瀝青路面損壞檢測管理系統(tǒng)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(zhàn)略背景和“新基建”交通基礎設施智能技術需求的現(xiàn)實，對瀝青路面損壞檢測管理系統(tǒng)進行了研究。該系統(tǒng)實現(xiàn)了瀝青路面損壞的自動化采集和計算機同步檢測，實現(xiàn)了瀝青路面損壞自動檢測，改善了純?nèi)斯z測的現(xiàn)狀;實現(xiàn)了管理信息化，建立了良好的養(yǎng)護管理體系。

關鍵詞：路面損壞;瀝青路面養(yǎng)護;路面檢測;管理系統(tǒng)

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(yōu)點，而瀝青路面因荷載及環(huán)境等因素也逐漸出現(xiàn)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(yǎng)護工作的難度。在養(yǎng)護管理過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息逐漸增加，且傳統(tǒng)的養(yǎng)護管理方法消耗大量資源，已經(jīng)很難適應此時的道路養(yǎng)護管理需求。在此背景下，為了使道路保持良好狀態(tài)進行經(jīng)濟的運營，及時、合理地進行道路路面養(yǎng)護以及降低養(yǎng)護管理成本，創(chuàng)建一個科學、高效的路面檢測養(yǎng)護管理系統(tǒng)極為重要。

2 國內(nèi)技術現(xiàn)狀

隨著近幾年云計算技術的不斷發(fā)展，云管系統(tǒng)開始越來越多的承載企業(yè)的基礎環(huán)境和業(yè)務流程[1]。在云管系統(tǒng)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(yǎng)護信息的準確快速的幫助，對于養(yǎng)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(yǎng)護有關的云管系統(tǒng)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(yǎng)護管理APP與城市道路路面損壞可視化養(yǎng)護管理系統(tǒng)，使用云服務的方式方法來滿足整個網(wǎng)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(fā)的基于日常養(yǎng)護的路面病害識別與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)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(tǒng)進行信息化管理。同時實現(xiàn)了日常養(yǎng)護中疾病的自動檢測，以及養(yǎng)護管理的信息化[5]。通過建立智能化的管理系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)對道路工程健康狀況的動態(tài)監(jiān)測，而且還可以有效提高管理的質(zhì)量和效率[6]。

3 研究內(nèi)容及目標

3.1 瀝青路面損壞檢測管理系統(tǒng)的研究內(nèi)容

目前，道路損壞檢測管理系統(tǒng)并未普及，大多道路養(yǎng)護管理部門仍采用傳統(tǒng)方法，使用紙質(zhì)的資料，導致數(shù)據(jù)丟失嚴重且工作效率低、花費大。道路損壞養(yǎng)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(shù)據(jù)資源等問題;同時不能夠提前預計瀝青路面損壞的發(fā)生時間梯段。為解決這些問題，瀝青路面損壞檢測管理系統(tǒng)應運而生。我們利用自主創(chuàng)新的瀝青路面檢測裝置，使之充分發(fā)揮損壞檢測及數(shù)據(jù)采集作用，將采集到數(shù)據(jù)進行預處理后得到路面損壞數(shù)據(jù)包括裂縫規(guī)模、坑槽深度、坑洞面積、車轍深度、松散程度等特征數(shù)據(jù)，同時再與公路基礎數(shù)據(jù)一起建立路面損壞數(shù)據(jù)庫，通過SSM框架建立管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析功能，最后在云平臺展示。用戶可通過平臺實現(xiàn)信息化管理，如查看養(yǎng)護狀態(tài)、信息通知、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、查看損壞高發(fā)路段等。

3.2 瀝青路面損壞檢測管理系統(tǒng)的構架

本系統(tǒng)嚴格按三層體系構建瀝青路面損壞檢測管理系統(tǒng)的總體架構，如圖1所示。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，同時通過GPS記錄已損壞路面的地理位置信息，并與各養(yǎng)護單位對接各類相關業(yè)務數(shù)據(jù)。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理分析層

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

3.2.3 管理應用層

可視化管控平臺的實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)采集層的全面采集以及數(shù)據(jù)處理分析層的準確分析，其主要應用有數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和客戶端服務等。數(shù)據(jù)分析包括損壞高發(fā)路段、損壞類型頻率、損壞與交通量的聯(lián)系的統(tǒng)計分析等。數(shù)據(jù)統(tǒng)計包括定時的養(yǎng)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(yǎng)護狀態(tài)查看、檢測結(jié)果查看、內(nèi)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(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果、與客戶端的查詢與信息通知的服務，為道路養(yǎng)護管理工作提供便利。

