沥青路面损坏检测管理系统的研究

张敏杰 万海峰 王睿迪 李祥杰

摘 要：基于国家“交通强国”战略背景和“新基建”交通基础设施智能技术需求的现实，对沥青路面损坏检测管理系统进行了研究。该系统实现了沥青路面损坏的自动化采集和计算机同步检测，实现了沥青路面损坏自动检测，改善了纯人工检测的现状;实现了管理信息化，建立了良好的养护管理体系。

关键词：路面损坏;沥青路面养护;路面检测;管理系统

中图分类号： U416.217;U418.43                      文献标识码：A                            文章编号：2096-6903（2022）04-0099-03

1 研究背景

道路是社会的基础设施，其工作条件恶劣，由于沥青路面具有平整度高、抗滑性好、安全性高等优点，而沥青路面因荷载及环境等因素也逐渐出现不同程度的损坏问题，例如车辙、沉陷、裂缝等。如此既降低了沥青路面行车的舒适度和安全性，又提高了后期公路的养护工作的难度。在养护管理过程中产生的数据信息逐渐增加，且传统的养护管理方法消耗大量资源，已经很难适应此时的道路养护管理需求。在此背景下，为了使道路保持良好状态进行经济的运营，及时、合理地进行道路路面养护以及降低养护管理成本，创建一个科学、高效的路面检测养护管理系统极为重要。

2 国内技术现状

随着近几年云计算技术的不断发展，云管系统开始越来越多的承载企业的基础环境和业务流程[1]。在云管系统构建的过程中， 要坚持成熟性、开放性、扩展性、易用性、安全性、高性能等原则[2]。为了给予公路桥梁养护信息的准确快速的帮助，对于养护路段决策以及快速能力反应等进行论证[3]，不少团队及个人对道路病害检测及养护有关的云管系统进行了研究。由上海蒲公检测股份有限公司唐咸燕完成的养护管理APP与城市道路路面损坏可视化养护管理系统，使用云服务的方式方法来满足整个网络的上传以及浏览的要求[4]。由滨州市公路管理局任娟、韩守兵开发的基于日常养护的路面病害识别与管理系统，实现了路面病害的自动化采集和计算机同步自动识别，后台通过管理系统进行信息化管理。同时实现了日常养护中疾病的自动检测，以及养护管理的信息化[5]。通过建立智能化的管理系统，不仅可以实现对道路工程健康状况的动态监测，而且还可以有效提高管理的质量和效率[6]。

3 研究内容及目标

3.1 沥青路面损坏检测管理系统的研究内容

目前，道路损坏检测管理系统并未普及，大多道路养护管理部门仍采用传统方法，使用纸质的资料，导致数据丢失严重且工作效率低、花费大。道路损坏养护管理检测、分析与决策仍存在效率较低，无法及时地共享数据资源等问题;同时不能够提前预计沥青路面损坏的发生时间梯段。为解决这些问题，沥青路面损坏检测管理系统应运而生。我们利用自主创新的沥青路面检测装置，使之充分发挥损坏检测及数据采集作用，将采集到数据进行预处理后得到路面损坏数据包括裂缝规模、坑槽深度、坑洞面积、车辙深度、松散程度等特征数据，同时再与公路基础数据一起建立路面损坏数据库，通过SSM框架建立管理系统，实现数据分析功能，最后在云平台展示。用户可通过平台实现信息化管理，如查看养护状态、信息通知、数据统计、查看损坏高发路段等。

3.2 沥青路面损坏检测管理系统的构架

本系统严格按三层体系构建沥青路面损坏检测管理系统的总体架构，如图1所示。

3.2.1 数据采集层

数据采集层主要通过图像采集、红外探测、超声波探测的方式采集沥青路面的路面损坏数据，同时通过GPS记录已损坏路面的地理位置信息，并与各养护单位对接各类相关业务数据。

3.2.2 数据处理分析层

为支持之后可视化管控平台的数据统计、数据分析和客户端服务等应用，需要对多源数据进行处理和分析。因采集层所采集的部分数据无法直接使用，所以需要将这些数据经预处理后得到路面损坏的数据同其他数据导入路面损坏数据库，该数据库与公路管理局部分数据互通，且可提供给道路养护部门使用。后续对从数据库中提取的数据，采用决策树算法进行数据分析，可得到损坏高发路段、损坏类型频率等信息，可以为决策以及二次养护管理使用，帮助养护部门进行养护决策。

