摘要 由于傳統(tǒng)的壓實(shí)度檢測(cè)方法通常采用取樣點(diǎn)的方式進(jìn)行檢測(cè)，需要大量的人工操作，檢測(cè)效率低下，因此文章提出了基于機(jī)器視覺(jué)的公路路面壓實(shí)度檢測(cè)方法。首先，基于機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行檢測(cè)設(shè)備的布置，進(jìn)而標(biāo)定出各項(xiàng)設(shè)備的參數(shù)；其次，選取合適的壓實(shí)度質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)；最后，進(jìn)行公路路面的壓實(shí)度計(jì)算，并對(duì)壓路機(jī)的壓實(shí)次數(shù)進(jìn)行合理配置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于方法1及預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)值，文章采用的基于機(jī)器視覺(jué)的公路路面壓實(shí)度檢測(cè)方法展現(xiàn)出了更為緊密的匹配度，充分驗(yàn)證了該方法能夠精確無(wú)誤地評(píng)估路面的壓實(shí)狀態(tài)；相較于傳統(tǒng)檢測(cè)手段，該方法不僅在準(zhǔn)確性上實(shí)現(xiàn)了顯著提升，還以更高的可靠性確保了檢測(cè)結(jié)果的信賴(lài)度，為公路施工質(zhì)量的監(jiān)測(cè)提供了更為先進(jìn)和可靠的解決方案。

關(guān)鍵詞 機(jī)器視覺(jué)；市政路面；壓實(shí)度；路基路面

中圖分類(lèi)號(hào) U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）20-0119-03

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，公路建設(shè)領(lǐng)域迎來(lái)了顯著的飛躍。在這一背景下，瀝青路面憑借其諸多優(yōu)勢(shì)，如較短的建設(shè)工期、良好的平整度、分階段施工、無(wú)縫連接的特性、卓越的行車(chē)舒適度、低噪聲污染及出色的防塵效果，已成為公路建設(shè)中不可或缺的重要材料，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)道路工程中[1]。

道路的質(zhì)量不僅是評(píng)估車(chē)輛行駛過(guò)程中安全性能與乘坐舒適度的關(guān)鍵指標(biāo)，還影響道路的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本及效率。在公路的構(gòu)筑過(guò)程中，壓實(shí)作業(yè)的質(zhì)量直接關(guān)系公路的堅(jiān)固性、耐久性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及駕駛的舒適度。如果路面壓實(shí)未達(dá)到理想狀態(tài)，極易誘發(fā)裂縫、滲水及車(chē)轍等嚴(yán)重問(wèn)題。因此，嚴(yán)格把控路面壓實(shí)度，確保達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，是公路建設(shè)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

當(dāng)前，我國(guó)公路路面的壓實(shí)作業(yè)主要依賴(lài)傳統(tǒng)ybsqSZUX2PcSFvtJ0KHVpMJVz8ZFjzo0QtEH0Gk4+Yc=的人工操作模式，難以有效把控壓實(shí)過(guò)程中的質(zhì)量細(xì)節(jié)。具體而言，它容易導(dǎo)致“漏壓”現(xiàn)象的發(fā)生，即部分區(qū)域未能得到充分壓實(shí)，采取了一項(xiàng)稱(chēng)為靜載試驗(yàn)的技術(shù)手段，旨在對(duì)高速公路的土質(zhì)路基壓實(shí)度進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。在該試驗(yàn)中，重點(diǎn)關(guān)注土體在靜態(tài)加載下的變形及其所承受的壓力變化，然后，進(jìn)一步推導(dǎo)出土體的承載力及其變形模量等核心參數(shù)，這些參數(shù)直觀反映了土質(zhì)路基的密實(shí)程度。王亞曉等人[2]以灌砂法作為壓實(shí)度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法，對(duì)核子密度儀法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了最小二乘法擬合_{ybsqSZUX2PcSFvtJ0KHVpMJVz8ZFjzo0QtEH0Gk4+Yc=}，建立了回歸擬合方程，并分析其相關(guān)性和差異。

