国内外路面快速检测技术的现状与发展

国内外路面快速检测技术的现状与发展
胡霞光
（河南省交通科学技术研究院，河南郑州 450006）
摘要：对国内外路面快速检测技术及检测数据处理技术的现状及发展动态进行了介绍与评述，并对国内公路工程检测技术存在的问题提出了建议。

关键词：路面快速检测；现状；发展
在公路较发达的国家，如美国、欧洲和日本，路面快速检测技术发展很快，达到了较高的水平。

在路面平整度检测、破损检测、车辙、承载力检测、抗滑能力的检测等方面均实现了自动化，并研制了相应的自动化检测设备，有的检测设备还具有较为完善的数据处理功能。

目前，我国公路路面检测技术的规范和行业标准大多数是建立在现有或以往检测工作的基础上，有些甚至由于检测技术的不完善而空缺。

落后的检测技术和行业标准制约了国内路面快速检测技术的发展和实施。

发达国家的路面检测技术各有重点和特色，下面就公路工程中常用的几个检测项目的检测技术进行评述，并提出检测技术发展方向以及我国发展检测技术的对策。

1 平整度检测技术
平整度检测贯穿于路面施工质量检测、评定、验收及运营期路面质量检测等环节，其检测设备、原理和方法多种多样，检测结果因检测设备不同而有较大差异。

美国、澳大利亚等
国的平整度检测技术处于领先水平。

美国有多家公司研发和生产路面平整度检测仪，其中包括ICC公司生产的惯性激光断面仪和手推式断面仪；FACE公司生产的DIPSTICK(步进式断面仪)和手推式断面仪，及South Dakota DOT生产的惯性激光断面仪等(澳大利亚ARRB生产的手推式断面仪和惯性激光断面仪在国际上也有一定的市场)。

平整度检测技术到20世纪70年代的后期才有较大的突破。

20世纪80年代韧，世界银行在巴西进行了大规模的平整度检测技术对比实验，并确立国际平整度指数(IRI—Interna tional Roughness Index)为平整度评价的标准指标，这在理论及应用上统一了平整度检测的客观尺度。

国际平整度指数建立于四分之一车辆模型的基础之上，其计算方法和理论依据长久以来一直是平整度检测技术领域重要研究内容之一。

目前平整度检测技术的研究大多以应用为主，其中包括检测仪器之间的相关性及新的检测手段。

我国平整度检测技术的研究相对落后，由于公路建设的需要，在“七五”期间，由交通部公路研究所和西安公路研究所等单位先后分别研制了颠簸累积仪和八轮仪等平整度检测装置，目前已在中国市场上有了一定的应用。

在过去的十年中，有过一些应用和理论的研究，如我国规范规定了几种用于不同工程阶段、不同结构层次的平整度检测设备和相应的检测、评定方法，但总的来说在技术方面突破不大。

近年平整度检定规程研究，并已初步完成。

对于平整度的检测手段，应分别对手推式断面检测类、惯性激光断面检测类及车载响应式检测类三种检测方法，深入研究其检测原理、适用范围、操作特点等。

在新产品的研发方面，应对手推式断面检测仪和惯性激光断面检测仪进行研发，生产产品样机，并逐步实现产业化。

平整度检测技术主要在于传感器选型、二次积分器设计及软件开发。

技术关键是应用数据处理技术对加速度传感器引入的误差及二次积分后引起的静态漂移进行处理，使其误差最小，其工作难度体现在数据处理软件编程和系统调试。

2 路面破损检测技术
路面破损快速检测技术主要是应用照像及摄像技术对路面的破损状况进行动态、实时获取，然后采用图像处理技术对获得的路面图像进行处理，定量分析路面破损状况，如裂缝等。

