公路检测仪器技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

公路路面自动检测系统包括：数据采集、数据处理、数据库管理、承载车和附属装置等部分。数据采集部分指利用摄像机、测距仪等数据采集装置，快速准确地完成路面车辙、裂缝、平整度等路面特征信息的获取功能。对路面裂缝类病害进行检测时，大多数系统根据采集到的二维图像信息进行判断。其缺点是采样信息不可靠，不容易区分路面灰尘、污水、油渍等信息，误判率较大。

虽然我国在公路路面自动检测系统这一领域已经取得很大进展，但国内研制的系统和国外同类产品相比，还存在着技术较落后、精度较差等缺点。

我国高速公路的通车里程已居世界第二，但相应的公路路面检测技术还很落后，实际使用的检测仪器大部分沿用几十年前开发的人工或低速的检测技术，如3 m直尺、八轮式平整度仪（时速仅5 km/h）、横断面尺等，不仅费时费力，而且影响正常交通，尽管近年发展了一些较高速的车载检测仪器如颠簸累积仪、激光平整度仪等，但大多数仪器功能单一。

路面是公路的重要组成部分，其使用性能直接关系到道路为用户提供的舒适性、安全性、快捷性等服务的水平，关系到道路本身的使用寿命。因此，必须加强对路面的养护管理，确保提供可接受的服务水平。自20世纪60、70年代以来，许多国家都陆续建立了较为完善的道路养护管理系统，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：大量的设备在使用时费时、费力、对交通影响大，有些还要破坏路面结构的完整性，而且数据的精度也难以得到保证。为此，各国针对道路检测技术开展了深入研究，并且随着计算机技术、自动化控制技术、高精度测微技术的进步，在最近的20年里有突破的进展。我国从20世纪80年代后期开始，通过设备与技术引进和自主开发，在路面检测方面也有了巨大的发展。

随着现代光学技术、计算机技术和传感技术的发展，出现了基于激光测距和数字图像处理的多功能路面智能检测车，具有测试精度高、人为因素少、不影响交通等优点，并逐渐在路面检测中得到越来越多的应用。

第二节 产品工艺特点或流程

1、水准仪

水准仪是水准测量的主要仪器。水准仪按其精度等级划分情况。

图表  常用水准仪系列及精度

表中，DS分别为“大地”和“水准仪”的汉字拼音第一个字母，其下标05、1、3等数字表示该型号仪器的精度。通常在书写时省略字母“D”。S3型水准仪称为普通水准仪，用于国家三、四等水准仪测量及一般工程水准测量；S05型和S1型水准仪称为精密水准仪，用于国家一、二等水准测量及其精密水准测量。

水准仪的主要功能是测量两点间的高差h，它不能直接测量待定点的高程H；另外，利用视距测量原理，它还可以测量两点间的水平距离D。

2、经纬仪

图表  我国光学经纬仪按其精度等级划分情况

表中，DJ分别为“大地测量”和“经纬仪”的汉字拼音第一个字母，其下标07、1、2、6分别表示该仪器一测回方向观测中误差的秒数。通常在书写时省略字母“D”。J07、J1和J2型经纬仪属于精密经纬仪，J6型经纬仪属于普通经纬仪。

经纬仪的主要功能是测量两个方向之间的水平夹角β；其次，它还可以测量竖直角α；辅助水准尺，利用视距测量原理，它还可以测量两点间的水平距离D和高差h。

3、光电测距仪

按测定传播时间的方式不同，测距仪分为相位式测距仪和脉冲式测距仪两种；按测程大小可分为远程、中程和短程测距仪三种，如表所示。目前，工程测量中使用较多的是相位式短程光电测距仪。

图表  光电测距仪的种类

注：1 ppm=10-6

光电测距仪的主要功能是测量两点间的斜距D’；如果通过经纬仪观测竖直角α，光电测距仪还可测量出两点间的水平距离D。由于光电测距仪只能测量距离，功能单一，因此，目前在建设工程测量中，已逐渐被功能强大的全站仪所替代。

4、全站仪

图表  全站仪的发展历程

目前，全站仪分为积木式全站仪和整体式全站仪两类。20世纪90年代以来，基本上都发展为整体式全站仪。随着计算机技术的不断发展与应用以及用户的特殊要求和其他工业技术的应用，全站仪出现了一个新发展时期，出现了带内存、防水型、防爆型、电脑型、免棱镜型等类型的全站仪，使得全站仪在测绘工程领域发挥着越来越重要的作用。目前，由于微电子技术的发展，使新一代的全站仪不论在外形、结构、体积和质量等方面，还是在功能、精度和效率方面，都有惊人的进步。

