詳解公路路面技術狀況檢測技術及設備

文

公路路面技術狀況檢測與評價是公路建設與資產管理中的關鍵性、基礎性技術，它不僅對檢驗和控制工程質量至關重要，而且還決定著公路資產管理及養護決策的科學化程度。

國外在路面檢測技術方面的研究已經有40多年的歷史，而且根據國情和發展需求，各國采用了不同的研究思路和方法，形成了不同風格和特點的檢測技術與檢測設備。我國從20世紀80年代后期開始，通過設備和技術引進與自主研發，在公路路面檢測領域也獲得了長足的發展。

目前，公路檢測技術裝備越來越趨向于多功能、多維度綜合檢測裝備。如何能夠更加高效、準確、便捷地完成大規模路網的檢測任務，將是未來路面技術狀況自動化檢測技術發展的方向。同時，隨著電子信息技術的快速發展，信息化、智能化、便攜化、大數據等趨勢也將不斷加速與傳統的路況檢測技術相融合，從而推動公路養護及管理技術的全面進步。

為此，本刊特邀請行業內的專家系統性介紹了路面檢測技術和檢測設備，以及相關領域技術的發展趨勢。

1 路面檢測與評價的內容和方法

圖1 公路技術狀況評定指標體系

路面使用性能從不同角度反映了路面狀況對行車要求的滿足或適應程度，一般可以劃分為結構性能和功能性能兩方面。前者主要是指路面損壞狀況和結構承載能力；而后者主要表現為對行駛舒適、行車安全、運行經濟的影響程度。

我國公路路面評定標準及方法自1979年正式提出，截至2020年共經歷了5次更新完善。分別為：《公路養護質量檢查評定暫行辦法》（1979版）明確了好路率作為路況水平評價指標；《公路養護質量檢查評定標準》（JTJ 075-94）提出了路面破損率、好路率作為路況水平評價指標；《高速公路養護質量檢評方法（試行）》（2002版）首次提出了養護質量指數（MQI）指標，結合路面次差路率評價路面狀況；《公路技術狀況評定標準》（JTG H20-2007）明確了公路技術狀況指數（MQI）的定義及計算方法，其作為評價路面技術狀況水平唯一指標；現行標準《公路技術狀況評定標準》（JTG 5210-2018）規定MQI、優等路率、優良路率及次差路率綜合評定路況水平。

其中，現行《公路技術狀況評定標準》中，路面技術狀況包括路面破損狀況、路面行駛質量、路面車轍深度、路面跳車、路面磨耗、路面抗滑性能及路面結構強度七項內容。各項調查內容及其檢測和評價指標，如圖1所示。

此外，在分析國內外資料的基礎上，公路養護技術國家工程研究中心還整理了具有代表性的路面檢測設備，如表1所示。

1979年，我國公路路面評定標準及方法正式提出。（供圖：河南省交通事業發展中心）

表1 公路養護技術國家工程研究中心整理的代表性路面檢測設備一覽表

2 路面破損檢測技術

路面破損自動檢測系統的工作流程主要分為兩部分：一是由車載攝影/攝像裝置連續、高速采集路面圖像；二是利用計算機識別、分類與統計路面破損。該項技術于20世紀70年代在國內外開始大范圍研究，至今，已基本完成了四代路面損壞自動化檢測技術及裝備的升級。

第一代：基于高速攝影技術研發

第一代路面損壞快速檢測設備基于高速攝影技術研發，系統采用35毫米電影膠片、同步高速攝影機和車輛定位系統，在車輛行駛的同時，攝影機不斷采集路面損壞影像。路面損壞圖像膠卷經過沖洗成像后，技術人員可在實驗室內判讀各種病害。

