侯海濤 謝輝 程棋鋒 吳晚霞 劉斐 岳祺宇 胡冬平

摘 要：本文設(shè)計了一類用于道路病害檢測的地理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)可精準定位顯性病害和隱性病害，通過對顯性病害和隱性病害的融合分析，判斷道路損壞的原因，根據(jù)不同道路損壞機理采取最優(yōu)處置方法，降低養(yǎng)護成本，減少占道施工的區(qū)域及時間。最后，在實際的道路病害檢測中，使用該系統(tǒng)進行實地調(diào)查，證明了該系統(tǒng)的高可用性，以實地取芯驗證了系統(tǒng)對隱性病害判斷的準確性。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng);顯性病害;隱性病害

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通運輸需求日益增加，公路作為交通運輸?shù)闹匾d體，承擔著重要的陸運任務。據(jù)報道，截至2020年，中國公路總里程已經(jīng)達到501.25萬公里。龐大的公路網(wǎng)絡需要大量的日常養(yǎng)護工作以保證道路暢通。傳統(tǒng)的公路養(yǎng)護中，主要通過人工拍照進行巡查，對發(fā)生病害的道路段進行標注記錄[1]，根據(jù)病害類型及損壞程度有計劃的進行針對性修復。人工巡查費時費力，難以對病害逐一精準定位，對于微小的病害容易忽視。對隱伏病害難以及時發(fā)現(xiàn)，任由其發(fā)展，最后導致路面塌陷等嚴重事故。

隨著地理信息系統(tǒng)的快速發(fā)展，使用地理信系統(tǒng)可以快速準確的定位道路病害，方便工作人員及時設(shè)計養(yǎng)護方案并安排后續(xù)養(yǎng)護工作。本文通過對道路常見病害的分析以及處置方法的介紹，通過實際場景的應用，證明了本文設(shè)計的道路病害檢測地理信息系統(tǒng)的有效性。

1 道路常見病害分析與處置

1.1 道路常見病害類型及原因

道路的常見病害主要分為顯性和隱性病害兩大類[3]，其中顯性病害主要包括：不同程度的橫、縱、斜向、交叉裂縫以及修補、龜裂、坑槽、松散老化、泛油、磨光和波浪擁包等[4-5];隱性病害主要包括：脫空、內(nèi)部裂縫、不均勻沉降、富含水、疏松等[4-7]。

路面出現(xiàn)裂縫、龜裂等顯性病害的主要原因是長時間、高載荷甚至超載的各種車輛的高強度碾壓導致瀝青混凝土出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞而開裂[5]。另外，極端天氣導致施工原料過度脹縮、建設(shè)或施工作業(yè)的不規(guī)范（路基壓實度不足或不均勻等）也會導致路面病害的出現(xiàn);對于泛油問題，主要由于前期施工中，粘層油、混合料等使用不合理，導致在高載荷碾壓出現(xiàn)泛油或高溫時出現(xiàn)瀝青混合料路面遷移現(xiàn)象[6-9]。對于隱性病害，其主要原因[6-8]為：地下水地質(zhì)作用導致地下結(jié)構(gòu)大面積脫空、疏松等;降雨或日常道路清潔中，地表水穿透裂縫，長期沖刷基層，同樣會導致基層的損壞;另外，道路兩旁的防排水設(shè)施如果受損，無法穩(wěn)定發(fā)揮其作用，也會導致隱性病害的發(fā)生。

1.2 病害處置方法

對于輕微的顯性病害不及時處置，會迅速加重病害程度，進而造成更大面積的路面損壞，比如道路裂縫處經(jīng)過地表水沖刷和車輛碾壓，會形成坑槽。

對于小于5 mm的裂縫，可以使用熱瀝青灌縫撒料法修復，對于大于5 mm的裂縫且有錯臺或者啃邊現(xiàn)象，要進行開槽加鋪玻璃隔柵然后在鋪筑上面層。對于坑槽要使用熱輻射板加熱后鋪平熱料并有效壓實處置。對于泛油問題，要進行碎石壓入或者重新攤鋪來解決。對于脫空、疏松等病害，要視嚴重程度對脫空部位進行壓漿并進行填充，使其能均勻支撐面層;對于沉降問題，要銑刨掉面層瀝青混凝土，采用碎（礫）石，干砌或漿砌片石等重新回填密實，將土基和基層徹底根治后，再鋪面層[6-10]。

2 道路隱性病害檢測原理

基于探地雷達波特征的地下隱性病害的識別方法一般是根據(jù)正演規(guī)律推斷某些病害特征的波形、振幅、相位與頻率的變化等，然后根據(jù)現(xiàn)場探測得到的波來反演道路內(nèi)部形態(tài)，輔以水平切片的直觀形態(tài)來做出判斷[11-12]。典型病害探地雷達圖譜如圖1所示。

脫空、疏松、空洞等涉及路面基層損壞的病害，反射波振幅強，衰減慢;其相位和頻率主要表現(xiàn)為頂部反射波與入射波同向，底部反射波與入射波反向，頻率高于背景場;其波組形態(tài)上均表現(xiàn)有連續(xù)同向性反射波組，多次波發(fā)育，兩次繞射波發(fā)育明顯，在此基礎(chǔ)上，近球形空洞的反射波會表現(xiàn)為倒懸雙曲線，近方形表現(xiàn)為連續(xù)平板狀雙曲線;疏松反射波結(jié)構(gòu)雜亂，波形同相軸不連續(xù)。

