CC BY
31
УДК 530.1.537.86+621.396.96
НОВІ ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ ТЕХНОЛОГІЇ ПРИ ВИЯВЛЕННІ ПОРУШЕНЬ СТРУКТУРИ ДОРОЖНЬОГО
ПОКРИТТЯ
О.В. Полярус, професор, д.т.н., ХНАДУ, Р.Е. Пащенко, доцент, д.т.н., ХУПС, М.М. Хорсаженко, асистент, ХНАДУ
Анотація. Розглянуто можливість автоматичного виявлення порушень структури дорожнього покриття на основі аналізу його гістограми фрактальних розмірностей.
Ключові слова: діагностика, дорожнє покриття, фрактал, поле
фрактальних розмірностей (ПФР), гістограма ПФР.
Вступ
Діагностика стану автомобільних доріг є важливою складовою комплексу
експлуатаційних заходів, які забезпечують відповідність характеристик дороги встановленим вимогам.
Одним із завдань діагностування стану дорожнього покриття є своєчасне виявлення порушень дорожньої структури, наприклад ям. Подібні задачі розв’язуються контактними і неконтактними методами, зокрема локаційними та оптичними. Вони не є універсальними і мають обмежені можливості.
Для розпізнавання зображення ями, отриманого відеокамерами, застосовуються спеціальні комп’ютерні програми, які реагують на великі градієнти яскравості в кадрі. В умовах недостатньої освітленості ідентифікація ям ускладнюється.
Метою статті є оцінка можливостей фрактального методу виявлення дорожніх ям.
Аналіз публікацій
На цей час відома велика кількість публікацій, присвячених методам
вимірювання характеристик дорожнього
одягу, наприклад
[1, 2].
Фрактальний метод, за нашими даними, ще не застосовувався для діагностики дорожнього покриття. Теоретичні основи цього методу сформульовані в [3], а в [4] проведено узагальнення публікацій за фрактальною тематикою.
Мета та постановка задачі
Фракталом, за визначенням Б. Мандельброта [3], називається множина, розмірність Хаусдорфа-Безиковича D0 якою чітко є більшою за її топологічну розмірність. Отже, треба оцінити фрактальну розмірність D0 покриття дороги, яка, з фізичних міркувань, повинна відрізнятись на ділянках з порушеною структурою, тобто в області ями.
Дійсно, з топології відомо, що топологічна розмірність точки дорівнює нулю, така ж розмірність будь-якої лінії - одиниці, ця ж характеристика для будь-якої поверхні -двом і, нарешті, для будь-якого об’єму -трьом.
Якщо ж лінія є розірваною в декількох місцях, то її розмірність знаходиться в межах від нуля до одиниці, залежно від того, який ступінь цієї розірваності. Аналогічно характеризуються поверхня та об’єм за наявності отворів довільної форми та виїмок.
Таким чином, лінія, поверхня та об’єм з відкладено відстань поперек дороги в
порушеною геометричною структурою пікселях, а по вертикалі - фрактальну
мають дробну розмірність. розмірність.
Природно, що і поверхня дороги з виїмками та розривами повинна мати дробну розмірність. Остання визначається за формулою [3]
D0 = lim
log N(e ) log(1/ e ),
(1)
де М(є) - мінімальна кількість елементарних площадок (об’ємів), потрібна для покриття ділянки дороги. Тут термін «покриття» припускає тільки математичний зміст.
Програмна реалізація розрахунку поля фрактальних розмірностей дороги
Програму розрахунку Do розроблено нами на основі матеріалу [5]. Вона дозволяє виділити характерні кластери фрактальних розмірностей ділянок дороги.
У програмному комплексі реалізовані методи автоматичної сегментації. Крім того, передбачена можливість побудови гістограм поля фрактальних розмірностей (ПФР) та їх аналізу. Результати автоматичної сегментації зображення або аналізу гістограми ПФР представлено на екрані комп’ютера.
Після завантаження програмного комплексу на екрані комп’ютера з’являється вікно, в якому відкривається файл із зображенням, що обробляється. Далі вибираються параметри вихідної побудови ПФР (розмір «вікна» і крок сканування).
Вибір розміру вікна й кроку сканування може здійснюватися введенням чисельного значення у відповідне вікно програмного комплексу, що позначається як «Вікно» і «Крок» відповідно. Підібравши й установивши потрібні значення розміру «вікна» і кроку сканування, можна досліджувати все зображення.
Построковий аналіз ведеться вздовж горизонтальної лінії, що, як видно з рис. 1, проходить через яму. З гістограми ПФР випливає, що ямі відповідає «провал», тобто різке зменшення фрактальної розмірності.
Рис. 1. Приклад гістограми ПФР ділянки дороги
Наявність на дорозі листя змінює картину розсіювання світла і приводить до змін фрактальної розмірності поперек дороги. Це свідчить про чутливість методу аналізу ПФР.
Якщо переріз не проходить через яму (рис. 2), глибоких характерних провалів гістограми ПФР не спостерігається.
Результати аналізу гістограм ПФР ділянок дороги
На рис. 1 угорі представлено зображення з порушенням дорожнього полотна у вигляді ями посередині, а нижче - гістограма ПФР із встановленими значеннями розміру «вікна» і кроку сканування. По горизонтальній осі
Рис. 2. Гістограма ПФР Аналогічні результати були отримані нами для інших порушень дорожньої структури типу «яма». Один з прикладів зображений на рис. 3, де границі ями дуже добре проявляються на гістограмі ПФР.
Чисельні дослідження полів фрактальних розмірностей різних ділянок дороги дозволили встановити важливу
закономірність: наявність на дорозі ям або сторонніх предметів завжди призводить до різких провалів у
гістограмах ПФР. Це означає, що існує можливість автоматичного виявлення
порушень дорожнього полотна на основі аналізу його гістограми ПФР. Для реалізації методу потрібна тільки відеокамера, яка має вихід на комп’ютер. На цей час, однак, ще потрібні додаткові дослідження для визначення ймовірності розпізнання ями. Як було показано у статті, наявність провалів у гістограмах ПФР ще не означає, що
здійснено виявлення ями. Це може бути ділянка дороги з різким змінюванням освітленості, причини якого можуть бути різними. Таким чином, існування провалу в гістограмі ПФР є необхідною, але не достатньою умовою наявності порушень дорожньої структури типу «яма». Описаний метод у перспективі може бути покладений в основу створення та вдосконалення нових інформаційно-вимірювальних технологій в дорожній галузі.
Література
1. Ramji K., Gupta A., Saran V.H., Goel V.K.,
Kumar V. Road Roughness Measurements using PSD Approach. IE Journal - CV. -2004. - Vol. 85. - №11. - Р. 193 - 201.
2. Жилин С.Н., Ермолаев В.И. Современные
автоматизированные технические средства диагностики автомобильных дорог. - М.: Информационный центр по автомобильным дорогам. - 2002. - №5. - 60 с.
3. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия
природы. - М.: Ин-т комп. исследований, 2002. - 656 с.
4. Потапов А.А. Фракталы в радиофизике и
радиолокации. - М.: Логос, 2002. - 664 с.
5. Фрактальный анализ процессов, структур
и сигналов. Коллективная монография / Под. ред. Р.Э. Пащенко. - Харьков: ХООО НЭО «ЭкоПерспектива», 2006. -348 с.
Рис. 3. Приклад гістограми ПФР Висновки
Рецензент: Л.В. Назаров, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 17 грудня 2008 р.