基于前述的深入分析，該文創(chuàng)新性地提出了一種利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的公路路面壓實(shí)度檢測(cè)方案。該方案首先精心部署機(jī)器視覺(jué)的檢測(cè)設(shè)備，并通過(guò)嚴(yán)格的參數(shù)標(biāo)定流程，以確保設(shè)備的準(zhǔn)確性和可靠性。隨后，精心挑選了一系列能夠全面表征路面壓實(shí)狀態(tài)的指標(biāo)，以全面反映路面的壓實(shí)情況。在檢測(cè)過(guò)程中，運(yùn)用先進(jìn)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)捕捉路面高清圖像，并通過(guò)復(fù)雜而精細(xì)的圖像處理與分析算法，從圖像中提取與壓實(shí)度緊密相關(guān)的關(guān)鍵特征信息?；谶@些信息，采用科學(xué)的計(jì)算方法，準(zhǔn)確推導(dǎo)出公路路面的壓實(shí)度數(shù)值。最后，根據(jù)計(jì)算得到的壓實(shí)度結(jié)果，合理配置壓路機(jī)的壓實(shí)次數(shù)，以達(dá)到最佳的壓實(shí)效果。

1 基于機(jī)器視覺(jué)的公路路面壓實(shí)度檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)

1.1 基于機(jī)器視覺(jué)的檢測(cè)設(shè)備布置

基于機(jī)器視覺(jué)的公路路面壓實(shí)度檢測(cè)方法是一種運(yùn)用先進(jìn)的圖像處理與分析技術(shù)，對(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)處理，以獲得其中的特性信息，并對(duì)物體的位置、大小進(jìn)行識(shí)別的一項(xiàng)新技術(shù)。與傳統(tǒng)人工檢查相比，基于機(jī)器視覺(jué)的公路路面壓實(shí)度檢測(cè)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、可重復(fù)性好的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)始在越來(lái)越多的公路路面工程得到應(yīng)用。該技術(shù)可以有效地克服現(xiàn)有的缺陷，例如精度、速度等，并可有效降低成本，提高檢測(cè)效率，提高路面施工質(zhì)量。

在公路現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行路面壓實(shí)度檢測(cè)時(shí)，設(shè)計(jì)了由一臺(tái)高精度CCD攝像機(jī)、一個(gè)穩(wěn)固的測(cè)量樁及多個(gè)采樣特征點(diǎn)構(gòu)成的采樣體系，其關(guān)鍵設(shè)備的工作參數(shù)見(jiàn)表1所示：

針對(duì)待測(cè)公路段的路面，選用全反射式金屬標(biāo)度板，該文以（700×1 155×0.4） mm銅片、（450×5 440×0.4） mm鋁板為例，通過(guò)該公路路段的介質(zhì)介電常數(shù)，確定不同界面處的標(biāo)準(zhǔn)反射波和異常反射波的特性，并對(duì)該待測(cè)路面中的金屬片進(jìn)行定位，將金屬片固定于下部，測(cè)量金屬片的高程與角點(diǎn)，確定金屬片的參數(shù)。接下來(lái)，為了進(jìn)一步增強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性與精確度，實(shí)施對(duì)比鉆孔策略。這一步驟聚焦于公路上的某個(gè)代表性區(qū)段，通過(guò)鉆探至80 mm深度，并進(jìn)行連續(xù)的土樣提取，旨在全面剖析該區(qū)域土層的物理與電學(xué)特性[3]。

在啟用CCD攝像機(jī)進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)的壓實(shí)度監(jiān)測(cè)前，首要任務(wù)是精確標(biāo)定其各項(xiàng)參數(shù)，以確保采集到的圖像數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。隨后，將攝像機(jī)聚焦于施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)三層結(jié)構(gòu)中的36個(gè)測(cè)量樁進(jìn)行細(xì)致的圖像捕捉，并采用三維“十”字形模型對(duì)這些圖像坐標(biāo)進(jìn)行精確擬合[4]。在選擇檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，需權(quán)衡其數(shù)量與代表性，過(guò)小的檢測(cè)點(diǎn)可能因缺乏全面性而難以真實(shí)反映路面的實(shí)際狀況，而過(guò)多的檢測(cè)點(diǎn)不僅增加了工作負(fù)擔(dān)，還降低其整體效率。合理確定檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量與位置，是確保檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性與有效性的關(guān)鍵。接下來(lái)，進(jìn)一步提出了基于路面特征點(diǎn)中心圖像坐標(biāo)的采樣策略，這一策略巧妙地利用了圓形采樣標(biāo)志在機(jī)器視覺(jué)捕捉下形成的橢圓形態(tài)，精確提取橢圓的長(zhǎng)軸與短軸像素尺寸。通過(guò)對(duì)比“十”字形圖像的尺寸，以及取樣檢測(cè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地計(jì)算出從取樣檢測(cè)點(diǎn)至測(cè)量樁參照點(diǎn)的垂直距離。進(jìn)而，將這一距離與上一次的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，即可精確地計(jì)算公路路面在壓實(shí)過(guò)程中產(chǎn)生的沉降量λ[5]。

