“感-算-融-判” 精準體檢 智能決策

文/ 供圖 | 長安大學 汪海年

“道路材料-結構-性能多源協同檢測與智能研判技術及裝備”項目研究，創建了道路基礎材料性能精細化表征和控制體系，自主研發了高頻率、高精度、大幅寬路表狀態三維動態檢測裝備，研制了可變荷載激光動態彎沉高速檢測裝備和道路結構空洞聲效檢測裝備，形成了道路內外病害協同診斷和全壽命周期維養決策技術。研究成果總體上達到國際先進水平，在集料形態精細表征與質量控制、道路結構及隱性病害檢測等方面達到國際領先水平，有效提升了道路服役狀態識別效率和養護決策智能化水平。

當前，我國正從公路建設的高峰期快速進入以養護和維修為主的新階段，公路管理部門將長期面臨艱巨的養護管理任務。全面準確、快速可靠地掌握道路服役性能狀態，不僅直接影響行車的舒適性和安全性，更是科學養護管理決策的關鍵一環。目前，道路服役狀態評估和預測主要基于破損、車轍、平整度等獨立技術狀況指標。然而，在長期的工程實踐過程中發現，分析單一檢測數據難以準確反映道路在荷載和環境作用下的服役狀態衰變規律，難以科學建立病害成因或層位之間相互關系，導致難以精準、全面地評價道路狀況，使得養護決策過程中存在很大的局限性。

“道路材料-結構-性能多源協同檢測與智能研判技術及裝備”項目，歷經12年科研攻關和工程驗證，從道路基礎材料精細表征與質量控制、道路表面功能狀態高效辨識及裝備研發、道路內部隱性病害精準診斷及裝備研發、道路運維養護決策智能支持及平臺開發四個方面開展了全鏈條研究，取得了一系列新理論、新技術和具有自主知識產權的新裝備等系統性研究成果。

道路“材料-結構-性能”多源協同檢測與智能研判體系

該項目成果獲省部級科學技術獎一等獎1項；授權國際專利1項、國家發明專利31項，實用新型專利26項，軟件著作權8部；發表高水平科技論文92篇，出版專著兩部，主/參編包括交通運輸行業標準《車載式路面損壞視頻檢測系統》（JT/T 678-2019）在內的技術標準6部。成果在全國20多個省份及部分海外國家的實體工程中得到成功應用，自主研發的路面三維檢測裝備連續3年參與16個省份的國檢，同時在加拿大安大略省完成近500公里的道路檢測。

該項目成果系統解決了道路基礎材料性能表征及質量控制水平不高、服役狀態識別精度及效率不足和運維養護決策智能化水平不高3個關鍵難題，自主研發了多套自動化檢測裝備與智能化分析軟件，有力促進了道路養護行業產業升級，對保障在役道路基礎設施服役可靠性、耐久性和安全性具有重要意義。

/ 材料性能精細表征與質量控制/

集料形態多維表征 實現基礎材料質量控制

項目構建了基于二維形態掃描與3DXCT技術聯合的集料形態多維度特征檢測與評價體系，為集料形態定量評價與質量控制提供理論依據；提出了集料三維形態特征評價方法，可準確獲取集料的形狀、棱角、表面紋理等參數，對集料三維特征進行全面、準確表征，結果穩定性和有效性提升50%；自主研發了集料三維形態特征檢測與分析系統，測試結果穩定性強、精度高、速度快，可實現大批量集料形態評價與優選，有效控制工程質量。

基于激光和機器視覺的集料三維形態表征設備

瀝青性能多尺度分析 探索基本組分影響機理

項目提出了基于瀝青四組分拓展的“六分子”動力學模型構建方法及多尺度性能追溯技術，有效提升了分子動力學模擬精度，瀝青材料性能追溯準確性提升了17%；通過核磁共振、紅外光譜、凝膠色譜、元素分析等多源檢測技術，實現了瀝青材料組分分離、平均分子結構計算、瀝青分子模型構建等；基于布朗-拉德納法則計算出各個組分平均分子結構的組成參數，構建了各個組分的平均分子結構；通過分子動力學模擬，從微觀性能視角表征瀝青材料密度、內聚能、擴散速率、自愈合行為、彈性模量等性能，從納米尺度揭示了瀝青流變性能、黏附性能、耐候性能機理等。

混合料性能關聯分析 優選關鍵材料組合配比

項目提出了基于體積閾值計算的瀝青混合料內部結構分割方法，能夠準確判別瀝青混合料的空隙、膠結料和集料三相閾值邊界，實現了瀝青混合料孔隙率、級配、礦料間隙率等指標反演與驗證；建立了基于三維細觀結構特征的瀝青混合料三維高精度模型及性能虛擬試驗方法，實現了瀝青混合料應力-應變曲線分析、溫度-頻率影響分析、開裂發展、疲勞壽命預測和永久變形預測；揭示了集料的巖相學特征對界面強度的影響規律，揭示了集料形狀、棱角度、紋理等特性對瀝青混合料路用性能的影響規律。

