公路监理师:路面无损检测技术的发展现状
2015-05-04
目前我国高速公路的通车里程已居世界第二，已建立了较完善的道路养护管理规定和系统， 这些系统的建立有效地保证了养护的科学性， 但普遍面临数据采集手段相对落后的问题， 因此需要针对道路检测技术开展深入研究。近年来， 随着计算机技 术、自动化控制技术、高精度测微技术的进步， 道路检测技术人工检测向自动化检测技术发展， 由破损类检测向无损检测技术发展， 由低速度、低精度向高速度、高精度发展。本文在分析国内外研究成果的基础上， 总结了路面主要无损检测技术和相关研究的最新进展。
1 平整度检测技术
平整度、车辙和裂缝是评价路面质量最重要的3 个参数。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）。
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。
在实际应用中主要存在以下问题： 测试效率低、速度慢； 使用起来很不方便； 仪器测定精度较差， 尤其是再现性差， 不同的厂家不同的仪器会测出不同的结果； 生产厂家较多， 且质量差异较大，有些厂家生产的连续式平整度仪质量问题较多。车载式颠簸累积仪必须通过对机械系统的良好保养和检测时严格控制车速来保持测定结果的稳定性， 需经常进行标定， 减振性能好， 则VBI 测值小； 车速越高， VBI 测值越大。
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。以路面损坏自动采集设备取代人工量测的研究始于20 世纪70 年代初期， 法国道路管理部门研制开发了路面摄影车（GERPHO） ，使在风吹日晒环境下的现场损坏测量工作转为室内对胶片的处理， 并借助计算机进行人工判读和数据记录。20 世纪80 年代中后期，西方发达国家美国、日本、法国等由于路网管理和路面管理系统发展的需要， 纷纷开展了以路面损坏实时采集设备（硬件） 和路面损坏图像的计算机图像自动处理系统（软件） 为主要内容的研究与开发工作，并于20 世纪90 年代初期， 陆续发表了其研究成果。进入20 世纪90 年代后期，路面损坏自动检测与模式识别的研究比较少， 美国犹他州立大学计算机学院的程恒达教授、加拿大的Roadware 公司等仍然致力于图像获取设备与路面损坏图像处理技术的研究， 技术上并没有太大的进展， 因此目前国际上尚没有普及路面损坏自动检测设备。
我国在这一领域开展研究的个人或单位不多。1994 年同济大学的孙立军教授及其研究生在这一领域进行了试探性的研究。最新的信息是李德仁院士及其在加拿大的研究生正在开展路面损坏检测技术的研究， 取得了一定的成果。哈尔滨工业大学从2001 年开始了设备与算法方面的研究， 已取得了阶段性的成果。
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。
这类仪器主要是采用光学传感器（包括激光和红外传感器） 及超声波传感器进行测量， 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。我国在路面车辙检测方面主要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。哈尔滨工业大学进行了相应的设备和算法方面的研究， 取得了阶段性的成果。
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。落锤式弯沉仪（FWD） 是目前应用较为广泛的弯沉检测设备， 代表了弯沉检测的发展方向。它的基本原理是通过液压系统提升和释放荷载块对路面施加冲击荷载， 荷载大小由落锤质量和起落高度控制， 荷载时程和动态弯沉盆均由相应的传感器测定。20 世纪60 年代，法国首先提出冲击式动力弯沉仪的初步设想， 70 年代后期丹麦和瑞典首先研制成FWD.80 年代以后， 美国、英国和日本等相继引进和仿制了这种弯沉仪。研究表明， FWD 的冲击荷载与时速60~80 km 的车辆对路面的荷载相似， 可以较好地模拟行车荷载作用， 并且测速快，精度高， 因此， FWD 在国际上得到广泛的用。
目前， 在检测设备方面， 国外正在研究滚动式弯沉仪RWD（RollingWheelDeflectometer 滚轮式弯沉仪） 正处于研究阶段。它是采用高频激光扫描，连续地记录行驶中的测试车在路表产生的弯沉，测试速度约88.5 km/h.目前主要有Dynatest （丹麦）与Quest Integrated （美国） 合作、美国密西西比州的ARA （AppliedResearch Associates） 公司和瑞典的RDT 等机构从事RWD 的研制工作，第一代产品已经问世，精度适合于路网普查。RWD 的最大优点是：所记录的是真实受力状态， 而不是模拟荷载状态下的弯沉， 并且测速远大于FWD， 因此对交通的影响较小， 是较为理想的弯沉检测设备， 因此是此类设备的重要发展方向。得克萨斯大学开发的R（ RollingDynamicWheel Deflectometer 滚动动力弯沉仪） 的加载原理与RWD 相似，但弯沉测量采用的是滚动式弯沉传感器。它的测试速度约2.5 km/h， 可以同时提供路表破损摄像。RDD 的主要优点是连续测量、信息量大， 但由于测试速度慢等原因， 用户很少。
我国目前常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。动态连续式检测已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 小结
目前， 我国公路通车里程已居世界前列，但相应的公路检测设备相对落后， 制约着我国公路特别是高速公路的现代化水平。本文介绍了国内外公路路面自动检测技术发展的现状， 通过对道路检测技术的对比和分析， 总体趋势是由人工检测向自动化检测技术发展， 由破损类检测向无损检测技术发展， 由低速度、低精度向高速度、高精度发展。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。
