張敏杰 萬(wàn)海峰 王睿迪 李祥杰

摘 要：基于國(guó)家“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略背景和“新基建”交通基礎(chǔ)設(shè)施智能技術(shù)需求的現(xiàn)實(shí)，對(duì)瀝青路面損壞檢測(cè)管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了瀝青路面損壞的自動(dòng)化采集和計(jì)算機(jī)同步檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了瀝青路面損壞自動(dòng)檢測(cè)，改善了純?nèi)斯z測(cè)的現(xiàn)狀;實(shí)現(xiàn)了管理信息化，建立了良好的養(yǎng)護(hù)管理體系。

關(guān)鍵詞：路面損壞;瀝青路面養(yǎng)護(hù);路面檢測(cè);管理系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： U416.217;U418.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2022）04-0099-03

1 研究背景

道路是社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)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(diǎn)，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(wèn)題，例如車(chē)轍、沉陷、裂縫等。如此既降低了瀝青路面行車(chē)的舒適度和安全性，又提高了后期公路的養(yǎng)護(hù)工作的難度。在養(yǎng)護(hù)管理過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息逐漸增加，且傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)管理方法消耗大量資源，已經(jīng)很難適應(yīng)此時(shí)的道路養(yǎng)護(hù)管理需求。在此背景下，為了使道路保持良好狀態(tài)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)的運(yùn)營(yíng)，及時(shí)、合理地進(jìn)行道路路面養(yǎng)護(hù)以及降低養(yǎng)護(hù)管理成本，創(chuàng)建一個(gè)科學(xué)、高效的路面檢測(cè)養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)極為重要。

2 國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

隨著近幾年云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，云管系統(tǒng)開(kāi)始越來(lái)越多的承載企業(yè)的基礎(chǔ)環(huán)境和業(yè)務(wù)流程[1]。在云管系統(tǒng)構(gòu)建的過(guò)程中， 要堅(jiān)持成熟性、開(kāi)放性、擴(kuò)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(hù)信息的準(zhǔn)確快速的幫助，對(duì)于養(yǎng)護(hù)路段決策以及快速能力反應(yīng)等進(jìn)行論證[3]，不少團(tuán)隊(duì)及個(gè)人對(duì)道路病害檢測(cè)及養(yǎng)護(hù)有關(guān)的云管系統(tǒng)進(jìn)行了研究。由上海蒲公檢測(cè)股份有限公司唐咸燕完成的養(yǎng)護(hù)管理APP與城市道路路面損壞可視化養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，使用云服務(wù)的方式方法來(lái)滿(mǎn)足整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(kāi)發(fā)的基于日常養(yǎng)護(hù)的路面病害識(shí)別與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了路面病害的自動(dòng)化采集和計(jì)算機(jī)同步自動(dòng)識(shí)別，后臺(tái)通過(guò)管理系統(tǒng)進(jìn)行信息化管理。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了日常養(yǎng)護(hù)中疾病的自動(dòng)檢測(cè)，以及養(yǎng)護(hù)管理的信息化[5]。通過(guò)建立智能化的管理系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)道路工程健康狀況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，而且還可以有效提高管理的質(zhì)量和效率[6]。

3 研究?jī)?nèi)容及目標(biāo)

3.1 瀝青路面損壞檢測(cè)管理系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容

目前，道路損壞檢測(cè)管理系統(tǒng)并未普及，大多道路養(yǎng)護(hù)管理部門(mén)仍采用傳統(tǒng)方法，使用紙質(zhì)的資料，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失嚴(yán)重且工作效率低、花費(fèi)大。道路損壞養(yǎng)護(hù)管理檢測(cè)、分析與決策仍存在效率較低，無(wú)法及時(shí)地共享數(shù)據(jù)資源等問(wèn)題;同時(shí)不能夠提前預(yù)計(jì)瀝青路面損壞的發(fā)生時(shí)間梯段。為解決這些問(wèn)題，瀝青路面損壞檢測(cè)管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。我們利用自主創(chuàng)新的瀝青路面檢測(cè)裝置，使之充分發(fā)揮損壞檢測(cè)及數(shù)據(jù)采集作用，將采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)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(chē)轍深度、松散程度等特征數(shù)據(jù)，同時(shí)再與公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一起建立路面損壞數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)SSM框架建立管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析功能，最后在云平臺(tái)展示。用戶(hù)可通過(guò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息化管理，如查看養(yǎng)護(hù)狀態(tài)、信息通知、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、查看損壞高發(fā)路段等。

