数字全息助力精细化预防性养护

随着路面检测技术的进步，基于数字全息技术的路面全指标三维检测系统（以下简称“数字全息检测系统”）有效解决了沥青路面预防性养护检测的现存难题。该系统共设计了车辙病害处治辅助设计模块、平整度恢复辅助设计模块、构造深度和磨耗情况查看模块等六大功能模块，助力沥青路面预防性养护更加精细化。

许特显 摄

什么是数字全息检测系统

Truelion®数字全息三维路面采集车模型

数字全息检测系统是基于数字全息技术的路面全指标三维检测系统。该系统可以搭载在任意车型上，与车辆组装成车载路面检测系统，在车辆正常行驶（时速不大于100公里）的状态下，可快速完成路面全息三维扫描，并利用所采集数据建设路面三维数据模型。从路面三维数据模型中，可以提取任意一个断面的路面数据信息，用于计算路面技术状况指标，包括路面损坏状况、平整度、车辙、跳车、磨耗、横纵坡等信息。

不同于传统的路面自动化检测手段，数字全息检测系统仅由一台集成化的数字全息检测设备构成。该设备可以把路面的各项指标作为路面整体数据的一部分进行提取和解析，而不是独立采集处理每项指标。同时，该设备具有轻量化、小型化的优点，而且硬件成本经济，组装便捷，易于操作。

全息路面状况指标数据

“全息”顾名思义就是全信息，数字全息检测系统是采用数字全息技术快速采集连续不间断的路面三维信息并建设数据模型。在此基础上，通过Truelion®数字全息三维数据分析软件，获得“全横断面”三维车辙、“全纵断面”平整度、“全面域”构造深度、全类型破损病害（裂缝、修补和变形类等）、横坡和纵坡数据等路面全息数据。

数字全息技术

数字全息技术是用光电传感器记录全信息图像。主要原理是采用小波变换方法、菲涅耳变换方法、卷积方法和傅立叶变换方法、全息系统三维物场再现等算法和理论，解构数字全息图，并获得三维物场的再现像，此后用计算机模拟光学衍射过程，最终实现被记录物体的全息再现和处理。

从全息数据中，养护工作人员可以提取路面任意断面、任意位置的指标信息。这些数据不仅可以用于路面宏观状况分析，而且可以为养护设计和养护施工提供精细化的数据支撑，数据精度可达到亚毫米级别。

全息路面地图

全息路面三维数据与高精地图路线信息、BIM三维场景信息融合，形成了一个完整的三维路面可视化系统。该系统可更直观地呈现公路路面整体、局部及细节信息，帮助公路养护人员从三维视角全面掌控路面病害状况。相关单位也可在线实时管理路段的路况指标，减少养护人员的现场量测风险。

全息指标数据共享

使用数字全息检测系统采集的数据可以被处理成任何格式，导入各单位现有的公路养护管理平台，并根据公路养护管理平台检测指标的分类（指标模块和辅助设计模块），将数据分别导入不同模块，比如病害智能识别模块、病害养护辅助设计模块；平整度指标模块、平整度辅助设计模块；车辙指标模块、车辙辅助设计模块等适用于路面检测和养护辅助设计的多功能模块。

Truelion®全息路面状况指标数据

Truelion®三维路面地图和GIS系统结合

Truelion®三维路面数据地图

Truelion®三维路面地图和BIM结合，上图为BIM场景，下图为对应的BIM场景中两个车道单独的三维路面信息。

六大功能助力沥青路面预防性养护

数字全息检测系统共设计了8个模块，即采集模块、破损模块、平整度模块、车辙模块、构造深度模块、路面跳车模块、路面磨耗模块、横纵坡模块(可选)。从这8个模块中，延伸出了车辙病害处治辅助设计、平整度恢复辅助设计等六大功能，助力沥青路面预防性养护更加精细化。

车辙病害处治辅助设计功能。该功能可提供路面任意位置的横断面信息，用于车辙病害的精准量测、车辙处治方案模拟，并可根据养护方案计算车辙修复的材料用量和成本预算，还可提供模拟施工后的效果图、车辙指标等。

平整度恢复辅助设计功能。该功能可提供路面任意位置的相对纵断面高程，用于平整度指标精准计算，并辅助分析导致路面平整度较差的原因，还可提供不同的平整度恢复施工方案仿真模拟，模拟施工后的效果图和施工后的平整度指标情况等。

路面破损智能识别系统。该系统是建立在多维度数据集基础之上的人工智能识别系统。在传统二维病害数据的基础上，三维的病害数据增加了二维数据所无法反映出的多种变形类病害，比如路面坑槽、拥包、沉陷等，进一步提高路面病害自动识别的准确率，达到养护设计的需求。

表1 数字全息检测系统的8个模块

Truelion®三维路面车辙病害处治辅助设计

Truelion®三维路面车辙病害处治辅助设计效果图，上图为三维路面车辙；中图为模拟铣刨后的路面效果；下图为病害处治薄层罩面模拟效果。

Truelion®三维路面平整度异常原因分析

Truelion®三维路面平整度恢复-铣刨辅助设计

构造深度和磨耗情况查看功能。该功能可提供路面任意位置的构造深度模拟效果，并可选择人工铺砂法或电动轮铺砂法等数据模型模拟计算路面构造深度。此外，还可根据路面构造深度分布情况，查看分析路段表观的均匀性、磨耗状况等信息。例如，在一块0.1平方米的正方形区域（无病害）路面实施检测，并运用人工铺砂法模型分析三维检测结果，在路面三维模型中依照模拟铺砂法计算构造深度，其构造深度为0.8318毫米，可直观地看到路面构造情况。