3.2.3 管理应用层

可视化管控平台的实现基于数据采集层的全面采集以及数据处理分析层的准确分析，其主要应用有数据分析、数据统计和客户端服务等。数据分析包括损坏高发路段、损坏类型频率、损坏与交通量的联系的统计分析等。数据统计包括定时的养护季报、损坏点修复季报、检测季报等展示。客户服务端则包括养护状态查看、检测结果查看、内部信息通知、公共信息服务、群众反馈服务等。提供全面、准确的分析数据、数据统计结果、与客户端的查询与信息通知的服务，为道路养护管理工作提供便利。

3.3 瀝青路面损坏检测管理系统的功能实现

3.3.1 多源数据采集

主要通过对沥青路面损坏状况有感知的设备（包括高速摄像头、GPS设备、超声波探头、红外热成像仪等）进行采集沥青路面状况信息或数据信息，并将信息存储到相关的数据库服务器中。

一是高速摄像头图像数据采集。通过安装在检测养护车辆上的高速摄像机，对沥青路面进行高速录像，并且对疑似损坏的沥青路面进行抓拍，再经过预处理可得到路面损坏数据包括裂缝规模、坑槽深度、坑洞面积、车辙深度、松散程度等特征数据。

二是GPS数据采集。由安装在养护车辆上的GPS终端设备提供时间和定位信息，并将获取的地理位置信息输出，获取车辆经纬度、海拔及时间等数据后可为检测养护车辆的定位和轨迹跟踪等提供数据支持。

三是超声波探头数据采集。通过安装在检测养护车辆上的超声波探头设备进行超声波探测。超声波探测装置可提供沥青路面的裂缝规模、坑槽深度、坑洞面积、沥青混凝土的密实度信息以及沥青混合料的水稳特性信息等，并将此信息输出，为沥青路面养护工作提供精准的参数。

四是红外热成像仪数据采集。通过安装在检测养护车辆上的红外热成像仪对沥青路面进行红外探测。红外热成像仪对路面进行检测将成像信息以指定的方式输出，最终由数据库的工作人员处理成像数据，可生成各种直观的信息，主要用于温度离析检测、路面脱空检测、透水率检测以及工具监控等方面。

3.3.2 数据融合分析

本系统融合了不同类型的数据信息，参考各自的特点，然后提取出相似且多元化数据信息，流程由数据预处理、数据分析、数据输出三部分组成，如图2所示。

一是数据预处理。①数据审核。审核是至为关键的一环，若数据出现丝毫差错，后续的数据分析将无法运行。多方面收集的信息难免出现差错，所以在进行数据分析之前，需要从完整性和准确性两个方面，根据图像数据、坐标等信息对原始数据的审查和核对，对于错误可修改的数据必须经过修改才可利用;对于不可修改的数据需要备注并重新收集，避免出现遗漏。②数据筛选。筛选有很重要的地位，只有得到精确且具有代表性地数据才可使输出的结果的真实性与准确性有保障。而在这里数据量非常之多，为了保证我们的分析方法能够运行，必须进行数据筛选。数据筛选需要从原始数据中清理不必要数据，抽取出图像数据、超声波探头数据、红外热成像仪数据等用于数据转换。③数据转换。采用 Bin方法对数据进行平滑处理，除去数据中的噪声;进行泛化处理，这是一个从定量到定性的过程，对于路面的裂缝规模、坑槽深度等数值型属性，将其映射到路面有无损坏的概念;进行规格化处理，将裂缝规模、坑槽深度、车辙深度、坑洞面积、松散程度等数据按比例映射到 0 到 1 范围之中。

二是数据分析。系统通过采用决策树算法对预处理后的数据的进行分析。首先生成决策树模型，制定分类规则并测试决策树模型的准确性，从团队收集的10 000组数据中挑选8 000组数据进行决策树模型的训练，剩余2 000组数据用于对模型准确性进行测试，通过产生的数据、结果，对模型参数进行训练和修正，不断完善决策树模型;第二步，利用完善过后的决策树模型对新的数据进行预测分析，最终得到分析结果，如损坏高发路段、损坏类型频率、损坏与交通量的联系等结果。

三是数据输出。路面损坏数据库具体包括以下内容：多种感知设备的采集的数据;部分人工采集的数据;路段基本信息（如桩号、空间位置等），检测设备信息等;经过处理后的数据;平台运行的历史数据。这些数据与公路管理局的部分数据互通，并且可以及时提供给道路养护部门使用。

