劉憲明，閆 晨，楊 睿，鐘新然*

（1.山東高速工程檢測(cè)有限公司，濟(jì)南 250003；2.山東高速股份有限公司，濟(jì)南 250014；3.上海圭目機(jī)器人有限公司，上海 200433）

公路是支持國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步的重要基礎(chǔ)設(shè)施，隨著近幾十年國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家在道路建設(shè)方面的投資已逐漸趨于頂峰，從而整個(gè)交通行業(yè)即將面臨由“建”轉(zhuǎn)“養(yǎng)”的格局變化。隨著公路運(yùn)行時(shí)間及交通荷載的增長(zhǎng)，公路表觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害發(fā)展趨勢(shì)加快，而大多數(shù)行車事故都直接或間接因道路病害長(zhǎng)期積累與惡化而致，同時(shí)大量高能耗、高成本的公路維修工程也是因?yàn)榈缆凡『夯粍?dòng)實(shí)施，造成大量的資金和人力資源浪費(fèi)。目前，傳統(tǒng)的公路檢測(cè)手段主要依賴人工（人工目視、人工手持儀器檢測(cè)）、半自動(dòng)（車載儀器檢測(cè)）手段，存在著效率低、主觀性強(qiáng)、工作強(qiáng)度大、數(shù)據(jù)精度差等諸多問題。因此，實(shí)現(xiàn)更高效、更精準(zhǔn)地病害檢測(cè)對(duì)公路狀況評(píng)價(jià)、維修養(yǎng)護(hù)決策具有重要意義。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程師對(duì)公路病害自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究及實(shí)踐探索。崔國(guó)麗[1]提出了基于立體的交向拍攝測(cè)量結(jié)構(gòu)的公路路面損壞裂縫自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，通過立體雙目相機(jī)交向拍攝測(cè)量，獲取路面裂縫病害信息。黃建斌[2]針對(duì)高速公路路面檢測(cè)速度較慢的問題，以線陣相機(jī)作為核心，實(shí)時(shí)獲取高速公路破損原始數(shù)據(jù)，并通過光照均勻化、交通標(biāo)記線去除等圖像預(yù)處理算法，實(shí)現(xiàn)病害檢測(cè)。周游佳等[3]研發(fā)了基于三維檢測(cè)技術(shù)的道路綜合檢測(cè)車，可快速采集路面灰度圖像和橫斷面三維高程數(shù)據(jù)并識(shí)別裂縫、車轍、坑槽等常見公路表觀病害。龐靜等[4]研制了基于車載攝像頭的高速公路病害自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，并利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行公路表觀病害的自動(dòng)檢測(cè)及分類，并通過云端管理系統(tǒng)進(jìn)行病害管理、統(tǒng)計(jì)及規(guī)劃，提升高速公路病害檢測(cè)及管理的效率及準(zhǔn)確度。此外，加拿大FURGO ROADWARE 系統(tǒng)、澳大利亞ARRB 系統(tǒng)、美國(guó)DHDV 和PATHWWAY 系統(tǒng)[5]、中國(guó)的CiCs[6]等產(chǎn)品化的公路綜合檢測(cè)車也開始逐步應(yīng)用于公路檢測(cè)作業(yè)?？傮w而言，目前已有的大多數(shù)公路病害自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)都是依托車載檢測(cè)裝備，相較于人工作業(yè)方式其檢測(cè)效率已有顯著提高，但在自動(dòng)化程度、數(shù)據(jù)密度和數(shù)據(jù)定位精度上還有待進(jìn)一步提升。

為了進(jìn)一步提升自動(dòng)化、智能化的公路病害精準(zhǔn)檢測(cè)水平，本文依托公路智能檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)，利用搭載的相機(jī)和三維地質(zhì)雷達(dá)模塊自動(dòng)采集公路路面表觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)公路全結(jié)構(gòu)、全斷面的精準(zhǔn)病害檢測(cè)。依托山東省內(nèi)某國(guó)道公路檢測(cè)項(xiàng)目開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及工程應(yīng)用，驗(yàn)證技術(shù)有效性。

