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——高速移动式弯沉检测技术与装备研发创新纪实
发布日期:2014/12/22


依靠科技创新,弯沉检测速度得以大幅度提高,降低了检测成本,以满足不断增长的路网弯沉检测需求

安装在载荷车辆上的多个激光多普勒传感器同步测出不同测点的弯沉变形速度,再通过数学模型测算出弯沉值

开栏的话

    创新的脚步从未停止。继2013年确立十个重点研发方向后,针对制约交通运输行业转型发展的技术瓶颈,2014年年初,部科技司持续发力,确立了年度交通科技重点推进方向(详见本报2014年2月28日“智慧交通”版)。时至年末,这些重点推进方向进展如何,取得了哪些成果,解决了哪些问题?即日起,本报将开设“聚焦2014交通科技重点推进方向”栏目,和您共同分享年度创新盛宴。


    弯沉值,评价路面承载能力的综合性指标。这项指标不合格则意味着道路强度不够和寿命缩短,遇到重车碾压甚至可能危及道路交通安全,其重要性绝对不可忽视。但一直以来,这项关键指标的检测方式和检测效率经常被道路业主、施工人员及交通参与者诟病。当路面平整度、车辙、抗滑等性能都可以实现高速检测时,弯沉的检测速度还停留在最高每小时3~5公里,这么低的检测速度在高速公路上无疑存在重大安全隐患,必须依靠科技创新提升弯沉检测速度,以满足我国不断增长的路网弯沉检测需求。


    为此,“高速移动式弯沉检测技术与装备研发”被列入“十二五”交通运输重大科技专项“新一代公路基础设施维护关键技术、重大装备与示范(一期)”之中,还成为2014年交通运输科技十大重点推进方向之一。2014年12月3日,该课题成果在京通过鉴定,该课题成功研制出高速移动式弯沉检测系统实体装备,可以以最高每小时接近100公里的速度对公路进行弯沉检测,检测速度实现了质的飞跃,鉴定专家一致认为该项成果已经达到国内领先水平。

背景
    弯沉检测急需“加速度”


    “交工验收、竣工验收、日常养护,路面弯沉都是必须检测的重要项目。但因为传统方式检测效率低下,使得弯沉检测要耗费巨大的人力和物力,成为各个业主单位头疼的事。”该项目负责人、交通运输部公路科学研究院高级工程师侯君辉告诉记者,路面弯沉值不仅反映路面各结构层基础的强度和刚度,而且与路面的使用性能、预期寿命都存在一定的内在联系。道路建设工程竣(交工)工验收时,路面弯沉作为一项重要的检测指标,反映了路面的整体强度。在路面工程分项工程的质量评价中,高速公路和一级公路的弯沉指标如不能达到规范要求,该分项工程不能达到优良。道路在运营过程中,其强度会逐渐衰减,养护管理人员必须准确掌握路面弯沉的变化规律并能正确测量路面弯沉,才能给出科学的养护决策。
    据介绍,传统的路面弯沉检测方式主要有人工贝克曼梁式、拖车落锤仪和连续自动弯沉仪,这几种方式都有效率低、工作量大、不安全等缺点。如贝克曼梁式弯沉仪在工作时至少需要9名工作人员同时协作。由于是人工测量,所以车型、轴载、轮压、气候、人员素质等多种因素都会影响测量结果。而且该方式测量弯沉效率很低且极其辛苦。采用贝克曼梁方式进行路面强度检测,一天只能检测公路单幅20到30公里,测量人员经常感叹:“工程有多长,人就要走多远。”
    相比贝克曼梁式弯沉检测,车载落锤式路面弯沉仪自动化程度有所进步,检测速度可达到每小时3到5公里,但效率依然不高。其原理是用重锤落下一定高度冲击路面,使路面产生瞬间变形,然后进行测量。实际操作中,检测车每到一个测量点,都要停下再用重锤对路面进行不少于3次的冲击,而且其测试结果的可靠性与权威性尚无行业规范约束,主要用于路面弯沉的抽样调研检测。
    连续式自动弯沉仪实现了贝克曼梁方式的自动化作业,大大减少了检测作业的劳动强度,减少了协同工作人员的数量。但是其低于6公里/小时的检测速度,依然是道路检测的瓶颈。
    据了解,以上传统的弯沉静态或者低速测量对正常交通的影响日益突出,同时会给高速公路交通安全带来巨大的交通隐患。该项目组一位技术负责人告诉记者,国内已经发生过多起因测量路面弯沉速度太慢造成的人员伤亡事故。部分地区为了保证测试过程中的安全,采取封闭车道的措施,又会给正常的交通出行带来严重影响。所以弯沉检测急需“加快速度”。


