Акушко Юлиан Станиславович

Факультет компьютерных наук и технологий (КНТ)

Кафедра компьютерной инженерии (КИ)

Специальность «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»

Разработка системы анализа поверхности обьекта

Научный руководитель: к.т.н., доц. Николаенко Денис Владимирович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Обратите внимание! На момент написания данного реферата магистерская работа еще не завершена. Предполагаемая дата завершения: май 2021 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Содержание

• Введение
• 1. Анализ проблемы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Алгоритм работы
• 4. Обзор исследований и разработок
• 4.1 Обзор международных источников
• 4.2 Обзор национальных источников
• Выводы
• Список источников

Введение

Каждый день люди передвигаются по городу, миллионы машин по всему миру ездят по городам и странам. И все это благодаря тротуарам, дорогам, автомагистралям. С древних времён дорога являлась путём сообщения для передвижения людей, скота, транспорта. Наиболее древние дороги относятся к 4 тысячелетию до нашей эры [1]. С тех пор прошло много времени, поменялись технологии постройки, но также возросли нагрузки на покрытие. В связи с этим очень важным является отслеживание состояния дорожного покрытия. Постоянное увеличение протяжённости дорог требует привлечения большого количества специалистов, техники, что влечёт за собой увеличение расходов. Но также возрастает и риск возникновения ошибки при осмотре. В районах с тяжёлыми метеоусловиями обследование дорог необходимо проводить чаще и тщательнее, так как помимо нагрузки от транспорта сказывается влияние температуры, осадков, движения грунта. На помощь в таких сложных ситуациях приходят современные технологии.

1. Анализ проблемы

В основе качественной дороги лежит так называемый «дорожный пирог» или же дорожная одежда. «Дорожный пирог» — это многослойное основание, которое состоит из грунта, песка и щебня. Такое основание позволяет дорожному покрытию прослужить дольше [2]. Все этапы постройки дороги имеют свою технологию и назначение. Толщина слоя песка и щебня зависит от предполагаемых нагрузок и рассчитывается под конкретную задачу. «Пирог» необходим для предотвращения преждевременного разрушения покрытия, движения дороги и обеспечивает скоростной режим и безопасное движение. На рисунке 1 показана наиболее часто встречающаяся структура «дорожного пирога».

Такая конструкция состоит из грунтового основания, в котором проложены все коммуникации. Затем идёт амортизационный слой песка, который минимизирует вероятность глубоких повреждений. Между двумя этими слоями, для разделения, может находиться геотекстиль. Он выступает в качестве дренажа, чтобы дорогу не размывало и предотвращает смешивание песка и грунта. Затем опять идёт слой разделителя, геотекстиль или геосетка. Поверх укладывается слой щебня с битумной эмульсией. Таким образом, получается крепкая основа для дорожного покрытия, которая сможет обеспечить целостность, ровность и долговечность дороги [3].

Все этапы работы, как и, используемые для постройки, материалы, чётко регламентированы соответствующими ГОСТами. Так, ГОСТ Р 58349-2019 «Дороги автомобильные общего пользования. Дорожная одежда. Методы измерения толщины слоёв дорожной одежды» распространяется на постройку, реконструкцию, капитальный ремонт дорожных одежд и устанавливает требования к методам измерения толщины слоёв основания [4]. Соответственно и техника, выполняющая такие работы, имеет определённые параметры и характеристики. От неё также требуется достаточная точность для работы.

Но даже беспрекословное выполнение всех правил и соблюдение стандартов не гарантируют сохранность покрытия. Со временем, на поверхности дороги, возникают различного рода дефекты. Дефекты дорожного покрытия – это отклонения геометрических параметров, текстуры и структуры дорожной одежды от нормативов. Их делят на следующие виды, в зависимости от характера, местоположения и величины [5]:

• трещины – дефект нарушения сплошности дорожного покрытия. Бывают также отдельные трещины, частые трещины и сетка трещин;
• выбоины – местные разрушения покрытия, имеют вид углублений;
• колейность – дефект, обусловленный наличием колей – продольных углублений в местах наката от колёс транспорта.

