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原文传递一种道路使用寿命综合评估方法、电子设备及存储介质

专利名称：	一种道路使用寿命综合评估方法、电子设备及存储介质
摘要：	一种道路使用寿命综合评估方法、电子设备及存储介质，属于道路使用寿命评估技术领域。为解决道路内外部损坏状况及演化速度对路面使用寿命的影响的问题。本发明采集路面病害图像，计算路面损坏状况指数；基于探地雷达脱空病害图像，构建道路内部脱空病害识别卷积神经网络模型，计算道路内部脱空区域参数；构建道路内部使用寿命评估指标；构建道路使用寿命综合评估指标；计算道路使用寿命综合评估指标，进行初步道路使用寿命评估；采用三参数威布尔分布函数构建道路路段的寿命分布函数模型，基于得到的初步道路使用寿命评估数据将得到的道路路段的寿命分布函数模型进行优化，得到优化后的道路路段的寿命分布函数模型。本发明实现路面寿命综合评估。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	广东;44
申请人：	深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司
发明人：	刘星;孟安鑫;安茹;阚倩;吴国华
专利状态：	有效
申请日期：	2023-10-17T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-17T00:00:00+0800
申请号：	CN202311336749.9
公开号：	CN117077452A
代理机构：	哈尔滨市伟晨专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	李晓敏
分类号：	G06F30/20;G06F30/13;G06V20/10;G06V10/422;G06V10/80;G06V10/774;G06V10/776;G06V10/82;G06N3/0464;G06N3/0455;G06N3/048;G06N3/084;G06T7/00;G06T7/62;G01S7/41;G01V3/12;G01V3/38;G06Q10/20;G06Q50/08;G06F111/08;G06F111/10;G06F119/02;G06F119/12;G;G06;G06F;G06V;G06N;G06F30;G06V20;G06V10;G06N3;G06F30/20;G06F30/13;G06V20/10;G06V10/422;G06V10/80;G06V10/774;G06V10/776;G06V10/82;G06N3/0464;G06N3/0455
申请人地址：	518131 广东省深圳市龙华区民治街道龙塘社区星河传奇花园三期商厦1栋C座1210
主权项：	1.一种道路使用寿命综合评估方法，其特征在于，包括如下步骤： S1、采集路面病害图像，对采集的路面病害图像进行路面病害的识别及路面病害尺寸数据的提取，然后基于提取的路面病害尺寸数据计算路面损坏状况指数； S2、基于探地雷达脱空病害图像，构建道路内部脱空病害识别卷积神经网络模型，然后采用探地雷达采集道路内部图像，将采集的道路内部图像利用得到的道路内部脱空病害识别卷积神经网络模型进行病害识别，并计算道路内部脱空区域参数； S3、基于步骤S2得到的道路内部脱空区域参数，构建道路内部使用寿命评估指标； S4、对步骤S3得到的道路内部使用寿命评估指标、步骤S1得到的路面损坏状况指数进行归一化处理，构建道路使用寿命综合评估指标； S5、根据步骤S4的方法计算道路使用寿命综合评估指标，进行初步道路使用寿命评估； S6、采用三参数威布尔分布函数构建道路路段的寿命分布函数模型、道路路段平均出现损伤的时间函数模型，基于步骤S5得到的初步道路使用寿命评估数据将得到的道路路段的寿命分布函数模型、道路路段平均出现损伤的时间函数模型进行优化，得到优化后的道路路段的寿命分布函数模型、优化后的道路路段平均出现损伤的时间函数模型。 