路面結構連續性空洞聲效檢測裝備

/ 路面功能狀態高效辨識及裝備研發/

路表高速激光掃描 快速重構三維形貌

項目研制了三維全自動標定系統及基于采控分離技術的三維精細測量傳感器，進一步研發了高頻率、高精度、大幅寬的路面線掃描三維動態檢測裝備，檢測時度最大為100公里，橫向測量范圍4米，橫縱向采樣精度1毫米，高程測量精度0.25毫米，實現了對路面破損、變形、紋理、修補等各類病害的高精度三維數據采集；提出了基于關鍵輪廓信息自適應提取的激光斷面數據實時、高速預處理和壓縮傳輸理論及算法，相比于傳統的激光掃描數據傳輸和處理，數據傳輸速率提升10倍以上，實現了1毫米采樣間距下時速80公里連續采集與數據傳輸。

病害自動識別 高效定位各類表面病害

項目提出了基于深度學習的種子點云分類算法、基于感知編組的微觀線性目標提取算法、及基于深度與灰度信息融合的目標檢測方法，實現了對路面裂縫、修補、車轍、坑槽、擁包、板角斷裂等病害的三維特征重構、多目標提取及自動識別，總體準確率超過90%；提出了裂縫快速檢測、智能分類、破損面積準確計算方法，實現了裂縫位置、類型、長度、寬度、破損面積5個特征指標自動量化計算，總體準確度超過85%。

路面透水性差熱圖譜檢測裝備

道路智能運維系統與養護決策平臺

/ 道路內部隱性病害精準診斷及裝備研發/

路面激光彎沉測量 實現結構性能高速評估

項目開展了可變荷載激光動態彎沉檢測設備在不同道路結構、層厚、溫度和季節條件下的現場試驗；基于大數據挖掘與分析手段，改進了角度測量系統、車速和行駛方向測量系統、振動速度計算方法等核心控制參數測量與計算方法；構建了彎沉測量大數據模型，提升了對不同環境、溫度、道路結構（剛性/半剛性路基、柔性路基）等的彎沉值修正精度；提升了可變荷載動態激光彎沉裝備的測試穩定性，數據自重復性達95%以上，與貝克曼梁測量數據相關性達95%以上。

路面內部聲效檢測 清晰定位結構隱性病害

項目研發了路面結構連續性空洞聲效檢測技術，可及時檢測出半剛性基層瀝青路面和水泥路面的早期空洞型病害，并在此基礎上自主研發了聲效激勵檢測車，通過使用激勵裝置連續敲擊路面產生振動，每小時40公里連續檢測，構建路面結構不連續指數，實現了對路面結構層連續狀況檢測與分級，清晰獲取路面結構毫米級連續性病害信息。

路面差熱圖譜分析 掌握全局表征透水壓實程度

項目自主研發了車載路面透水性差熱圖譜檢測裝備，由行走定位系統、紅外線傳感系統、特殊事件記錄系統和計算機數據存儲系統構成，以每小時80公里高速采集雨后瀝青路面溫度，生成準確定位的溫度曲線和地表差熱圖譜，溫度數據精度為±0.5攝氏度，并在此基礎上構建了瀝青路面透水性指數，實現了路面透水性能評價，間接表征瀝青路面密實程度。

/ 道路運維養護決策智能支持及平臺開發/

多源數據協同評價 判別道路服役狀態

通過三維檢測數據對二維衰變模型進行驗證與優化，項目獲取從道路表面功能、結構性能、隱性病害等評價指標，綜合考慮道路結構、材料、交通、氣候、服役性能多源數據，基于大數據挖掘、語義分析、深度學習算法，構建了基于多源檢測數據的路面性能衰變可靠性評價方法，建立了道路材料、結構與性能的多維度、多尺度協同評價體系，提升了道路健康狀況評價的可靠性和全面性。

路面劣化長期預測 服務全壽命周期養護決策

項目構建了基于多源檢測數據協同評價和路面性能衰變的道路服役性能預測方法，提出了基于多層次投資決策模型和多目標協同優化的養護修復方案決策，研發了道路資產智能管理系統與平臺；從管理者費用和用戶費用兩個視角，提出了路面服役全壽命周期費用分析方法，進而開發了路面服役全壽命周期效益/費用分析系統，開發了路面服役全壽命周期費用分析軟件，實現了基于全壽命周期分析的路面養護決策。