Любому водителю знакома ситуация появления выбоин весной, после таяния снега. Это происходит как от воздействия температур и нагрузки на покрытие, так и от возможного нарушения технологии укладки асфальтобетонного покрытия. Повседневное использование, тяжёлые грузы, грунтовые воды, движение грунта – все это приводит к разрушениям асфальта. Для выявления и дальнейшего прогноза развития различных дефектов, на сегодняшний день, применяется две группы обследования [6]:

1. Визуальное обследование – сводится к определению интенсивности движения и его состава, состояния «дорожного пирога», обочин, водоотводных коммуникаций и земляного полотна.
2. Инструментальное обследование – производится замер всех основных параметров дороги: продольные и поперечные уклоны, ширина, ровность, сцепление с проезжей частью и др. Также производится отбор проб из конструктивных слоёв дорожной одежды.

Оба этих обследования регулируются ГОСТом 33388-2015 «Дороги автомобильные общего пользования. Требования к проведению диагностики и паспортизации» [7]. Для определения различных параметров применяются такие ГОСТы, как ГОСТ Р 56925-2016 «Дороги автомобильные и аэродромы. Методы измерений неровностей оснований и покрытий» [8] и ГОСТ 32825-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Дорожные покрытия. Методы измерения геометрических размеров повреждений (Переиздание)» [9]. Первый стандарт распространяет своё действие на методы измерения неровности поверхности дорожного покрытия (а также аэродромов) в период строительства и эксплуатации. Второй же стандарт регулирует методы измерения геометрических размеров повреждений дорожного покрытия, которые влияют на безопасность дорожного движения во время его эксплуатации.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Применение камер и компьютеров положительно сказывается и на финансовые затраты, и на качество выполнения работы. Но всё равно велика роль человеческого фактора. Для решения этой проблемы предлагается создание системы анализа поверхности объекта, в данном случае дорожного покрытия. Основная цель такой системы является определение мест деформации дорожного покрытия без участия человека в этом процессе, а в перспективе создание полностью самостоятельных мобильных комплексов мониторинга состояния дорог. В основе такой системы предполагается использование лазерного проектора, камеры и блока обработки данных. Толчком для работы над данной темой послужила разработка в 2013 году группы специалистов из Сычуаньского университета [10]. Их задумка заключалась в создании светодиодного проектора для велосипеда, который проецирует на дороге впереди квадратную сетку. При возникновении на пути каких-либо неровностей, строгая геометрия сетки изменяется, как показано на рисунках 2 и 3.

Как видно из рисунков, приведённых выше, лучи проектора при попадании на любую неровность изменяют состояние линий сетки. Таким образом, велосипедист может заранее заметить наличие препятствия на дороге и скорректировать траекторию своего движения или остановиться. И хотя устройство в серию не пошло, подобное решение, с некоторыми доработками, можно применить в автомобильной сфере.

Для реализации системы предлагается использовать лазерный проектор для проекции сетки на поверхности дороги и камеру, которая будет непрерывно снимать и отправлять данные на устройство обработки данных. Такое устройство представляет собой компактный компьютер, который выполняет анализ полученных кадров. Для обработки полученной картинки и определения происходящего на покрытии используется скрипт, написанный на языке Python с использованием библиотеки алгоритмов компьютерного зрения OpenCV [11].

В качестве платформы для устройства обработки данных предлагается использовать одноплатный компьютер Raspberry Pi 4 [12]. Это одна из последних моделей компьютера.

Что касаемо характеристик, то на борту находится четырёх ядерный 64-ех битный процессор с частотой 1,5 GHz. На выбор предлагается различный объём оперативной памяти: 2, 4 или 8 Gb стандарта LPDDR4. Присутствующие разъёмы USB 2.0 и 3.0 позволят подключить всё необходимое для работы оборудование: мышь, клавиатуру, камеру. С помощью двух портов micro-HDMI можно подключить два монитора для отслеживания происходящего. Также на плате имеется двухдиапазонный Wi-Fi и разъём Ethernet, что позволяет организовать передачу обработанных данных на сервер для дальнейшей работы с ними.

Для определения местоположения автомобиля применяется технология GPS.

В качестве базы для такой системы может служить любой автомобиль. Снаружи него устанавливается проектор и камера, направленные на дорожное покрытие, а в салоне устанавливается компьютер.

