是比較平均的，為55km/h，而路段1 除了第2 次行駛在27km/h 左右，其他9 次都是勻速，56km/h。從測量結果分析發現，在路段1 第2 次檢測中，得到IRI 值與平均值相似，這就表示不足30km/h 速度時所得到的檢測值與中高速獲取的數值有很大的差距。

4.3 檢測結果

在檢測的過程中采取上述的方法，選擇人工測量以及系統測量的方式進行，對兩者的測量有效值進行比較，具體結果見表1。

表1 車轍測量值與人工測量真實值的對比結果

從上述測量內容分析發現，經過4 次測量之后所產生的絕對誤差為0.1～0.8mm，誤差不會超過2%。根據檢測偏差參數對比分析，符合不足5% 的標準。因此，這種情況下應用的三維激光設備運行條件良好，測量精度較高。按照獲取的結果對設計的參數進行分析，在觀察y 值與X 值后創建指標的線性回歸方程y=1.1594x ? 2.0749，而后通過方程套用可確定測量值。本次計算數據為0.9783，達到技術標準的要求。

5 三維線激光技術應用的影響因素分析

通過以上系數分析可知，比較測量值和平整度的等級是存在差異性的兩者參數并不是完全重合的狀態。通過對表面激光數據的穩定性和差異性分析之后，可推測出影響三維線激光技術的影響因素有色彩、構造深度等方面的影響。

5.1 色彩的影響

瀝青路面結構是我國公路工程的主要形式，瀝青整體顏色均以黑色為主，并且路面中還設置了白色與黃色的標線。由于存在這種特點在進行相關檢測時，就會受到路面反射顏色影響導致效果變差，隨著顏色變化系數的不斷增加，精確性就愈發不準確。對于不同類型的顏色來說產生的影響是不同的，一般而言其具體影響大小以黑色最明顯，其次是黃色，再次是白色。因而在三維激光技術應用時，需要對顏色誤差引起的偏差問題進行考慮，并且針對特定工程需要進行多次檢測，在平均檢測數據結果基礎上選擇最接近的參數作為參考值。

5.2 構造深度的影響

在應用該技術時，受到材料粒徑以及外界因素的影響，性能會出現一定差異，導致檢測的效果不夠真實。其次，在三維線激光檢測技術應用時，需要綜合考慮路面結構層的平整度，選擇一些路段工況較好的路段作為試驗路段，在此路段試驗檢測以后掌握相關試驗參數的同時再進行整體工程的檢測，如此才能保證三維線激光檢測的參數滿足實際需求。

6 結語

瀝青路面經過長期運營后，極易產生車轍的問題，導致安全性事故的發生。本文以實際案例分析確定三維線激光檢測技術的應用，數據精度很高且操作非常方便，可以促進總體應用效果的提升，準確地掌握車轍的情況，為瀝青路面的質量管理水平的提升起到積極的作用。