公路監(jiān)理師:路面無損檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
2015-05-04
目前我國高速公路的通車?yán)锍桃丫邮澜绲诙?，已建立了較完善的道路養(yǎng)護(hù)管理規(guī)定和系統(tǒng)， 這些系統(tǒng)的建立有效地保證了養(yǎng)護(hù)的科學(xué)性， 但普遍面臨數(shù)據(jù)采集手段相對落后的問題， 因此需要針對道路檢測技術(shù)開展深入研究。近年來， 隨著計算機(jī)技 術(shù)、自動化控制技術(shù)、高精度測微技術(shù)的進(jìn)步， 道路檢測技術(shù)人工檢測向自動化檢測技術(shù)發(fā)展， 由破損類檢測向無損檢測技術(shù)發(fā)展， 由低速度、低精度向高速度、高精度發(fā)展。本文在分析國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上， 總結(jié)了路面主要無損檢測技術(shù)和相關(guān)研究的最新進(jìn)展。
1 平整度檢測技術(shù)
平整度、車轍和裂縫是評價路面質(zhì)量最重要的3 個參數(shù)。平整度檢測貫穿于路面施工質(zhì)量檢測、評定、驗收及運營期路面質(zhì)量檢測等環(huán)節(jié)， 其檢測設(shè)備、原理和方法多種多樣， 檢測結(jié)果因檢測設(shè)備不同而有較大差異。美國、澳大利亞等國的平整度檢測技術(shù)處于領(lǐng)先水平。美國有多家公司研發(fā)和生產(chǎn)路面平整度檢測儀， 其中包括ICC 公司生產(chǎn)的慣性激光斷面儀和手推式斷面儀； FACE 公司生產(chǎn)的DIPSTICK （步進(jìn)式斷面儀） 和手推式斷面儀，及South Dakota DOT 生產(chǎn)的慣性激光斷面儀等（澳大利亞ARRB 生產(chǎn)的手推式斷面儀和慣性激光斷面儀在國際上也有一定的市場）。
我國平整度檢測技術(shù)的研究相對落后，由于公路建設(shè)的需要， 在“七五”期間， 由交通部公路研究所和西安公路研究所等單位先后分別研制了顛簸累積儀和八輪儀等平整度檢測裝置。
在實際應(yīng)用中主要存在以下問題： 測試效率低、速度慢； 使用起來很不方便； 儀器測定精度較差， 尤其是再現(xiàn)性差， 不同的廠家不同的儀器會測出不同的結(jié)果； 生產(chǎn)廠家較多， 且質(zhì)量差異較大，有些廠家生產(chǎn)的連續(xù)式平整度儀質(zhì)量問題較多。車載式顛簸累積儀必須通過對機(jī)械系統(tǒng)的良好保養(yǎng)和檢測時嚴(yán)格控制車速來保持測定結(jié)果的穩(wěn)定性， 需經(jīng)常進(jìn)行標(biāo)定， 減振性能好， 則VBI 測值小； 車速越高， VBI 測值越大。
2 路面破損檢測技術(shù)
路面破損快速檢測技術(shù)主要是應(yīng)用照像及攝像技術(shù)對路面的破損狀況進(jìn)行動態(tài)、實時獲取， 然后采用圖像處理技術(shù)對獲得的路面圖像進(jìn)行處理，定量分析路面破損狀況， 如裂縫等。以路面損壞自動采集設(shè)備取代人工量測的研究始于20 世紀(jì)70 年代初期， 法國道路管理部門研制開發(fā)了路面攝影車（GERPHO） ，使在風(fēng)吹日曬環(huán)境下的現(xiàn)場損壞測量工作轉(zhuǎn)為室內(nèi)對膠片的處理， 并借助計算機(jī)進(jìn)行人工判讀和數(shù)據(jù)記錄。20 世紀(jì)80 年代中后期，西方發(fā)達(dá)國家美國、日本、法國等由于路網(wǎng)管理和路面管理系統(tǒng)發(fā)展的需要， 紛紛開展了以路面損壞實時采集設(shè)備（硬件） 和路面損壞圖像的計算機(jī)圖像自動處理系統(tǒng)（軟件） 為主要內(nèi)容的研究與開發(fā)工作，并于20 世紀(jì)90 年代初期， 陸續(xù)發(fā)表了其研究成果。進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代后期，路面損壞自動檢測與模式識別的研究比較少， 美國猶他州立大學(xué)計算機(jī)學(xué)院的程恒達(dá)教授、加拿大的Roadware 公司等仍然致力于圖像獲取設(shè)備與路面損壞圖像處理技術(shù)的研究， 技術(shù)上并沒有太大的進(jìn)展， 因此目前國際上尚沒有普及路面損壞自動檢測設(shè)備。