Дополнительно, для получения точных данных, возможно использование гироскопа и акселерометра для фиксации углов наклона автомобиля и ускорения по осям X/Y/Z. Такие данные смогут предоставить полную картину происходящего на месте обнаружения дефекта дороги.

3. Алгоритм работы

Алгоритм работы системы заключается в постоянной съёмке, спроецированной на дорожное покрытие сетки, камерой во время движения автомобиля. Сетка имеет квадратную форму, количество линий можно менять в зависимости от задачи. На рисунке 4 показан пример сетки размерностью 10 на 10.

На каких-либо неровностях геометрия сетки непременно будет изменяться. Эти изменения фиксируются с помощью камеры и отправляются на устройство анализа и обработки данных. Далее, полученный кадр пропускается через Python-скрипт и с помощью специальных алгоритмов компьютерного зрения определяется положение линий, их углы пересечения. В итоге, на основе полученных данных делается вывод о состоянии дорожного покрытия: наличие углубления или возвышенности. Производится запрос GPS координат. Затем, полученный ответ записывается в файл с привязкой к GPS координатам.

При наличии дополнительно установленных акселерометра и гироскопа выполняется опрос датчиков и формирование данных об углах наклона в текущий момент, а также последние данные о вертикальных ускорениях для дополнения картины состояние дорожного покрытия. На рисунке 5 показано визуальное представление алгоритма.

Благодаря использованию компьютерного зрения повышается эффективность работы и площадь обследуемой дороги. Лёгкость монтажа такой системы позволяет устанавливать её в любой автомобиль и применять в различных сферах.

4. Обзор исследований и разработок

В настоящее время по всему миру активно ведутся разработки по внедрению технологических решений во все сферы жизни человека. В последнее время привлекаются разработки в области искусственного интеллекта и нейронных сетей. Подобная тенденция, в первую очередь, связана с увеличением точности выполняемых работ. Замена человека на автоматизированные системы позволяет увеличить скорость работы и максимально снизить риск появления дефектов.

4.1 Обзор международных источников

Технологии не стоят на месте и приходят на помощь в обследовании покрытия. Стандартно визуальный метод обследования предусматривает проход пешком эксперта-дорожника или группы экспертов по дороге. Они осматривают покрытие, дорожные сооружения и совершают остановки в местах обнаружения дефектов. В специальный журнал заносится информация о координатах места дефекта, его описание и привязка к километровому столбику. Так, во Франции, на замену такому способу, была разработана система DESY (Decri System). В её состав входит компьютер, специальные клавиатуры, клавиши которых имеют свой символ, означающий определённую информацию и программы для сбора и обработки полученных данных.

В дополнение к такому способу, существует ещё одна система, состоящая из автомобиля-лаборатории. На автомобиль устанавливается камера и в движении ведётся съёмка всего участка дороги. Существует два варианта съёмки: из кабины от уровня глаз водителя и снаружи при помощи камеры на выдвижной балке впереди автомобиля. В обоих случаях, полученный видеоматериал просматривается экспертами и с помощью системы DESY фиксируются все обнаруженные дефекты. В обоих вариантах, скорость автомобиля не превышает 60 км/ч. К тому же, во втором варианте съёмка ведётся в ночное время при искусственном освещении. Такой подход не создаёт пробок на дорогах и помех для других участников движения, т.к. плотность движения в ночное время имеет наименьшую интенсивность [13].

4.2 Обзор национальных источников

К подобным решениям можно отнести только разработку проекта «Дороги России» [14]. В проекте выполняется онлайн мониторинг качества дорожного покрытия с помощью смартфона. Телефон жёстко закрепляется на твёрдой поверхности в салоне автомобиля и при движении создаёт «кардиограмму» пути путём считывания данных со встроенного акселерометра и GPS-приёмника. Установленное приложение считывает информацию о колебаниях подвески автомобиля и характеристиках движения. Для анализа используется математическая модель, которая позволяет с большой степенью достоверности выявлять из множества видов воздействия на смартфон именно те, которые имеют отношение к состоянию дорожного полотна, а именно наличие ям и рытвин [15]. Полученные данные отправляются на сервера и доступны в специальном приложении или на сайте. Основная задача проекта – отображение качества дорог. Полученная информация для некоторых участков дорог может быть не актуальна, так как передача может осуществляться не в режиме реального времени. Но к сожалению, в настоящее время об этом проекте нет никаких новостей, заявленный сайт не работает, а фирменное приложение удалено из свободного доступа.

