Разработка системы анализа поверхности дорожного покрытия

Аннотация

Акушко Ю.С., Николаенко Д.В. Разработка системы анализа поверхности дорожного покрытия. В данной статье рассматривается система для анализа ровности поверхности объекта. В качестве такого объекта выступает дорожное покрытие. Анализируются проблемы, которые приводят к разрушению покрытия и возникают при замерах ровности. Приведён алгоритм работы системы, рассмотрены аналогичные системы.

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.

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.

Однако 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, т.к. движение в ночное время имеет наименьшую интенсивность [10].

Применение камер, компьютеров положительно сказывается и на финансовые затраты в этой сфере, 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. В основе которой 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 [11]. 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 [12].

В качестве платформы для устройства обработки данных предлагается использовать одноплатный компьютер Raspberry Pi 4 [13]. 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.

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.

Алгоритм работы

Алгоритм работы 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 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. Затем, полученный ответ записывается в файл с привязкой к GPS координатам автомобиля.

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.

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 использованной литературы

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. 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.
11. 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.
12. About [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://opencv.org/about/ - Загл. с экрана.
13. Raspberry Pi 4 [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-4-model-b/?resellerType=home – Загл. с экрана.