智能交通体现与实践研究课题组
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“我们的目标是当好乡村‘公路医生’”——记杜豫川教授和他的沥青路面轻量化检测团队

前不久,2017年度中国公路学会科学技术一等奖公布,我校交通运输工程学院杜豫川、朱兴一团队“轻量化沥青路面行驶质量快速检测系统”荣获科学技术一等奖。“这项技术解决了行车振动对路面平整度检测影响的难题,研发了性能优越、性价比高的路面行驶质量快速检测系列产品,具有显著的社会经济与环境效益,推广应用前景广阔。”以梁文灏、王复明院士为正副组长的验收团队评价。
     我国现有450万公里公路绝大多数缺少“公路医生”
     我国的公路里程现已突破450万公里,养护里程理论上已经超过98%,而养护决策必须有检测结果的支持,但目前全国公路检测里程仅约25万公里,不到总里程的10%。与此形成强烈反差的是总长400万公里的低等级公路检测手段基本空白。“越是条件简陋的公路越是没有‘公路医生’。且目前条件下,我国的公路检测可以用‘耗时费力,价格昂贵’来描述”,杜豫川教授介绍,三米尺法、八轮拖车仪、手推式断面仪、水准仪、多点激光检测车等,以自动化检测车为例,车上安装有三维扫描、激光探头、激光雷达、多轴传感器等,这些器件在市场上都很昂贵。能否找到廉价、简易且便于携带的检测仪器?
     2012年以来,团队相继申请到国家自然基金、教育部、上海市各项基金支持,8个课题分别对准道路材料、道路性能、路面铺装、智慧公路、多维度路面监测系统研发等。“具体而言,我们的工作分别基于道路宏观、中观及微观层次展开,最终集成系统”,杜豫川介绍,像宏观层面的密度平整度模型建立及车辆振动频域剔除等、中观层面的裂缝自动识别与舒适度评价等、微观的道路损伤诊断等,最终形成一套“采集—上传—分析—发布”完全自动化闭环监测系统。几年来,团队基本弄清了车辆振动与道路平整度之间的相互作用,提出了利用车辆簧载竖向加速度推算国际平整度指数理论模型,量化了车辆缸体特征与速度影响。不仅如此,团队开发的产品测量吻合度高于传统设备,高达95%;日测效率超过每日300公里,检测成本可降低90%以上。