我國在這一領(lǐng)域開展研究的個人或單位不多。1994 年同濟(jì)大學(xué)的孫立軍教授及其研究生在這一領(lǐng)域進(jìn)行了試探性的研究。最新的信息是李德仁院士及其在加拿大的研究生正在開展路面損壞檢測技術(shù)的研究， 取得了一定的成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)從2001 年開始了設(shè)備與算法方面的研究， 已取得了階段性的成果。
3 路面車轍檢測技術(shù)
路面車轍檢測技術(shù)在國際上已發(fā)展到較為完善的程度， 主要采用非接觸式距離傳感器自動快速檢測出檢測橫梁與左、右車轍的高差及與行駛中心線的距離，然后據(jù)此計算出車轍相對深度。目前，美國ICC 公司、South Dakota DOT、澳大利亞ARRB 等均能生產(chǎn)快速可靠的車載式車轍自動檢測儀。這類儀器可進(jìn)行高速、連續(xù)的檢測， 具有可靠性高、操作安全、不影響車輛的正常通行等優(yōu)點， 在國外已得到廣泛應(yīng)用。
這類儀器主要是采用光學(xué)傳感器（包括激光和紅外傳感器） 及超聲波傳感器進(jìn)行測量， 每種傳感器均有一定的適用范圍，未來的研究將根據(jù)不同需求研究選用合適的傳感器， 以期達(dá)到更好的應(yīng)用效果和更高的經(jīng)濟(jì)性， 如激光傳感器要求路面不具有較強(qiáng)的陽光照射度， 而紅外傳感器對色彩較敏感，超聲波傳感器則對汽車產(chǎn)生的噪音較敏感。我國在路面車轍檢測方面主要停留在人工檢測階段， 研究工作開展很少。對車轍的檢測局限于對典型斷面的檢測， 而典型斷面的選取隨意性大，受主觀因素影響多， 致使評價方法不準(zhǔn)確、不科學(xué)， 并且這種檢測手段落后、速度慢、危險性大。哈爾濱工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)備和算法方面的研究， 取得了階段性的成果。
4 路面承載能力檢測
路面承載能力的檢測是得出路面的彎沉及彎沉盆。落錘式彎沉儀（FWD） 是目前應(yīng)用較為廣泛的彎沉檢測設(shè)備， 代表了彎沉檢測的發(fā)展方向。它的基本原理是通過液壓系統(tǒng)提升和釋放荷載塊對路面施加沖擊荷載， 荷載大小由落錘質(zhì)量和起落高度控制， 荷載時程和動態(tài)彎沉盆均由相應(yīng)的傳感器測定。20 世紀(jì)60 年代，法國首先提出沖擊式動力彎沉儀的初步設(shè)想， 70 年代后期丹麥和瑞典首先研制成FWD.80 年代以后， 美國、英國和日本等相繼引進(jìn)和仿制了這種彎沉儀。研究表明， FWD 的沖擊荷載與時速60~80 km 的車輛對路面的荷載相似， 可以較好地模擬行車荷載作用， 并且測速快，精度高， 因此， FWD 在國際上得到廣泛的用。
目前， 在檢測設(shè)備方面， 國外正在研究滾動式彎沉儀RWD（RollingWheelDeflectometer 滾輪式彎沉儀） 正處于研究階段。它是采用高頻激光掃描，連續(xù)地記錄行駛中的測試車在路表產(chǎn)生的彎沉，測試速度約88.5 km/h.目前主要有Dynatest （丹麥）與Quest Integrated （美國） 合作、美國密西西比州的ARA （AppliedResearch Associates） 公司和瑞典的RDT 等機(jī)構(gòu)從事RWD 的研制工作，第一代產(chǎn)品已經(jīng)問世，精度適合于路網(wǎng)普查。RWD 的最大優(yōu)點是：所記錄的是真實受力狀態(tài)， 而不是模擬荷載狀態(tài)下的彎沉， 并且測速遠(yuǎn)大于FWD， 因此對交通的影響較小， 是較為理想的彎沉檢測設(shè)備， 因此是此類設(shè)備的重要發(fā)展方向。得克薩斯大學(xué)開發(fā)的R（ RollingDynamicWheel Deflectometer 滾動動力彎沉儀） 的加載原理與RWD 相似，但彎沉測量采用的是滾動式彎沉傳感器。它的測試速度約2.5 km/h， 可以同時提供路表破損攝像。RDD 的主要優(yōu)點是連續(xù)測量、信息量大， 但由于測試速度慢等原因， 用戶很少。