路面横纵坡辅助设计功能。路面横纵坡数据为养护设计中非常重要的指标，也是目前使用道路自动化检测设备难于获取的指标。全车道横坡信息不同于单车道的横断面信息，单车道的横断面指标只反映了单一车道横断面的相对高程信息。一条完整的公路一般由两条以上的车道构成，而路面的横坡信息要求测量的是全车道路面横向绝对高程信息。该功能可以提供全车道的路面三维数据，基于全车道信息，可测量任意位置的横坡数值，用于养护设计中横坡排水顺畅性检验。此外，该模块还可提供指定路段任意位置的纵坡线状分布信息，并以此反映路面的绝对高程分布情况，以及路面跳车状况，用于养护工程中路面局部碎纵坡优化调整的拉坡辅助设计。

路面病害发展趋势监测功能。该功能是在三维路面病害地图数据的基础上，结合历史检测数据、历史路况资料、历史养护方案、气候环境数据和交通荷载数据等进行多源信息融合分析，建立科学的路面数据分析模型，预测路面病害的发展规律，为路面预防性养护方案决策和资金分配提供技术支撑。

三维破损病害坑槽和裂缝

三维车辙病害

三维路面裂缝、坑槽数据集

Truelion®三维路面构造深度辅助设计

Truelion®三维路面横纵坡模型，上图为某120米路段的三维高程分布图；中图为此路段的某横断面的横坡分布线；下图为此路段的纵坡分布情况。

Truelion®长期病害监测数据，长期监测一段路得出的病害发育图，车辙病害情况逐渐变差，并衍生出裂缝等伴随病害。

应用过程中的三大优势

成本优势

沥青路面预防性养护科学决策的前提条件是，准确地检测与评估路面使用性能状况。随着检测技术的发展进步，以人工或半自动等低效率方式检测评估路面性能的模式已逐渐被淘汰，自动化、快速化检测方法与设备应用越来越广泛。然而，现有自动化检测手段的特点是检测每一项路面性能指标都需要不同的检测装备，即便是多功能的道路检测车也是将多套分立的检测装备集成在一辆车上。由于集成设备较多，多功能道路检测装备的成本一直居高不下，若全部采用进口技术和装备，价格更是令人望而却步。此外，从产品的可靠性角度出发，集成器件越多，设备整体的可靠性就会越低，元器件出现故障的概率也将增加，这也在无形中增加了维修成本。

而数字全息检测系统是基于数字全息技术采用一整套设备整体扫描路面，完成数据采集，并建立路面的三维数据模型，进而从三维路面模型中提取养护工作中所需要的路面平整度、车辙、破损状况、抗滑构造深度、跳车指数、纵横坡度等各项指标，提高了数据采集的精度和维度，其硬件成本经济的优势极为突出。

道路数字全息三维检测车

此外，数字全息检测系统还可用于路面使用状况评估，对接现有路面养护管理决策系统。

数据优势

相比现有的道路多功能检测技术，数字全息技术具有明显的数据优势，不仅可提取用于路面宏观状况评价的指标信息，还可提取用于量测路面任意位置的三维信息。在预防性养护工作中，数字全息检测技术的数据几乎涵盖了工作中所需要的全部信息，可为路面预防性养护设计提供全面、精细化的数据支撑。

更为重要的是，路面的三维模型重现了路面的三维场景，养护工作人员可以从路面真实的三维场景中提取路况指标信息、诊断病害问题和追溯病害成因。例如广东某高速公路在路面养护前获取平整度指标分布情况，在全息路面三维图中，养护工作人员分别选取了路面五个位置的纵断面高程数据分布信息，分别为车道中线、车道两侧边缘和左、右车轮迹带处。从图中可以看出，每个纵断面位置的平整度数值并不完全一致，而且在这段路有明显的平整度异常，从对应路面的全息三维数据可以分析判断出，异常部位是由车轮迹带部位的车辙加坑槽等多重病害引起。而这处异常的平整度数值对整段路的平整度水平起到了决定作用，导致整段路平整度指数不合格。

此图是一张3.75米×1米的车道数字全息三维路面数据展示图，几乎包含了路面表面的所有信息，比如平整度指标、车辙指标、三维的破损病害、构造深度、跳车指标，以及纵坡和横坡指标等信息。

广东某高速公路三维路面多纵断面数据信息展示图

此外，基于道路数字全息数据分析得出的指标，不仅包含了现行公路路面技术状况评价标准中所要求的几项指标，还可以从中分析更为详细的精细化指标，例如构造深度。路面构造深度是现有自动化检测技术装备无法精确提供的一项指标，但在全息数据中可以提炼出路面任意桩号位置、任意面积范围的构造深度数据，进而分析路面的磨耗情况和路面抗滑性能。

辅助设计优势

对路面养护工作人员来说，不仅需要从数据源中及时发现病害、诊断病害、追溯病害，还需要依据数据指导养护工程的辅助设计，例如辅助设计的仿真模拟。在全息数据的基础上，可以模拟养护工程的方案、施工前后效果，以及计算实施养护工程后的路面状况指标。

基于数字全息三维数据的构造深度模型

基于数字全息三维数据铣刨某段路后的养护工程效果图

此外，沥青路面预防性养护工程大多采用薄（超薄）层罩面施工，但当路面存在车辙变形、不平整或纵横坡度不平顺等现象时，养护工作人员很难精确地计算出养护罩面所需的工程数量，往往造成薄层罩面实际工程量与设计工程量出现较大的偏差，给养护施工单位投标带来潜在风险。而数字全息检测系统可以精确计算预防性养护薄层罩面工程量，避免此类问题发生。