瀝青路面損壞檢測管理系統的研究

張敏杰 萬海峰 王睿迪 李祥杰

摘 要：基于國家“交通強國”戰略背景和“新基建”交通基礎設施智能技術需求的現實，對瀝青路面損壞檢測管理系統進行了研究。該系統實現了瀝青路面損壞的自動化采集和計算機同步檢測，實現了瀝青路面損壞自動檢測，改善了純人工檢測的現狀;實現了管理信息化，建立了良好的養護管理體系。

關鍵詞：路面損壞;瀝青路面養護;路面檢測;管理系統

中圖分類號： U416.217;U418.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2022）04-0099-03

1 研究背景

道路是社會的基礎設施，其工作條件惡劣，由于瀝青路面具有平整度高、抗滑性好、安全性高等優點，而瀝青路面因荷載及環境等因素也逐漸出現不同程度的損壞問題，例如車轍、沉陷、裂縫等。如此既降低了瀝青路面行車的舒適度和安全性，又提高了后期公路的養護工作的難度。在養護管理過程中產生的數據信息逐漸增加，且傳統的養護管理方法消耗大量資源，已經很難適應此時的道路養護管理需求。在此背景下，為了使道路保持良好狀態進行經濟的運營，及時、合理地進行道路路面養護以及降低養護管理成本，創建一個科學、高效的路面檢測養護管理系統極為重要。

2 國內技術現狀

隨著近幾年云計算技術的不斷發展，云管系統開始越來越多的承載企業的基礎環境和業務流程[1]。在云管系統構建的過程中， 要堅持成熟性、開放性、擴展性、易用性、安全性、高性能等原則[2]。為了給予公路橋梁養護信息的準確快速的幫助，對于養護路段決策以及快速能力反應等進行論證[3]，不少團隊及個人對道路病害檢測及養護有關的云管系統進行了研究。由上海蒲公檢測股份有限公司唐咸燕完成的養護管理APP與城市道路路面損壞可視化養護管理系統，使用云服務的方式方法來滿足整個網絡的上傳以及瀏覽的要求[4]。由濱州市公路管理局任娟、韓守兵開發的基于日常養護的路面病害識別與管理系統，實現了路面病害的自動化采集和計算機同步自動識別，后臺通過管理系統進行信息化管理。同時實現了日常養護中疾病的自動檢測，以及養護管理的信息化[5]。通過建立智能化的管理系統，不僅可以實現對道路工程健康狀況的動態監測，而且還可以有效提高管理的質量和效率[6]。

3 研究內容及目標

3.1 瀝青路面損壞檢測管理系統的研究內容

目前，道路損壞檢測管理系統并未普及，大多道路養護管理部門仍采用傳統方法，使用紙質的資料，導致數據丟失嚴重且工作效率低、花費大。道路損壞養護管理檢測、分析與決策仍存在效率較低，無法及時地共享數據資源等問題;同時不能夠提前預計瀝青路面損壞的發生時間梯段。為解決這些問題，瀝青路面損壞檢測管理系統應運而生。我們利用自主創新的瀝青路面檢測裝置，使之充分發揮損壞檢測及數據采集作用，將采集到數據進行預處理后得到路面損壞數據包括裂縫規模、坑槽深度、坑洞面積、車轍深度、松散程度等特征數據，同時再與公路基礎數據一起建立路面損壞數據庫，通過SSM框架建立管理系統，實現數據分析功能，最后在云平臺展示。用戶可通過平臺實現信息化管理，如查看養護狀態、信息通知、數據統計、查看損壞高發路段等。

3.2 瀝青路面損壞檢測管理系統的構架

本系統嚴格按三層體系構建瀝青路面損壞檢測管理系統的總體架構，如圖1所示。

3.2.1 數據采集層

數據采集層主要通過圖像采集、紅外探測、超聲波探測的方式采集瀝青路面的路面損壞數據，同時通過GPS記錄已損壞路面的地理位置信息，并與各養護單位對接各類相關業務數據。

3.2.2 數據處理分析層

為支持之后可視化管控平臺的數據統計、數據分析和客戶端服務等應用，需要對多源數據進行處理和分析。因采集層所采集的部分數據無法直接使用，所以需要將這些數據經預處理后得到路面損壞的數據同其他數據導入路面損壞數據庫，該數據庫與公路管理局部分數據互通，且可提供給道路養護部門使用。后續對從數據庫中提取的數據，采用決策樹算法進行數據分析，可得到損壞高發路段、損壞類型頻率等信息，可以為決策以及二次養護管理使用，幫助養護部門進行養護決策。