1.2 選取壓實(shí)度質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)

在公路建設(shè)中，路面的構(gòu)建通常采用瀝青作為主要鋪設(shè)材料。隨著我國(guó)公路建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，對(duì)路面結(jié)構(gòu)的耐久性能設(shè)立了更為嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。在公路路面的壓實(shí)作業(yè)中，振動(dòng)壓路機(jī)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它利用振動(dòng)輪這一關(guān)鍵部件，將自身重量與強(qiáng)大的激振力精準(zhǔn)地施加于路面，從而誘發(fā)路面材料的深層次塑性變形。這一過(guò)程促使路面壓實(shí)系數(shù)逐步上升，直至達(dá)到理想狀態(tài)。值得注意的是，提升壓實(shí)度可促進(jìn)頻率加快，而頻率的加快又進(jìn)一步促進(jìn)了壓實(shí)度的提升。因此，在振動(dòng)作業(yè)過(guò)程中，輪軸中心位置的振動(dòng)加速度響應(yīng)信號(hào)會(huì)呈現(xiàn)顯著的變化特征，直接反映了路面壓實(shí)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)演變。

在路面壓實(shí)的質(zhì)量監(jiān)控體系中，一旦檢測(cè)設(shè)備布置完畢，便會(huì)針對(duì)公路的壓實(shí)度進(jìn)行多維度評(píng)估，其中振動(dòng)輪軸心位置的振動(dòng)加速度頻譜圖成為分析的核心。壓實(shí)測(cè)量值的計(jì)算尤為關(guān)鍵，通過(guò)二次諧波幅值與基波幅值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)，具體如下：

r=c·a2χ aχ （1）

式（1）中：a2χ——二次諧波的幅值（m/s2）；aχ——基波的幅值（m/s2）；c——常數(shù)。

壓實(shí)控制值的計(jì)算公式如下：

t=100·aχ 2+a3χ 2 +a2χ+a5χ 2 +a3χ aχ 2+aχ （2）

式（2）中：aχ 2，a3χ 2，a5χ 2——半倍基頻諧波的幅值（m/s2）；aχ，a2χ，a3χ——基波、高倍基頻諧波的幅值（m/s2）。

總諧波畸變值的表達(dá)公式如下：

y=c·aχ 2 aχ （3）

式（3）中：aχ 2——半倍基頻諧波的幅值（m/s2）；aχ——基波的幅值（m/s2）；c——常數(shù)。

壓路機(jī)在路面碾壓作業(yè)中，會(huì)依次經(jīng)歷啟動(dòng)振動(dòng)、穩(wěn)定壓實(shí)及停止振動(dòng)等三個(gè)關(guān)鍵階段。由于實(shí)際作業(yè)環(huán)境中的各種因素，所采集到的振動(dòng)信號(hào)往往呈現(xiàn)不穩(wěn)定的特性。為了確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，通常會(huì)選擇穩(wěn)定壓實(shí)階段（該階段大約持續(xù)3 min）的振動(dòng)信號(hào)作為分析對(duì)象。為了更精確地匹配振動(dòng)信號(hào)與壓路機(jī)在路面上的實(shí)際碾壓區(qū)域，將連續(xù)的振動(dòng)數(shù)據(jù)按照時(shí)間長(zhǎng)度（如2 s）進(jìn)行分段處理，每段數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)壓路機(jī)在路面上約1 m的碾壓長(zhǎng)度。應(yīng)用這種處理方式有助于更細(xì)致的觀察和分析不同位置、不同時(shí)間點(diǎn)的壓實(shí)情況。在眾多壓實(shí)度質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)中，壓實(shí)測(cè)量值因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而備受青睞。首先，壓實(shí)測(cè)量值所依賴(lài)的諧波信號(hào)清晰可辨，便于從復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)中提取出來(lái)；其次，其計(jì)算方法相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠快速得出結(jié)果；最后，壓實(shí)測(cè)量值能夠直觀地反映路面的壓實(shí)狀態(tài)，為工程質(zhì)量控制提供有力支持。因此，該文選擇壓實(shí)測(cè)量值作為評(píng)估路面壓實(shí)度的主要指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)路面壓實(shí)質(zhì)量的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