該套系統的問世，顯著降低了野外工作時間，極大地減輕了檢測過程中對交通通行的影響。其缺點是只能在夜間工作，實驗室后期處理工作量較大，耗時較長。

第一代自動化檢測設備-法國Gerpho

第二代：基于模擬攝像（電視）技術研發

第二代路面損壞快速檢測設備基于模擬攝像（電視）技術研發，涵蓋路面損壞、道路平整度、路面車轍和前方圖像功能。檢測系統采用3套高性能CCD數字攝像系統，數據處理采用了灰度理論，通過對圖像的篩選、模式識別和灰度處理，確定路面裂縫等破損的類型、長度、寬度、面積和破損率。

該套系統用于公路網路面檢測，檢測結果可直接傳入路面管理系統。其缺點主要是分辨率較低，只有2毫米至3毫米，識別率準確性不足，需要輔助人工判讀，檢測速度僅為每小時10公里。

第二代自動化檢測設備-英國HARRIS

第三代:基于數字攝像/照相技術研發

第三代路面損壞快速檢測設備基于數字攝像/照相技術研發。該類系統采用面陣CCD傳感器對路面圖像進行捕獲，并能直接存儲到計算機。代表性設備可以同時采集路面損壞（裂縫）、道路平整度、路面車轍、路面紋理、道路幾何形狀、前方圖像等多項數據。主要特點為：采用圖像壓縮技術對采集的圖像數據進行實時壓縮存儲，節省空間；采用GPS定位技術和陀螺儀慣性系統對路線幾何線形及橫縱坡數據進行采集；后期數據處理中采用路面圖像預處理技術，提高圖像數據的處理速度和準確率。

第三代自動化檢測設備-加拿大ARAN

該套系統檢測速度可以達到每小時80公里，利用WireCrax圖像處理軟件能夠自動識別路面裂縫，最小寬度為3毫米。但不能完全識別各種路面病害，需要進行人工核對，自動化程度還不高。

第四代自動化檢測設備-中國CiCS

第四代:基于高速線掃描數字相機技術研發

第四代路面損壞快速檢測設備基于高速線掃描數字相機技術研發。該系統采用攝影技術和紅外激光照明技術，使圖像質量更加穩定。目前我國在公路路面技術狀況檢測中普遍采用了該類型檢測設備，代表性產品為我國自主研發的多功能路況快速檢測系統CiCS。

該設備的特點為：采用線掃描相機采集路面損壞圖像，采集速度可達到每秒12幀，前方圖像檢測采用了CCD數字攝像機，檢測速度為每小時20公里至100公里；采用線陣相機技術，結合結構光照明能夠達到橫向3.8米的檢測寬度，最高檢測精度達1毫米；與檢測設備配套的路面破損處理軟件CiAS能夠自動處理包括裂縫、車轍與平整度在內的路面關鍵性指標，能夠識別2毫米以上路面裂縫。

3 路面平整度及跳車檢測技術

道路平整度是評價路面行駛質量與服務水平的一項關鍵指標，它可以定義為路面表面誘使行駛車輛出現振動的高程變化。道路平整度會對行車速度、通行能力、行車舒適性、運營經濟性，以及交通安全性等技術經濟性能產生直接影響。道路平整度測試技術一般可劃分為反應類和斷面類。

反應類平整度測試技術

反應類平整度檢測是通過傳感裝置測量車輛以某一速度駛經不平整路面時機械系統的動態反應（豎向位移、豎向加速度等），以此來間接度量道路平整度狀況。檢測系統操作簡便、測速快，可用于大規模路面檢測。然而其測定結果同車輛自身性能和速度有關，因此存在時間至空間穩定性差等缺點，需要通過標定試驗建立反應類測試結果同已知參照數據之間的關系。

此類設備最具代表性的是英國的顛簸累積儀。同時還有美國的BPR平整度儀、PCA儀、Mays儀、澳大利亞的NAASRA、RRDAS平整度儀，以及我國開發的系列車載式顛簸累積儀。

斷面類平整度測試技術

斷面類平整度檢測是直接測量路表縱斷面形狀（高程），再通過一個綜合性數學統計量表征其平整度。屬于這一類型的方法和設備主要包括：水準測量儀、MERLIN梁、三米直尺、連續式平整度儀、慣性斷面儀，以及非接觸式斷面儀等。