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“公路医生”准备执行任务

     项目成为人才培养大熔炉
     项目成为人才培养的大熔炉。5年来,6位同学以此为对象展开研究,其中刘成龙研究的是平整度模型搭建及原理、李莉探讨的设备研发和参数标定算法、蒋盛川的系统初期硬件平台搭建、赵聪的标准检测环境搭建与系统调试、张晓明的裂缝检测现场试验及设备开发、岳劲松的模型测试及跳车评价体系搭建,他们的研究沿着问题的路径步步深入。2013年,同学们便开始以道路检测课题为参赛内容,参加全国交通科技大赛、挑战杯、创新创业大赛,分别获得全国交通科技大赛二等奖、第十四届挑战杯上海市大学生科技作品竞赛特等奖、第二届创青春创业大赛金奖。“轻量化检测设备的研发获得的奖项不少,但这些荣誉背后更多地体现是师生同心协力的创新和技术攻关。”项目成员之一、目前正在上海一家智能道路企业实习的张晓明介绍。
     张晓明说,初代产品出来后,正好赶上互联网+时代,轻量化有了互联网的“云端”支持。2016年12月8日,第二届中国互联网+大学生创新创业大赛在武汉举办,“路云”公路健康管家闯入决赛,获得银奖。杜豫川的博士研究生刘成龙等的“路云”专注于公路系统运行,拥有专利3项,软件著作权3项。他们建立从快速数据采集,到云端数据处理,最终进行养护决策服务的一体化产品,由“检测云”“管理云”“服务云”共同构成“路云”系统。2017年11月,“轻量化路面行驶质量快速检测系统”参加工博会,参展第一天就传来获得中国公路学会科学技术奖一等奖的消息,队员们个个欢欣鼓舞。
     据悉,这项技术主要由团队中的刘成龙博士提出并深化。张晓明介绍,刘成龙师兄说自己被车的振动等问题困扰许久,尝试了各类文献中的方法,最后还是图书馆的文献中找到了解决办法,随后发表论文,并随即在国际会议上宣读了成果,开始了系统的第一代产品研发。
     第一代产品是在与湖州公路局的合作中诞生的。张晓明说,合作中,团队也开始思考如何集成病害检测算法,并采用测温型红外热像仪等新产品进行沥青路面裂缝发育程度的检测。相关的论文成果在国际会议上也得到了业界的广泛认可,论文被评为2017年度美国交通运输会议最佳论文候选。相关知识产权和研究成果得到认可后,我们开始了相关鉴定评审工作,结果,轻量化沥青路面行驶质量快速检测系统相关技术被评为“国际领先”水平。发展至今,我们的产品已经基本成型,近期开始了产品升级工作。这次升级主要是考虑硬件的集成更加轻量便携化,并加入人工智能AI技术;产品的检测可靠、产品的效率和使用友好性,解决问题的同时拓展多种场景下的便捷应用都是我们努力的目标。
     张晓明说,轻量化产品发展至今,已经有超过三个学院的三位博士生和近十名硕士生参与研究,以刘成龙和赵聪两位博士牵头的学生团队,在杜豫川教授的指导下一直不断地改进产品。这些同学大都在本科阶段开始接触,坚持至今也给了我们树立了学习的榜样,很让我们师弟师妹们敬重。我自己作为硕士研三的学生,现在力求在产品转化和市场推广上得到发展。
     张晓明说,今天的喜人局面都是源于杜老师当年的想法和一直以来的悉心指导,杜老师一直要求我们科研要面向实战,解决社会中存在的问题。除此之外,杜老师对前沿技术的把控和社会痛点的挖掘能力也让我受益匪浅。
     为“四好公路”添智助力
     据了解,几年来杜豫川课题组解析了复杂车辆振动与路面平整度间的交互作用,提出了一种利用车辆簧载竖向加速度推算国际平整度指数的理论模型,量化了车辆刚体特征与速度影响,形成了路面平整度快速检测系统;基于普通图像识别的路面裂缝检测方法误判率较大,受环境影响明显且无法判断裂缝发育程度、桥头跳车等异常颠簸病害等,该课题在红外图像基础上建立了裂缝形态与路表温度梯度的关系模型,揭示了光照强度与大气温度对裂缝温度场分布的作用机理,总结了路面温度的滞后性和累积性的影响特征模型,这些成果将裂缝识别率提升至90%以上,同时根据红外图像分析建立了裂缝发育程度分级标准,分级误差低至10%以下。
     “路面材料微观损伤是路面性能检测的重要难点”,杜豫川介绍,传统材料性能检测主要依赖钻芯取样,对道路造成了额外的损伤,且检测过程耗时费力,价格昂贵,结果时效性差。团队开发了模拟沥青混合料性能演化行为的快速算法,揭示了沥青混合料起裂的多尺度联动机制,射频磁感应3D成像仪实现了材料内部细微损伤快速检测,计算效率提高100多倍,探测精度提升1.4倍。最终形成的轻量化监测设备,现在已经在上海、成都、湖州、石家庄等地区测试使用,检测里程超过5000公里。
     杜豫川说,2017年,习近平总书记对“四好农村路”建设作出重要指示,强调“既要把农村公路建好,更要管好、护好、运营好,为广大农民致富奔小康、为加快推进农业农村现代化提供更好保障。”全国低等级公路主要集中在农村及山区,“四好”中的三好都需要快速便捷高效的轻量化检测系统。轻量化产品的主要目标是为了解决低等级公路、等外农村公路的病害检测,但低等级公路和农村公路囿于检测成本,一般难以实现标准的技术状况评定,更难建立起检测数据供养护决策,轻量化产品是为了弥补这一块空白,采用新技术、新算法和新产品来在低成本下实现低等级公路、农村公路的病害检测,我们目前正在寻找合适的合作者。

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山区公路

     据悉,该检测系统通过轻量化的分布式车载传感器、红外双目成像等设备,实现了包括路面平整度快速评估、桥头跳车精准定位、病害自动检测、裂缝发育评价以及路面材料微观损坏自诊断等多种检测功能。该检测系统设备具有自重轻、便于安装等优点,相较传统激光检测设备费用降低50%以上;该系统基于云端数据管理应用框架实现了面向用户的数据调配和自动化分析诊断。目前,该项目成为2017年张江专项发展资金重点支持项目,正在进行产业孵化。


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