3.3 瀝青路面損壞檢測管理系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

3.3.1 多源數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息，并將信息存儲到相關的數(shù)據(jù)庫服務器中。

一是高速攝像頭圖像數(shù)據(jù)采集。通過安裝在檢測養(yǎng)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(jīng)過預處理可得到路面損壞數(shù)據(jù)包括裂縫規(guī)模、坑槽深度、坑洞面積、車轍深度、松散程度等特征數(shù)據(jù)。

二是GPS數(shù)據(jù)采集。由安裝在養(yǎng)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(jīng)緯度、海拔及時間等數(shù)據(jù)后可為檢測養(yǎng)護車輛的定位和軌跡跟蹤等提供數(shù)據(jù)支持。

三是超聲波探頭數(shù)據(jù)采集。通過安裝在檢測養(yǎng)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(guī)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(wěn)特性信息等，并將此信息輸出，為瀝青路面養(yǎng)護工作提供精準的參數(shù)。

四是紅外熱成像儀數(shù)據(jù)采集。通過安裝在檢測養(yǎng)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(shù)據(jù)庫的工作人員處理成像數(shù)據(jù)，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(jiān)控等方面。

3.3.2 數(shù)據(jù)融合分析

本系統(tǒng)融合了不同類型的數(shù)據(jù)信息，參考各自的特點，然后提取出相似且多元化數(shù)據(jù)信息，流程由數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)輸出三部分組成，如圖2所示。

一是數(shù)據(jù)預處理。①數(shù)據(jù)審核。審核是至為關鍵的一環(huán)，若數(shù)據(jù)出現(xiàn)絲毫差錯，后續(xù)的數(shù)據(jù)分析將無法運行。多方面收集的信息難免出現(xiàn)差錯，所以在進行數(shù)據(jù)分析之前，需要從完整性和準確性兩個方面，根據(jù)圖像數(shù)據(jù)、坐標等信息對原始數(shù)據(jù)的審查和核對，對于錯誤可修改的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過修改才可利用;對于不可修改的數(shù)據(jù)需要備注并重新收集，避免出現(xiàn)遺漏。②數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)才可使輸出的結(jié)果的真實性與準確性有保障。而在這里數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)篩選。數(shù)據(jù)篩選需要從原始數(shù)據(jù)中清理不必要數(shù)據(jù)，抽取出圖像數(shù)據(jù)、超聲波探頭數(shù)據(jù)、紅外熱成像儀數(shù)據(jù)等用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。③數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。采用 Bin方法對數(shù)據(jù)進行平滑處理，除去數(shù)據(jù)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(guī)模、坑槽深度等數(shù)值型屬性，將其映射到路面有無損壞的概念;進行規(guī)格化處理，將裂縫規(guī)模、坑槽深度、車轍深度、坑洞面積、松散程度等數(shù)據(jù)按比例映射到 0 到 1 范圍之中。

二是數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)通過采用決策樹算法對預處理后的數(shù)據(jù)的進行分析。首先生成決策樹模型，制定分類規(guī)則并測試決策樹模型的準確性，從團隊收集的10 000組數(shù)據(jù)中挑選8 000組數(shù)據(jù)進行決策樹模型的訓練，剩余2 000組數(shù)據(jù)用于對模型準確性進行測試，通過產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、結(jié)果，對模型參數(shù)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(shù)據(jù)進行預測分析，最終得到分析結(jié)果，如損壞高發(fā)路段、損壞類型頻率、損壞與交通量的聯(lián)系等結(jié)果。

三是數(shù)據(jù)輸出。路面損壞數(shù)據(jù)庫具體包括以下內(nèi)容：多種感知設備的采集的數(shù)據(jù);部分人工采集的數(shù)據(jù);路段基本信息（如樁號、空間位置等），檢測設備信息等;經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù);平臺運行的歷史數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)與公路管理局的部分數(shù)據(jù)互通，并且可以及時提供給道路養(yǎng)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(nèi)部信息通知。此功能可供道路養(yǎng)護人員查詢道路損壞養(yǎng)護信息，以及向內(nèi)部人員推送信息通知。前者主要包括：養(yǎng)護狀態(tài)查看、檢測結(jié)果查看。后者為養(yǎng)護系統(tǒng)內(nèi)部信息的發(fā)放給養(yǎng)護相關工作人員。實現(xiàn)及時、準確查詢綜合信息的功能及內(nèi)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(xiàn)公共信息服務及群眾反饋服務。前者是指群眾根據(jù)自身需求登錄平臺，查詢有關道路的檢測與養(yǎng)護信息。后者是群眾在發(fā)現(xiàn)既有信息有誤或者損壞處理不及時等問題，可聯(lián)系后臺進行反饋，這一環(huán)節(jié)實行獎勵制度，鼓勵群眾積極反饋，有助于實現(xiàn)道路養(yǎng)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(jù)公路路段基礎數(shù)據(jù)，利用訓練后的決策樹模型分析預測該路段可能發(fā)生的路面損壞，并提示道路養(yǎng)護單位預防，能夠在進行瀝青路面損壞檢測與養(yǎng)護的同時，做好預防與準備工作，提高道路養(yǎng)護工作的工作效率。