1 公路病害檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)

公路病害檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，機(jī)器人系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集作業(yè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與信息管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控與輔助系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集作業(yè)系統(tǒng)包括四轉(zhuǎn)四驅(qū)智能機(jī)器人平臺(tái)、表觀視覺檢測(cè)模塊、三維探地雷達(dá)檢測(cè)模塊、任務(wù)規(guī)劃器、機(jī)器人遙控器和機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理與信息管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理與病害分析軟件、路面病害信息管理軟件。遠(yuǎn)程監(jiān)控與輔助系統(tǒng)包括多功能運(yùn)輸車、遠(yuǎn)程控制臺(tái)。

圖1 道路檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)總覽

在道路檢測(cè)任務(wù)中，檢測(cè)機(jī)器人以自主檢測(cè)作業(yè)的方式，利用搭載的表觀視覺檢測(cè)模塊及三維探地雷達(dá)檢測(cè)模塊分別采集檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的道路表觀圖像和內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并結(jié)合高精度定位信息生成檢測(cè)區(qū)域道路表觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維模型。最后，數(shù)據(jù)分析工程師依據(jù)JTG 5210—2018《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[7]并結(jié)合基于深度學(xué)習(xí)的病害識(shí)別算法進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，可直觀、快速獲取道路表觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害。

2 基于公路病害檢測(cè)機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)流程

為了保證公路病害檢測(cè)機(jī)器人正常開展作業(yè)，制定了詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)流程，如圖2 所示。在現(xiàn)場(chǎng)踏勘、確認(rèn)檢測(cè)區(qū)域后，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工程師確認(rèn)交通組織及封路正常，即可開始現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。現(xiàn)場(chǎng)工程師根據(jù)作業(yè)區(qū)域?qū)嶋H面積，采集檢測(cè)區(qū)域坐標(biāo)并在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置檢測(cè)任務(wù)，隨后將該檢測(cè)任務(wù)發(fā)布到機(jī)器人平臺(tái)?，F(xiàn)場(chǎng)工程師在機(jī)器人作業(yè)過程中可通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)查看機(jī)器人當(dāng)前的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集狀況。任務(wù)結(jié)束后，確認(rèn)數(shù)據(jù)采集完整即可回收設(shè)備，撤離現(xiàn)場(chǎng)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)流程圖

2.2 公路路面結(jié)構(gòu)數(shù)字化實(shí)景建模

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作結(jié)束后，將采集的圖像及雷達(dá)數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)處理與信息管理系統(tǒng)，利用圖像拼接算法一鍵生成整體公路路面實(shí)景圖，如圖3 所示。

圖3 道路數(shù)字化建模

此外，利用位置對(duì)齊的圖像和探地雷達(dá)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)路面同一位置的表觀病害和內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害融合分析。

2.3 公路病害分析及評(píng)價(jià)方法

2.3.1 表觀病害分析及評(píng)價(jià)

在實(shí)景模型上鑒別路面損壞類型，利用病害圈定功能標(biāo)注病害。系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)病害類型、病害編號(hào)、損壞程度、病害尺寸和病害坐標(biāo)等。表觀病害觀測(cè)精度±1 mm。評(píng)價(jià)指標(biāo)參照J(rèn)TG 5210—2018《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》。

2.3.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害評(píng)價(jià)

基于探地雷達(dá)波特征的地下病害的識(shí)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(chǎng)探測(cè)得到的波來反演路面內(nèi)部形態(tài)，輔以水平切片的直觀形態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)病害做精確、詳盡地判斷[8]。

依據(jù)JGJ 437—2018《城市地下病害體綜合探測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[9]，脫空、空洞、富水體、裂縫和沉陷不分影響程度，僅有疏松體分為“一般”和“嚴(yán)重”2 個(gè)等級(jí)。

