車載輕量化公路病害自動檢測系統方案研究

摘要：針對目前我國公路日常巡檢工作中效率低、安全性差和成本高等問題，文章提出了由終端多傳感器融合控制、云端智能算法與管理平臺構成的車載輕量化公路病害自動檢測系統，實現對公路路面病害及交安設施損壞高效、安全的自動檢測，為公路精細化管養提供新思路和新方案。

關鍵詞：公路病害檢測；自動檢測系統；病害識別；輕量化

中圖分類號：U412.6

0 引言

公路交通是覆蓋范圍最廣、服務人口最多、使用最廣泛的交通運輸方式。截至2021年底，中國公路總里程已達528.07×104 km，其中養護里程525.16×104 km，占公路總里程的99.4%［1］。同時，機動車保有量已達3.95億輛，公路負荷日益增大，出現病害的頻率增加，不但影響出行舒適感，甚至會造成生命財產損害，嚴重制約城市的高效運行和發展［2］。因此，能夠快速、準確地檢測出路面病害及交通安全設施損壞信息，是提升公路養護與管理的重要舉措。

目前，公路病害巡檢主要有如下3種方式：

（1）人工巡檢。巡檢人員手動測量，記錄發現的病害。優點在于發現病害及時［3］；缺點在于耗時低效，錯漏多，勞動強度大，成本高昂，路況復雜，危險系數高，各巡檢人員水平不一，評判依據有差異等。

（2）自動巡檢車。巡檢車輛搭載多臺攝像機實時獲取路面圖像后，通過服務器部署的檢測算法來識別公路病害事件［4-5］。優勢在于檢測速度快，費用低；缺點在于難以做到實時檢測，車載服務器設備體積較大。

（3）機器人巡檢。通過工控機綜合控制管理電氣、運動、通信和定位子系統，硬件設備都集成在機器人機身中［6］。優點在于檢測速度較快，功能齊全；缺點在于設備費用高，無法在運營的高速公路上工作。

為了進一步提升公路病害檢測的自動化、智能化水平，結合自動巡檢車和機器人巡檢的優勢，本文提出了車載高清攝像機、GNSS定位裝置、外掛式里程裝置和補光照明裝置等輕量化設備的自動病害檢測方案，設備架構簡單，并且可在指定公路檢測區域開展全覆蓋的自主檢測作業，全面、快速、高效地采集公路路面及交安設施數據，檢測速度可達80 km/h。智能算法能夠識別公路病害的種類豐富，并且速度快、準確率高，巡檢云平臺實現巡檢結果可視化、巡檢管理流程化，有助于巡檢養護工作提高效率，降低成本。

1 系統總體架構

車載輕量化公路病害自動檢測系統旨在針對公路病害而設計能夠自主完成病害數據采集、存儲、處理和分析的一套檢測設備，其總體架構如圖1所示，主要以終端多傳感器融合控制、云端智能算法與管理平臺構成。

終端部分主要是實現數據信息采集功能。里程裝置獲取巡檢車輛行駛距離信息，每隔5 m向一體化主控機發送觸發信號，從而控制高清攝像機拍攝路面及路側交安設施圖像，結合GNSS定位裝置的經緯度信息和公路樁號對病害位置進行定位。一體化主控機綜合管理控制各子系統設備，并將采集的原始圖像、經緯度和車輛行駛距離信息等打包、處理，而后通過4G/5G模塊將其上傳至云端服務器。

云端部分主要是實現數據處理、分析及展示功能。公路病害識別算法部署于云服務器中，以提升檢測速度，完成公路路面病害及交安設施損壞的自動檢測。同時引入云平臺，對數據信息統一管理，使得巡檢結果輸出更為清晰、美觀，為養護決策者提供直觀依據。

2 方案設計

車載輕量化公路病害自動檢測系統方案可劃分成硬件系統和軟件算法及平臺兩部分設計。

2.1 硬件系統設計

車載輕量化公路病害自動檢測系統采用模塊化的設計理念，可以快速安裝部署在普通車輛上，當巡檢車輛年限期滿時，也可以將所有系統拆下安裝在其他車上，同時，當功能需求增加時，可直接添加外設模塊快速實現［7-8］。其主要由高清攝像機、GNSS衛星定位裝置、外掛式里程裝置、補光照明裝置、一體化主控機和4G/5G模塊組成，該電子設備分布如圖2所示。

高清攝像機：共4臺，朝向車頭的3臺攝像機用于采集周圍公路路面、交通標志牌及交安設施（如：波形板護欄、警示樁和輪廓標等）圖像，朝向車尾的攝像機用于防止漏拍和冗余備份，皆通過以太網與一體化主控機通信。其參數指標需滿足像素＞300萬、頻率＞25 fps、IP65防護等級，能夠識別和確認裂縫寬度達5 mm。

GNSS衛星定位裝置：用于獲取當前巡檢車輛的經緯度信息，通過RS485串口與一體化主控機通信。其參數指標需滿足20 Hz數據更新率、單點定位水平誤差＜3 m、IP65防護等級。

