第一節(jié) 公路檢測(cè)儀器市場(chǎng)現(xiàn)狀 分析 及預(yù)測(cè)
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,在最近的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。
1、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。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在國(guó)際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)。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,第一代產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世,精度適合于路網(wǎng)普查。rwd的最大優(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,用戶很少。在美國(guó),擁有fwd的用戶絕大部分都配套使用 分析 軟件,最常用的為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、唯一性、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聯(lián)系,從而修正fwd的性能評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)方法。
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,是目前最先進(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),目前在國(guó)內(nèi)約有近30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,有的一種品牌還有第一代產(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。激光傳感器個(gè)數(shù)和車(chē)轍測(cè)試精度的關(guān)系。由于激光斷面儀是一種離散的車(chē)轍檢測(cè)設(shè)備,通常用若干個(gè)點(diǎn)的連線來(lái)代表橫斷面,同時(shí),其測(cè)試寬度小于一個(gè)車(chē)道的寬度。因此,它所反映的道路橫斷面是近似的,由此所計(jì)算的車(chē)轍也必然是近似的。美國(guó)的ltpp項(xiàng)目認(rèn)為沿橫向分布3個(gè)傳感器的斷面儀不能用于車(chē)轍測(cè)量,配置5個(gè)傳感器后測(cè)試結(jié)果仍與橫向連續(xù)測(cè)試的結(jié)果有較大差異,但相關(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)為80%,建議在修正后用于路網(wǎng)普查;美國(guó)得州運(yùn)輸部的 研究 表明,5個(gè)傳感器的測(cè)試結(jié)果約為連續(xù)測(cè)量結(jié)果的80%,并推薦橫向每100mm配置一個(gè)傳感器,這樣精度可以達(dá)到95%。由于激光傳感器價(jià)格昂貴,橫向每100mm配置一個(gè)是不經(jīng)濟(jì)的。目前在加拿大出現(xiàn)了兩種不同的車(chē)轍檢測(cè)設(shè)備,可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題:一種是在輪跡處仍采用激光傳感器測(cè)試平整度,而其它位置采用密布超聲波傳感器代替激光傳感器,由于超聲波傳感器的價(jià)格只有激光傳感器的幾十分之一,雖然單個(gè)傳感器的測(cè)試精度有所降低,但用于繪制橫斷面和計(jì)算車(chē)轍是足夠精確和經(jīng)濟(jì)的;另一種是用兩個(gè)激光束接發(fā)器發(fā)射激光束,橫向連續(xù)覆蓋整個(gè)車(chē)道,因此精度是相當(dāng)高的。兩種設(shè)備在配置完整的情況下均可以同時(shí)高速采集平整度數(shù)據(jù)。
3、目前車(chē)載或車(chē)牽引的高速自動(dòng)化路面抗滑能力測(cè)試設(shè)備主要有三種:橫向力系數(shù)測(cè)試儀、剎車(chē)式摩擦系數(shù)測(cè)試儀、不完全剎車(chē)式摩擦系數(shù)測(cè)試儀。橫向力系數(shù)測(cè)試儀是在我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的自動(dòng)摩擦系數(shù)儀,20世紀(jì)90年代中期實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化[4]。該設(shè)備的基本原理是設(shè)定試驗(yàn)輪與行車(chē)方向成一定角度,以便產(chǎn)生一個(gè)同試驗(yàn)輪平面垂直的橫向力,該橫向力與試驗(yàn)輪對(duì)路面荷載的比值即為橫向力系數(shù),橫向力系數(shù)反映的是車(chē)輛在路面上側(cè)滑的危險(xiǎn)性,正常測(cè)試速度約50km/h;剎車(chē)式摩擦系數(shù)測(cè)試儀是在行駛的過(guò)程中,每間隔指定的距離自動(dòng)對(duì)測(cè)試輪剎車(chē),剎車(chē)期間測(cè)試輪在路面上滑動(dòng),根據(jù)傳感器所記錄的力,即可計(jì)算制動(dòng)力系數(shù)。該設(shè)備在美國(guó)是抗滑能力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之一,測(cè)試速度最高可以達(dá)到110km/h;不完全剎車(chē)式摩擦系數(shù)測(cè)試儀的測(cè)試輪和行駛輪之間用不等直徑的同軸齒輪和鏈條連接,使得測(cè)試輪的滾動(dòng)線速度小于行駛輪的滾動(dòng)線速度,在正常測(cè)試時(shí)呈現(xiàn)連滾帶滑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),根據(jù)力傳感器記錄的數(shù)據(jù)即可計(jì)算路面摩擦系數(shù)。該設(shè)備在路面上的測(cè)試速度為50km/h左右,在歐洲應(yīng)用較多,尤其在機(jī)場(chǎng)道面的抗滑能力測(cè)試方面。我國(guó)目前在路面抗滑能力測(cè)試方面仍主要采用擺式摩擦系數(shù)儀,進(jìn)口的和國(guó)產(chǎn)的都有;橫向力系數(shù)儀已逐漸擁有了相當(dāng)多的用戶;剎車(chē)式和不完全剎車(chē)式摩擦系數(shù)測(cè)試儀目前僅有極少數(shù)用戶。很明顯地,擺式摩擦系數(shù)儀已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)我國(guó)高速公路建設(shè)的需要,一方面該測(cè)試方法對(duì)交通的影響較大,存在不安全因素,另一方面它不能較好地反映路面的宏觀紋理構(gòu)造對(duì)摩擦系數(shù)的影響,而宏觀紋理構(gòu)造是高速公路路面抗滑能力的決定因素。因此,應(yīng)當(dāng)大力推廣自動(dòng)化的抗滑能力測(cè)試儀在中國(guó)的應(yīng)用。
4、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)試最早出現(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。可以說(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。
5、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)工作效率的最直觀依據(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)精確度較高;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)備在國(guó)際上的用戶非常少,在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有用戶。
道路檢測(cè)技術(shù)的總體未來(lái)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。最近幾年,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)。
第二節(jié) 公路檢測(cè)儀器產(chǎn)品產(chǎn)量 分析 及預(yù)測(cè)
圖表 2003-2010年我國(guó)公路檢測(cè)儀器產(chǎn)品產(chǎn)量 分析 及預(yù)測(cè)表
單位:億元
年份 | 產(chǎn)品產(chǎn)值 | 增幅 |
---|---|---|
2003年 | 25.6 | —— |
2004年 | 30.2 | 18% |
2005年 | 36.6 | 21% |
2006年 | 45.8 | 25% |
2007年 | 58.6 | 28% |
2008年e | 73.7 | 26% |
2009年e | 92.1 | 25% |
2010年e | 111 | 20% |
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