數字全息助力精細化預防性養(yǎng)護

隨著路面檢測技術的進步，基于數字全息技術的路面全指標三維檢測系統(tǒng)（以下簡稱“數字全息檢測系統(tǒng)”）有效解決了瀝青路面預防性養(yǎng)護檢測的現存難題。該系統(tǒng)共設計了車轍病害處治輔助設計模塊、平整度恢復輔助設計模塊、構造深度和磨耗情況查看模塊等六大功能模塊，助力瀝青路面預防性養(yǎng)護更加精細化。

許特顯 攝

什么是數字全息檢測系統(tǒng)

Truelion?數字全息三維路面采集車模型

數字全息檢測系統(tǒng)是基于數字全息技術的路面全指標三維檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以搭載在任意車型上，與車輛組裝成車載路面檢測系統(tǒng)，在車輛正常行駛（時速不大于100公里）的狀態(tài)下，可快速完成路面全息三維掃描，并利用所采集數據建設路面三維數據模型。從路面三維數據模型中，可以提取任意一個斷面的路面數據信息，用于計算路面技術狀況指標，包括路面損壞狀況、平整度、車轍、跳車、磨耗、橫縱坡等信息。

不同于傳統(tǒng)的路面自動化檢測手段，數字全息檢測系統(tǒng)僅由一臺集成化的數字全息檢測設備構成。該設備可以把路面的各項指標作為路面整體數據的一部分進行提取和解析，而不是獨立采集處理每項指標。同時，該設備具有輕量化、小型化的優(yōu)點，而且硬件成本經濟，組裝便捷，易于操作。

全息路面狀況指標數據

“全息”顧名思義就是全信息，數字全息檢測系統(tǒng)是采用數字全息技術快速采集連續(xù)不間斷的路面三維信息并建設數據模型。在此基礎上，通過Truelion?數字全息三維數據分析軟件，獲得“全橫斷面”三維車轍、“全縱斷面”平整度、“全面域”構造深度、全類型破損病害（裂縫、修補和變形類等）、橫坡和縱坡數據等路面全息數據。

數字全息技術

數字全息技術是用光電傳感器記錄全信息圖像。主要原理是采用小波變換方法、菲涅耳變換方法、卷積方法和傅立葉變換方法、全息系統(tǒng)三維物場再現等算法和理論，解構數字全息圖，并獲得三維物場的再現像，此后用計算機模擬光學衍射過程，最終實現被記錄物體的全息再現和處理。

從全息數據中，養(yǎng)護工作人員可以提取路面任意斷面、任意位置的指標信息。這些數據不僅可以用于路面宏觀狀況分析，而且可以為養(yǎng)護設計和養(yǎng)護施工提供精細化的數據支撐，數據精度可達到亞毫米級別。

全息路面地圖

全息路面三維數據與高精地圖路線信息、BIM三維場景信息融合，形成了一個完整的三維路面可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)可更直觀地呈現公路路面整體、局部及細節(jié)信息，幫助公路養(yǎng)護人員從三維視角全面掌控路面病害狀況。相關單位也可在線實時管理路段的路況指標，減少養(yǎng)護人員的現場量測風險。

全息指標數據共享

使用數字全息檢測系統(tǒng)采集的數據可以被處理成任何格式，導入各單位現有的公路養(yǎng)護管理平臺，并根據公路養(yǎng)護管理平臺檢測指標的分類（指標模塊和輔助設計模塊），將數據分別導入不同模塊，比如病害智能識別模塊、病害養(yǎng)護輔助設計模塊；平整度指標模塊、平整度輔助設計模塊；車轍指標模塊、車轍輔助設計模塊等適用于路面檢測和養(yǎng)護輔助設計的多功能模塊。

Truelion?全息路面狀況指標數據

Truelion?三維路面地圖和GIS系統(tǒng)結合

Truelion?三維路面數據地圖

Truelion?三維路面地圖和BIM結合，上圖為BIM場景，下圖為對應的BIM場景中兩個車道單獨的三維路面信息。

六大功能助力瀝青路面預防性養(yǎng)護

數字全息檢測系統(tǒng)共設計了8個模塊，即采集模塊、破損模塊、平整度模塊、車轍模塊、構造深度模塊、路面跳車模塊、路面磨耗模塊、橫縱坡模塊(可選)。從這8個模塊中，延伸出了車轍病害處治輔助設計、平整度恢復輔助設計等六大功能，助力瀝青路面預防性養(yǎng)護更加精細化。