    创新
    高速行驶 瞬间捕获


    “该设备的技术难点在于如何让检测装置,在车辆高速行驶的状态下,瞬间捕获路面的变形状态,从而获得弯沉值。”侯君辉介绍说,项目组2011年承接该项目时,丹麦已经研制出同类设备,但价格高昂,且技术保密。所以通过该项目研制出适合国内使用且价格合理的高速弯沉检测设备是该项目的首要目标。
    在研发过程中,项目组遇到的关键技术难题就是速度。侯君辉举例说,用相机拍摄高速运动的物体,画面会变“虚”。同样,用高速运动的设备来检测路面,也会遇到“虚”的问题。高速行驶的车辆和外界环境会给检测带来各种干扰因素,其中最大的干扰因素来自车辆本身。车辆行驶对路面产生的变形量是以百分之一毫米为单位的微小变形,但车辆如果以每小时70公里以上的速度行驶,其自身产生的震动却是几厘米甚至几十厘米,如何从这些高出有效信号3到4个数量级的干扰信号中,高精度地提取有效信号,成为此次研发成败的关键。为了解决这个问题,项目组采取了通过测量路面变形速度计算路面弯沉的技术路线,即检测设备在高速行驶过程中,后轴荷载(10吨)对路面突然施压,使得路面产生向下的变形速度,由安装在载荷车辆上的多个激光多普勒传感器同步测出不同测点的弯沉变形速度,再通过弹性力学的数学模型,反演出相应测点的最大弯沉值,解决了“虚”的问题。
    其次,项目组通过在车辆上加装了刚性梁,再在刚性梁上安装激光传感器,来减少车辆自身震动的干扰。当车辆高速行驶时,刚性梁本身不产生变形,安装在上面的传感器各司其职,可以分别测出车辆本身震动产生的变形以及该变形与路面变形之和,再进行差分,就可以得出路面变形,使得干扰因素产生的误差变成了系统误差,从而保证了设备测量的准确度。
    另外,该项目在实施过程中,从机械设计、加工电路、算法、修正逻辑等各个环节进行了系统的方案设计和基础试验,确保了有效信号的准确获取,如采取可移动式承载检测机构设计。在装备标定的过程中,通过移动自身位置,降低了环境引入误差,提高了标定准确度,确保结果可靠。如采用车辆荷载可调节结构设计,减小车辆荷载对标定结果的影响。
    为了验证该装备检测的准确度的稳定性,项目组进行了多项试验。一是重复性试验,即在固定速度下对固定路段进行多次测试,看检测结果是否一致。二是速度变异性试验,看设备在不同速度下测量的结果是否一致。三是相关性试验,看该设备与贝克曼梁弯沉仪测试值的相关性如何。试验结果显示,该装备测试路面弯沉数据的准确度不低于0.01毫米,与贝克曼梁弯沉仪的检测结果具有一致性,速度变异系数不大于5%,重复性变异系数不大于4%。成果鉴定会上,一位业内路面检测专家告诉记者:“这些试验结果可以说明,项目研发的设备已经可以投入实际应用,替代传统的贝克曼梁式弯沉仪,实现弯沉的高速检测。”