拖車式顛簸累積儀

水準測量儀和MERLIN梁能夠得到精確的縱斷面數據，但測試速度慢，只適用于小范圍檢測或設備標定。

三米直尺和連續式平整度儀在施工質量監測中應用較多，但存在效率低、精度差、難以反映路面長波狀況等問題。

慣性斷面儀利用車載加速度計建立慣性參考系，由測試輪量測車身同路表之間的相對位移，通過計算消除車體自身振動影響后得出路表縱斷面數據。測試過程中遇到車速過高或路面較不平整狀況，測試輪會跳離路面，嚴重影響測試精度。

非接觸式斷面儀采用激光、超聲波或紅外線等傳感器代替車載加速度計，基于光時差或三角測量法原理測量車身與路表之間位移，有效地克服了慣性斷面儀的缺點。激光斷面儀自動化程度高，測試速度快，數據精確，是目前最為先進的平整度檢測設備，其測試速度一般為每小時80公里至120公里。代表性設備有丹麥的Dynatest RSP和GreenWood Profilograph、瑞典的Laser RST、澳大利亞的ARRB 5LP、新西蘭的ROMDAS，以及我國的CiCS多功能路況快速檢測系統等。

各種平整度檢測設備可以輸出多項指標，為保證檢測數據在時間上的可比性和空間范圍內的穩定性，世界銀行通過巴西試驗開發了國際平整度指數IRI(International Roughness Index)。IRI定義為模擬四分之一車在每小時80公里速度下，車身懸掛系總位移與行駛距離之比。其可以通過斷面類方法直接測量，同時它與反應類平整度指標之間具有良好的相關性，便于進行轉換和標定。

《公路技術狀況評定標準》（JTG 5210-2018）提出了跳車指數指標及相關計算方法，利用平整度激光斷面檢測設備，可擴展檢測跳車指數。

組圖：斷面類平整度檢測設備

4 路面車轍檢測技術

《公路技術狀況評定標準》（JTG H20-2007）首次規定高速公路及一級公路的路面車轍檢測方法，車轍正式作為獨立的指標進行檢測、計算、評定。車轍檢測實質為測量道路橫斷面上各點的高程數據信息，據此推斷橫斷面的形狀，計算車轍的深度。國內外曾推出多種車轍檢測方法和設備，根據檢測方式的不同可以整體劃分為人工檢測和自動化檢測。

人工檢測

早期車轍檢測基本以人工檢測為主，主要以直尺量線、AASHTO車轍量規、水準儀及水準尺為主，全部為靜態測試。檢測存在人工操作速度慢、效率低、主觀因素大及安全性差等問題。

半自動化檢測

車轍檢測技術不斷進步，形成了基于人工的半自動化檢測方法。主要有表面高程、手推式斷面儀、橫向輪廓儀等檢測方法。半自動化檢測提升了測試精度，橫斷面信息計算更為精確，但還依賴于人工輔助。

自動檢測

車轍檢測技術已發展為利用激光、超聲波、紅外等非接觸式位移傳感器測量技術為主的全自動車載動態快速檢測。測量整個車道橫斷面位移，得出橫斷面車轍形狀，計算車轍深度RD。目前，主流的車轍檢測技術以多點共梁式激光車轍檢測技術和線激光車轍檢測技術為主。

多點共梁式激光車轍檢測技術早期以3個傳感器和5個傳感器應用較多。后期隨技術發展及精度要求的提高，傳感器數量不斷增加至7個、13個、21個，路面檢測寬度已達到3.6米。國外主要以丹麥的Dynatest RSP及英國Babtie TTS設備為代表。我國CiCS多功能路況快速檢測系統，配備了13個激光傳感器，采用均勻布點方式，檢測寬度達到3.6米左右，能夠基本完成車道全幅范圍內車轍檢測，單點的測量精度高，性能穩定，重復性好。

