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原文传递路面裂缝自动化灌缝路径规划研究

论文题名：	路面裂缝自动化灌缝路径规划研究
关键词：	路面裂缝;自动化灌缝;路径规划;蚁群算法
摘要：	近年来，我国的道路网建设已日趋完善。然而，受车辆荷载及自然环境的影响，建成通车后的道路上会逐渐出现各种病害。在众多病害类型中，裂缝受道路材料固有性质、环境温度及施工等因素的影响，难以避免。若不加以防治，路表水会通过裂缝进入道路内部，造成路面材料和结构的进一步破坏。因此，在道路养护时通常选择对裂缝进行密封处治。　　路面裂缝的密封方法主要有灌缝、贴缝、带状挖补等，其中，灌缝是最为常用的方式。传统的灌缝工艺需要工人手持设备进行操作，繁重的任务会耗费大量的人力，且施工过程存在一定的安全隐患。在自动化、智能化技术不断发展的今天，为提高路面养护效率，多款能够自动完成灌缝工作的机械设备应运而生。设备可自主采集路面图像，并识别出裂缝的形态和位置，逐条处治裂缝。要想完成这一任务，设备在面对各种形态的裂缝时都需要预先规划出一条遍历所有裂缝的路径。因此，需为设备设计出计算效率高、适用性强的灌缝路径规划算法。　　本文基于路面裂缝自动化灌缝设备，重点研究适用于多种类型裂缝的灌缝路径规划问题。首先，在将获取到的路面图像处理为路面裂缝二值图像后，提取路径规划前所必需的裂缝位置和形态信息，在软件层面模拟设备沿裂缝行走的过程。然后，对裂缝图像进行分类，分别为各类图像建立灌缝路径规划问题模型，并设计相应的求解算法。开展工作如下：　　（1）根据沥青路面裂缝的形态、破损程度、成因及裂缝处治工艺，分析适合运用灌缝工艺进行处治的裂缝类型；根据人工灌缝的施工工艺，分析自动化灌缝设备所需完成的工作任务以及所需具备的功能模块。　　（2）基于路径规划前获取裂缝位置的需求，从路面裂缝二值图像中提取裂缝的骨架；识别裂缝端点和交叉点的位置坐标，逐条查找各裂缝中所有像素点的坐标，计算各裂缝的长度，设计遍历各裂缝像素点的动态过程。　　（3）针对单一形态和复合形态裂缝，根据图像特点将裂缝分为三类——横、纵向裂缝，构成连通图的裂缝及构成一般非连通图的裂缝，前两种为单一形态，最后一种为复合形态；将横、纵向裂缝的灌缝路径规划问题简化为TSP问题（TravellingSalesmanProblem）；将连通裂缝的灌缝路径规划问题简化为中国邮递员问题（ChinesePostmanProblem）；将一般非连通裂缝的灌缝路径规划问题简化为乡村邮递员问题（RuralPostmanProblem）。　　（4）对于横、纵向裂缝，设计将边的距离简化为点的距离的方法，循环运用蚁群算法对问题进行求解；对于连通裂缝，运用最小权完美匹配的思想构造半欧拉图，将欧拉路径作为最终解；对于一般非连通裂缝，以横、纵向裂缝和连通裂缝作为其最小单元，最终路径为最小单元间路径和最小单元内部路径的整合。　　（5）运用实例验证了所提出的三种算法的可行性，以计算时间和路径总长度为标准，分别分析这三种算法的优势和不足。从理论上证实横、纵向裂缝和一般非连通裂缝的简化问题属于Non-deterministicPolynomial问题，该问题在多项式时间内虽无法精确求解，但本文的算法能够达成遍历裂缝的目标；证实在不考虑出发点和驶离点与裂缝的连接时，连通裂缝问题的算法既能够遍历裂缝，又能够得到最优解。
作者：	庞炜辰
专业：	交通运输工程
导师：	王富玉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022