水泥混凝土路面板底脫空識別機器人及其連續識別方法與流程

本發明屬于公路交通技術領域，涉及一種水泥混凝土路面檢測技術，具體涉及一種水泥混凝土路面板底脫空連續識別機器人及其連續識別方法。

背景技術：

路面板底脫空是舊水泥混凝土路面常見的破壞形式之一，出現這一問題的原因主要有：路面板底材料的塑性變形、雨水的沖刷和泵吸、結構設計中的薄弱環節和養護維修不及時等。當路面板底部出現脫空現象時，水泥混凝土路面受力模式將發生改變，特別是當路面板角處底部發生脫空時，處于脫空位置的路面板近似于懸臂板，在車輛荷載的作用下脫空位置的邊緣處會產生較大的集中應力，板角處則會產生過大的撓度，反復荷載作用將導致路面出現斷板、斷角等病害。

為了準確地確定路面工作狀況，以決定哪些路段的路面在什么時間需要采取合理的維護措施，這就需要對混凝土路面的使用性能進行科學的檢測和準確的識別，并采取行之有效的處治措施；及時將路面板進行修復，防止病害進一步的擴展，以減少人力物力和資源的浪費。在諸多早期公路病害中路面板底脫空造成的危害是最為嚴重的。因此，如何在早期公路檢測技術和方法中開發出一套準確率高，識別效果好的脫空識別方法，并開發經濟有效的處治材料及技術是現在迫切需要解決的問題。

目前路面板下脫空檢測方法眾多，各種方法建立所依據的原理不盡相同，已用于現場檢測評定的方法主要分為三大類，彎沉判別類：地基剛度比較判別法、彎沉盆反演評定法；路用探地雷達類：二維或三維探地雷達；聲波類：超聲波、瑞利面波法、振動特征分析法、聲效法。

從對板底脫空檢測的調研來看，幾種檢測方法主要存在如下問題：

(1)彎沉法檢測費時費力，檢測精度低，反演算法受路面材料性能的影響較大，并且檢測代表性差，并不適用于項目級的道路檢測；

(2)探地雷達的頻率和檢測深度互相制約，檢測圖譜判讀困難；受介質介電常數的影響較大，尤其是在有水的條件下，檢測的精度將極大降低，檢測設備昂貴，尤其是對不同深度、路面結構的檢測一般需要配合多個頻段的天線才能有效檢測。

目前規范中沒有對結構脫空檢測的有關規定，單一檢測方法不能準確的判斷道路結構層連續情況，因此有人采用通過使用地質雷達與落錘式彎沉儀兩種檢測方法同時檢測，然后再由人為主觀進行綜合判斷。從檢測速度上分析，采用落錘式彎沉儀是5km/h，從人力角度分析，落錘式彎沉儀至少需要3人，地質雷達至少需要2人，檢測共需5人，綜合以上方面的支出，落錘式彎沉儀與地質雷達聯合檢測的費用開支是：落錘式彎沉儀單車道每200米檢測80～120個點，每點費用大約為50元，由此可知單車道每公里檢測400～600個點，費用為2000～3000元每公里，地質雷達1000元每公里，合計3000～4000元每公里。因此說，無論從人力使用成本還是檢測費用都是相當高的。

技術實現要素：

為了克服現有技術存在的缺點與不足，本發明的目的是提供一種水泥混凝土路面板底脫空連續識別機器人及其連續識別方法，通過現場檢測路面振動聲波特征和室內有限元模型計算結果，利用BP神經網絡建立的水泥路面脫空振動聲波特征數據庫，通過現場檢測路面聲波特征并結合數據庫結果，確定水泥路面脫空狀態，實現路面脫空狀態準確、自動識別，解決了現有水泥混凝土路面檢測技術存在的上述問題。

本發明公開了一種水泥混凝土路面板底脫空識別機器人，其包括一臺檢測牽引車，以及在檢測牽引車上設置的計算機控制系統，在檢測牽引車下方分別裝有由計算機控制系統控制的連續敲擊裝置、專用麥克風和位置定位器。

本發明所述的水泥混凝土路面板底脫空識別機器人，其特征還在于，

所述的計算機控制系統設有噪聲濾波單元、信號放大單元、模數轉換單元、信號儲存單元、有限元模擬分析單元。

所述的連續敲擊裝置由檢測牽引車拖動行走，并以一定的質量使路面板發生振動和聲音。

所述路面振動聲波特征為聲波頻率和聲強。

本發明還公開了一種基于水泥混凝土路面板底脫空識別機器人的連續識別方法，所述連續識別方法是：

(1)在測試路段的行車道路面上，采用連續敲擊裝置對測試路面進行連續敲擊；

(2)采用專用麥克風收集被敲擊水泥混凝土路面板的聲波信號，利用計算機控制系統的各個軟件單元對信號進行分析處理，獲取路面振動聲波特征參數；

(3)通過有限元模擬分析單元軟件，考慮不同溫度梯度下水泥混凝土板的翹曲，以及不同三維脫空狀態，建立水泥混凝土路面三維有限元模型，模擬計算得到各種復雜工況條件下的聲波時域圖，再利用軟件進行分析處理，獲取振動聲波特征參數，并建立水泥路面不同脫空和翹曲狀態下路面板振動聲波特征數據庫。