2.根据权利要求1所述的一种道路使用寿命综合评估方法，其特征在于，步骤S1的具体实现方法包括如下步骤： S1.1、采用车载相机拍摄的方式，拍摄道路图像，选取20000张路面病害图像，构建路面病害图像数据集；路面病害包括龟裂、块状裂缝、纵向裂缝、横向裂缝、沉陷、车辙、波浪拥包、坑槽、松散、泛油、修补； S1.2、采用标注软件labelimg对路面病害图像数据集的图像进行标记，将路面病害图像数据集划分为训练集、验证集、测试集，其中，训练集12000张图像、验证集4000张图像、测试集4000张图像； S1.3、构建UNet深度学习网络结构： S1.3.1、设置UNet深度学习网络结构由编码器和解码器组成，编码器包括4个下采样模块，每个下采样模块包括两个3×3的卷积层、1个ReLU激活函数、1个2×2的池化层；解码器包括4个上采样模块，每个上采样模块包括1个上采样的卷积层、特征拼接concat、2个3×3的卷积层、1个ReLU激活函数，图像先通过编码器，后通过解码器，图像尺寸为572×572； S1.3.2、将步骤S1.2标记后的数据集输入到S1.3.1建立的UNet深度学习网络结构中，通过误差反向传播方法，计算神经网络单元的权重和偏置，完成UNet深度学习网络结构的训练，得到UNet深度学习网络结构； S1.3.3、采用步骤S1.3.2的UNet深度学习网络结构，进行路面病害的识别及路面病害区域数据提取，路面病害区域数据包括：路面病害在图像中的位置、路面病害的轮廓、路面病害的实体区域； S1.4、采用张正友标定方法，确定图像像素数据与路面病害实际尺寸的换算关系： S1.4.1、制作黑白棋盘格，用相机对黑白棋盘格进行不同角度的拍摄，拍摄图像为30张； S1.4.2、对步骤S1.4.1拍摄的图像中的标定板角点进行检测，得到标定板角点的像素坐标值，根据已知的棋盘格大小和世界坐标系原点，计算得到标定板角点的物理坐标值； S1.4.3、求解步骤S1.4.1拍摄的每张图像对应的相机内参矩阵和外参矩阵：首先建立相机成像模型为：；其中，Z为尺度因子，(u，v)为图像中任意一点在像素坐标系下的像素坐标，(U,V,W)为图像中任意一点在世界坐标系下的世界坐标，AA为内参矩阵，BB为外参矩阵；建立多组像素坐标与世界坐标的关系，求得内参矩阵AA和外参矩阵AA，建立路面病害的道路图像像素数据与路面病害实际尺寸的换算关系； S1.5、基于步骤S1.1-S1.4得到路面病害类型和尺寸信息后，计算路面损坏状况指数PCI，计算表达式为：；；其中，为路面损坏率，/>为第ni类路面损坏的面积；/>为调查的路面面积，/>为第ni类路面损坏的权重，/>为线性调节系数，/>为指数调节系数，/>为损坏类型总数。 3.根据权利要求1或2所述的一种道路使用寿命综合评估方法，其特征在于，步骤S2的具体实现方法包括如下步骤： S2.1、构建道路内部脱空病害识别卷积神经网络模型； S2.1.1、基于探地雷达脱空病害图像建立道路内部病害数据集：采用LabelImg软件，使用矩形框标记探地雷达脱空病害图像中的病害并标注病害类别，保存标注文件的命名与探地雷达脱空病害图像的命名一致，得到道路内部病害数据集； S2.1.2、将步骤S2.1.1得到的道路内部病害数据集按照6:2:2的比例，随机分为训练集、验证集、测试集； S2.1.3、将步骤S2.1.2得到的训练集、验证集、测试集，输入到卷积神经网络中进行训练、验证和测试，输出卷积神经网络模型的模型参数，包括网络层数、各层神经元节点数量、学习率、权重、偏置、激活函数、损失函数、卷积核，得到道路内部脱空病害识别卷积神经网络模型； S2.2、采集道路内部图像，利用得到的道路内部脱空病害识别卷积神经网络模型进行病害识别，并计算道路内部脱空区域参数； S2.2.1、