外掛式里程裝置：用于獲取巡檢車輛行駛里程信息，同時針對衛星信號易受隧道、山林等高大物體遮擋，造成衛星失鎖而影響定位精度的問題。其可以輔助GNSS進行短暫定位，提高系統的可靠性和魯棒性，通過RS485串口與一體化主控機通信。其主體由懸掛式旋轉編碼器組成，使用壓鑄鋁合金及鋼制材料，單圈2 000個脈沖信號、IP66防護等級。

補光照明裝置：用于在隧道段或陰雨天氣輔助照明，提高圖像質量，通過RS485串口與一體化主控機通信。

一體化主控機：由中央控制器、WiFi設備、數據存儲設備、觸控式顯示屏和供電設備組成，用于對各子系統的綜合控制、狀態監控、數據處理與存儲、供電及信息展示。中央控制器采用基于ARM Cortex應用處理器的硬件平臺、VxWorks實時操作系統的軟件處理平臺，能夠滿足系統所需的各項性能要求，并通過對應的接口協議與各個外設模塊通信，實現對各子系統綜合控制與狀態監控功能。該控制系統設計方案較大程度提高了車載公路病害自動檢測系統的實時性、穩定性和易擴展性［9］。將高性能的處理器和實時操作系統相結合，擁有了更強大的數據處理能力，同時保證了其靈活性和高度的實時性；預留部分控制接口，可為后續功能擴展和設備迭代更新時提供更為便利的操作。WiFi設備采用802.11a/b/g/n標準，支持熱點鏈接便攜式顯示裝置，方便巡檢信息展示及下發控制指令操作設備。數據存儲設備主要用作數據備份，采用移動硬盤，支持USB 3.2 Gen1高速接口，向下兼容USB 2.0，2 TB容量。觸控式顯示屏展示巡檢信息及操縱一體化主控機。供電設備以鋰電池、逆變器、整流器等設備集成，兼顧各電子器件用電標準，能夠提供至少200 km巡檢電量、最大輸出功耗≥150 W。

4G/5G模塊：用于將經過一體化主控機處理后的數據高效、安全地上傳至云端服務器。模塊內部安裝SIM卡槽，支持移動、電信和聯通三家運營商。

2.2 軟件算法及平臺設計

云端服務器部署基于深度學習圖像識別技術、支持多源圖像視頻輸入及國產化適配環境的公路病害識別算法，強大的云計算、精準定制化的算法使識別的準確率更高，輸出結果及時、穩定地傳送至公路巡檢云平臺，在該平臺上完成巡檢養護流程化管理［10］。

參照《公路技術狀況評定標準》（JTG5210-2018）相關規定對公路病害訓練樣本做出明確分類、判定和標注［11］。此外，開發基于YOLO-v5目標檢測和HRNet語義分割的算法，并集成在巡檢平臺的病害識別管理模塊中，可對路面病害及交安設施損壞事件進行快速篩查。同時，還能夠對歷史數據價值深入挖掘，即把算法已識別完成的公路病害數據加入樣本池以提高模型的準確率和靈敏度［12］。該套算法能夠識別的公路病害種類豐富，包括裂縫、坑槽、龜裂、輪廓標缺失、交通標志牌遮擋及波形板護欄變形等，如圖3所示為在便攜式顯示裝置上展示公路病害識別的結果。

公路巡檢平臺采用B/S架構開發，面向巡檢與管理人員，管理公路病害檢測與養護全流程的數據。巡檢過程中生成大量數據，如巡檢路段、路段樁號、病害位置等，都與地理位置有關，可結合地理信息系統GIS電子地圖進行展示，并自動生成相關報表，能夠讓管理人員更全面、直觀地了解病害分布和巡檢情況，及時做出相應的養護、管養計劃等。該平臺實現多個業務邏輯功能，包括：巡檢任務管理、巡檢數據管理、病害識別管理、養護管理、數據看板和日志管理等。

3 結語

我國公路建設快速發展，傳統的人工巡檢方式已無法滿足現階段病害檢測需求，自動化、信息化和智能化是大勢所趨。本文提出了公路病害自動檢測系統設備模塊化、輕量化設計，可快速部署安裝，適用性強。通過深度學習算法訓練檢測設備采集的公路路面及交安設施圖像，有效識別裂縫、坑槽、龜裂、輪廓標缺失、交通標志牌遮擋及波形板護欄變形等病害類型。根據業務管理要求，為巡檢管理人員提供公路巡檢云平臺，可全流程化管理巡檢養護工作，查看病害數據。該系統解決了人工日常巡檢工作的痛點問題，從工作效率、成本和質量等方面都得到大幅度提高，促進了公路巡檢養護科學決策，為交通行業提供了一個更為科學經濟的病害檢測方案。

參考文獻

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［10］龐 靜，呂新建，婁勝利.基于人工智能的高速公路病害自動檢測系統［J］.交通世界，2022（16）：26-29.

［11］JTG5210-2018，公路技術狀況評定標準［S］.

［12］常光照.車載輕量化道路智能巡檢系統產品研發及應用［J］.中國公共安全，2020（Z2）：96-100.

收稿日期：2024-03-12

基金項目：2022年度廣西交通運輸行業重點科技項目清單-創新研發項目“基于國產化環境和多源圖像視頻識別的道路智能巡查成套技術研究與應用示范”（編號：2022-ZD4-052）

作者簡介：黃培銘（1996—），碩士，主要從事交通行業相關的軟件研發工作。