(4)利用BP神經網絡和有限元模擬分析單元得到的聲波特征參數進行訓練，再利用現場獲取的振動聲波特征參數進行識別驗證。

(5)現場檢測路面聲波特征并利用BP神經元網絡的智能篩選，確定水泥路面脫空狀態，實現基于人工智能的水泥混凝土路面板底脫空狀態準確、自動識別。

本發明所述路面板底脫空識別機器人的連續識別方法，其特征還在于：

所述路面脫空狀態包括路面脫空所處平面位置、層位、區域大小、區域連通性狀態。

本發明通過開發基于聲波法的水泥混凝土路面板底脫空識別機器人及其連續識別方法，采用數值模擬計算不同脫空工況的聲波特征并結合人工智能實現脫空狀況自動識別，能有效提高水泥路面脫空檢測速度，較為精確地確定脫空的尺寸、嚴重程度以及脫空體積大小等，為脫空壓漿處治提供了有效依據。

由于本發明水泥混凝土路面板底脫空連續識別機器人檢測速度得到明顯提高，檢測費用上每百公里可節約25～35萬元。因此在檢測速度、耗費人力物力財力等方面，采用本發明的水泥混凝土路面板底脫空連續識別方法檢測路面脫空比地質雷達與落錘式彎沉儀兩種檢測方法更具有經濟效益和社會效益，隨著舊水泥混凝土路面通車年限的逐年增加，需要養護的水泥路面越來越多，省內外市場需求量越來越大，本發明產業化發展前景樂觀，市場前景廣闊。

附圖說明

圖1是本發明水泥混凝土路面板底脫空識別機器人結構示意圖；

圖2是本發明水泥混凝土路面板底脫空識別機器人工作流程圖；

圖3是本發明水泥混凝土路面板底脫空識別機器人連續識別方法自動脫空判斷流程圖。

圖中，1.檢測牽引車，2.連續敲擊裝置，3.專用麥克風，4.位置定位器，5.計算機控制系統，6.水泥混凝土路面板，7.噪聲濾波單元，8.信號放大單元，9.模數轉換單元，10.信號儲存單元，11.有限元模擬分析單元。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

一種水泥混凝土路面板底脫空識別機器人，如圖1所示，其包括一臺檢測牽引車1，以及在檢測牽引車1上設置的計算機控制系統5，在所述檢測牽引車1下方分別裝有由計算機控制系統5控制的連續敲擊裝置2、專用麥克風3和位置定位器4；連續敲擊裝2由檢測牽引車1拖動行走，并以一定的質量使路面板發生振動和聲音；本發明的路面振動聲波特征為聲波頻率和聲強。

如圖2所示，本發明的計算機控制系統5設有噪聲濾波單元7、信號放大單元8、模數轉換單元9、信號儲存單元10、有限元模擬分析單元11。

實施例

以下結合實施例進一步闡述本發明，但并不限制本發明的內容。

實施例為某市轄區的1條鋪裝層為水泥混凝土路面的一級公路，選擇其中的10公里對其行車道和快車道分別進行檢測。

實施步驟包括：

1)首先啟動檢測牽引車1及計算機控制系統5，并通過檢測牽引車1帶動連續敲擊裝置2在行進過程中對位置定位器4定位的測試路面的行車道進行連續敲擊；如圖3所示，在連續敲擊裝置2進行連續敲擊的過程中，由于專用麥克風3能夠充分有效地拾取路面振動聲波信號，通過專用麥克風3收集到被敲擊水泥混凝土路面板11的聲波信號，傳送給計算機控制系統5對聲波信號進行分析處理，獲取路面振動聲波特征參數，聲波參數如表1所示。

表1路面振動聲波特征及實際開挖后路面表現

2)通過有限元模擬分析單元11軟件，考慮不同溫度梯度下水泥混凝土板的翹曲，以及不同三維脫空狀態，建立水泥混凝土路面三維有限元模型，模擬計算得到各種復雜工況條件下的聲波時域圖，再利用軟件進行分析處理，獲取振動聲波特征參數，并建立水泥路面不同脫空和翹曲狀態下路面板振動聲波特征數據庫。

3)利用BP神經網絡和有限元模擬分析得到的聲波特征參數進行訓練，再利用現場獲取的振動聲波特征參數進行識別驗證。

4)現場檢測路面聲波特征并利用BP神經元網絡的智能篩選，確定水泥路面脫空狀態等，實現基于人工智能的水泥混凝土路面板底脫空狀態準確、自動識別。

5)對超車道采用聲波檢測法現場檢測其聲波特征，結合數據庫結果，確定出水泥混凝土路面脫空所處平面位置、層位、區域大小等。

上述實施例為本發明在現有條件下最佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍內。