但由于图像处理技术在处理路面破损图像时尚无法完全得出可靠的分析，在评价路面破损状况时，技术人员常用人工阅读的方式对路面图像进行评价，产生定量或定性的指标。

美国在路面图像处理技术方面已有一定进展，使图像处理的可靠性和速度有较大的提高。

目前研究主要集中在硬件检测系统、软件图像处理技术及软件系统的实用性和指标评价。

我国在这方面的研究基本上是空白，近年来有些单位已开始了研究，如郑州大学等。

目前国内采用的技术仍然是人工目测配合简单测量工具等调查手段，调查数据粗糙、误差较大，人为因素较多，更主要的是效率低、工作人员的人身安全受到威胁。

还有一种方法即上述图像人工阅读方法，工作量大、效率低，数据处理也较为困难，并容易使人疲劳，发生错判漏判。

因此，急需在技术上突破，研发我国快速、可靠的路面破损检测技术。

路面破损检测的研究开发重点是开发车载式自动破损检测系统，包括路面图像摄影、录像系统及其配套的检测装置和系统软件。

破损检测系统原理如图l所示。

路面破损检测系统的零部件在国际市场上均有供应，系统开发的关键是设备选型及系统设计和安装。

在信息采集与处理的软件方面，目前的图像处理技术已较为成熟，可根据我国国情，开发完整的数据采集系统等专用软件。

另外，尚需建立一套符合我国实际且简便实用的路面破损评价方法指标体系，用以统一路面破损评价。

3 路面车辙检测技术
路面车辙检测技术在国际上已发展到较为完善的程度，主要采用非接触式距离传感器自动快速检测出检测横梁与左、右车辙的高差及与行驶中心线的距离，然后据此计算出车辙相对深度。

目前，美国ICC公司、South Dakota DoT、澳大利亚ARRB等均能生产快速可靠的车载式车辙自动检测仪。

这类仪器可进行高速、连续的检测，具有可靠性高、操作安全、不影响车辆的正常通行等优点，在国外已得到广泛应用。

我国在路面车辙检测方面仍停留在人工检测阶段，研究工作开展很少。

对车辙的检测局限于对典型断面的检测，而典型断面的选取随意性大，受主观因素影响多，致使评价方法不准确、不科学，并且这种检测手段落后、速度慢、危险性大。

目前急需研制出具有我国自主知识产权的高速检测产品。

路面车辙快速检测技术的关键之一是选择合适的距离传感器，传感器选型要考虑传感器的质量(精度、分辨率、动态响应、环境要求等)及成本价格。

目前可选择的有光学传感器(包
括激光和红外传感器)及超声波传感器，每种传感器均有一定的适用范围，未来的研究将根据不同需求研究选用合适的传感器，以期达到更好的应用效果和更高的经济性，如激光传感器要求路面不具有较强的阳光照射度，而红外传感器对色彩较敏感，超声波传感器则对汽车产生的噪音较敏感。

同时各种传感器的价格也大不一样。

一般激光传感器的价格昂贵，但性能相对较好。

路面车辙快速检测研究的另外一个关键是系统的现场校准，使检测仪器各项指标满足设计要求，主要包括检测精度、动态重复性、与标准结果的相关性等，标准结果的检测可采用精密水准仪获取。

4 路面承载能力检测
路面承载能力的检测是得出路面的弯沉及弯沉盆。

可分为静态检测及动态检测。

目前在理论和应用研究上以动态检测技术为主流，研究的重点为检测手段、软件研发、评价技术及应用理论。

典型的检测方法为早期美国K．J．Law公司的落锤式弯沉仪(FWD)及现今丹麦Dy natest公司的FWD(K．J．Law现已被Dynatest收购)。

目前，在检测设备方面，国外正在研究滚动式弯沉仪(RDD—Rolling Dynamic Deflectometer)，但开发的技术难度较大，至今尚未见到成熟的产品面世。

我国目前普通使用的静态贝克曼梁检测方法，效率较低，且无法与国际上通用的应用软件及路面材料特性计算方法相匹配。

虽然已陆续进口了一些FWD，但在应用上受到局限(主要是检测规范的限制)，需要开展研究，以确定FwD在我国路面评价及计算方法上的实用性及指标体系。

欲使FWD能真正应用于路面承载能力检测，其指标体系和评价方法非常重要，而我国目前的研究仍未有实质性进展，国际上这方面也不够完善，因此需要针对具体国情，验证其检测性能，并将实测数据用于指标体系和评价方法的研究，建立和完善我国路面承载能力检测技术规范及检定规程，利用国内已进口的FWD，进行大量实测，积累数据，建立相关行业标准。