3.2 瀝青路面損壞檢測(cè)管理系統(tǒng)的構(gòu)架

本系統(tǒng)嚴(yán)格按三層體系構(gòu)建瀝青路面損壞檢測(cè)管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)，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(guò)圖像采集、紅外探測(cè)、超聲波探測(cè)的方式采集瀝青路面的路面損壞數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)GPS記錄已損壞路面的地理位置信息，并與各養(yǎng)護(hù)單位對(duì)接各類(lèi)相關(guān)業(yè)務(wù)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(tái)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和客戶(hù)端服務(wù)等應(yīng)用，需要對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。因采集層所采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)無(wú)法直接使用，所以需要將這些數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后得到路面損壞的數(shù)據(jù)同其他數(shù)據(jù)導(dǎo)入路面損壞數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)與公路管理局部分?jǐn)?shù)據(jù)互通，且可提供給道路養(yǎng)護(hù)部門(mén)使用。后續(xù)對(duì)從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取的數(shù)據(jù)，采用決策樹(shù)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可得到損壞高發(fā)路段、損壞類(lèi)型頻率等信息，可以為決策以及二次養(yǎng)護(hù)管理使用，幫助養(yǎng)護(hù)部門(mén)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)決策。

3.2.3 管理應(yīng)用層

可視化管控平臺(tái)的實(shí)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(zhǔn)確分析，其主要應(yīng)用有數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和客戶(hù)端服務(wù)等。數(shù)據(jù)分析包括損壞高發(fā)路段、損壞類(lèi)型頻率、損壞與交通量的聯(lián)系的統(tǒng)計(jì)分析等。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)包括定時(shí)的養(yǎng)護(hù)季報(bào)、損壞點(diǎn)修復(fù)季報(bào)、檢測(cè)季報(bào)等展示?？蛻?hù)服務(wù)端則包括養(yǎng)護(hù)狀態(tài)查看、檢測(cè)結(jié)果查看、內(nèi)部信息通知、公共信息服務(wù)、群眾反饋服務(wù)等。提供全面、準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果、與客戶(hù)端的查詢(xún)與信息通知的服務(wù)，為道路養(yǎng)護(hù)管理工作提供便利。

3.3 瀝青路面損壞檢測(cè)管理系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

3.3.1 多源數(shù)據(jù)采集

主要通過(guò)對(duì)瀝青路面損壞狀況有感知的設(shè)備（包括高速攝像頭、GPS設(shè)備、超聲波探頭、紅外熱成像儀等）進(jìn)行采集瀝青路面狀況信息或數(shù)據(jù)信息，并將信息存儲(chǔ)到相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。

一是高速攝像頭圖像數(shù)據(jù)采集。通過(guò)安裝在檢測(cè)養(yǎng)護(hù)車(chē)輛上的高速攝像機(jī)，對(duì)瀝青路面進(jìn)行高速錄像，并且對(duì)疑似損壞的瀝青路面進(jìn)行抓拍，再經(jīng)過(guò)預(yù)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(chē)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(hù)車(chē)輛上的GPS終端設(shè)備提供時(shí)間和定位信息，并將獲取的地理位置信息輸出，獲取車(chē)輛經(jīng)緯度、海拔及時(shí)間等數(shù)據(jù)后可為檢測(cè)養(yǎng)護(hù)車(chē)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(guò)安裝在檢測(cè)養(yǎng)護(hù)車(chē)輛上的超聲波探頭設(shè)備進(jìn)行超聲波探測(cè)。超聲波探測(cè)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(shí)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(hù)工作提供精準(zhǔn)的參數(shù)。

