PRODUCT CLASSIFICATION
產(chǎn)品分類(lèi)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)
路面無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)及發(fā)展方向 [摘要] 綜合介紹了國(guó)內(nèi)外在路面使用性能無(wú)損檢測(cè)上的新技術(shù)及相關(guān)的研究領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上,分析了我國(guó)在新型檢測(cè)設(shè)備的應(yīng)用和相關(guān)研究方面的現(xiàn)狀與不足,探討了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞 路面無(wú)損檢測(cè),路面彎沉,抗滑能力,平整度,車(chē)轍,表面破損 1 概述 路面是公路的重要組成部分,其使用性能直接關(guān)系到道路為用戶(hù)提供的舒適性、安全性、快捷性等服務(wù)的水平,關(guān)系到道路本身的使用壽命。因此,必須加強(qiáng)對(duì)路面的養(yǎng)護(hù)管理,確保提供可接受的服務(wù)水平。自20世紀(jì)60、70年代以來(lái),許多國(guó)家都陸續(xù)建立了較為完善的道路養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng),這些系統(tǒng)的建立有效地保證了養(yǎng)護(hù)的科學(xué)性,但普遍面臨數(shù)據(jù)采集手段相對(duì)落后的問(wèn)題:大量的設(shè)備在使用時(shí)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、對(duì)交通影響大,有些還要破壞路面結(jié)構(gòu)的完整性,而且數(shù)據(jù)的精度也難以得到保證。為此,各國(guó)針對(duì)道路檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展了深入研究,并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、高精度測(cè)微技術(shù)的進(jìn)步,在近的20年里有突破的進(jìn)展。我國(guó)從20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始,通過(guò)設(shè)備與技術(shù)引進(jìn)和自主開(kāi)發(fā),在路面檢測(cè)方面也有了巨大的發(fā)展。本文在國(guó)內(nèi)外考察與研究的基礎(chǔ)上,總結(jié)了路面主要無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和相關(guān)研究的新進(jìn)展,分析了在我國(guó)的應(yīng)用與研究情況及發(fā)展趨勢(shì)。 2 檢測(cè)技術(shù)與相關(guān)研究2.1 彎沉測(cè)試 落錘式彎沉儀(fwd)是目前應(yīng)用較為廣泛的彎沉檢測(cè)設(shè)備,代表了彎沉檢測(cè)的發(fā)展方向。它的基本原理是通過(guò)液壓系統(tǒng)提升和釋放荷載塊對(duì)路面施加沖擊荷載,荷載大小由落錘質(zhì)量和起落高度控制,荷載時(shí)程和動(dòng)態(tài)彎沉盆均由相應(yīng)的傳感器測(cè)定。20世紀(jì)60年代,法國(guó)首先提出沖擊式動(dòng)力彎沉儀的初步設(shè)想,70年代后期丹麥和瑞典首先研制成fwd。80年代以后,美國(guó)、英國(guó)和日本等相繼引進(jìn)和仿制了這種彎沉儀。研究表明,fwd的沖擊荷載與時(shí)速60~80公里的車(chē)輛對(duì)路面的荷載相似,可以較好地模擬行車(chē)荷載作用,并且測(cè)速快,精度高,因此自20世紀(jì)80年代初以來(lái),fwd在上得到日益廣泛的應(yīng)用,至今已有50多個(gè)國(guó)家和地區(qū)引進(jìn)了fwd。美國(guó)聯(lián)邦公路局經(jīng)過(guò)對(duì)比分析,確認(rèn)fwd是較理想的路面承載能力評(píng)定設(shè)備,并選為實(shí)施shrp計(jì)劃中路面承載能力評(píng)定部分的重要設(shè)備;殼牌石油公司也已正式將fwd的應(yīng)用納入殼牌路面設(shè)計(jì)手冊(cè)[1]。美國(guó)早在1994年就有80%的州擁有至少一臺(tái)fwd,我國(guó)到2001年底有約40臺(tái)fwd在各地使用,并且用戶(hù)數(shù)還在不斷地增加。 