3 公路檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證及工程應(yīng)用

3.1 工程背景及工程概況

本工程主要檢測(cè)路段為山東省內(nèi)G104 國(guó)道某路段，K558+660～K558+900 下行行車道，其中有跨線橋跳過40 m，K552+500～K552+750 上行行車道，共計(jì)450 m，檢測(cè)面積為1 580 m2，檢測(cè)區(qū)域如圖4 所示。針對(duì)該區(qū)域路段開展智能機(jī)器人自動(dòng)病害檢測(cè)試驗(yàn)，測(cè)量表觀病害位置和尺寸信息作為基準(zhǔn)，將機(jī)器人檢測(cè)結(jié)果中表觀病害信息進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其結(jié)果準(zhǔn)確性。機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況如圖5 所示。

圖4 檢測(cè)路段

圖5 機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況

3.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

3.2.1 路面表觀病害檢測(cè)

本次檢測(cè)路段的2 個(gè)區(qū)域分別為水泥混凝土路面和瀝青路面，表1、表2 分別為2 個(gè)區(qū)域的路面表觀病害詳細(xì)調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)。

表1 G104 調(diào)查區(qū)域K552+500～K552+750 段路面損壞統(tǒng)計(jì)表

表2 G104 調(diào)查區(qū)域K558+660～K558+900 段路面損壞統(tǒng)計(jì)表

其中，水泥混凝土路面檢測(cè)出路面損壞45 處，損壞類型包括破碎板、裂縫、邊角剝落。其中破碎板面積為315.448 m2。瀝青路面檢出路面損壞60 處，損壞類型包括龜裂、塊狀裂縫、縱向裂縫、橫向裂縫，路面損壞總長(zhǎng)度為79.57 m。檢出縱向裂縫17 處，面積為44.253 m2；檢出橫向裂縫41 處，總面積為35.317 m2；塊狀裂縫面積為17.628 m2，龜裂面積極小。依據(jù)規(guī)范要求，裂縫類、條狀修補(bǔ)檢測(cè)結(jié)果應(yīng)用影響寬度（0.2 m）換算成損壞面積。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工程師分析比對(duì)，檢測(cè)結(jié)果與路面實(shí)際狀況吻合。

3.2.2 路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)

經(jīng)過探地雷達(dá)數(shù)據(jù)和表觀圖像融合分析，本次檢測(cè)路段共檢出結(jié)構(gòu)病害31 處，損壞的類型為疏松、裂縫、脫空、沉陷。裂縫分布于底基層，總面積為13.820 m2；脫空分布在面層、基層、底基層，總面積為16.791 7 m2；疏松分布在底基層和土基，總面積51.713 1 m2。沉陷分布在底基層和土基，總面積58.901 1 m2。結(jié)構(gòu)病害的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 G104 調(diào)查區(qū)域結(jié)構(gòu)病害統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)束語

公路病害檢測(cè)機(jī)器人具有自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、自主定位導(dǎo)航、全覆蓋的特點(diǎn)，在實(shí)際作業(yè)中無需人工操作控制，2 名現(xiàn)場(chǎng)工程師即可完成現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。公路病害檢測(cè)機(jī)器人搭載的路面表觀視覺檢測(cè)模塊和三維探地雷達(dá)模塊可以實(shí)現(xiàn)全覆蓋、全結(jié)構(gòu)的路面數(shù)據(jù)采集，為路面表觀病害和內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害分析提供了高質(zhì)量、高精度、位置對(duì)齊的檢測(cè)數(shù)據(jù)。此外，利用數(shù)據(jù)處理與信息管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)路面數(shù)字化實(shí)景建模及各類病害的原位繪制與詳情統(tǒng)計(jì)，有助于管理單位對(duì)路面技術(shù)狀況進(jìn)行研判，并為后續(xù)維修養(yǎng)護(hù)決策提供數(shù)據(jù)支撐。依托山東省內(nèi)的國(guó)省道公路檢測(cè)項(xiàng)目，基于機(jī)器人的公路病害精準(zhǔn)檢測(cè)技術(shù)得到了測(cè)試驗(yàn)證和工程應(yīng)用，進(jìn)一步證實(shí)了該技術(shù)的有效性和先進(jìn)性。