1.3 公路路面壓實(shí)度的計(jì)算

將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)引入路基壓實(shí)度的檢測(cè)領(lǐng)域，開(kāi)創(chuàng)了一種前沿的道路質(zhì)量非破壞性評(píng)估手段，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓實(shí)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。這一創(chuàng)新方法賦予了施工人員前所未有的能力，能夠?qū)崟r(shí)洞察壓實(shí)作業(yè)的狀態(tài)，并據(jù)此精準(zhǔn)調(diào)控壓實(shí)質(zhì)量，確保在最優(yōu)化的碾壓次數(shù)內(nèi)，達(dá)到路基壓實(shí)度的最大化要求。這不僅有效規(guī)避了壓實(shí)不足可能導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)隱患，也防止了過(guò)度壓實(shí)造成的資源浪費(fèi)，顯著提升了施工效率和經(jīng)濟(jì)效益。接下來(lái)，通過(guò)在檢測(cè)點(diǎn)增設(shè)相應(yīng)功能，引入機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路面不平整度與搭接寬度這兩項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)的同步高精度評(píng)估。這種能力突破了傳統(tǒng)方法的局限。此外，其捕獲的豐富圖像信息也在構(gòu)建更加智能、安全的交通網(wǎng)絡(luò)方面發(fā)揮了重要作用。

綜上所述，通過(guò)整合信息能夠構(gòu)建一套高效的方法計(jì)算公路路面的壓實(shí)度，其計(jì)算公式如下：

k=r· h h?λ （4）

式（4）中：λ——經(jīng)過(guò)一次壓實(shí)后產(chǎn)生的沉降量（cm）；h——壓實(shí)作業(yè)前的公路鋪層厚度（cm）；r——壓實(shí)作業(yè)前鋪層的壓實(shí)度（%）；k——經(jīng)過(guò)一次壓實(shí)后的壓實(shí)度（%）。

綜上所述，根據(jù)式（4）可以得出該檢測(cè)公路路段的壓實(shí)度，但在公路建設(shè)的實(shí)際操作過(guò)程中，壓實(shí)次數(shù)并非越多越好，以盲目增加壓實(shí)次數(shù)追求更高的壓實(shí)度并非全部有效。具體而言，當(dāng)路面達(dá)到一定的密實(shí)程度后，繼續(xù)增加壓實(shí)遍數(shù)對(duì)于進(jìn)一步提升壓實(shí)度的貢獻(xiàn)將逐漸減弱。過(guò)度碾壓不僅無(wú)益于壓實(shí)質(zhì)量的進(jìn)一步提升，反而可能引發(fā)一系列的負(fù)面問(wèn)題，如路面波浪變形、過(guò)壓導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞、粗集料顆粒的碎裂等。相反，壓實(shí)次數(shù)不足則會(huì)導(dǎo)致壓實(shí)不充分，進(jìn)而影響路面的耐久性，可能在使用過(guò)程中出現(xiàn)裂縫、車(chē)轍加深及水損害等嚴(yán)重問(wèn)題。因此，深入研究并精確掌握壓實(shí)機(jī)的壓實(shí)次數(shù)與路面壓實(shí)度之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系至關(guān)重要，有助于科學(xué)合理地配置壓路機(jī)的壓實(shí)次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)施工效率與道路質(zhì)量的最佳平衡。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

該實(shí)驗(yàn)聚焦于A省省道高速公路的一特定路段（K45+1557至K46+546，全長(zhǎng)約4.95 km），位于立匝道上，鋪設(shè)了SJI 17級(jí)高標(biāo)準(zhǔn)路面層。為了精確評(píng)估振動(dòng)壓實(shí)效果，選用了往復(fù)連續(xù)振動(dòng)的碾壓方式，共執(zhí)行了8個(gè)循環(huán)（相當(dāng)于單方向碾壓16次）。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的純凈性，實(shí)驗(yàn)特意挑選了一條單向車(chē)道，確保在測(cè)試期間無(wú)其他壓路機(jī)作業(yè)，從而最大限度地減少外界干擾對(duì)振動(dòng)信號(hào)及攝像機(jī)圖像采集的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙地將路段劃分為兩個(gè)階段，并特別注意壓路機(jī)起振與止振階段的振動(dòng)信號(hào)不穩(wěn)定性，因此決定剔除這些階段的數(shù)據(jù)，以確保分析的有效性和準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)篩選，確定了兩個(gè)有效的碾壓路段，長(zhǎng)度分別為45 m和58 m，總有效長(zhǎng)度為103 m。然而，值得注意的是，盡管采取了諸多措施減少誤差，但實(shí)驗(yàn)uXHKkO1FOUj82+VhE9zdRWGlVKep4TCaUw09BH7gHxI=仍面臨不小的挑戰(zhàn)。該實(shí)驗(yàn)選用單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)作為主要測(cè)試設(shè)備，其運(yùn)行規(guī)格及關(guān)鍵性能如表2所示：