    推广
    弯沉检测从路段到路网


    “我单位于2014年5月29日对海滨高速公路天津段路面弯沉进行现场检测。本次检测项目采用了交通运输部公路科学研究院最新研制的高速激光弯沉仪,将原本需要至少2到3天的业务工作,在短短的1小时内顺利完成。”天津市政公路工程质量监督站在《用户使用意见》中,对该设备给予了高度评价。记者了解到,该设备已经在多条高速公路得到试用,累计里程超过了1000公里。在《用户使用意见》上可以看到,由于弯沉检测效率得到数十倍的提升,设备操作简单,检测结果准确度高,很多业主单位对该设备不乏溢美之词。
    “该项目的重要意义在于把弯沉检测从路段级别提升到路网级别。”一位业内专家表示,截至2014年年初,我国高速公路已经达到10.44万公里,依靠传统的检测设备和方式,很难对如此庞大的路网进行全面的弯沉检测,而该设备攻克了一直以来弯沉检测速度较慢的瓶颈,使得路网进行大规模的弯沉检测成为可能。
    据介绍,弯沉是路面技术性能评价的一个重要指标,随着我国大部分公路进入养护高峰期,路网级别的路面结构强度必须进行全面的检测,从而为路面使用性能评价模型的应用提供必须的数据支撑,为公路网后期的养护及维修计划提供更快速可靠的弯沉数据依据,将有限的养护资金以最优的方式用于路网的养护。
    还有专家建议,为了规范路面弯沉快速检测设备的使用,公路检测部门需将其加入到现行的行业标准《公路路基路面现场测试规程》中去,并逐步制定该类设备的行业标准与检测规程。政府部门还应制定鼓励该技术推广应用的相关政策,从新技术、新设备的推广方面进行引导,通过技术咨询或技术服务等方式将路面弯沉快速检测技术应用于路网,进一步提高我国公路检测的技术水平。


    效益
    检测成本全面降低


    据介绍,由于检测效率的极大提高,检测成本也相应降低,以80公里的路面弯沉检测为例,按照传统设备的每小时5公里检测速度计算,需要16小时连续不停的检测才能完成。而对于高速移动式弯沉仪来说,以每小时70公里的速度计算,只需1.15小时即可完成,大幅降低了承载车的使用强度,节省各种资源。
    更重要的是,设备承载车以正常车速行驶在道路上,只需要一名驾驶员和一名测试人员在驾驶室内即可完成所有的检测工作,不需要对道路进行封闭处理,可以在不影响正常交通状况的情况下完成全部的检测,极大提高了道路资源的利用率。同时由于承载车是正常行车速度检测,可以避免因检测引发的交通事故,减少人员伤亡。另外,因承载车行驶时间的减少,在相同检测任务情况下,消耗的能源几乎是原系统的1/16,大大减少了承载车二氧化碳和硫化物的排放,有利于环境保护。
    目前,国外同类产品的售价超过1600万元,价格昂贵,国内一般的检测单位很难接受如此高昂的购置费。该项目形成产品后,其销售价格将远低于国外同类产品的价格。此外,该项目本身以国内道路作为试验对象,软件系统符合国家相关标准规范的要求,并可以根据国家相关行业政策的改变进行同步升级,所以产品的推广和使用更加符合国情。
    高速移动式弯沉检测技术和设备同样是科研人员的福音。据侯君辉介绍,在试验新路面材料和路面结构的性能时,弯沉是其中必检的一个指标。弯沉的快速检测可以给科研人员带来大量可靠的实用数据,保证科研结果的准确度。
    “项目研发的装备目前已经可以用于正常的检测业务,并且完全按照国家关于特种车辆的要求申报了公告目录并获批。”侯君辉介绍说,项目组正在全国各地进行广泛的实际道路检测试验,优化软件模型,建立能适应我国复杂道路状况的实用系统,并针对各实际用户的反馈情况,对设备进行细节上的优化,方便操作和使用。目前虽然研制出来的只是样车,但已有多个业主表达了采购的意愿,所以该技术和产品的推广前景广阔。



来源:中国交通报




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