繼fwd之后,新一代彎沉儀rwd(rolling wheel deflectometer 滾輪式彎沉儀)正處于研究階段。它是采用高頻激光掃描,連續(xù)地記錄行駛中的測(cè)試車(chē)在路表產(chǎn)生的彎沉,測(cè)試速度約55英里/小時(shí)。目前主要有dynatest(丹麥)與quest integrated(美國(guó))合作、美國(guó)密西西比州的ara (applied research associates)公司和瑞典的rdt等機(jī)構(gòu)從事rwd的研制工作,*代產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世,精度適合于路網(wǎng)普查。rwd的大優(yōu)點(diǎn)是:所記錄的是真實(shí)受力狀態(tài)、而不是模擬荷載狀態(tài)下的彎沉,并且測(cè)速遠(yuǎn)大于fwd,因此對(duì)交通的影響較小,是較為理想的彎沉檢測(cè)設(shè)備,因此是此類(lèi)設(shè)備的重要發(fā)展方向。 得克薩斯大學(xué)開(kāi)發(fā)的rdd(rolling dynamic wheel deflectometer 滾動(dòng)動(dòng)力彎沉儀)的加載原理與rwd相似,但彎沉的測(cè)量采用的是滾動(dòng)式彎沉傳感器。它的測(cè)試速度約2.5km/h,可以同時(shí)提供路表破損攝像。rdd的主要優(yōu)點(diǎn)是連續(xù)測(cè)量,信息量大,但由于測(cè)試速度慢等原因,用戶(hù)很少。 在美國(guó),擁有fwd的用戶(hù)絕大部分都配套使用分析軟件,常用的為darwin、aashto、modulus、evercalc、illiback、everpave等,主要分析功能是性能評(píng)價(jià)和罩面設(shè)計(jì)。這與我國(guó)的情況有較大區(qū)別,據(jù)了解,我國(guó)絕大部分fwd用戶(hù)單位沒(méi)有配套的分析軟件,fwd也僅作為一種高精度的彎沉測(cè)量?jī)x器在使用,僅有少數(shù)研究性單位在進(jìn)行深入探討。 國(guó)內(nèi)外圍繞著fwd所開(kāi)展的研究主要包括: 更可靠的模量反演技術(shù)。通過(guò)對(duì)fwd所測(cè)彎沉盆數(shù)據(jù)的分析,反演路面結(jié)構(gòu)層的彈性模量。目前的重點(diǎn)和需要解決的問(wèn)題包括路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的模擬、反分析的適定性(存在性、*性、穩(wěn)定性)、反演結(jié)果的驗(yàn)證與應(yīng)用等。 與加速路面試驗(yàn)(apt)相結(jié)合的試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)路上進(jìn)行加速破壞試驗(yàn),路面結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置各種傳感器,測(cè)試應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、含水量等信息。在試驗(yàn)過(guò)程中,采用fwd進(jìn)行彎沉檢測(cè)、模量反演、性能評(píng)價(jià)及剩余壽命預(yù)測(cè)等試驗(yàn)和分析,并與荷載重復(fù)作用次數(shù)、應(yīng)力、應(yīng)變、表面破損等信息建立,從而修正fwd的性能評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)方法。 2.2 斷面測(cè)試(平整度與車(chē)轍)路面斷面測(cè)試主要用于計(jì)算兩個(gè)指標(biāo),平整度(縱斷面)和車(chē)轍(橫斷面)。其中平整度是評(píng)定路面質(zhì)量的重要指標(biāo),是道路使用者判斷道路好壞的直接依據(jù)。在20世紀(jì)70、80年代,平整度測(cè)量設(shè)備主要是水平儀、三米直尺等,測(cè)試精度低、速度慢,一般只能抽樣調(diào)查;到90年代初,檢測(cè)手段有一定的提高,如連續(xù)式平整度儀,但仍存在可重復(fù)性差、測(cè)試速度慢的缺點(diǎn)。而車(chē)轍的產(chǎn)生將對(duì)行車(chē)安全帶來(lái)重大影響,尤其是在雨后的高速公路上,常用的檢測(cè)設(shè)備是路面橫斷面儀和橫斷面尺。90年代中、后期,連續(xù)式激光斷面儀在我國(guó)逐漸得到應(yīng)用,是目前先進(jìn)的平整度和車(chē)轍檢測(cè)設(shè)備,正常測(cè)試速度為80km/h,并且同時(shí)還可以測(cè)量橫坡、縱坡、轉(zhuǎn)彎曲率等指標(biāo)[2],目前在國(guó)內(nèi)約有近20臺(tái)。 