采用探地雷达采集道路内部图像，将采集的道路内部图像利用步骤S2.1得到的道路内部脱空病害识别卷积神经网络模型进行病害识别，得到病害道路内部图像； S2.2.2、采用钻机钻探步骤S2.2.1得到病害道路内部图像的病害道路，得到道路脱空区域； S2.2.3、将内窥镜深入道路脱空区域，通过内窥镜显示器确定道路脱空区域的顶板位置和底板位置，测量顶板位置和底板位置的距离，为道路脱空区域高度； S2.2.4、然后向步骤S2.2.2得到的道路脱空区域中注水，直至注满水，并记录注水的体积为道路脱空区域体积； S2.2.5、计算道路脱空区域面积，计算表达式为：。 4.根据权利要求3所述的一种道路使用寿命综合评估方法，其特征在于，步骤S3的具体实现方法包括如下步骤： S3.1、设置道路脱空区域的总数量为； S3.2、构建道路内部使用寿命评估指标：包括道路脱空区域的总数量、道路脱空区域的平均高度、平均体积、平均面积、高度变化梯度、体积变化梯度、数量变化梯度、面积变化梯度； S3.2.1、道路脱空区域的平均高度的计算表达式为：；其中，道路第i个脱空区域的高度为； S3.2.2、道路脱空区域的平均体积的计算表达式为：；其中，道路第i个脱空区域的体积为； S3.2.3、道路脱空区域的平均面积的计算表达式为：；其中，道路第i个脱空区域的面积为； S3.2.4、道路脱空区域的高度变化梯度的计算表达式为：；其中，、/>分别为第i个数据采集时间和第i+1个数据采集时间，/>为第i个数据采集时间的道路脱空区域的平均高度，/>为第i+1个数据采集时间的道路脱空区域的平均高度； S3.2.5、道路脱空区域的体积变化梯度的计算表达式为：；其中，为第i个数据采集时间的道路脱空区域的平均体积，/>为第i+1个数据采集时间的道路脱空区域的平均体积； S3.2.6、道路脱空区域的数量变化梯度的计算表达式为：；其中，为第i个数据采集时间的道路脱空区域的数量，/>为第i+1个数据采集时间的道路脱空区域的数量； S3.2.7、道路脱空区域的面积变化梯度的计算表达式为：；其中，为第i个数据采集时间的道路脱空区域的平均面积，/>为第i+1个数据采集时间的道路脱空区域的平均面积。 5.根据权利要求4所述的一种道路使用寿命综合评估方法，其特征在于，步骤S4的具体实现方法包括如下步骤： S4.1、以50m为道路划分长度，将道路划分为NP段，其中，NP为道路路段总数量； S4.2、以道路建成开始运营的时间点作为时间零点，针对每一段道路，分别检测每一段道路运行t时间后的道路脱空区域和道路表面病害，并计算每一段道路脱空区域的道路内部使用寿命评估指标、路面损坏状况指数； S4.3、遍历步骤S4.2计算的每一段道路脱空区域的道路内部使用寿命评估指标、路面损坏状况指数，得到最大值，包括道路脱空区域的总数量最大值、道路脱空区域的平均高度最大值/>、平均体积最大值/>、平均面积最大值/>、高度变化梯度最大值/>、体积变化梯度最大值/>、数量变化梯度最大值/>、面积变化梯度最大值/>、路面损坏状况指数最大值/>； S4.4、对步骤S4.2得到的每一段道路脱空区域的道路内部使用寿命评估指标利用步S4.3得到的最大值为基准，进行归一化处理，计算公式为：；其中，为归一化处理的道路脱空区域的平均高度；；其中，为归一化处理的道路脱空区域的总数量；；其中，为归一化处理的道路脱空区域的平均体积；；其中，为归一化处理的道路脱空区域的平均面积；；其中，为归一化处理的道路脱空区域的高度变化梯度；；其中，为归一化处理的道路脱空区域的数量变化梯度；；其中，为归一化处理的道路脱空区域的体积变化梯度；；其中，为归一化处理的道路脱空区域的面积变化梯度；；其中，为归一化处理的路面损坏状况指数；然后建立道路使用寿命综合评估指标TK，计算表达式为：；其中，zk1为归一化处理的道路脱空区域的平均高度的权重系数，zk2为归一化处理的道路脱空区域的总数量的权重系数，zk3为归一化处理的道路脱空区域的平均体积的权重系数，zk4为归一化处理的道路脱空区域的平均面积的权重系数，zk5为归一化处理的道路脱空区域的高度变化梯度的权重系数，zk6为归一化处理的道路脱空区域的数量变化梯度的权重系数，zk7为归一化处理的道路脱空区域的体积变化梯度的权重系数，zk8为归一化处理的道路脱空区域的面积变化梯度的权重系数；zk9为归一化处理的路面损坏状况指数的权重系数； S4.5、根据步骤S4.4的方法计算第i个路段在ti时刻的道路使用寿命综合评估指标。 