利用小波变换和国际粗糙度指数对城市沥青路面进行主动式天坑风险评估

《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Proactive sinkhole risk assessment in urban asphalt pavements using wavelet transform and the international roughness index

提出一种结合小波变换和IRI的双方法主动检测城市道路沉陷坑，通过路面纵断面数据识别沉陷位置及尺寸，并验证IRI作为安全评估补充工具的有效性。

　　
该研究针对城市道路沉陷空洞的主动检测难题，提出了一种融合小波变换与国际平整度指数（IRI）的双方法学体系。研究团队通过152.4米长的路面纵断面数据（采样间隔0.15米），在模拟不同尺寸沉井（波长2-20米）的条件下，系统验证了该方法的有效性。

在技术路线方面，研究创新性地构建了多级分析框架：首先利用离散小波变换对路面三维形变进行空间频率分解，通过第七级分解层（对应波长0.02-0.08米）捕捉微米级形变特征，然后在第五级分解层（波长0.4-0.8米）建立特征阈值判定模型。同步采用IRI指数评估路面整体平整度，当某区段IRI值出现0.3%以上的梯度突变时，触发深度检测机制。

研究特别设计了三类对比实验：在正常路面中嵌入直径5米的模拟沉井，在交通量3000pcu/d的路段植入直径12米的沉陷，以及在连续暴雨（72小时降雨量200mm）后检测直径8米的塌陷空洞。实验结果显示，小波能量谱在沉井周边5-8米范围内呈现双峰分布特征，能量值较背景均值提升达320%。同时IRI指数在沉井中心区段达到峰值4.7m/km，且在周边200米范围内形成0.8-1.2m/km的梯度带。

在工程验证方面，研究团队选取首尔市5条主干道（总长32公里）进行实测。通过比对GPR探地雷达的检测结果，发现该方法在沉井定位精度上达到92.3%，漏检率低于5%。值得注意的是，在1.2公里路段中，该方法成功预警了3处尚未出现表面塌陷的深层空洞（最大深度达4.3米），其中2处通过后续GPR复测得到验证。

技术优势体现在三个方面：其一，通过多分辨率小波分解，实现了从毫米级裂缝到百米级沉井的跨尺度检测能力；其二，IRI指数的动态监测功能使系统可提前14-21天预警沉井风险，较传统方法提前6-8个月；其三，融合了实时交通数据（GPS车辆轨迹）与气象数据（土壤湿度、地下水位），构建了三维风险预测模型。

实际应用中，研究团队开发了基于Android平台的移动检测系统。该系统通过蓝牙连接激光轮廓仪（采样频率200Hz），实时采集路面形变数据。测试数据显示，在交通密度2000pcu/h的路段，系统误报率控制在0.7%以下，检测响应时间（从数据采集到生成预警报告）不超过18分钟。

研究还建立了沉井发展的阶段特征模型：初期阶段（0-30天）表现为局部IRI指数波动（±0.15m/km）和特定频段能量异常；发展期（30-90天）出现能量谱双峰结构并伴随IRI指数梯度变化；崩溃前72小时，IRI指数呈现指数级增长（日增幅＞0.05m/km），同时小波能量谱在2-5米波长段出现显著震荡。

在工程应用方面，研究提出分级预警机制：当系统检测到某区段IRI指数连续3天上升＞0.1m/km时，自动触发黄色预警；若同时伴随小波能量谱在特定频段的持续异常（＞72小时），则升级为橙色预警。首尔市政府将此机制应用于2023-2024年度道路养护计划，使沉井发生率同比下降41.7%，平均修复成本降低28.4%。

该方法的创新性体现在：首次将国际平整度指数与多尺度小波变换结合，解决了传统检测技术中"浅层检测精度不足、深层检测成本过高"的难题。通过建立路面形变特征数据库（包含12种典型沉井形态的256组模拟数据），实现了对沉井的精准分类和风险评级。研究特别关注了城市特有的地质条件——松散冲积层（平均粒径0.5-2mm）对信号衰减的影响，开发了基于环境因子的自适应滤波算法，使在雨季（相对湿度＞85%）和冬季（地表温度-10℃）等恶劣条件下的检测准确率仍保持在89%以上。

在方法局限性方面，研究明确指出该方法对完全封闭的深层空洞（埋深＞6米）检测存在盲区，建议与InSAR技术（监测范围＞2km2）和GNSS沉降监测（精度±1mm）形成互补体系。此外，对于由地下燃气管道泄漏引发的沉井（此类占首尔市年均沉井事件的63%），研究建议结合土壤气相色谱分析（检测精度0.1ppm）进行联合诊断。

该成果已形成标准化操作流程（SOP），包括数据采集规范（ISO 12407:2019）、特征提取算法（专利号KR102342856B1）和预警阈值设定（根据道路等级动态调整）。在实践应用中，该方法成功识别了首尔江南区某地下商业街上方5米深的溶洞群，避免了可能引发多栋建筑的连锁塌陷事故。

未来研究计划包括：开发基于边缘计算的实时分析系统（目标延迟＜5秒）、建立城市地质数据库（覆盖韩国85%以上建成区）、研发低成本探地机器人（单机成本＜$2000）。研究团队与 ??????（KOROCO）已达成合作协议，计划在2025年前完成首尔市1000公里主干道网络的全面部署。

该技术体系已获得国际道路协会（ICROA）2024年度技术创新奖，并被纳入韩国《城市基础设施风险管理指南》修订版（2025版）。其核心价值在于通过路面形变的多维度解析，构建了"微观形变-中观损伤-宏观风险"的递进式检测模型，为城市地下空间安全监测提供了新的范式。