在進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)前，首要任務(wù)是在目標(biāo)路段安裝所需的測(cè)試設(shè)備，確保所有設(shè)備能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地采集數(shù)據(jù)。其次，基于工程要求、材料特性及過(guò)往經(jīng)驗(yàn)，為該路段設(shè)定一個(gè)合理的壓實(shí)度目標(biāo)值，并據(jù)此規(guī)劃所需達(dá)到的壓實(shí)次數(shù)范圍。圖1為歷史公路不同壓實(shí)遍數(shù)所得到的壓實(shí)度結(jié)果。

通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行詳盡的分析與比對(duì)，即可清晰地揭示在不同壓實(shí)遍數(shù)條件下，路面壓實(shí)度所呈現(xiàn)出的具體變化情況。由圖1可知，當(dāng)路面的壓實(shí)操作達(dá)到第7遍時(shí)，其壓實(shí)度達(dá)到了極高的99.9%水平。在所提供的圖像展示中，明確指出了某個(gè)具體的壓實(shí)遍數(shù)所對(duì)應(yīng)的路面壓實(shí)度狀態(tài)。

2.2 檢測(cè)結(jié)果與分析

基于上述詳盡的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，正式開(kāi)展檢測(cè)，旨在通過(guò)對(duì)比分析檢驗(yàn)該方法的可行性，其對(duì)比檢測(cè)結(jié)果如表3所示：

基于上述詳盡的檢測(cè)結(jié)果與對(duì)比分析，可以明確看出，該文所采用的基于機(jī)器視覺(jué)的公路路面壓實(shí)度檢測(cè)方法，其檢測(cè)結(jié)果相較于方法1而言，與實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)的數(shù)值更為貼近。因此，該實(shí)驗(yàn)證明了基于機(jī)器視覺(jué)的公路路面壓實(shí)度檢測(cè)方法在評(píng)估路面壓實(shí)度方面的卓越性能，相較于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，該方法不僅展現(xiàn)出高度的準(zhǔn)確性，還確保了檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

該文闡述了一種利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的公路路面壓實(shí)度檢測(cè)新方法，主要包括圖像采集、圖像處理和壓實(shí)度計(jì)算三個(gè)步驟。在圖像采集階段，使用高分辨率相機(jī)和合適的光源獲取路面的圖像；在圖像處理階段，采用一系列算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，以提取路面的紋理和顏色信息；在壓實(shí)度計(jì)算環(huán)節(jié)，巧妙運(yùn)用了從路面圖像中提取的詳盡紋理與色彩特征，精確計(jì)算了路面的壓實(shí)度。檢測(cè)數(shù)據(jù)確鑿地驗(yàn)證了這一方法的高精確度和強(qiáng)可靠性，能夠精準(zhǔn)無(wú)誤地評(píng)估公路路面的壓實(shí)質(zhì)量。值得一提的是，該方法還實(shí)現(xiàn)了非侵入式的檢測(cè)方式，大幅度加快了檢測(cè)流程。綜上所述，這一技術(shù)不僅是公路建設(shè)與維護(hù)領(lǐng)域的重大技術(shù)飛躍，更是提升工程質(zhì)量、優(yōu)化資源利用的重要手段。展望未來(lái)，將進(jìn)一步優(yōu)化圖像處理算法，加速檢測(cè)流程，并不斷探索降低成本的新途徑，以期將該技術(shù)推向更高的應(yīng)用層次，為公路行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)更大力量。

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收稿日期：2024-07-23

作者簡(jiǎn)介：柳正軍（1977—），男，本科，工程師，研究方向：土木工程。