申请/专利权人：深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司

申请日：2023-10-17

公开（公告）日：2024-03-26

公开（公告）号：CN117077500B

主分类号：G06F30/23

分类号：G06F30/23;G06F30/13;G06T17/20;G06V20/10;G06V10/28;G06V10/422;G06T7/00;G06T7/62;G06Q10/20;G06Q50/08;G06F111/10;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.26#授权;2023.12.05#实质审查的生效;2023.11.17#公开

摘要：道路内部脱空的数值模拟建模方法、电子设备及存储介质，属于道路数值模拟建模技术领域。为解决对道路内部脱空进行准确数值模拟。本发明采用探地雷达采集道路内部图像；将采集的道路内部图像进行病害目标区域的提取，得到病害道路内部脱空区域图像数据；计算病害道路脱空区域实际高度；计算病害道路脱空区域实际面积；采用探地雷达采集道路内部电磁波回波断层图像，进行道路内部电磁波回波断层图像处理，然后构建道路内部脱空的数值模拟模型。本发明可用于预测道路内部脱空病害的形成和发展过程。道路内部脱空病害的数值模拟可以优化养护方案，优化养护资源和资金分配，提高养护效率和质量，降低养护成本，提高道路通行安全性，延长道路寿命。

主权项：1.一种道路内部脱空的数值模拟建模方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、采用探地雷达采集道路内部电磁波回波图像；S2、将步骤S1采集的道路内部电磁波回波图像进行病害目标区域的提取，得到病害道路内部脱空区域图像数据；步骤S2的具体实现方法包括如下步骤：S2.1、采用最大类间方差法，对步骤S1采集的道路内部电磁波回波图像进行二值化处理，得到二值化处理后的道路内部电磁波回波图像；S2.2、将步骤S2.1二值化处理后的道路内部电磁波回波图像统计全部连通区域内像素总数量，然后删除像素总数量小于500的连通区域，保留像素总数量大于等于500的连通区域，并将删除像素处理后的道路内部电磁波回波图像的连通区域编号为N1，N2…Ni…Nc；S2.3、对步骤S2.2删除像素处理后的道路内部电磁波回波图像建立坐标系，以图像左上角的顶点为坐标原点，水平向右为x轴正方向，竖直向下为y轴正方向，提取删除像素处理后的道路内部电磁波回波图像的全部连通区域中像素的坐标点，设置连通区域Ni的最左侧像素点坐标为、最右侧像素点坐标为、最顶端像素点坐标为，定义坐标表达式为： ； ； ；其中，为连通区域Ni的最左侧像素点的x轴坐标，为连通区域Ni的最左侧像素点的y轴坐标，为连通区域Ni的最右侧像素点的x轴坐标，为连通区域Ni的最右侧像素点的y轴坐标；为连通区域Ni的最顶端像素点的x轴坐标，为连通区域Ni的最顶端像素点的y轴坐标；S2.4、采用计算倾角的方法筛选出具有双曲线特征的区域，分别求取顶端像素点到最左侧像素点、最右侧像素点的倾角Ag1和Ag2，表达式为： ； ；然后提取顶端像素点到最左侧像素点、最右侧像素点的倾角的最大值，记为，表达式为： ；设置临界角度，提取连通区域Ni中的区域为双曲线区域；S2.5、提取所有连通区域的双曲线区域，进行重新编号为，其中，为双曲线区域的总数量；S2.6、基于步骤S2.5得到的所有双曲线区域的全部双曲线的顶点坐标，依次提取所有双曲线区域过顶点坐标的单道波形时域数据，依次记录为：，其中，，为第i个双曲线区域过顶点坐标的单道波形时域数据，为第i个双曲线区域过顶点坐标的单道波形时域数据中的第l个振幅数据；S2.7、采用小波变换的方法将步骤S2.6得到的双曲线区域过顶点坐标的单道波形时域数据转换为频域数据，计算表达式为： ； ；其中，为第i个双曲线区域过顶点坐标的单道波形频域数据，为尺度，为平移量，为基本小波；然后计算第i个双曲线区域过顶点坐标的单道波形的相位，计算表达式为： ；其中，为的虚部，为的实部；S2.8、基于电磁波理论设置发射位置处电磁波为，将反射位置处电磁波为，构建方向函数，表达式为： ；计算方向函数，当时，表明电磁波从高介电常数向低介电常数介质传播，病害位置处材料的介电常数小于发射位置，判断第i个双曲线区域为病害道路内部脱空区域；S2.9、计算所有双曲线区域过顶点坐标的单道波形的相位，判断所有双曲线区域的道路内部脱空情况，得到病害道路内部脱空区域图像数据；S3、基于步骤S2得到的病害道路内部脱空区域图像数据，计算病害道路内部脱空区域实际高度；步骤S3的具体实现方法包括如下步骤：S3.1、采用钻机钻探病害道路，在病害道路现场验证步骤S2中得到的病害道路内部脱空区域图像数据，得到病害道路内部脱空区域；S3.2、将内窥镜深入病害道路内部脱空区域，通过内窥镜显示器确定病害道路内部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，为病害