地理信息系统在道路病害检测中的应用

侯海涛 谢辉 程棋锋 吴晚霞 刘斐 岳祺宇 胡冬平

摘 要：本文设计了一类用于道路病害检测的地理信息系统。该系统可精准定位显性病害和隐性病害，通过对显性病害和隐性病害的融合分析，判断道路损坏的原因，根据不同道路损坏机理采取最优处置方法，降低养护成本，减少占道施工的区域及时间。最后，在实际的道路病害检测中，使用该系统进行实地调查，证明了该系统的高可用性，以实地取芯验证了系统对隐性病害判断的准确性。

关键词：地理信息系统;显性病害;隐性病害

0 引言

随着经济的快速发展，交通运输需求日益增加，公路作为交通运输的重要载体，承担着重要的陆运任务。据报道，截至2020年，中国公路总里程已经达到501.25万公里。庞大的公路网络需要大量的日常养护工作以保证道路畅通。传统的公路养护中，主要通过人工拍照进行巡查，对发生病害的道路段进行标注记录[1]，根据病害类型及损坏程度有计划的进行针对性修复。人工巡查费时费力，难以对病害逐一精准定位，对于微小的病害容易忽视。对隐伏病害难以及时发现，任由其发展，最后导致路面塌陷等严重事故。

随着地理信息系统的快速发展，使用地理信系统可以快速准确的定位道路病害，方便工作人员及时设计养护方案并安排后续养护工作。本文通过对道路常见病害的分析以及处置方法的介绍，通过实际场景的应用，证明了本文设计的道路病害检测地理信息系统的有效性。

1 道路常见病害分析与处置

1.1 道路常见病害类型及原因

道路的常見病害主要分为显性和隐性病害两大类[3]，其中显性病害主要包括：不同程度的横、纵、斜向、交叉裂缝以及修补、龟裂、坑槽、松散老化、泛油、磨光和波浪拥包等[4-5];隐性病害主要包括：脱空、内部裂缝、不均匀沉降、富含水、疏松等[4-7]。

路面出现裂缝、龟裂等显性病害的主要原因是长时间、高载荷甚至超载的各种车辆的高强度碾压导致沥青混凝土出现结构疲劳而开裂[5]。另外，极端天气导致施工原料过度胀缩、建设或施工作业的不规范（路基压实度不足或不均匀等）也会导致路面病害的出现;对于泛油问题，主要由于前期施工中，粘层油、混合料等使用不合理，导致在高载荷碾压出现泛油或高温时出现沥青混合料路面迁移现象[6-9]。对于隐性病害，其主要原因[6-8]为：地下水地质作用导致地下结构大面积脱空、疏松等;降雨或日常道路清洁中，地表水穿透裂缝，长期冲刷基层，同样会导致基层的损坏;另外，道路两旁的防排水设施如果受损，无法稳定发挥其作用，也会导致隐性病害的发生。

1.2 病害处置方法

对于轻微的显性病害不及时处置，会迅速加重病害程度，进而造成更大面积的路面损坏，比如道路裂缝处经过地表水冲刷和车辆碾压，会形成坑槽。

对于小于5 mm的裂缝，可以使用热沥青灌缝撒料法修复，对于大于5 mm的裂缝且有错台或者啃边现象，要进行开槽加铺玻璃隔栅然后在铺筑上面层。对于坑槽要使用热辐射板加热后铺平热料并有效压实处置。对于泛油问题，要进行碎石压入或者重新摊铺来解决。对于脱空、疏松等病害，要视严重程度对脱空部位进行压浆并进行填充，使其能均匀支撑面层;对于沉降问题，要铣刨掉面层沥青混凝土，采用碎（砾）石，干砌或浆砌片石等重新回填密实，将土基和基层彻底根治后，再铺面层[6-10]。

2 道路隐性病害检测原理

基于探地雷达波特征的地下隐性病害的识别方法一般是根据正演规律推断某些病害特征的波形、振幅、相位与频率的变化等，然后根据现场探测得到的波来反演道路内部形态，辅以水平切片的直观形态来做出判断[11-12]。典型病害探地雷达图谱如图1所示。

脱空、疏松、空洞等涉及路面基层损坏的病害，反射波振幅强，衰减慢;其相位和频率主要表现为顶部反射波与入射波同向，底部反射波与入射波反向，频率高于背景场;其波组形态上均表现有连续同向性反射波组，多次波发育，两次绕射波发育明显，在此基础上，近球形空洞的反射波会表现为倒悬双曲线，近方形表现为连续平板状双曲线;疏松反射波结构杂乱，波形同相轴不连续。

富水病害的振幅虽然也强，但是会迅速衰减;在相位上表现同基层损坏病害，但是频率却低于背景场;波组形态上两侧绕射波和底部反射波不明显，多次波不发育。

病害的严重程度一般根据反射电磁波的能量来判断，如表1所示，其中s表示波形面积，v表示反射波峰值。

3 道路检测地理信息系统功能和结构

根据上述道路常见病害的类型、成因以及处置方式可以看出，道路损坏也严重，处置成本越高，封闭道路时间越长。因此，尽早发现轻微显性病害和隐性病害，采取合理的防治措施，降低大中修频次尤为关键。因此，针对上述显性和隐性病害，道路检测地理信息系统功能和结构模块展开如下设计。