6.根据权利要求5所述的一种道路使用寿命综合评估方法，其特征在于，步骤S5的具体实现方法包括如下步骤： S5.1、统计MK条道路运行15年后的道路检测数据，根据步骤S4的方法计算每条道路使用寿命综合评估指标，为第j条道路运行15年后的道路使用寿命综合评估指标，然后计算MK条道路的道路使用寿命综合评估指标的平均值/>和道路使用寿命综合评估指标的标准差/>； S5.2、构建道路使用寿命综合评估指标的阈值，计算表达式为：；当≤/>时，判断为道路完好，当/>>/>时，判断为道路损坏； S5.3、对步骤S5.2中判断为道路损坏的路段，采集第i个路段第1次出现损坏时的时间，然后建立路段第1次出现损坏的时间矩阵FT，/>； S5.4、统计道路运行时间对应的道路路段第1次出现损坏的路段数量/>，然后计算道路运行/>时间对应的道路路段第1次出现损坏的路段数量占道路路段总数量的百分比，计算表达式为：；其中，为道路运行/>时间对应的道路路段第1次出现损坏的路段数量占道路路段总数量的百分比。 7.根据权利要求6所述的一种道路使用寿命综合评估方法，其特征在于，步骤S6的具体实现方法包括如下步骤： S6.1、采用三参数威布尔函数，构建道路路段的寿命分布函数模型，计算表达式为：；其中，为道路路段服役时间，/>为威布尔分布的位置参数，/>为威布尔分布的尺度参数，/>为威布尔分布的形状参数，/>为道路路段服役时间内道路路段累计出现损伤的概率；基于道路路段的寿命分布函数模型，构建道路路段平均出现损伤的时间函数模型，计算表达式为：；其中，为道路路段服役时间内道路路段平均出现损伤的时间； S6.2、建立参数、/>、/>和道路使用寿命的关系，计算表达式为：；；其中，为道路路段的道路使用寿命最小值，/>、/>、/>分别为/>的二次项回归参数、一次项回归参数、常数项回归参数；；；；其中，为道路路段的道路使用寿命最大值与最小值的差值；/>、/>、/>分别为/>的二次项回归参数、一次项回归参数、常数项回归参数；；；其中，为道路路段的中的道路使用寿命的平均值，/>、/>、/>分别为/>的二次项回归参数、一次项回归参数、常数项回归参数； S6.3、基于步骤S6.2构建的参数、/>、/>和道路使用寿命的关系，优化步骤S6.1得到的道路路段的寿命分布函数模型；优化后的道路路段的寿命分布函数模型的计算表达式为：；优化后的道路路段平均出现损伤的时间函数模型的计算表达式为：； S6.4、采用步骤S5得到的和/>，带入步骤S6.1构建的道路路段的寿命分布函数模型，采用最小二乘法拟合求解，计算得到/>、/>、/>；基于步骤S6.2得到的和道路使用寿命的关系、计算得到的/>和统计得到的，采用最小二乘法拟合求解，计算得到/>、/>、/>；基于步骤S6.2得到的和道路使用寿命的关系、计算得到的/>和得到的/>，采用最小二乘法拟合求解，计算得到/>、/>、/>；基于步骤S6.2得到的和道路使用寿命的关系、计算得到的/>和得到的/>，采用最小二乘法拟合求解，计算得到/>、/>、/>。 8.电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任一项所述的一种道路使用寿命综合评估方法的步骤。 9.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一项所述的一种道路使用寿命综合评估方法。