我國目前常用的靜態(tài)貝克曼梁檢測方法，效率較低，且無法與國際上通用的應(yīng)用軟件及路面材料特性計算方法相匹配。雖然已陸續(xù)進(jìn)口了一些FWD， 但在應(yīng)用上受到局限（主要是檢測規(guī)范的限制） ，需要開展研究， 以確定FWD 在我國路面評價及計算方法上的實用性及指標(biāo)體系。欲使FWD 能真正應(yīng)用于路面承載能力檢測， 其指標(biāo)體系和評價方法非常重要， 而我國目前的研究仍未有實質(zhì)性進(jìn)展， 國際上這方面也不夠完善， 因此需要針對具體國情， 驗證其檢測性能， 并將實測數(shù)據(jù)用于指標(biāo)體系和評價方法的研究， 建立和完善我國路面承載能力檢測技術(shù)規(guī)范及檢定規(guī)程， 利用國內(nèi)已進(jìn)口的FWD， 進(jìn)行大量實測， 積累數(shù)據(jù)， 建立相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
5 路面抗滑能力檢測
抗滑能力主要是指路面摩擦系數(shù)。在檢測方法上主要有早期英國的擺式摩擦儀（靜態(tài)、單點檢測） 和現(xiàn)今制動測距（動態(tài)、連續(xù)檢測） 的方法。在研究方面目前集中在檢測手段（主要是動態(tài)連續(xù)式） 的可靠性、應(yīng)用指標(biāo)及指標(biāo)體系的研究。動態(tài)連續(xù)式檢測已成為當(dāng)今國際上的主流， 但在制造上有較大的難度。同時檢測時， 由于要對檢測輪進(jìn)行完全制動， 其檢測費用較高。國際上檢測手段較發(fā)達(dá)的國家有瑞典和美國等。另一種新的檢測方法是測定檢測車全剎車時的最大減速度， 一些研究成果表明， 此最大減速度與路面摩擦系數(shù)有較好的相關(guān)性。近幾年國際上有一些研究采用高分辨率的激光距離傳感器檢測路面的微觀特征， 并研究其綜合定量指標(biāo)與路面摩擦系數(shù)的相關(guān)性。若這一種新的方法得以認(rèn)可， 路面摩擦系數(shù)的快速檢測將變得更有效和低價。
我國目前采用的主要檢測手段仍為擺式摩擦儀。由于是靜態(tài)單點抽樣檢測， 其效率和可靠性無法滿足公路管理的需要。今后需開展此方面的檢測技術(shù)的研究， 重點應(yīng)集中在采用何種技術(shù)以實現(xiàn)快速連續(xù)的檢測。另外， 我國養(yǎng)護(hù)規(guī)范對瀝青路面的抗滑性能提出了擺值、構(gòu)造深度、橫向力系數(shù)等幾種評價指標(biāo)， 但對于這些指標(biāo)之間的相互關(guān)系缺乏系統(tǒng)的分析， 因此， 還需進(jìn)行指標(biāo)評價體系的研究，通過現(xiàn)場試驗， 獲得大量數(shù)據(jù)， 完善檢測規(guī)范，建立新的指標(biāo)體系和評價方法。
6 小結(jié)
目前， 我國公路通車?yán)锍桃丫邮澜缜傲?，但相?yīng)的公路檢測設(shè)備相對落后， 制約著我國公路特別是高速公路的現(xiàn)代化水平。本文介紹了國內(nèi)外公路路面自動檢測技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀， 通過對道路檢測技術(shù)的對比和分析， 總體趨勢是由人工檢測向自動化檢測技術(shù)發(fā)展， 由破損類檢測向無損檢測技術(shù)發(fā)展， 由低速度、低精度向高速度、高精度發(fā)展。因此就國內(nèi)目前情況看， 盡快組織力量，投入資金，并在國內(nèi)外已有成果基礎(chǔ)上， 從高速公路快速檢測設(shè)備、技術(shù)以及養(yǎng)護(hù)新材料、新方法、新工藝等方面， 深入系統(tǒng)地開展瀝青路面快速檢測與養(yǎng)護(hù)技術(shù)的研究， 發(fā)展我國自主知識產(chǎn)權(quán)的路面快速檢測技術(shù)， 提升我國路面檢測技術(shù)的規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 促進(jìn)我國路面檢測技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用及實施，對于全面提高我國公路的管養(yǎng)水平， 進(jìn)而全面提高我國公路工程質(zhì)量，具有重要意義。