5 路面抗滑能力检测
抗滑能力主要是指路面摩擦系数。

在检测方法上主要有早期英国的摆式摩擦仪(静态、单点检测)和现今制动测距(动态、连续检测)的方法。

在研究方面目前集中在检测手段(主要是动态连续式)的可靠性、应用指标及指标体系的研究。

动态连续式检测己成为当今国际上的主流，但在制造上有较大的难度。

同时检测时，由于要对检测轮进行完全制动，其检测费用较高。

国际上检测手段较发达的国家有瑞典和美国等。

另一种新的检测方法是测定检测车全刹车时的最大减速度，一些研究成果表明，此最大减速度与路面摩擦系数有较好的相关性。

近几年国际上有一些研究采用高分辨率的激光距离传感器检测路面的微观特征，并研究其综合定量指标与路面摩擦系数的相关性。

若这一种新的方法得以认可，路面摩擦系数的快速检测将变得更有效和低价。

我国目前采用的主要检测手段仍为摆式摩擦仪。

由于是静态单点抽样检测，其效率和可靠性无法满足公路管理的需要。

今后需开展此方面的检测技术的研究，重点应集中在采用何种技术以实现快速连续的检测。

另外，我国养护规范对沥青路面的抗滑性能提出了摆值、构造深度、横向力系数等几种评价指标，但对于这些指标之间的相互关系缺乏系统的分析，因此，还需进行指标评价体系的研究，通过现场试验，获得大量数据，完善检测规范，建立新的指标体系和评价方法。

6 路面检测数据处理技术
沥青路面快速检测的数据处理技术国内外均有一定的研究，国外已经有了较为成熟的商品软件，能够从检测设备中直接获得有效数据，而国内的数据处理技术相对滞后。

1998年，美国维路公司与Arkansas大学交通研究所共同推出的路面快速检测系统，采用了激光平整度仪、数字录像、GIS、GPS、高速计算机网络等多种先进技术，同时采集路面数据，并对所采集的信息及时形成公路数据库，通过数据库的查询，能够获得任意路段的公路数据及其动态图像。

日本开发的道路破损检测车，采用了MO与录像带，在计算机上分析横断面形状和平整度数据，但这种方法仍然是基于人工操作，自动化程度不高，效率也低。

国内也进行了相关研究，1995年，干敏梁等在智能化路面弯沉测试仪的设计中，采用了3位双积分型ADC芯片MC—14433，获得了较高的检测精度和较强的抗干扰能力；在软件系统方面，将6kB的系统数据处理系统软件固化于一片2764EPROM中，并进行了简单的软件优化，使系统具有一定的抗干扰能力，提高了仪器的可靠性。

系统基本可完成数据的自动采集及简单处理。

1998年李舜酩等在车辆振动信号的检测中应用了小波分析技术，为分析车辆运行状态和舒适性提供了更新、更可靠的手段。

用小波分析技术对车辆振动信号进行分解，可以把路面激励信号分离出来，以便对车体振动和路面激励分别进行分析，这对于研究路面激励(与路面不平度有直接关系)有很大的启发。

目前国内检测数据的采集与存储等很少电子化，要靠人工输入完成，致使许多数据不能及时被处理：可见，数据的处理技术已成为我国公路管理信息化的瓶颈，与发达国家相比还有相当大的差距。

检测数据处理技术尚须从三个方面进行研究，即：检测数据的自动采集技术、数据的降噪技术、数据的存储技术；并研究检测数据与专家系统的兼容性问题。

1)检测数据的自动采集技术
路面状况数据是制定道路养护方案的直接依据，也是路面养护专家系统决策的依据：同时有效和实用的数据处理方式，也将使快速检测易于实用和普及。

数据信息的采集依赖于高效、快速、自动化的检测设备。

未来的研究将应用计算机软硬件技术，实现计算机与检测设备之间的数据通讯，应用地理信息系统(GIS)技术进行快速检测的数据自动处理。

为了更直观地了解公路网络的路面质量状况，需要建立公路GIS，实现检测数据至GIS的直接导入，从GIS中获得道路基本信息，实现基本检测信息的自动读取。

2)数据的降噪技术
无论仪器设备如何先进，在大量采集数据时，都不可避免地会受到自然的和人为的各种因素干扰，产生噪声数据的问题导致数据失真，为了避免或减少噪声数据对路面养护决策产生影响，需要采用现代信号处理方法处理采集到的数据。