四是紅外熱成像儀數(shù)據(jù)采集。通過(guò)安裝在檢測(cè)養(yǎng)護(hù)車(chē)輛上的紅外熱成像儀對(duì)瀝青路面進(jìn)行紅外探測(cè)。紅外熱成像儀對(duì)路面進(jìn)行檢測(cè)將成像信息以指定的方式輸出，最終由數(shù)據(jù)庫(kù)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(cè)、路面脫空檢測(cè)、透水率檢測(cè)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(lèi)型的數(shù)據(jù)信息，參考各自的特點(diǎn)，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(yù)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(yù)處理。①數(shù)據(jù)審核。審核是至為關(guān)鍵的一環(huán)，若數(shù)據(jù)出現(xiàn)絲毫差錯(cuò)，后續(xù)的數(shù)據(jù)分析將無(wú)法運(yùn)行。多方面收集的信息難免出現(xiàn)差錯(cuò)，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前，需要從完整性和準(zhǔn)確性?xún)蓚€(gè)方面，根據(jù)圖像數(shù)據(jù)、坐標(biāo)等信息對(duì)原始數(shù)據(jù)的審查和核對(duì)，對(duì)于錯(cuò)誤可修改的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)修改才可利用;對(duì)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?cái)?shù)據(jù)才可使輸出的結(jié)果的真實(shí)性與準(zhǔn)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(yùn)行，必須進(jìn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，除去數(shù)據(jù)中的噪聲;進(jìn)行泛化處理，這是一個(gè)從定量到定性的過(guò)程，對(duì)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(wú)損壞的概念;進(jìn)行規(guī)格化處理，將裂縫規(guī)模、坑槽深度、車(chē)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(guò)采用決策樹(shù)算法對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)的進(jìn)行分析。首先生成決策樹(shù)模型，制定分類(lèi)規(guī)則并測(cè)試決策樹(shù)模型的準(zhǔn)確性，從團(tuán)隊(duì)收集的10 000組數(shù)據(jù)中挑選8 000組數(shù)據(jù)進(jìn)行決策樹(shù)模型的訓(xùn)練，剩余2 000組數(shù)據(jù)用于對(duì)模型準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、結(jié)果，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練和修正，不斷完善決策樹(shù)模型;第二步，利用完善過(guò)后的決策樹(shù)模型對(duì)新的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，最終得到分析結(jié)果，如損壞高發(fā)路段、損壞類(lèi)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(kù)具體包括以下內(nèi)容：多種感知設(shè)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(hào)、空間位置等），檢測(cè)設(shè)備信息等;經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù);平臺(tái)運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)與公路管理局的部分?jǐn)?shù)據(jù)互通，并且可以及時(shí)提供給道路養(yǎng)護(hù)部門(mén)使用。

3.3.3 可視化管控平臺(tái)

一是綜合信息查詢(xún)與內(nèi)部信息通知。此功能可供道路養(yǎng)護(hù)人員查詢(xún)道路損壞養(yǎng)護(hù)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(hù)狀態(tài)查看、檢測(cè)結(jié)果查看。后者為養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部信息的發(fā)放給養(yǎng)護(hù)相關(guān)工作人員。實(shí)現(xiàn)及時(shí)、準(zhǔn)確查詢(xún)綜合信息的功能及內(nèi)部信息及時(shí)通知的功能。

二是公共信息與群眾反饋服務(wù)。此功能主要針對(duì)群眾，實(shí)現(xiàn)公共信息服務(wù)及群眾反饋服務(wù)。前者是指群眾根據(jù)自身需求登錄平臺(tái)，查詢(xún)有關(guān)道路的檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)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(shí)等問(wèn)題，可聯(lián)系后臺(tái)進(jìn)行反饋，這一環(huán)節(jié)實(shí)行獎(jiǎng)勵(lì)制度，鼓勵(lì)群眾積極反饋，有助于實(shí)現(xiàn)道路養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)的群眾化、普及化、全面化。