激光斷面儀的基本原理是:通過(guò)橫向分布的若干個(gè)(國(guó)內(nèi)通常為5~9個(gè))激光傳感器測(cè)試距離路面的高度,得到一個(gè)橫斷面,從而可以計(jì)算車(chē)轍;通過(guò)對(duì)應(yīng)于輪跡位置的激光傳感器測(cè)得距離路面的高度,隨著車(chē)輛的行駛可以得到路面縱向斷面,即可計(jì)算縱向平整度,其中車(chē)輛振動(dòng)帶來(lái)的影響通過(guò)加速度傳感器(對(duì)應(yīng)左右輪跡各一個(gè))記錄數(shù)據(jù)的兩次積分來(lái)扣除;慣性運(yùn)動(dòng)傳感器(1個(gè))可以反映水平縱向、水平橫向和豎向的角度。 圍繞激光斷面儀所展開(kāi)的研究主要是: 平整度測(cè)試的可重復(fù)性、可再現(xiàn)性研究。對(duì)同一個(gè)測(cè)試路段,采用同一個(gè)設(shè)備進(jìn)行多次測(cè)量,各次數(shù)據(jù)間的吻合性稱(chēng)為可重復(fù)性;對(duì)同一個(gè)測(cè)試路段,采用原理相同或類(lèi)似的不同設(shè)備進(jìn)行測(cè)量,數(shù)據(jù)間的吻合性稱(chēng)為可再現(xiàn)性。歐洲和美國(guó)均進(jìn)行過(guò)較大規(guī)模的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性研究,在其所使用的主流設(shè)備類(lèi)型和品牌之間建立了相關(guān)關(guān)系。目前在我國(guó)使用的激光斷面儀有多種品牌,有的一種品牌還有*代產(chǎn)品和第二代產(chǎn)品,這些設(shè)備已經(jīng)開(kāi)始大量使用,但由于尚沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的可再現(xiàn)性研究,不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)的可比性就不得而知。 2.4 路表破損采集路面表面破損率是路面養(yǎng)護(hù)決策的重要指標(biāo),也是群眾評(píng)價(jià)公路管理部門(mén)工作效率的直觀依據(jù)。我國(guó)各級(jí)公路管理部門(mén)對(duì)表面破損一向都比較重視,但該項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集工作是一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題,目前還主要依靠人工采集,除了主觀性大、效率低外,也存在很大的安全隱患,尤其在高速公路上。國(guó)內(nèi)少數(shù)單位在20世紀(jì)90年代中后期以來(lái)陸續(xù)引進(jìn)了路表破損數(shù)字圖像采集系統(tǒng),它的基本原理是采用車(chē)載式數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)連續(xù)高速采集路表的圖像,然后在室內(nèi)通過(guò)后處理軟件自動(dòng)處理與人工判讀相結(jié)合,識(shí)別、分類(lèi)與統(tǒng)計(jì)路表破損。 路表破損攝像系統(tǒng)極大地提高了工作效率,避免了高速公路人工破損調(diào)查的危險(xiǎn)性,隨著我國(guó)高速公路建設(shè)的快速發(fā)展,必將成為廣泛應(yīng)用的設(shè)備。由于市場(chǎng)需求的大量存在和進(jìn)口設(shè)備的價(jià)格居高不下,國(guó)內(nèi)有幾家研究單位開(kāi)始國(guó)產(chǎn)化的探索,并已有原型機(jī)問(wèn)世。 根據(jù)對(duì)該設(shè)備用戶(hù)的調(diào)查了解,路表破損攝像系統(tǒng)在使用中的不便之處主要是室內(nèi)后處理的工作量較大。由于現(xiàn)階段廠家提供的后處理軟件在圖像的自動(dòng)識(shí)別方面存在誤判、漏判及難以判定等現(xiàn)象,必須由人工來(lái)輔助處理,這種情況下工作人員所面臨的圖像數(shù)量是龐大的。針對(duì)這一問(wèn)題,該設(shè)備制造商和國(guó)內(nèi)的研制單位目前的工作重點(diǎn)是表面破損的自動(dòng)識(shí)別、歸類(lèi),并自動(dòng)輸出路面破損率(dr)、路面狀況指數(shù)(pci)等指標(biāo),生成路面破損表格。 路表三維激光可視化系統(tǒng)是一種新型的路表破損數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)采用激光傳感器(橫向4個(gè),縱向兩個(gè))隨著車(chē)輛的高速行駛,連續(xù)掃描一個(gè)車(chē)道,得到路表的三維可視圖,并實(shí)時(shí)處理,通過(guò)對(duì)該圖的分析,可得到裂縫、變形、松散及泛油等各種病害;同時(shí),還可以測(cè)試平整度和車(chē)轍。