3.2.3 管理應用層

可視化管控平臺的實現基于數據采集層的全面采集以及數據處理分析層的準確分析，其主要應用有數據分析、數據統計和客戶端服務等。數據分析包括損壞高發路段、損壞類型頻率、損壞與交通量的聯系的統計分析等。數據統計包括定時的養護季報、損壞點修復季報、檢測季報等展示。客戶服務端則包括養護狀態查看、檢測結果查看、內部信息通知、公共信息服務、群眾反饋服務等。提供全面、準確的分析數據、數據統計結果、與客戶端的查詢與信息通知的服務，為道路養護管理工作提供便利。

3.3 瀝青路面損壞檢測管理系統的功能實現

3.3.1 多源數據采集

主要通過對瀝青路面損壞狀況有感知的設備（包括高速攝像頭、GPS設備、超聲波探頭、紅外熱成像儀等）進行采集瀝青路面狀況信息或數據信息，并將信息存儲到相關的數據庫服務器中。

一是高速攝像頭圖像數據采集。通過安裝在檢測養護車輛上的高速攝像機，對瀝青路面進行高速錄像，并且對疑似損壞的瀝青路面進行抓拍，再經過預處理可得到路面損壞數據包括裂縫規模、坑槽深度、坑洞面積、車轍深度、松散程度等特征數據。

二是GPS數據采集。由安裝在養護車輛上的GPS終端設備提供時間和定位信息，并將獲取的地理位置信息輸出，獲取車輛經緯度、海拔及時間等數據后可為檢測養護車輛的定位和軌跡跟蹤等提供數據支持。

三是超聲波探頭數據采集。通過安裝在檢測養護車輛上的超聲波探頭設備進行超聲波探測。超聲波探測裝置可提供瀝青路面的裂縫規模、坑槽深度、坑洞面積、瀝青混凝土的密實度信息以及瀝青混合料的水穩特性信息等，并將此信息輸出，為瀝青路面養護工作提供精準的參數。

四是紅外熱成像儀數據采集。通過安裝在檢測養護車輛上的紅外熱成像儀對瀝青路面進行紅外探測。紅外熱成像儀對路面進行檢測將成像信息以指定的方式輸出，最終由數據庫的工作人員處理成像數據，可生成各種直觀的信息，主要用于溫度離析檢測、路面脫空檢測、透水率檢測以及工具監控等方面。

3.3.2 數據融合分析

本系統融合了不同類型的數據信息，參考各自的特點，然后提取出相似且多元化數據信息，流程由數據預處理、數據分析、數據輸出三部分組成，如圖2所示。

一是數據預處理。①數據審核。審核是至為關鍵的一環，若數據出現絲毫差錯，后續的數據分析將無法運行。多方面收集的信息難免出現差錯，所以在進行數據分析之前，需要從完整性和準確性兩個方面，根據圖像數據、坐標等信息對原始數據的審查和核對，對于錯誤可修改的數據必須經過修改才可利用;對于不可修改的數據需要備注并重新收集，避免出現遺漏。②數據篩選。篩選有很重要的地位，只有得到精確且具有代表性地數據才可使輸出的結果的真實性與準確性有保障。而在這里數據量非常之多，為了保證我們的分析方法能夠運行，必須進行數據篩選。數據篩選需要從原始數據中清理不必要數據，抽取出圖像數據、超聲波探頭數據、紅外熱成像儀數據等用于數據轉換。③數據轉換。采用 Bin方法對數據進行平滑處理，除去數據中的噪聲;進行泛化處理，這是一個從定量到定性的過程，對于路面的裂縫規模、坑槽深度等數值型屬性，將其映射到路面有無損壞的概念;進行規格化處理，將裂縫規模、坑槽深度、車轍深度、坑洞面積、松散程度等數據按比例映射到 0 到 1 范圍之中。