車轍病害處治輔助設計功能。該功能可提供路面任意位置的橫斷面信息，用于車轍病害的精準量測、車轍處治方案模擬，并可根據養(yǎng)護方案計算車轍修復的材料用量和成本預算，還可提供模擬施工后的效果圖、車轍指標等。

平整度恢復輔助設計功能。該功能可提供路面任意位置的相對縱斷面高程，用于平整度指標精準計算，并輔助分析導致路面平整度較差的原因，還可提供不同的平整度恢復施工方案仿真模擬，模擬施工后的效果圖和施工后的平整度指標情況等。

路面破損智能識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)是建立在多維度數據集基礎之上的人工智能識別系統(tǒng)。在傳統(tǒng)二維病害數據的基礎上，三維的病害數據增加了二維數據所無法反映出的多種變形類病害，比如路面坑槽、擁包、沉陷等，進一步提高路面病害自動識別的準確率，達到養(yǎng)護設計的需求。

表1 數字全息檢測系統(tǒng)的8個模塊

Truelion?三維路面車轍病害處治輔助設計

Truelion?三維路面車轍病害處治輔助設計效果圖，上圖為三維路面車轍；中圖為模擬銑刨后的路面效果；下圖為病害處治薄層罩面模擬效果。

Truelion?三維路面平整度異常原因分析

Truelion?三維路面平整度恢復-銑刨輔助設計

構造深度和磨耗情況查看功能。該功能可提供路面任意位置的構造深度模擬效果，并可選擇人工鋪砂法或電動輪鋪砂法等數據模型模擬計算路面構造深度。此外，還可根據路面構造深度分布情況，查看分析路段表觀的均勻性、磨耗狀況等信息。例如，在一塊0.1平方米的正方形區(qū)域（無病害）路面實施檢測，并運用人工鋪砂法模型分析三維檢測結果，在路面三維模型中依照模擬鋪砂法計算構造深度，其構造深度為0.8318毫米，可直觀地看到路面構造情況。

路面橫縱坡輔助設計功能。路面橫縱坡數據為養(yǎng)護設計中非常重要的指標，也是目前使用道路自動化檢測設備難于獲取的指標。全車道橫坡信息不同于單車道的橫斷面信息，單車道的橫斷面指標只反映了單一車道橫斷面的相對高程信息。一條完整的公路一般由兩條以上的車道構成，而路面的橫坡信息要求測量的是全車道路面橫向絕對高程信息。該功能可以提供全車道的路面三維數據，基于全車道信息，可測量任意位置的橫坡數值，用于養(yǎng)護設計中橫坡排水順暢性檢驗。此外，該模塊還可提供指定路段任意位置的縱坡線狀分布信息，并以此反映路面的絕對高程分布情況，以及路面跳車狀況，用于養(yǎng)護工程中路面局部碎縱坡優(yōu)化調整的拉坡輔助設計。

路面病害發(fā)展趨勢監(jiān)測功能。該功能是在三維路面病害地圖數據的基礎上，結合歷史檢測數據、歷史路況資料、歷史養(yǎng)護方案、氣候環(huán)境數據和交通荷載數據等進行多源信息融合分析，建立科學的路面數據分析模型，預測路面病害的發(fā)展規(guī)律，為路面預防性養(yǎng)護方案決策和資金分配提供技術支撐。

三維破損病害坑槽和裂縫

三維車轍病害

三維路面裂縫、坑槽數據集

Truelion?三維路面構造深度輔助設計

Truelion?三維路面橫縱坡模型，上圖為某120米路段的三維高程分布圖；中圖為此路段的某橫斷面的橫坡分布線；下圖為此路段的縱坡分布情況。

Truelion?長期病害監(jiān)測數據，長期監(jiān)測一段路得出的病害發(fā)育圖，車轍病害情況逐漸變差，并衍生出裂縫等伴隨病害。

應用過程中的三大優(yōu)勢

成本優(yōu)勢

瀝青路面預防性養(yǎng)護科學決策的前提條件是，準確地檢測與評估路面使用性能狀況。隨著檢測技術的發(fā)展進步，以人工或半自動等低效率方式檢測評估路面性能的模式已逐漸被淘汰，自動化、快速化檢測方法與設備應用越來越廣泛。然而，現有自動化檢測手段的特點是檢測每一項路面性能指標都需要不同的檢測裝備，即便是多功能的道路檢測車也是將多套分立的檢測裝備集成在一輛車上。由于集成設備較多，多功能道路檢測裝備的成本一直居高不下，若全部采用進口技術和裝備，價格更是令人望而卻步。此外，從產品的可靠性角度出發(fā)，集成器件越多，設備整體的可靠性就會越低，元器件出現故障的概率也將增加，這也在無形中增加了維修成本。