線激光車轍檢測技術采用線激光與相機成像結合，利用激光線在成像中的形變情況通過嚴格的標定過程來計算路面橫斷面高程的變化。其橫向測點分布更加密集，可以達到500個至1000個測點，對橫斷面的測量更加完整。但就目前的技術而言，一定程度上存在單點測量精度相對較差，測值穩定性受環境強光影響大的問題。同時由于線激光使用壽命較點激光有明顯不足，其后期維護成本更高。

組圖： CiCS多功能路況快速檢測系統——激光車轍檢測裝備

5 路面抗滑及紋理檢測技術

組圖：摩擦系數測試設備

路面抗滑性能直接影響車輛行駛的安全性。路面設計中，路面構造深度TD及橫向力系數SFC，應根據年平均降雨量不同設定不同技術要求值。抗滑性能檢測方法包括測定路面摩擦系數的直接法和測定路面微觀構造和宏觀構造的間接法，具體方法包括DF測試法、擺式儀法、制動距離法、鎖輪拖車法、摩擦系數測試車法、鋪砂法、激光斷面測定法、排水測試法、攝像分析法、電鏡掃描法等。

人工摩擦系數測試

早期進行路面摩擦系數測試采用英國TRL研制的擺式儀。測試過程中其擺臂勢能損失轉化為克服摩擦力做功，依據能量守恒規律計算出摩擦系數，并以擺值(BPN)顯示。DF測試儀由日本制造，通過摩擦力做功使旋轉動能損失計算測試點處在每小時0公里至80公里范圍內的動態摩擦系數值。上述設備簡單便捷，但均為單點固定操作，采樣頻率低，效率低下且不適用于粗構造路面，因此在高速公路檢測中應用較少。

高速自動化摩擦系數測試

國際上通用的高速自動化摩擦系數測試系統(CFME)主要分為測定橫向力系數及縱向摩擦系數兩種形式，設備有車載式和拖掛式兩種，均需在濕態路面上進行測試。

橫向力系數測試系統的工作方式是設定試驗輪與行車方向成一定偏角，使其產生同試驗輪平面相垂直的橫向摩阻力，此力與試驗輪承受豎向荷載之比即為橫向力系數SFC(Sideway-force Coefficient)。它是縱橫向摩擦系數的綜合指標，能夠表征車輛實際制動或發生側滑時的路面阻抗。此類設備中典型代表為英國的SCRIM（單輪偏角）和Mu-Meter（雙輪合角）。

組圖：代表性路面抗滑性能測試設備

縱向摩擦系數測試系統是使試驗輪與車輛前進方向保持一致，測量試驗輪在完全鎖定狀態或滾滑狀態（固定滑移率）下所產生的縱向摩阻力，由此計算制動力系數BFC(Brake-force Coefficient)或滑移指數SN(Slip Number)。該系統可在較寬速度范圍內工作，測試結果能夠反映車輛實際剎車時的情況。此類代表性設備主要有英國的GripTester、瑞典的SAAB SFT，以及美國的ASTM E274 Trailer等。

路面紋理深度測試

路表面構造抗滑性能研究包括微觀構造和宏觀構造兩方面。微觀構造主要指集料表面的粗糙度，其主要提供車輛低速行駛時的抗滑性能；宏觀構造主要指路表外露骨料間形成的構造，可以迅速排除車輪下的路表水，避免形成水膜導致高速行駛車輛不安全。

傳統路面構造深度測試主要有人工、電動鋪沙法兩種。通過測試后計算得到路面的紋理深度TD，評價路面抗滑性能。該方法需耗費大量的人力物力，效率低，不適合大范圍應用。

近年來，應用激光紋理測試儀測試路表構造深度應用比較廣泛。目前激光構造深度儀一般采用車載式，測試系統由承載車、距離傳感器、激光傳感器、主控制單元及數據后處理軟件組成。其測試效率高、測試結果穩定，可以與平整度、車轍等其他斷面指標集成同步采集，應用較為廣泛。但由于測試工作原理所限，該設備在具有槽狀或坑狀表面構造的水泥混凝土路面上使用受到限制。