富水病害的振幅雖然也強，但是會迅速衰減;在相位上表現(xiàn)同基層損壞病害，但是頻率卻低于背景場;波組形態(tài)上兩側(cè)繞射波和底部反射波不明顯，多次波不發(fā)育。

病害的嚴重程度一般根據(jù)反射電磁波的能量來判斷，如表1所示，其中s表示波形面積，v表示反射波峰值。

3 道路檢測地理信息系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述道路常見病害的類型、成因以及處置方式可以看出，道路損壞也嚴重，處置成本越高，封閉道路時間越長。因此，盡早發(fā)現(xiàn)輕微顯性病害和隱性病害，采取合理的防治措施，降低大中修頻次尤為關(guān)鍵。因此，針對上述顯性和隱性病害，道路檢測地理信息系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)模塊展開如下設(shè)計。

3.1 運動及定位系統(tǒng)

道路檢測地理信息系統(tǒng)通過電池供電，可連續(xù)工作12 h;為增強適應性和運動精確性，移動平臺采用大扭矩伺服電機并配備高精度行星減速器，因此設(shè)計時速為0 km/h～20 km/h并具有10°爬坡能力?？紤]實際應用，系統(tǒng)自動計劃檢測路線。

為保證定位精度，該系統(tǒng)使用慣導和RTK定位融合技術(shù)，定位精度為厘米級，可輸出病害高精度經(jīng)緯坐標和道路里程，保證病害定位的精確性。另外，為了保障本體安全性，設(shè)置有電子圍欄、本體低壓電壓告警和自動避障等安全措施。

3.2 病害檢測

為提高病害檢測效率和準確度，本系統(tǒng)搭載了高清相機檢測顯性病害，搭載有基于三維探地雷達檢測隱性病害，探測深度3 m，單幅檢測寬度1.5 m。系統(tǒng)工作時，對連續(xù)拍攝路面表觀畫面進行拼接，基于三維探地雷達電磁波的不斷發(fā)射和接收，得到整個檢測區(qū)域的雷達波譜，進而通過電磁波的正演信息獲取病害圖譜，根據(jù)圖1和表1中對病害特征和嚴重程度的判斷規(guī)則識別病害類型及損壞程度。

3.3 總體工作流程與后臺

該型機器人的典型工作流程如圖2所示，其中左側(cè)為本體操作流程，右側(cè)為輔助設(shè)備操作流程。

為了提高人機交互的自然度，系統(tǒng)后臺頁面不僅可以直觀顯示表觀圖像，還可以通過三維模型更加立體直觀的展示病害情況，人機交互頁面效果展示如圖3所示。

4 實際應用

4.1 系統(tǒng)高可用性驗證

本文通過在道路病害檢測的實際應用來驗證道路病害檢測地理信息系統(tǒng)高效性和準確性。以某個道路病害檢測項目為例，以圖2的流程進行實際檢測作業(yè)（如圖4所示）。

檢測路段長5 km，寬7.5 m，檢測時長2.5 h，檢測效率1.5萬平方米每小時。

檢測出顯性病害面積為2 921.592 m2。其中塊狀裂縫為6.610 m2;橫向裂縫為108.960 m2;縱向裂縫為22.431 m2;龜裂為2 704.513 m2;修補為79.078 m2。顯性病害主要為龜裂。各顯性病害的面積或長度、地理坐標、影響程度見表2。依據(jù)地理坐標可精確尋找病害位置，便于精準養(yǎng)護。

共檢出隱性面積153.822 m2，主要病害類型為脫空。檢出裂縫總計面積0.498 m2;檢出疏松總面積24.626 m2;檢出空洞總面積1.949 m2;檢出沉陷總面積6.035 m2;檢出脫空總面積120.696 m2。隱性病害主要類型為脫空。各隱性病害的面積、地理坐標、隱性程度見表3，依據(jù)地理坐標可精準定位隱性病害的位置，為后期注漿提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。

4.2 隱性病害檢測準確性驗證

隱性病害無法通過表觀圖像直接顯示，一般通過局部取芯來驗證隱性病害檢測的精準程度。在本項目中，以某處脫空混合疏松的病害為例，雷達數(shù)據(jù)（如圖5（b）所示）顯示在38 cm深處存在明顯脫空，其下方存在疏松，共有6 cm深的嚴重隱性病害存在，具有極大的沉降風險。因此，以38 cm長度、44 cm深度取出芯樣進行驗證，如圖5（c）所示。結(jié)果表明，系統(tǒng)對隱性病害類型及位置判斷準確。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)道路病害檢測效率和準確性低的弊端，本文分析了常見的道路病害類型、成因以及處置方式，借助地理信息系統(tǒng)精準定位道路顯性病害及隱性病害。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一類道路病害檢測地理信息系統(tǒng)，分別從運動及定位、病害檢測和系統(tǒng)總體工作流程與后臺三個方面進行了相應的設(shè)計和介紹。最后，在實際檢測場景中進行驗證和應用，詳細展示了檢測結(jié)果，對隱性病害進行了取芯檢測，從而證明了該系統(tǒng)在常見道路病害檢測中可用、精確和高效。

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