而數字全息檢測系統(tǒng)是基于數字全息技術采用一整套設備整體掃描路面，完成數據采集，并建立路面的三維數據模型，進而從三維路面模型中提取養(yǎng)護工作中所需要的路面平整度、車轍、破損狀況、抗滑構造深度、跳車指數、縱橫坡度等各項指標，提高了數據采集的精度和維度，其硬件成本經濟的優(yōu)勢極為突出。

道路數字全息三維檢測車

此外，數字全息檢測系統(tǒng)還可用于路面使用狀況評估，對接現有路面養(yǎng)護管理決策系統(tǒng)。

數據優(yōu)勢

相比現有的道路多功能檢測技術，數字全息技術具有明顯的數據優(yōu)勢，不僅可提取用于路面宏觀狀況評價的指標信息，還可提取用于量測路面任意位置的三維信息。在預防性養(yǎng)護工作中，數字全息檢測技術的數據幾乎涵蓋了工作中所需要的全部信息，可為路面預防性養(yǎng)護設計提供全面、精細化的數據支撐。

更為重要的是，路面的三維模型重現了路面的三維場景，養(yǎng)護工作人員可以從路面真實的三維場景中提取路況指標信息、診斷病害問題和追溯病害成因。例如廣東某高速公路在路面養(yǎng)護前獲取平整度指標分布情況，在全息路面三維圖中，養(yǎng)護工作人員分別選取了路面五個位置的縱斷面高程數據分布信息，分別為車道中線、車道兩側邊緣和左、右車輪跡帶處。從圖中可以看出，每個縱斷面位置的平整度數值并不完全一致，而且在這段路有明顯的平整度異常，從對應路面的全息三維數據可以分析判斷出，異常部位是由車輪跡帶部位的車轍加坑槽等多重病害引起。而這處異常的平整度數值對整段路的平整度水平起到了決定作用，導致整段路平整度指數不合格。

此圖是一張3.75米×1米的車道數字全息三維路面數據展示圖，幾乎包含了路面表面的所有信息，比如平整度指標、車轍指標、三維的破損病害、構造深度、跳車指標，以及縱坡和橫坡指標等信息。

廣東某高速公路三維路面多縱斷面數據信息展示圖

此外，基于道路數字全息數據分析得出的指標，不僅包含了現行公路路面技術狀況評價標準中所要求的幾項指標，還可以從中分析更為詳細的精細化指標，例如構造深度。路面構造深度是現有自動化檢測技術裝備無法精確提供的一項指標，但在全息數據中可以提煉出路面任意樁號位置、任意面積范圍的構造深度數據，進而分析路面的磨耗情況和路面抗滑性能。

輔助設計優(yōu)勢

對路面養(yǎng)護工作人員來說，不僅需要從數據源中及時發(fā)現病害、診斷病害、追溯病害，還需要依據數據指導養(yǎng)護工程的輔助設計，例如輔助設計的仿真模擬。在全息數據的基礎上，可以模擬養(yǎng)護工程的方案、施工前后效果，以及計算實施養(yǎng)護工程后的路面狀況指標。

基于數字全息三維數據的構造深度模型

基于數字全息三維數據銑刨某段路后的養(yǎng)護工程效果圖

此外，瀝青路面預防性養(yǎng)護工程大多采用薄（超薄）層罩面施工，但當路面存在車轍變形、不平整或縱橫坡度不平順等現象時，養(yǎng)護工作人員很難精確地計算出養(yǎng)護罩面所需的工程數量，往往造成薄層罩面實際工程量與設計工程量出現較大的偏差，給養(yǎng)護施工單位投標帶來潛在風險。而數字全息檢測系統(tǒng)可以精確計算預防性養(yǎng)護薄層罩面工程量，避免此類問題發(fā)生。