水泥混凝土路面板底脱空识别机器人及其连续识别方法与流程

本发明属于公路交通技术领域，涉及一种水泥混凝土路面检测技术，具体涉及一种水泥混凝土路面板底脱空连续识别机器人及其连续识别方法。

背景技术：

路面板底脱空是旧水泥混凝土路面常见的破坏形式之一，出现这一问题的原因主要有：路面板底材料的塑性变形、雨水的冲刷和泵吸、结构设计中的薄弱环节和养护维修不及时等。当路面板底部出现脱空现象时，水泥混凝土路面受力模式将发生改变，特别是当路面板角处底部发生脱空时，处于脱空位置的路面板近似于悬臂板，在车辆荷载的作用下脱空位置的边缘处会产生较大的集中应力，板角处则会产生过大的挠度，反复荷载作用将导致路面出现断板、断角等病害。

为了准确地确定路面工作状况，以决定哪些路段的路面在什么时间需要采取合理的维护措施，这就需要对混凝土路面的使用性能进行科学的检测和准确的识别，并采取行之有效的处治措施；及时将路面板进行修复，防止病害进一步的扩展，以减少人力物力和资源的浪费。在诸多早期公路病害中路面板底脱空造成的危害是最为严重的。因此，如何在早期公路检测技术和方法中开发出一套准确率高，识别效果好的脱空识别方法，并开发经济有效的处治材料及技术是现在迫切需要解决的问题。

目前路面板下脱空检测方法众多，各种方法建立所依据的原理不尽相同，已用于现场检测评定的方法主要分为三大类，弯沉判别类：地基刚度比较判别法、弯沉盆反演评定法；路用探地雷达类：二维或三维探地雷达；声波类：超声波、瑞利面波法、振动特征分析法、声效法。

从对板底脱空检测的调研来看，几种检测方法主要存在如下问题：

(1)弯沉法检测费时费力，检测精度低，反演算法受路面材料性能的影响较大，并且检测代表性差，并不适用于项目级的道路检测；

(2)探地雷达的频率和检测深度互相制约，检测图谱判读困难；受介质介电常数的影响较大，尤其是在有水的条件下，检测的精度将极大降低，检测设备昂贵，尤其是对不同深度、路面结构的检测一般需要配合多个频段的天线才能有效检测。

目前规范中没有对结构脱空检测的有关规定，单一检测方法不能准确的判断道路结构层连续情况，因此有人采用通过使用地质雷达与落锤式弯沉仪两种检测方法同时检测，然后再由人为主观进行综合判断。从检测速度上分析，采用落锤式弯沉仪是5km/h，从人力角度分析，落锤式弯沉仪至少需要3人，地质雷达至少需要2人，检测共需5人，综合以上方面的支出，落锤式弯沉仪与地质雷达联合检测的费用开支是：落锤式弯沉仪单车道每200米检测80～120个点，每点费用大约为50元，由此可知单车道每公里检测400～600个点，费用为2000～3000元每公里，地质雷达1000元每公里，合计3000～4000元每公里。因此说，无论从人力使用成本还是检测费用都是相当高的。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明的目的是提供一种水泥混凝土路面板底脱空连续识别机器人及其连续识别方法，通过现场检测路面振动声波特征和室内有限元模型计算结果，利用BP神经网络建立的水泥路面脱空振动声波特征数据库，通过现场检测路面声波特征并结合数据库结果，确定水泥路面脱空状态，实现路面脱空状态准确、自动识别，解决了现有水泥混凝土路面检测技术存在的上述问题。

本发明公开了一种水泥混凝土路面板底脱空识别机器人，其包括一台检测牵引车，以及在检测牵引车上设置的计算机控制系统，在检测牵引车下方分别装有由计算机控制系统控制的连续敲击装置、专用麦克风和位置定位器。

本发明所述的水泥混凝土路面板底脱空识别机器人，其特征还在于，

所述的计算机控制系统设有噪声滤波单元、信号放大单元、模数转换单元、信号储存单元、有限元模拟分析单元。

所述的连续敲击装置由检测牵引车拖动行走，并以一定的质量使路面板发生振动和声音。

所述路面振动声波特征为声波频率和声强。

本发明还公开了一种基于水泥混凝土路面板底脱空识别机器人的连续识别方法，所述连续识别方法是：

(1)在测试路段的行车道路面上，采用连续敲击装置对测试路面进行连续敲击；

(2)采用专用麦克风收集被敲击水泥混凝土路面板的声波信号，利用计算机控制系统的各个软件单元对信号进行分析处理，获取路面振动声波特征参数；

(3)通过有限元模拟分析单元软件，考虑不同温度梯度下水泥混凝土板的翘曲，以及不同三维脱空状态，建立水泥混凝土路面三维有限元模型，模拟计算得到各种复杂工况条件下的声波时域图，再利用软件进行分析处理，获取振动声波特征参数，并建立水泥路面不同脱空和翘曲状态下路面板振动声波特征数据库。