路面紋理深度測試和路面摩擦系數都是評價路表抗滑性能的專業技術指標，但是構造深度和摩擦系數所表征的作用不同，兩者不能互相代替。

同時，通過擴展三線紋理的檢測，依據《公路技術狀況評定標準》（JTG 5210-2018），可計算路面磨耗指數，反映路面紋理變化不均勻情況。

組圖：路表紋理深度測試設備

6 路面結構強度檢測技術

路面彎沉是表征路面結構整體強度的重要指標。其定義為路面在車輛荷載作用下發生垂直下沉變形的位移量。在道路檢測中，根據豎向變形的可恢復性，可分為表征回彈變形的回彈彎沉和包含塑性變形在內的總彎沉兩大類。根據檢測中施加荷載方式的不同，分為利用貝克曼梁和自動彎沉儀等靜力加載方式測得的靜態彎沉；利用落錘式彎沉儀、穩態動力彎沉儀和激光彎沉儀等動態加載方式測得的動態彎沉。

路面彎沉檢測及分析技術隨著機械、電子、計算機和激光技術的發展而不斷進步，完成了從初級人工測試、機械自動化測試到高速激光測試方式的演變。

靜態彎沉測試

貝克曼梁彎沉儀利用杠桿原理進行人工測試，為最早期的測試方法。其測量結果為單點靜態回彈彎沉，測試技術簡便、易于普及，但是檢測精度受人為和環境因素影響大、工作效率低。

貝克曼梁彎沉儀

自動彎沉儀在貝克曼梁工作原理基礎上自動化演變發展起來，能夠連續測定，自動記錄總彎沉值和彎沉盆曲線，測試速度為每小時3公里至5公里。雖然其測量速度和精度都有明顯提高，但無法克服梁式彎沉儀的固有局限性（參照點變形問題）。代表性設備有法國LCPC的La Croix、美國加州的TD,以及我國開發的設備等。

動態彎沉測試

穩態動力彎沉儀利用動荷發生器對路面施加周期性荷載（通常為固定頻率的正弦波荷載），通過一組傳感器自動采集路表彎沉盆信息。其使用慣性基準點，避免了靜力彎沉測試中基準點變形問題。但存在明顯缺點：①靜力預載較大，影響路面應力狀態；②動力荷載較小，不能完全反映實際行車情況。代表性設備有動力彎沉儀(Dynaflect)、道路評定儀(Road Rater)，以及振動儀(16-Kips Vibrator)等。

自動彎沉儀

穩態動力彎沉儀

落錘彎沉儀

落錘式彎沉儀（FWD：Falling Weight Deflectometer）于20世紀70年代末研制成功，目前廣泛用于道路結構性能評價。FWD工作原理為由液壓系統提升并釋放重錘，承載板對路面施加脈沖荷載，由相應傳感器測定動態彎沉峰值和彎沉盆數據，基于彎沉盆數據反演路面結構層模量。其中,施加荷載大小由錘重和落高控制。FWD包括牽引式和內置式兩種類型，代表性設備有丹麥的Dynatest和Carl Bro，以及瑞典的KUAB等。其可以較好地模擬實際行車荷載作用（相當于行車速度為每小時60公里至80公里）；參照系比較穩定，靜力預載較小；測試精度及自動化程度較高。但由于測試中需要定點停車，使其在高速交通下測試具有一定局限性。

激光式高速路面彎沉測定儀是目前最先進的彎沉測試裝置。它在高速行駛中利用激光多普勒(Laser-Doppler)技術測試地面在荷載作用下的垂直下沉速度，并實時記錄修正多普勒激光傳感器的振動情況和運行姿態。計算得到路面實際彎沉變化速度，進一步得出最大彎沉及彎沉盆數據。代表性設備為丹麥GreenWood公司的HSD、美國FHWA的RWD及國內研制的激光式高速路面彎沉測定儀。目前，我國自主知識產權的激光式高速路面彎沉測定儀可以以正常行車速度(每小時30公里至90公里)在高速公路上測試，不影響交通、安全性較好，測試效率高，適用于大規模路網的快速檢測需求。

高速激光彎沉檢測系統