3.1 运动及定位系统

道路检测地理信息系统通过电池供电，可连续工作12 h;为增强适应性和运动精确性，移动平台采用大扭矩伺服电机并配备高精度行星减速器，因此设计时速为0 km/h～20 km/h并具有10°爬坡能力。考虑实际应用，系统自动计划检测路线。

为保证定位精度，该系统使用惯导和RTK定位融合技术，定位精度为厘米级，可输出病害高精度经纬坐标和道路里程，保证病害定位的精确性。另外，为了保障本体安全性，设置有电子围栏、本体低压电压告警和自动避障等安全措施。

3.2 病害检测

为提高病害检测效率和准确度，本系统搭载了高清相机检测显性病害，搭载有基于三维探地雷达检测隐性病害，探测深度3 m，单幅检测宽度1.5 m。系统工作时，对连续拍摄路面表观画面进行拼接，基于三维探地雷达电磁波的不断发射和接收，得到整个检测区域的雷达波谱，进而通过电磁波的正演信息获取病害图谱，根据图1和表1中对病害特征和严重程度的判断规则识别病害类型及损坏程度。

3.3 总体工作流程与后台

该型机器人的典型工作流程如图2所示，其中左侧为本体操作流程，右侧为辅助设备操作流程。

为了提高人机交互的自然度，系统后台页面不仅可以直观显示表观图像，还可以通过三维模型更加立体直观的展示病害情况，人机交互页面效果展示如图3所示。

4 实际应用

4.1 系统高可用性验证

本文通过在道路病害检测的实际应用来验证道路病害检测地理信息系统高效性和准确性。以某个道路病害检测项目为例，以图2的流程进行实际检测作业（如图4所示）。

检测路段长5 km，宽7.5 m，检测时长2.5 h，检测效率1.5万平方米每小时。

检测出显性病害面积为2 921.592 m2。其中块状裂缝为6.610 m2;横向裂缝为108.960 m2;纵向裂缝为22.431 m2;龟裂为2 704.513 m2;修补为79.078 m2。显性病害主要为龟裂。各显性病害的面积或长度、地理坐标、影响程度见表2。依据地理坐标可精确寻找病害位置，便于精准养护。

共检出隐性面积153.822 m2，主要病害类型为脱空。检出裂缝总计面积0.498 m2;检出疏松总面积24.626 m2;检出空洞总面积1.949 m2;检出沉陷总面积6.035 m2;检出脱空总面积120.696 m2。隐性病害主要类型为脱空。各隐性病害的面积、地理坐标、隐性程度见表3，依据地理坐标可精准定位隐性病害的位置，为后期注浆提供强有力的数据支撑。

4.2 隐性病害检测准确性验证

隐性病害无法通过表观图像直接显示，一般通过局部取芯来验证隐性病害检测的精准程度。在本项目中，以某处脱空混合疏松的病害为例，雷达数据（如图5（b）所示）显示在38 cm深处存在明显脱空，其下方存在疏松，共有6 cm深的严重隐性病害存在，具有极大的沉降风险。因此，以38 cm长度、44 cm深度取出芯样进行验证，如图5（c）所示。结果表明，系统对隐性病害类型及位置判断准确。

5 结束语

针对传统道路病害检测效率和准确性低的弊端，本文分析了常见的道路病害类型、成因以及处置方式，借助地理信息系统精准定位道路显性病害及隐性病害。在此基础上，设计了一类道路病害检测地理信息系统，分别从运动及定位、病害检测和系统总体工作流程与后台三个方面进行了相应的设计和介绍。最后，在实际检测场景中进行验证和应用，详细展示了检测结果，对隐性病害进行了取芯检测，从而证明了该系统在常见道路病害检测中可用、精确和高效。

参考文献：

[1]梁志光.高速公路路基路面病害防治理论与方法[J].西部交通科技，2018（10）：83-86.

[2]桂昊.基于能量频率属性的城市道路隐伏病害地震快速探查技术研究[J].安徽理工大学，2019.

[3]武金奎.公路沥青路面病害成因及养护措施[J].建材与装饰，2019（35）：251-252.

[4]游元德.沥青路面病害检测与养护决策研究[J].四川建材，2018，44（11）：133+135.

[5]周辉.高速公路沥青路面大修养护时机研究[D].合肥工业大学，2018.

[6]廖秋杰.高速公路网沥青路面使用性能评价及变化规律研究[D].哈尔滨工业大学，2016.

[7]JGJ/T 437-2018，城市地下病害体综合探测与风险评估技术标准[S].

[8]张严.苏嘉杭高速公路沥青路面“十二五”养护成果评价及“十三五”养护管理规划[D].东南大学，2016.

[9]方丽.基于沥青路面衰变规律的重庆高速公路预防性养护决策研究[D].重慶交通大学，2016.

[10]王长军.预防性养护技术在高速公路中的应用[D].长安大学，2013.

[11]丁孝兵，胡周文，房瑞，等.探地雷达对道路地下空洞精细识别研究[J].测绘通报，2019（S2）：188-192.

[12]徐俊.地下工程结构多类型缺陷的雷达信号自动辨识方法与工程应用[D].北京科技大学，2019.