Так же существует сайта Автострада. На нем предоставляется информация об актуальном состоянии дорожного покрытия трасс Украины, Беларуси и России. Основной целью сайта является создание актуальной карты состояния дорожного покрытия трас. Пользователи сайта имеют возможность узнать и проанализировать информацию об интересующих их дорогах, узнать о плохих и хороших участках. Или поделиться информацией о состоянии трассы или участка дороги, при этом есть возможность выставить оценку по пятибалльной системе и оставить свой комментарий. К недостаткам можно отнести отсутствие информации о состоянии городских дорог, а также субьективные отзывы пользователей [16].

Выводы

Предложенная система позволит оперативно и точно проводить контроль ровности дорожного покрытия, оптимизировать финансовые затраты на обследование покрытия и определение дефектов. Также выявлять потенциальные места возникновения дефектов дороги и своевременно предпринимать действия для их устранения. А благодаря гибким настройкам системы, её возможно адаптировать для применения в иных сферах, требующих анализ покрытия.

Список источников

1. Дорога [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B3%D0%B0 - Загл. с экрана.
2. Состав и строительство дорожного пирога [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://geo-sm.ru/blog/2016/sostav-i-stroitel-stvo-dorozhnogo-piroga - Загл. с экрана.
3. Альбом типовых конструкций нежёстких дорожных одежд в различных дорожно-климатических зонах [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – 2020. – Режим доступа: https://rosavtodor.gov.ru/storage/app/media/uploaded-files/odm-2182104-2019.pdf - Загл. с экрана.
4. ГОСТ Р 58349-2019 Дороги автомобильные общего пользования. Дорожная одежда. Методы измерения толщины слоёв дорожной одежды [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – 2019. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200162686 - Загл. с экрана.
5. Вспучивания на асфальтобетонном покрытии. Основные причины и факторы, оказывающие влияние на разрушение асфальтобетонных дорожных покрытий [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://www.expertbuilding.ru/the-foundation/vspuchivaniya-na-asfaltobetonnom-pokrytii-osnovnye-prichiny-i-faktory/ - Загл. с экрана.
6. Причины образования различных деформаций дорожного полотна и методы контроля за ними [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – 2018. – Режим доступа: https://ceiis.mos.ru/presscenter/news/detail/7577271.html - Загл. с экрана.
7. ГОСТ 33388-2015 Дороги автомобильные общего пользования. Требования к проведению диагностики и паспортизации [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – 2016. – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200135143 - Загл. с экрана.
8. ГОСТ Р 56925-2016 Дороги автомобильные и аэродромы. Методы измерения неровностей оснований и покрытий [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – 2016. – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200135163 - Загл. с экрана.
9. ГОСТ 32825-2014 Дороги автомобильные общего пользования. Дорожные покрытия. Методы измерения геометрических размеров повреждений (Переиздание) [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – 2015. – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200117775 - Загл. с экрана.
10. Lumigrids while cycling [Электронный ресурс] / Radhika Seth. – Электрон. дан. – 2013. – Режим доступа: https://www.yankodesign.com/2013/05/21/lumigrids-while-cycling/ - Загл. с экрана.
11. About [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://opencv.org/about/ - Загл. с экрана.
12. Raspberry Pi 4 [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-4-model-b/?resellerType=home – Загл. с экрана.
13. Методы визуальной оценки состояния дорог [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – 2015. – Режим доступа: https://studopedia.su/18_70319_metodi-vizualnoy-otsenki-sostoyaniya-dorog.html - Загл. с экрана.
14. Дороги России [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://habr.com/ru/post/140022/ - Загл. с экрана.
15. Крылов М.А., Курганов К.И., Чащин Е.А. Аппаратно-программный комплекс мониторинга, моделирования и прогнозирования состояния и износа дорожного покрытия // Интернет-журнал «Транспортные сооружения», №1. – 2018 – Режим доступа: https://t-s.today/PDF/04SATS118.pdf - Загл. с экрана.
16. Информация о проекте | Автострада [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://autostrada.info/ru/ - Загл. с экрана.