全站仪的主要精度指标是测距标准差mD 和测角标准差mβ。对于光电测距标准差mD，其精度等级分级情况见表。

图表  光电测距的精度等级

在全站仪设计中，对测距精度与测角精度的搭配一般遵循“等影响”原则，即在D=1km距离上要求。因此，目前对全站仪的准确度作4个档次的划分。

图表  全站仪的等级划分

全站仪的功能是全站仪的测站上一经观测，必要的观测数据如斜距、天顶距（竖直角）、水平角等均能自动显示，而且几乎是在同一瞬间内得到平距、高差、点的坐标和高程。如果通过传输接口把全站仪野外采集的数据终端与计算机、绘图机连接起来，配以数据处理软件和绘图软件，即可实现测图的自动化。

5、落锤式弯沉仪

落锤式弯沉仪通过计算机系统控制下的液压系统启动落锤装置，使一定质量的落锤从一定高度自由落下，冲击力作用于承载板上并传递到路面，从而对路面施加脉冲荷载，导致路面表面产生瞬时变形，分布于距测点不同距离的传感器检测结构层表面的变形，记录系统将信号传输至计算机，即测定在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盆。测试数据可用于反算路面结构层模量，从而比较科学地评价路面的承载能力。

我国现行的路面弯沉常规检测手段采用的是贝克曼梁法，基本原理是杠杆原理。在规定的标准轴载作用下，路基或路面表面轮隙位置产生的垂直变形值（回弹弯沉），利用黄河载重汽车加载，人工读取百分表的读数，以此来测量路基或路面表面的回弹弯沉值。

利用FWD能够快速、准确地检测和评价路面各结构层或路基的强度，在施工过程中通过逐层检测和结构层的模量反算可及时发现质量隐患，并迅速采取处理措施，从而在根本上控制了工程质量。

6、激光断面仪

激光断面仪的基本原理是：通过横向分布的若干个（国内通常为5～9个）激光传感器测试距离路面的高度，得到一个横断面，从而可以计算车辙；通过对应于轮迹位置的激光传感器测得距离路面的高度，随着车辆的行驶可以得到路面纵向断面，即可计算纵向平整度，其中车辆振动带来的影响通过加速度传感器（对应左右轮迹各一个）记录数据的两次积分来扣除；惯性运动传感器（1个）可以反映水平纵向、水平横向和竖向的角度。

7、路面雷达

路面雷达是利用电磁波在路面结构层和路基中的传播和反射，根据回波的传播时间、波幅与波形，确定目标体的空间位置或结构。用于路面测试，最早出现于20世纪70年代，80年代后期在设备技术上和应用水平上有很大的进步。路面雷达的测试速度与采样频率直接相关，通常约60km/h左右。可以说，路面雷达为路面厚度测试、相对高含水区域检测、结构层完整性判定等提供了难以替代的手段。目前的路面雷达在沥青砼面层厚度检测上的精度约为3%，在水泥砼面层厚度检测上的精度约为5%；在结构层完整性，如水泥砼板的脱空判定、桥面铺装的剥离等方面的研究仍有待于进一步深化，由于实际情况往往难以客观判定，往往采用不同的检测方法来相互印证。

第三节 国内外技术未来发展趋势分析

随着我国高速公路里程数的逐年增长，及时准确地检测公路的使用状况，充分节约养护资金，对高速公路实现科学的管理已越来越受到人们的重视。我国路基路面验收和检测的重要标准是弯沉值，然而用传统的贝克曼梁测量其现有弯沉值，计算参数受主观因素影响和室内实验条件的限制比较大，影响了弯沉检测效果。路面无破损检测技术的研究和开发在国内外受到日益广泛的重视。

经过20年的努力，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。公路路面自动检测技术水平的提高将极大地提升我国公路特别是高速公路的现代化水平。

图表  国内外代表产品采用的技术

公路路面质量的自动化检测是利用高科技程度较为显著的一方面，激光、超声波和雷达的高速无损探测、计算机自动化分析和控制，以及GPS卫星定位等均是目前和未来采用的热门检测技术手段。

国内外公路路面快速检测系统的发展趋势是随着各类相关技术的不短发展，向智能化、快速化的方向发展。在能实现基本功能的基础上进行速度检测、精度检测和系统成本化。