四是數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表。該系統(tǒng)可提供監(jiān)控與監(jiān)管范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)報表展示、導出功能。具體包括：養(yǎng)護季報、損壞點修復季報、檢測季報等。可供道路養(yǎng)護單位及時查看、了解道路損壞的檢測情況及養(yǎng)護狀態(tài)。

3.4 瀝青路面損壞檢測管理系統(tǒng)的運行效果

本管理系統(tǒng)應用了多元感知設備，可實現(xiàn)瀝青路面損壞檢測的大數(shù)據(jù)分析挖掘、預測以及統(tǒng)計分析等。該系統(tǒng)還結(jié)合了可視化管控平臺，為瀝青路面檢測養(yǎng)護管理帶來不錯的效果。

（1）實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的建立及檢測、分析、決策等多方數(shù)據(jù)共享，及時更新完善數(shù)據(jù)庫，確保數(shù)據(jù)資源的準確性，便于后續(xù)分析決策以及二次養(yǎng)護管理使用，實現(xiàn)精準管理，提升運行管理效率。

（2）根據(jù)損壞類型的不同發(fā)展提供相應的數(shù)據(jù)分析信息，確保系統(tǒng)使用者的使用需求得到滿足，能夠?qū)β访鏅z測技術管理工作的數(shù)據(jù)處理信息資源進行良好的管理，使檢測與養(yǎng)護管理工作更具靈活性。

（3）根據(jù)公路某路段基礎數(shù)據(jù)，利用訓練后的決策樹模型分析預測該路段可能發(fā)生的路面損壞，并提示道路養(yǎng)護單位預防，能夠在進行瀝青路面損壞檢測與養(yǎng)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(tǒng)，技術人員則能夠快速地從數(shù)據(jù)庫或以往檢測記錄及時鎖定發(fā)生損壞的路段及路面損壞區(qū)域，并進行決策養(yǎng)護管理，以及后續(xù)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(xiàn)路面檢測養(yǎng)護管理的群眾化、普及化、全面化。

4 結(jié)語

瀝青路面現(xiàn)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(huán)境的長期影響會逐漸出現(xiàn)不同程度的損壞問題。路面損壞檢測技術在道路養(yǎng)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(chuàng)新的瀝青路面檢測裝置與管理系統(tǒng)充分結(jié)合，建立路面損壞數(shù)據(jù)庫，最后通過SSM框架建立管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的建立及檢測、分析、決策等多方數(shù)據(jù)共享等功能，為道路養(yǎng)護提供指導并制定養(yǎng)護方案，提升路面檢測管理的針對性，可大大提升經(jīng)濟效益。用戶通過平臺實現(xiàn)信息化管理，如查看養(yǎng)護狀態(tài)、信息通知、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、查看損壞高發(fā)路段等，可實現(xiàn)路面病害的早期損壞程度和范圍動態(tài)預警，指導管理機構精準化地提出運營維護決策。

參考文獻

[1] 岳強，李芳，張磊.云管平臺在企業(yè)云平臺建設中的應用[J].科技界，2019（28）：253-254.

[2] 王磊.云管平臺的構建思路探討[J].中國管理信息化，2018， 21（12）：58-59.

[3] 陳曉輝，王偉，呂營.基于WebGIS的道路養(yǎng)護可視化系統(tǒng)的設計與開發(fā)[J].通訊世界，2019，26（9）：63-64.

[4] 唐咸燕.路面病害智能識別和養(yǎng)護管理系統(tǒng)應用[J].交通與運輸，2021，37（5）：39-43.

[5] 任娟，韓守兵.基于日常養(yǎng)護的路面病害識別與管理系統(tǒng)在濱州公路養(yǎng)護中的應用[J].公路交通科技（應用技術版），2015，11（7）：35-36.

[6] 易凌云.橋梁隧道健康檢測與智能管理系統(tǒng)研究[J].磚瓦， 2021（1）：74-75.