基于機器視覺的公路路面壓實度檢測方法

周華榮

（甘孜藏族自治州交通運行監(jiān)測中心，四川 甘孜 626000）

0 引言

道路質(zhì)量直接影響行車的安全和舒適，并關(guān)系到運營期間的維護保養(yǎng)工作，在公路建設(shè)過程中，壓實的好壞直接影響公路的耐久性、穩(wěn)定性和行車舒適性。路面壓實不充分會導(dǎo)致路面開裂、滲水和車轍等病害，因此，控制路面壓實度非常重要。目前，我國公路路面的壓實工作仍以傳統(tǒng)的人工方式為主，無法實時、精確地掌握壓實過程中的壓實質(zhì)量，容易出現(xiàn)漏壓、超壓、欠壓等不良壓實狀態(tài)。

王鵬[1]使用靜載試驗測定高速公路土質(zhì)路基壓實度，該方法通過測量土體的變形量和壓力值，計算出土體的承載力和變形模量等參數(shù)，這些參數(shù)可用于評價土質(zhì)路基的壓實程度和承載能力。本文提出基于機器視覺的公路路面壓實度檢測方法，與王鵬[1]的方法進行對比，從而驗證該方法的有效性與可行性。

1 基于機器視覺的公路路面壓實度檢測方法設(shè)計

1.1 基于機器視覺的布置檢測設(shè)備

機器視覺是一種利用圖像處理技術(shù)獲得圖像中的特性信息，識別物體的位置和大小的技術(shù)。傳統(tǒng)的壓實度檢測方法通常需要物理接觸，會對路面造成一定程度的損害，而基于機器視覺的壓實度檢測方法可以在不接觸路面的情況下開展，避免了這一問題。該種方法通過高分辨率相機和合適的光源獲取路面圖像，能夠更精準地分析路面的壓實度，且不會對路面造成損害。此外，機器視覺技術(shù)可以自動、高效地處理和分析路面圖像。通過圖像處理算法，自動提取路面的紋理和顏色信息，計算出壓實度。通過深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，可以實現(xiàn)智能化分析，進一步提高壓實度檢測的準確性和可靠性[2]。

根據(jù)公路現(xiàn)場的路面布局與測試需求，壓實度的采樣點由一臺CCD攝像機、一個測量樁、一個采樣特征點組成，檢測壓實度的設(shè)備工作參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備參數(shù)

針對待測公路段的路面，選用全反射式金屬標度板，以700×1155×0.4mm銅片、450×5440×0.4mm鋁板為例，通過測量這些金屬板的高程與角點，定位路面中的金屬片，并將其固定在路面下部。其次，設(shè)置一個對比鉆孔，選取公路中一段典型地段，鉆孔深度為80mm，連續(xù)取樣，分析相關(guān)參數(shù)，采用鉆孔校準方法測量各土層的介電常數(shù)和電磁波波速，觀測這些數(shù)據(jù)在路面基層中的異常特性[3]，更好地理解路面壓實度的變化情況。

在使用攝像機前需要參數(shù)標定，通過CCD攝像機采集施工現(xiàn)場壓實圖像，并對3層共36個測量樁的圖像坐標開展三維“十”型的擬合[4]。檢測點的選擇是否正確直接影響到氣壓實力的測量結(jié)果，同時，檢測點過小位置不客觀，沒有代表性，很難體現(xiàn)實際狀況，而檢測點過多則會浪費時間并降低工作效率。在此基礎(chǔ)上，提出采樣路面特征點中心的圖像坐標，以及經(jīng)過圓形采樣標志特征點圖像后的橢圓大零點五軸齒輪和橢圓短零點五軸齒的輪像素尺寸參數(shù)。通過對比“十”字圖像的實際大小、圖像大小及取樣測量點的實際大小、圖像大小等信息，計算出從取樣的測量點到測量樁所選的參照點的豎直距離，通過與上一次的豎直距離相比較，得出公路路面這一次壓實工作產(chǎn)生的沉降量[5]。

1.2 壓實度質(zhì)量檢測指標選取

公路路面通常以瀝青作為主要材料，對路面結(jié)構(gòu)的耐久性具有較高要求。在公路路面的壓實施工過程中，振動輪會將自身的重量及激力通傳給路面，造成路面塑性形變，使路面壓實系數(shù)不斷增加，達到設(shè)計要求。同時，由于振動壓路機的壓實程度和路面剛度的增加，路面對振動輪的反力也隨之增加，路面的振動頻率增加，導(dǎo)致在振動時輪軸中心處的振動加速度響應(yīng)信號發(fā)生改變。

在檢測設(shè)備布置完成后，公路壓實度的質(zhì)量檢測指標包括壓實測量值、壓實控制值、總諧波畸變值、諧振儀值等，通過分析振動輪軸心處的振動加速度頻譜圖，可以觀察到基波、半倍基頻諧波、高倍基頻諧波、二次諧波對應(yīng)的幅值。利用二次諧波的幅值與基波計算壓實測量值，公式如下：

壓實控制值的計算使用高倍基頻諧波幅值、半倍基頻諧波幅值，公式如下:

總諧波畸變值的計算使用高次諧波幅值，公式如下：

壓路機在碾壓過程中要經(jīng)歷起振、平穩(wěn)壓實和停止3個階段。實際測試的振動信號具有不穩(wěn)定的特性，在分析時應(yīng)該選擇平穩(wěn)壓實階段的振動信號。在每次壓實過程中，平穩(wěn)壓實階段的時間大約為3分鐘。為了使振動碼元與局部碾軋區(qū)域保持一致，將具有不同圈數(shù)的振動碼元劃分成時間長度為兩秒的短消息編號，相應(yīng)的壓路機輾壓長度在1m左右。在眾多的壓實度質(zhì)量檢測指標中，壓實測量值因具有清晰的諧波信號、易于提取且計算簡單等優(yōu)點而被廣泛使用。

1.3 公路路面壓實度計算

將機器視覺方法應(yīng)用于壓實度的檢測，可以實現(xiàn)工作人員對路基壓實度的在線監(jiān)測，從而實時監(jiān)測壓實狀態(tài)，并有效控制壓實質(zhì)量，確保在最低的碾壓次數(shù)下，路基的壓實程度能夠得到最大程度的滿足，同時還可以防止壓實不足或過度壓實等問題。此外，通過增設(shè)檢測點，可同時測量不平度及搭接寬度這兩項工作的質(zhì)量指標，這是其他方法所不能比擬的。

結(jié)合機器視覺技術(shù)和上述章節(jié)中收集到的路面沉降量與壓實測量值，可推導(dǎo)出該公路路面的壓實度，公式如下:

式(4)中:λ為經(jīng)過一次壓實后產(chǎn)生的沉降量;h為壓實作業(yè)前的公路鋪層厚度:r為壓實作業(yè)前的鋪層的壓實度;k為經(jīng)過一次壓實后的壓實度。

在實際施工中，振動壓路機的壓實次數(shù)越多，壓實效果越好。在滿足一定壓實條件下，單純提高壓實次數(shù)對壓實的影響不大。但過多的碾壓次數(shù)可能導(dǎo)致波浪、路面過壓、粗集料破碎等問題，而壓實次數(shù)過少則可能導(dǎo)致壓實效果不佳，運營過程中可能出現(xiàn)開裂、車轍和水損壞等路面損壞。

2 實驗測試與分析

2.1 實驗準備

以A省省道的高速公路為研究對象，以一處路面施工工程為測試環(huán)境，在立匝道上鋪設(shè)SJI17級面層，起始樁號k45+1557，終點樁號k46+546，全長為4.95km。在施工過程中，使用往復(fù)連續(xù)的振動碾壓方法，共實施8個來回（單趟16次）。為了盡量消除其他壓路機對振動信號與攝像機收集圖像的影響，選擇一條單行道施工，確保施工過程中沒有其他壓路機干擾，實驗路段分為兩個階段。由于壓路機在起振和止振過程中產(chǎn)生的振動信號不穩(wěn)定，需要剔除這兩個階段的壓碎段。經(jīng)過篩選，得到有效碾壓長度為45m和58m，共計103m的數(shù)據(jù)。然而，由于車流量大、場地條件復(fù)雜等原因，攝像機的有效信號受到了較強的干擾，加上物探技術(shù)本身的多解性，出現(xiàn)誤判是客觀常態(tài)。測試采用單鋼輪振動輾壓機，其工作參數(shù)如表2所示。

表2 壓路機工作參數(shù)

在壓實度測試前，需要在該段路面安裝設(shè)備，同時還需要設(shè)定該路段的壓實次數(shù)以達到所需的壓實度。公路壓實遍數(shù)所得到的壓實度結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同壓實遍數(shù)的公路路面壓實度

根據(jù)上述歷史數(shù)據(jù)，可以得出在不同壓實遍數(shù)下的壓實度，當(dāng)壓實遍數(shù)為7時，路面的壓實度達到了99.9%，選擇圖中與7次壓實遍數(shù)對應(yīng)的壓實度作為實驗設(shè)定數(shù)值。

2.2 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述實驗準備開展測試，將本文方法與王鵬[1]的方法進行對比，驗證本文基于機器視覺的公路路面壓實度檢測方法的可行性，對比結(jié)果如表3所示。

表3 測試結(jié)果對比

根據(jù)上述對比結(jié)果可以看出，本文方法相較于王鵬[1]的方法更符合實驗設(shè)定數(shù)值，表明基于機器視覺的公路路面壓實度檢測方法能夠準確地測量路面的壓實度，與傳統(tǒng)檢測方法相比具有更高的可靠性。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種基于機器視覺的公路路面壓實度檢測方法。這種方法通過圖像采集、圖像處理和壓實度計算3個步驟，實現(xiàn)了對公路路面的準確檢測。實驗結(jié)果表明，該方法具有較高的準確性和可靠性，可以有效地檢測公路路面的壓實度。同時，該方法還可以實現(xiàn)非接觸式檢測，提高檢測效率，降低檢測成本?？傊?，基于機器視覺的公路路面壓實度檢測方法具有廣泛的應(yīng)用前景，可以為公路路面的建設(shè)和維護提供重要的技術(shù)支持。未來研究方向應(yīng)當(dāng)集中在優(yōu)化圖像處理算法、提高檢測速度、降低檢測成本等方面。