从受扰动观测信号中去除噪声，不仅与干扰的特性和信号形式有关，也与信号的处理方式有关，在检测数据处理中，针对不同特性的信号和干扰寻找最佳的降噪处理方法一直是比较重要的问题，解决不好，将严重影响数据的可用性。

这就需要对采集到的数据进行分析，获得信号与噪声特征，应用现代时频信号处理技术，建立合适的数据模型，选择恰当的滤波算法(如随机信号处理、现代谱估计滤波、自适应滤波、高阶统计分析、小波变换等)，从而剔除噪声数据，提取有用信号。

并开发标准的数据处理软件，采用简单的操作界面，使数据处理过程简单、易懂，同时又具备完整的数据处理和分析功能。

3)数据的存储技术
沥青路面检测数据是重要的资料，是进行路面养护决策的重要依据，有效地保存路面检测数据，将有利于路面管理。

因此，很有必要研究数据的存储技术，由于快速检测获得的数据是连续的、大量的，今后的研究方向应该以数据库技术为基础研究快速检测数据的存储技术，从数据的标准化、关系型数据库的构建、网络数据库服务器的建立等三个方面研究数据的存储技术。

同时，将GIS技术与数据库相结合，使检测得到的路面质量指标数据能在以G IS为平台的数据库中存储，并成为标准的数据库格式，使公路网路段路面质量得到直观反映。

4)检测数据与专家系统的兼容性
获得检测数据的目的是能使专家系统根据数据确定恰当的养护措施，这便要求存放检测数据的数据库与专家系统之间实现通讯，即需要研究数据库与专家系统的兼容性问题。

7 发展我国路面工程检测技术的建议
1)总体上看，我国路面的快速检测技术相对落后，与我国大力发展公路建设的需求不相符合，在一定程度上会影响公路建设的进程。

由于技术手段落后，工作效率低，检测和养护耗时较长，不得不长时间封闭交通，导致降低了道路的通行能力，增加了公路运输成本，不仅带来巨大的经济损失，而且造成了不良的社会影响。

同时，由于在检测、养护时存在大量人工作业，作业过程中时有交通事故发生，给人民的生命财产带来了不必要的损失。

随着我国公路养护管理工作的日益繁重和社会对道路交通服务质量要求的提高，对路面检测与养护技术提出了更高的要求。

传统的检测养护技术已无法满足社会对检测、养护的要求，快速检测与养护技术的需求日益迫切。

2)研究方面，我国从“七五”计划开始，已陆续开展了一些路面检测技术的研究和产品的研发，基本已覆盖了各种主要的检测技术，形成了一定的基础。

研究力量包括东南大学、长安大学、郑州大学、交通部重庆公路研究所和交通部科学研究院等单位，加上这几年从国外进口各种快速检测仪器的应用，对先进技术已有了一定的了解，并形成了迫切研究与开发愿望。

在车辙检测方面，大多采用人工横杆检测的方法；在路面承载力检测方面，大多采用静态贝克曼梁检测的方法；在抗滑能力检测方面，大多采用人工摆式摩擦仪检测的方法。

所有这些检测技术和手段都相对落后，检测费时费力，数据记录和处理功能低下，为及时掌握沥青路面的使用性能带来各种不便，致使出现病害的路面不能得到及时养护。

3)近年来，我国一些公路部门出于对公路检测与养护工作的需要，陆续从国外进口了一些较先进的路面检测仪器和养护设备，引进了一些养护技术，但在应用上受到以下限制：①进口仪器设备价格昂责，难以推广；②国内缺少与之相适应的技术标准；③进口仪器设备培训和操作有一定的难度；④进口仪器在维修、保养、标定等方面要依赖国外的制造厂家，受制于人；⑤引进养护技术时，不仅要引进相应的施工设备，往往还会以技术保密、保证施工质量为由，强行推销施工材料，价格昂责，新技术难以大规模推广。

因此就国内目前情况看，尽快组织力量，投入资金，并在国内外已有成果基础上，从高速公路快速检测设备、技术以及养护新材料、新方法、新工艺等方面，深入系统地开展沥青路面快速检测与养护技术的研究，发展我国自主知识产权的路面快速检测技术，提升我国路面检测技术的规范和行业标准，促进我国路面检测技术的发展、应用及实施，对于全面提高我国公路的管养水平，进而全面提高我国公路工程质量，具有重要意义。