(4)利用BP神经网络和有限元模拟分析单元得到的声波特征参数进行训练，再利用现场获取的振动声波特征参数进行识别验证。

(5)现场检测路面声波特征并利用BP神经元网络的智能筛选，确定水泥路面脱空状态，实现基于人工智能的水泥混凝土路面板底脱空状态准确、自动识别。

本发明所述路面板底脱空识别机器人的连续识别方法，其特征还在于：

所述路面脱空状态包括路面脱空所处平面位置、层位、区域大小、区域连通性状态。

本发明通过开发基于声波法的水泥混凝土路面板底脱空识别机器人及其连续识别方法，采用数值模拟计算不同脱空工况的声波特征并结合人工智能实现脱空状况自动识别，能有效提高水泥路面脱空检测速度，较为精确地确定脱空的尺寸、严重程度以及脱空体积大小等，为脱空压浆处治提供了有效依据。

由于本发明水泥混凝土路面板底脱空连续识别机器人检测速度得到明显提高，检测费用上每百公里可节约25～35万元。因此在检测速度、耗费人力物力财力等方面，采用本发明的水泥混凝土路面板底脱空连续识别方法检测路面脱空比地质雷达与落锤式弯沉仪两种检测方法更具有经济效益和社会效益，随着旧水泥混凝土路面通车年限的逐年增加，需要养护的水泥路面越来越多，省内外市场需求量越来越大，本发明产业化发展前景乐观，市场前景广阔。

附图说明

图1是本发明水泥混凝土路面板底脱空识别机器人结构示意图；

图2是本发明水泥混凝土路面板底脱空识别机器人工作流程图；

图3是本发明水泥混凝土路面板底脱空识别机器人连续识别方法自动脱空判断流程图。

图中，1.检测牵引车，2.连续敲击装置，3.专用麦克风，4.位置定位器，5.计算机控制系统，6.水泥混凝土路面板，7.噪声滤波单元，8.信号放大单元，9.模数转换单元，10.信号储存单元，11.有限元模拟分析单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种水泥混凝土路面板底脱空识别机器人，如图1所示，其包括一台检测牵引车1，以及在检测牵引车1上设置的计算机控制系统5，在所述检测牵引车1下方分别装有由计算机控制系统5控制的连续敲击装置2、专用麦克风3和位置定位器4；连续敲击装2由检测牵引车1拖动行走，并以一定的质量使路面板发生振动和声音；本发明的路面振动声波特征为声波频率和声强。

如图2所示，本发明的计算机控制系统5设有噪声滤波单元7、信号放大单元8、模数转换单元9、信号储存单元10、有限元模拟分析单元11。

实施例

以下结合实施例进一步阐述本发明，但并不限制本发明的内容。

实施例为某市辖区的1条铺装层为水泥混凝土路面的一级公路，选择其中的10公里对其行车道和快车道分别进行检测。

实施步骤包括：

1)首先启动检测牵引车1及计算机控制系统5，并通过检测牵引车1带动连续敲击装置2在行进过程中对位置定位器4定位的测试路面的行车道进行连续敲击；如图3所示，在连续敲击装置2进行连续敲击的过程中，由于专用麦克风3能够充分有效地拾取路面振动声波信号，通过专用麦克风3收集到被敲击水泥混凝土路面板11的声波信号，传送给计算机控制系统5对声波信号进行分析处理，获取路面振动声波特征参数，声波参数如表1所示。

表1路面振动声波特征及实际开挖后路面表现

2)通过有限元模拟分析单元11软件，考虑不同温度梯度下水泥混凝土板的翘曲，以及不同三维脱空状态，建立水泥混凝土路面三维有限元模型，模拟计算得到各种复杂工况条件下的声波时域图，再利用软件进行分析处理，获取振动声波特征参数，并建立水泥路面不同脱空和翘曲状态下路面板振动声波特征数据库。

3)利用BP神经网络和有限元模拟分析得到的声波特征参数进行训练，再利用现场获取的振动声波特征参数进行识别验证。

4)现场检测路面声波特征并利用BP神经元网络的智能筛选，确定水泥路面脱空状态等，实现基于人工智能的水泥混凝土路面板底脱空状态准确、自动识别。

5)对超车道采用声波检测法现场检测其声波特征，结合数据库结果，确定出水泥混凝土路面脱空所处平面位置、层位、区域大小等。

上述实施例为本发明在现有条件下最佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围内。