三是路面損壞的預(yù)測(cè)與預(yù)防提示。根據(jù)公路路段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用訓(xùn)練后的決策樹(shù)模型分析預(yù)測(cè)該路段可能發(fā)生的路面損壞，并提示道路養(yǎng)護(hù)單位預(yù)防，能夠在進(jìn)行瀝青路面損壞檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)的同時(shí)，做好預(yù)防與準(zhǔn)備工作，提高道路養(yǎng)護(hù)工作的工作效率。

四是數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)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(bào)表展示、導(dǎo)出功能。具體包括：養(yǎng)護(hù)季報(bào)、損壞點(diǎn)修復(fù)季報(bào)、檢測(cè)季報(bào)等。可供道路養(yǎng)護(hù)單位及時(shí)查看、了解道路損壞的檢測(cè)情況及養(yǎng)護(hù)狀態(tài)。

3.4 瀝青路面損壞檢測(cè)管理系統(tǒng)的運(yùn)行效果

本管理系統(tǒng)應(yīng)用了多元感知設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)瀝青路面損壞檢測(cè)的大數(shù)據(jù)分析挖掘、預(yù)測(cè)以及統(tǒng)計(jì)分析等。該系統(tǒng)還結(jié)合了可視化管控平臺(tái)，為瀝青路面檢測(cè)養(yǎng)護(hù)管理帶來(lái)不錯(cuò)的效果。

（1）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立及檢測(cè)、分析、決策等多方數(shù)據(jù)共享，及時(shí)更新完善數(shù)據(jù)庫(kù)，確保數(shù)據(jù)資源的準(zhǔn)確性，便于后續(xù)分析決策以及二次養(yǎng)護(hù)管理使用，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)管理，提升運(yùn)行管理效率。

（2）根據(jù)損壞類(lèi)型的不同發(fā)展提供相應(yīng)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(mǎn)足，能夠?qū)β访鏅z測(cè)技術(shù)管理工作的數(shù)據(jù)處理信息資源進(jìn)行良好的管理，使檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)管理工作更具靈活性。

（3）根據(jù)公路某路段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用訓(xùn)練后的決策樹(shù)模型分析預(yù)測(cè)該路段可能發(fā)生的路面損壞，并提示道路養(yǎng)護(hù)單位預(yù)防，能夠在進(jìn)行瀝青路面損壞檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)的同時(shí)，做好預(yù)防與準(zhǔn)備工作，使檢測(cè)與管理工作更具超前性。

（4）通過(guò)瀝青路面損壞檢測(cè)管理系統(tǒng)，技術(shù)人員則能夠快速地從數(shù)據(jù)庫(kù)或以往檢測(cè)記錄及時(shí)鎖定發(fā)生損壞的路段及路面損壞區(qū)域，并進(jìn)行決策養(yǎng)護(hù)管理，以及后續(xù)的二次確認(rèn)檢查等工作，提升了路面檢測(cè)管理的針對(duì)性。

（5）實(shí)行群眾反饋獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，充分利用群眾資源，實(shí)現(xiàn)路面檢測(cè)養(yǎng)護(hù)管理的群眾化、普及化、全面化。

4 結(jié)語(yǔ)

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(zhǎng)期影響會(huì)逐漸出現(xiàn)不同程度的損壞問(wèn)題。路面損壞檢測(cè)技術(shù)在道路養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用，正逐步進(jìn)入深化階段，基于這些技術(shù)，我們將自主創(chuàng)新的瀝青路面檢測(cè)裝置與管理系統(tǒng)充分結(jié)合，建立路面損壞數(shù)據(jù)庫(kù)，最后通過(guò)SSM框架建立管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)的建立及檢測(cè)、分析、決策等多方數(shù)據(jù)共享等功能，為道路養(yǎng)護(hù)提供指導(dǎo)并制定養(yǎng)護(hù)方案，提升路面檢測(cè)管理的針對(duì)性，可大大提升經(jīng)濟(jì)效益。用戶(hù)通過(guò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息化管理，如查看養(yǎng)護(hù)狀態(tài)、信息通知、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、查看損壞高發(fā)路段等，可實(shí)現(xiàn)路面病害的早期損壞程度和范圍動(dòng)態(tài)預(yù)警，指導(dǎo)管理機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)化地提出運(yùn)營(yíng)維護(hù)決策。

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