Статья. Георадарные технологии для дорожников России. Отечественное программное обеспечение GeoReader

Канд. техн. наук Ю.А. Сухобок, научный сотрудник К.А. Шоберг, научный сотрудник Г.А. Шоберг, генеральный директор ООО "ТИМ" М.С. Курбатов, руководитель проектов НПО «Терразонд» Д.Б. Романов.

Георадар – это инструмент неразрушающего контроля, который, в том числе, применяется на автомобильных дорогах. Основное назначение метода георадиолокации при обследовании объектов дорожного хозяйства — непрерывное определение конструкции дорожной одежды, толщины ее слоев и состояния подстилающих слоев основания автомобильных дорог

Задачи и рынок метода георадиолокации

Согласно маркетинговым исследованиям [1], мировой рынок георадарного оборудования определен как растущий. Ожидается, что он будет расти на 7,5% в год в период с 2022 по 2029 год. К 2029 году его объем превысит $625,40 млн, по сравнению с $326,20 млн в 2020 году. Исследования автомобильных дорог с помощью георадара во всем мире занимают одну из доминирующих долей рынка – 43.36% (на 2021 год) [2]

В России технологии георадарных исследований автомобильных дорог развиваются так же активно, как и во всем мире, включая производство современного оборудования и программного обеспечения. Растущая интенсивность трафика на дорогах России стимулирует инженеров дорожного хозяйства применять все более современные и производительные подходы всестороннего изучения внутреннего строения и состояния автомобильных дорог. Поэтому все чаще службы дорожного хозяйства на федеральном и региональном уровнях применяют эту неразрушающую технологию в рамках проектно-изыскательских работ, строительного контроля, а также эксплуатации дорог. За последнее десятилетие Российской Федерацией разработано и утверждено пять государственных стандартов, а также два методических дорожных документа, регламентирующих методики георадарного обследования автомобильных дорог

Предпосылки создания GeoReader

GeoReader – это отечественный программный комплекс для автоматизации обработки больших объемов георадарных данных

Поскольку линейные объекты предполагают сбор георадарных профилей на участках в сотни или тысячи километров, обработка таких данных занимает огромное количество времени. Единственной возможностью обеспечить сопоставимость скорости сбора со скоростью интерпретации георадарных данных является создание и развитие высокопроизводительных программных алгоритмов обработки

Программный продукт GeoReader является наиболее адаптированным на сегодняшний день отечественным приложением для решения вышеозвученных задач, поскольку изначально разрабатывался для дорожников. Программное обеспечение отличается максимальной автоматизацией большинства процедур обработки данных, не требует большого экспертного опыта в области геофизических исследований, реализует методики действующих ГОСТ и ОДМ по применению георадаров в дорожном строительстве

Авторами программного комплекса являются два инженера по специальностям:

■ «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство»
■ «Автомобильные дороги и аэродромы»

Идея разработки нового программного приложения для обработки георадарных данных возникла в 2013 году на основании собственного производственного опыта, когда поставляемое в комплекте с георадарами ПО не было адаптировано для работы на линейных объектах (в том числе на автомобильных и железных дорогах). В частности, вызывали трудности следующие факторы:

■ точная привязка георадарных профилей к километровым знакам или пространственным координатам
■ отсутствие возможности пакетной обработки серии георадарных профилей
■ неточные и малопроизводительные алгоритмы отрисовки границ слоев конструкции дороги
■ ручной подход в определении областей неоднородности свойств грунтов основания автомобильных дорог, низкая производительность обработки данных и сильная экспертозависимость результатов
■ отсутствие возможности экспорта результатов георадарного обследования в САПР и ГИС приложения для автомобильных дорог

Становление и развитие проекта GeoReader

С 2016 по 2018 год GeoReader развивался как научный проект и проходил апробацию на реальных объектах своих будущих клиентов. За этот период было разработано три приложения, входящих в состав программного комплекса, ПО прошло испытание на нескольких сотнях километров дорог и транспортных объектах аэропортовой инфраструктуры

К концу 2018 года стало понятно, что программный продукт обладает рядом конкурентных преимуществ перед своими отечественными аналогами, востребован специалистами дорожного хозяйства, поэтому проект нуждается в масштабировании. В данной связи основателями проекта GeoReader была подана заявка в «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (Фонд содействия инновациям) на участие в программе поддержки стартапов «Старт-1» с целью получения гранта на развитие проекта

В ходе конкурсного отбора и защиты перед экспертным жюри Фонда проект GeoReader вошел в число победителей. Одним из условий выделения грантового финансирования со стороны Фонда являлось создание юридического лица, которому будут принадлежать все права на создаваемый продукт. Так в январе 2019 года появилось малое инновационное предприятие ООО «ТИМ» (GeoTIM). В марте того же года был заключен договор с Фондом содействия инновациям на выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) по теме: «Разработка и тестирование прототипа программного обеспечения с автоматизированными алгоритмами поиска границ и структурных аномалий на основании георадарных обследований дорожных конструкций автомобильных дорог»