3.3.3 可视化管控平台

一是综合信息查询与内部信息通知。此功能可供道路养护人员查询道路损坏养护信息，以及向内部人员推送信息通知。前者主要包括：养护状态查看、检测结果查看。后者为养护系统内部信息的发放给养护相关工作人员。实现及时、准确查询综合信息的功能及内部信息及时通知的功能。

二是公共信息与群众反馈服务。此功能主要针对群众，实现公共信息服务及群众反馈服务。前者是指群众根据自身需求登录平台，查询有关道路的检测与养护信息。后者是群众在发现既有信息有误或者损坏处理不及时等问题，可联系后台进行反馈，这一环节实行奖励制度，鼓励群众积极反馈，有助于实现道路养护管理平台的群众化、普及化、全面化。

三是路面损坏的预测与预防提示。根据公路路段基础数据，利用训练后的决策树模型分析预测该路段可能发生的路面损坏，并提示道路养护单位预防，能够在进行沥青路面损坏检测与养护的同时，做好预防与准备工作，提高道路养护工作的工作效率。

四是数据统计报表。该系统可提供监控与监管范围内的数据报表展示、导出功能。具体包括：养护季报、损坏点修复季报、检测季报等。可供道路养护单位及时查看、了解道路损坏的检测情况及养护状态。

3.4 沥青路面损坏检测管理系统的运行效果

本管理系统应用了多元感知设备，可实现沥青路面损坏检测的大数据分析挖掘、预测以及统计分析等。该系统还结合了可视化管控平台，为沥青路面检测养护管理带来不错的效果。

（1）实现数据库的建立及检测、分析、决策等多方数据共享，及时更新完善数据库，确保数据资源的准确性，便于后续分析决策以及二次养护管理使用，实现精准管理，提升运行管理效率。

（2）根据损坏类型的不同发展提供相应的数据分析信息，确保系统使用者的使用需求得到满足，能够对路面检测技术管理工作的数据处理信息资源进行良好的管理，使检测与养护管理工作更具灵活性。

（3）根据公路某路段基础数据，利用训练后的决策树模型分析预测该路段可能发生的路面损坏，并提示道路养护单位预防，能够在进行沥青路面损壞检测与养护的同时，做好预防与准备工作，使检测与管理工作更具超前性。

（4）通过沥青路面损坏检测管理系统，技术人员则能够快速地从数据库或以往检测记录及时锁定发生损坏的路段及路面损坏区域，并进行决策养护管理，以及后续的二次确认检查等工作，提升了路面检测管理的针对性。

（5）实行群众反馈奖励机制，充分利用群众资源，实现路面检测养护管理的群众化、普及化、全面化。

4 结语

沥青路面现阶段在全球范围都广泛地投入使用，而沥青路面因荷载及环境的长期影响会逐渐出现不同程度的损坏问题。路面损坏检测技术在道路养护中的应用，正逐步进入深化阶段，基于这些技术，我们将自主创新的沥青路面检测装置与管理系统充分结合，建立路面损坏数据库，最后通过SSM框架建立管理系统。该系统实现了数据库的建立及检测、分析、决策等多方数据共享等功能，为道路养护提供指导并制定养护方案，提升路面检测管理的针对性，可大大提升经济效益。用户通过平台实现信息化管理，如查看养护状态、信息通知、数据统计、查看损坏高发路段等，可实现路面病害的早期损坏程度和范围动态预警，指导管理机构精准化地提出运营维护决策。

参考文献

[1] 岳强，李芳，张磊.云管平台在企业云平台建设中的应用[J].科技界，2019（28）：253-254.

[2] 王磊.云管平台的构建思路探讨[J].中国管理信息化，2018， 21（12）：58-59.

[3] 陈晓辉，王伟，吕营.基于WebGIS的道路养护可视化系统的设计与开发[J].通讯世界，2019，26（9）：63-64.

[4] 唐咸燕.路面病害智能识别和养护管理系统应用[J].交通与运输，2021，37（5）：39-43.

[5] 任娟，韩守兵.基于日常养护的路面病害识别与管理系统在滨州公路养护中的应用[J].公路交通科技（应用技术版），2015，11（7）：35-36.

[6] 易凌云.桥梁隧道健康检测与智能管理系统研究[J].砖瓦， 2021（1）：74-75.