二是數據分析。系統通過采用決策樹算法對預處理后的數據的進行分析。首先生成決策樹模型，制定分類規則并測試決策樹模型的準確性，從團隊收集的10 000組數據中挑選8 000組數據進行決策樹模型的訓練，剩余2 000組數據用于對模型準確性進行測試，通過產生的數據、結果，對模型參數進行訓練和修正，不斷完善決策樹模型;第二步，利用完善過后的決策樹模型對新的數據進行預測分析，最終得到分析結果，如損壞高發路段、損壞類型頻率、損壞與交通量的聯系等結果。

三是數據輸出。路面損壞數據庫具體包括以下內容：多種感知設備的采集的數據;部分人工采集的數據;路段基本信息（如樁號、空間位置等），檢測設備信息等;經過處理后的數據;平臺運行的歷史數據。這些數據與公路管理局的部分數據互通，并且可以及時提供給道路養護部門使用。

3.3.3 可視化管控平臺

一是綜合信息查詢與內部信息通知。此功能可供道路養護人員查詢道路損壞養護信息，以及向內部人員推送信息通知。前者主要包括：養護狀態查看、檢測結果查看。后者為養護系統內部信息的發放給養護相關工作人員。實現及時、準確查詢綜合信息的功能及內部信息及時通知的功能。

二是公共信息與群眾反饋服務。此功能主要針對群眾，實現公共信息服務及群眾反饋服務。前者是指群眾根據自身需求登錄平臺，查詢有關道路的檢測與養護信息。后者是群眾在發現既有信息有誤或者損壞處理不及時等問題，可聯系后臺進行反饋，這一環節實行獎勵制度，鼓勵群眾積極反饋，有助于實現道路養護管理平臺的群眾化、普及化、全面化。

三是路面損壞的預測與預防提示。根據公路路段基礎數據，利用訓練后的決策樹模型分析預測該路段可能發生的路面損壞，并提示道路養護單位預防，能夠在進行瀝青路面損壞檢測與養護的同時，做好預防與準備工作，提高道路養護工作的工作效率。

四是數據統計報表。該系統可提供監控與監管范圍內的數據報表展示、導出功能。具體包括：養護季報、損壞點修復季報、檢測季報等。可供道路養護單位及時查看、了解道路損壞的檢測情況及養護狀態。

3.4 瀝青路面損壞檢測管理系統的運行效果

本管理系統應用了多元感知設備，可實現瀝青路面損壞檢測的大數據分析挖掘、預測以及統計分析等。該系統還結合了可視化管控平臺，為瀝青路面檢測養護管理帶來不錯的效果。

（1）實現數據庫的建立及檢測、分析、決策等多方數據共享，及時更新完善數據庫，確保數據資源的準確性，便于后續分析決策以及二次養護管理使用，實現精準管理，提升運行管理效率。

（2）根據損壞類型的不同發展提供相應的數據分析信息，確保系統使用者的使用需求得到滿足，能夠對路面檢測技術管理工作的數據處理信息資源進行良好的管理，使檢測與養護管理工作更具靈活性。

（3）根據公路某路段基礎數據，利用訓練后的決策樹模型分析預測該路段可能發生的路面損壞，并提示道路養護單位預防，能夠在進行瀝青路面損壞檢測與養護的同時，做好預防與準備工作，使檢測與管理工作更具超前性。

（4）通過瀝青路面損壞檢測管理系統，技術人員則能夠快速地從數據庫或以往檢測記錄及時鎖定發生損壞的路段及路面損壞區域，并進行決策養護管理，以及后續的二次確認檢查等工作，提升了路面檢測管理的針對性。

（5）實行群眾反饋獎勵機制，充分利用群眾資源，實現路面檢測養護管理的群眾化、普及化、全面化。

4 結語

瀝青路面現階段在全球范圍都廣泛地投入使用，而瀝青路面因荷載及環境的長期影響會逐漸出現不同程度的損壞問題。路面損壞檢測技術在道路養護中的應用，正逐步進入深化階段，基于這些技術，我們將自主創新的瀝青路面檢測裝置與管理系統充分結合，建立路面損壞數據庫，最后通過SSM框架建立管理系統。該系統實現了數據庫的建立及檢測、分析、決策等多方數據共享等功能，為道路養護提供指導并制定養護方案，提升路面檢測管理的針對性，可大大提升經濟效益。用戶通過平臺實現信息化管理，如查看養護狀態、信息通知、數據統計、查看損壞高發路段等，可實現路面病害的早期損壞程度和范圍動態預警，指導管理機構精準化地提出運營維護決策。

參考文獻

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