與數(shù)字圖像系統(tǒng)相比,激光三維可視化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是可以較好地反映變形類(lèi)破損,分析不受陰影的影響,采集數(shù)據(jù)度較高;缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大,硬件要求高,價(jià)格較高,約100萬(wàn)美元。目前該類(lèi)型的設(shè)備在上的用戶(hù)非常少,在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有用戶(hù)。 2.5 路面雷達(dá)測(cè)試路面雷達(dá)是利用電磁波在路面結(jié)構(gòu)層和路基中的傳播和反射,根據(jù)回波的傳播時(shí)間、波幅與波形,確定目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)。用于路面測(cè)試早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代,80年代后期在設(shè)備技術(shù)上和應(yīng)用水平上有很大的進(jìn)步。路面雷達(dá)的測(cè)試速度與采樣頻率直接相關(guān),通常約60km/h左右。目前國(guó)內(nèi)約有20臺(tái)路面雷達(dá),并且每年都在增加,這些設(shè)備的品牌不同,主要產(chǎn)于美國(guó)和歐洲,但測(cè)試原理基本相同??梢哉f(shuō),路面雷達(dá)為路面厚度測(cè)試、相對(duì)高含水區(qū)域檢測(cè)、結(jié)構(gòu)層完整性判定等提供了難以替代的手段。 目前的路面雷達(dá)在瀝青砼面層厚度檢測(cè)上的精度約為3%,在水泥砼面層厚度檢測(cè)上的精度約為5%;在結(jié)構(gòu)層完整性,如水泥砼板的脫空判定、橋面鋪裝的剝離等方面的研究仍有待于進(jìn)一步深化,由于實(shí)際情況往往難以客觀判定,往往采用不同的檢測(cè)方法來(lái)相互印證,例如用落錘式彎沉儀與路面雷達(dá)同時(shí)作脫空判定,用紅外熱成像儀和路面雷達(dá)同時(shí)作橋面鋪裝剝離判定,但這方面的國(guó)內(nèi)外研究成果較少,僅有的少數(shù)成果也多沒(méi)有得出相關(guān)性良好的結(jié)論。 路面雷達(dá)的應(yīng)用,除了雷達(dá)天線(xiàn)本身的精度外,后處理軟件也非常關(guān)鍵,可以說(shuō),設(shè)備提供了檢測(cè)的手段,而軟件決定了應(yīng)用的廣度和深度,應(yīng)當(dāng)引起國(guó)內(nèi)用戶(hù)足夠的重視。各雷達(dá)廠家都有配套的后處理軟件,另外也有一些專(zhuān)業(yè)性研究所開(kāi)發(fā)的更為專(zhuān)業(yè)的后處理軟件,尤其以美國(guó)和芬蘭的研究較深入。另外,根據(jù)雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)分析路面結(jié)構(gòu)的壓實(shí)度和含水量也是一個(gè)研究方向,目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有見(jiàn)到公開(kāi)發(fā)表的實(shí)際應(yīng)用情況的論文或報(bào)告。 3 數(shù)據(jù)分析與評(píng)價(jià)目前我國(guó)的公路科研和管理部門(mén)在綜合各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo),分析路面病害原因,評(píng)價(jià)其使用性能,并提出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施方面已經(jīng)建立了自己的體系。但近年來(lái)早期建設(shè)的道路開(kāi)始進(jìn)入了大中修或改建的高峰期,新建高速公路的一些路段也出現(xiàn)了早期損壞;與此同時(shí),新型檢測(cè)設(shè)備不斷涌現(xiàn),提供了更豐富、更的信息。因此,如何更好地利用自動(dòng)化的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和分析方法,評(píng)價(jià)路面使用性能,深入分析病害產(chǎn)生的原因,以提出經(jīng)濟(jì)上優(yōu)化、技術(shù)上合理可行的維修方案,對(duì)于創(chuàng)造更好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益是至關(guān)重要的。