道路内部脱空区域实际高度；S3.3、将步骤S3.1验证的病害道路内部脱空区域图像数据采用图像二值化的方法，得到图像二值化处理后的病害道路内部脱空区域图像数据，然后提取二值化处理后的病害道路内部脱空区域图像数据中双曲线的最顶端像素点坐标，过做一条与y轴平行的直线与双曲线相交于和，则，，则得到病害道路内部脱空区域的高度的计算公式为： ；S3.4、选取10个病害道路内部脱空区域，重复步骤S3.1-S3.3，依次得到病害道路内部脱空区域实际高度，计算得到病害道路内部脱空区域的高度；S3.5、基于步骤S3.4选取的10个病害道路内部脱空区域，采用二次函数拟合与，得到病害道路内部脱空区域实际高度计算表达式为： ；其中，分别为病害道路内部脱空区域实际高度计算表达式的二次项参数、一次项参数、常数项参数；S3.6、基于步骤S3.5得到的病害道路内部脱空区域实际高度计算表达式计算病害道路内部脱空区域实际高度；S4、基于步骤S2得到的病害道路内部脱空区域图像数据、步骤S3得到的病害道路内部脱空区域实际高度，计算病害道路内部脱空区域实际面积；步骤S4的具体实现方法包括如下步骤：S4.1、采用钻机钻探病害道路，在病害道路现场验证步骤S2中得到的病害道路内部脱空区域图像数据，得到病害道路内部脱空区域；S4.2、将内窥镜深入病害道路内部脱空区域，通过内窥镜显示器确定病害道路内部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，为病害道路内部脱空区域的实际高度；然后向步骤S4.1得到的病害道路内部脱空区域中注水，直至注满水，并记录注水的体积为病害道路内部脱空区域实际体积，然后计算病害道路内部脱空区域实际面积，计算表达式为： ；S4.3、采集步骤S4.1验证的病害道路内部脱空区域图像数据，首先提取病害道路内部脱空区域图像数据的平面图像对应的像素总数量记为，然后统计病害道路内部脱空区域图像数据中脱空区域对应的像素总数量记为，然后计算病害道路内部脱空区域面积，计算表达式为： ；其中，为1个像素代表的道路实际区域面积；S4.4、选取10个病害道路内部脱空区域，重复步骤S4.1-S4.3，依次得到病害道路内部脱空区域实际面积，计算得到病害道路内部脱空区域面积；S4.5、基于步骤S4.4选取的10个病害道路内部脱空区域，采用二次函数拟合与，得到病害道路内部脱空区域实际面积计算表达式为： ；其中，分别为病害道路内部脱空区域实际面积计算表达式的二次项参数、一次项参数、常数项参数；S4.6、基于步骤S4.5得到的病害道路内部脱空区域实际面积计算表达式计算病害道路内部脱空区域实际面积；S5、基于步骤S2-S4的方法对道路内部电磁波回波图像处理，然后构建道路内部脱空的数值模拟模型；步骤S5的具体实现方法包括如下步骤：S5.1、采用探地雷达采集道路内部电磁波回波图像；S5.2、利用步骤S2的病害识别方法，从步骤S5.1采集的道路内部电磁波回波图像中识别脱空区域，导出道路内部脱空区域的平面图像、纵断面图像；S5.3、将步骤S5.2得到的道路内部脱空区域的平面图像依次编号1，2…NP，采用二值化方法，将得到的道路内部脱空区域的平面图像进行二值化处理，统计道路内部脱空区域的平面图像的像素总数量，然后根据步骤S3和步骤S4分别计算道路内部脱空区域的和；S5.4、计算道路内部脱空区域的平面图像的层间高度，计算表达式为： ；其中，为第i个道路内部脱空区域的平面图像的层间高度；计算道路内部脱空区域的平面图像中单个像素对应的实际面积，计算表达式为： ；其中，为第i个道路内部脱空区域的平面图像中单个像素对应的实际面积，为第i个道路内部脱空区域的平面图像的像素总数量；S5.5、分别构建道路采集区域的几何模型、脱空区域的几何模型：S5.5.1、道路采集区域几何模型构建：将探地雷达采集的道路内部电磁波回波图像导入到CAD软件中，人工判断道路内部电磁波回波图像的特征点，并在CAD软件中采用点选的方式确定特征点的坐标；然后，在有限元软件Abaqus中，在部件创建区域，通过坐标输入的方式，输入特征点的坐标，采用线段连接的方式进行连接，即完成几何模型Gr的构建；S5.5.2、脱空区域几何模型构建：将探地雷达采集的包括脱空区域的道路内部电磁波回波图像的平面图和纵断面图导入到CAD软件中，提取脱空区域的特征点坐标；然后，在有限元软件Abaqus中，在部件创建区域，通过坐标输入的方式，输入脱空区域的特征点坐标，采用线段连接的方式进行连接，即完成脱空区域几何模型的构建；S5.6、在有限元软件Abaqus中，将道路材料参数添加到步骤S5.5构建的道路采集区域的几何模型、脱空区域的几何模型，其中，脱空区域的几何模型的材料参数按照空气的参数输入，具体输入空气的弹性模量、泊松比；S5.7、在有限元软件Abaqus中，对步骤S5.6添加道路材料参数的道路采集区域的几何模型创建截面属性、创建装配件、创建分析步、定义边界条件、施加荷载、划分网格，然后系统提交后进行结果分析。

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