美國(guó)、加拿大、芬蘭、荷蘭等國(guó)在這方面的研究較為成熟,已開(kāi)發(fā)了一批專(zhuān)家系統(tǒng)軟件,并結(jié)合路面使用性能退化機(jī)理、力學(xué)分析、壽命周期費(fèi)用分析等理論,建立了集病害原因分析的力學(xué)~經(jīng)驗(yàn)方法、基于經(jīng)濟(jì)分析的路面養(yǎng)護(hù)及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法為一體的系統(tǒng)化的分析理論。而在我國(guó),目前大多數(shù)自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備的用戶(hù)尚停留在簡(jiǎn)單使用的層次上,僅有個(gè)別單位在進(jìn)行相互獨(dú)立的研究。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是: 1 大部分用戶(hù)單位科研力量較弱; 2 自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備價(jià)格昂貴,很多科研單位限于資金問(wèn)題尚沒(méi)有購(gòu)買(mǎi),或僅有一、兩種; 3 科研單位的研究成果在系統(tǒng)化、集成化和市場(chǎng)化上不夠,因此難以推廣。隨著我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)的日新月異,以及公路管理機(jī)制、科研單位體制的改革,對(duì)公路養(yǎng)護(hù)管理水平,科研單位的科技、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的要求越來(lái)越高,相信這種情況將很快出現(xiàn)變化。 4 小結(jié)道路檢測(cè)技術(shù)的總體趨勢(shì)是:由人工檢測(cè)向自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)發(fā)展,由破損類(lèi)檢測(cè)向無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展,由低速度、低精度向高速度、高精度發(fā)展。近幾年,自動(dòng)化路面無(wú)損檢測(cè)設(shè)備在中國(guó)越來(lái)越多,這與我們的公路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展是相對(duì)應(yīng)的。與此對(duì)應(yīng)的,圍繞自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備所開(kāi)展的研究也將在深度和綜合性上得到加強(qiáng)??梢哉J(rèn)為,道路無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及路面使用性能評(píng)價(jià)在中國(guó)的發(fā)展方向?yàn)椋?/p> 1)測(cè)試設(shè)備的需求量越來(lái)越大,用戶(hù)越來(lái)越多,并逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)組裝及國(guó)產(chǎn)化; 2)圍繞測(cè)試技術(shù)所展開(kāi)的研究逐步深化,并通過(guò)相關(guān)軟件的市場(chǎng)化來(lái)推廣; 3)集成多種設(shè)備檢測(cè)結(jié)果的路面使用性能評(píng)價(jià)與病害原因分析、養(yǎng)護(hù)與改建措施的專(zhuān)家系統(tǒng)的應(yīng)用,或直接集成到路面管理系統(tǒng)中。
1. 梁新政. 柔性路面結(jié)構(gòu)層應(yīng)力非線(xiàn)性反演研究. 大連理工大學(xué)博士論文.2000年7月 2. 王鐵兵,王成竹. rspii路面檢測(cè)車(chē)系統(tǒng)在路面平整度檢測(cè)中的應(yīng)用. 東北公路. 2001年第三期 3. dar-hao chen. study of rut-depth measurements. transportation research board 80th annual meeting. january 7-11,2001. washington, d.c 4. 劉清泉. 路面抗滑能力測(cè)量. 公路交通科技,1993年。 | |
郵箱:bjhoyq@163.com
傳真:010-67051434
地址:北京市朝陽(yáng)區(qū)高碑店鄉(xiāng)北花園村6號(hào)(近韓國(guó)慕色攝影)