Ровно через год функционал ПО GeoReader был в значительной степени доработан, в его составе появились два новых программных модуля, кратно увеличивающие производительность обработки георадарных данных (с 10–15 км/смена до более чем 70 км/смена)

По результатам работ были получены свидетельства Роспатента о регистрации программ для ЭВМ № 2019666856 и 2019666857

Позже началась работа по выводу продукта на рынок, первые продажи, учет замечаний и предложений первых клиентов, непрерывное тестирование ПО, устранение многочисленных багов, доработка и оптимизация уже имеющегося функционала, в том числе создание новых возможностей

На сегодня общий объем георадарных данных, «загруженных» в GeoReader, превысил 10 тыс. пог. км автомобильных дорог. Примечательным является опыт проведения в 2022 году пилотного проекта на дорогах Санкт-Петербурга при поддержке акселератора дорожной отрасли [3]. В рамках апробации ставилась задача оценки возможности использования георадара для обоснования необходимости замены слоев основания дорожных одежд длительно эксплуатируемых автомобильных дорог

В ходе работ была найдена сильная сходимость результатов георадарного обследования и оценки прочности дорожных конструкций по данным динамического нагружения [4], что позволило сделать очередной шаг в направлении использования георадара при планировании дорожной деятельности

Результатом работы стал новый программный модуль непрерывной оценки относительной прочности дорожных конструкций по данным георадара, который в течение двух последующих лет проходил апробацию на других объектах и доказывал свою эффективность

В мае 2023 года первые приложения из состава программного комплекса GeoReader были внесены в Единый реестр российских программ для электронных вычислительных машин и баз данных [5]

А в ноябре того же года был утвержден и внесен в реестр добровольной регистрации РСТ первый стандарт организации СТО 35584078-001-2023 «Методика определения толщины слоев дорожной одежды. Правила обработки георадарных данных в программном комплексе GEOREADER» [6]

Функционал ПО

На сегодняшний день программный комплекс GeoReader состоит из четырех приложений:

■ GeoReader
■ GeoReader Project
■ GeoReader AmplitudeMap
■ GeoReader AI

Приложение GeoReader является математическим ядром программного комплекса, в нем собраны все базовые функции, уникальные авторские алгоритмы обработки георадарных профилей и инструменты обмена данными с другими приложениями. Указанное приложение позволяет непосредственно открывать, анализировать и интерпретировать отдельные георадарные профили (рис. 1)

Рис. 1. Пример интерпретированного в GeoReader георадарного профиля
На рисунке векторизованы различные слои дорожной одежды, указано положение калибровочной скважины в месте изменения конструкции дороги

Поддерживается импорт данных георадаров: «Терразонд» (Россия), «Око» (Россия), «Лоза» (Россия), SIR (США), S&S (Канада), Zond (Латвия), Mala (Швеция), Универсального формата (SGY)

В программном комплексе GeoReader полностью автоматизированы процедуры:

■ корректировки длины профилей по спутниковым координатам
■ привязки профилей к километражу и пикетажу дороги
■ поиска границ слоев дорожной одежды на георадарных профилях
■ поиска областей неоднородности свойств грунтов подстилающего основания автомобильных дорог
■ формирования отчетных материалов в наиболее популярных обменных форматах данных: CSV, SHP, DXF, SGY, KML, LandXML, PNG

Определение конструкции и толщины слоев дорожной одежды, а также выявление неоднородностей свойств грунтов в основании автомобильных дорог выполняется по методикам, описанным в:

■ ГОСТ Р 58349–2019 «Дороги автомобильные общего пользования. Дорожная одежда. Методы измерения толщины слоев дорожной одежды»
■ ОДМ 218.3.075-2016 «Рекомендации по контролю качества выполнения дорожно-строительных работ методом георадиолокации»

Также в приложении реализована методика определения толщины отремонтированного асфальтобетонного покрытия, не требующая калибровки георадарных данных разрушающими методами [7]. Имеется возможность совместного анализа георадарных данных и результатов (рис. 2), полученных другими измерительными системами (установка динамического нагружения (FWD), профилометр продольной ровности покрытия и т. п.)

Рис. 2. Совместное представление радарограммы, графиков измерения прогиба дорожного покрытия (D1), продольной ровности (IRI) и колеи (Rut)

Выявление областей неоднородности свойств материалов основания дорожных одежд, грунтов земляного полотна и подстилающего его основания базируется на атрибутном анализе сигнала георадара

Такие признаки, как локальный рост амплитуды или снижение частоты отраженного сигнала георадара [8–11], могут указывать на положение ослабленных зон (разуплотнение, переувлажение, пустота) в основании дорог. В ПО GeoReader реализована возможность анализа атрибутов сигнала как между границами слоев дорожной конструкции, на границе между слоями, так и в фиксированных, не меняющихся диапазонах постоянных глубин

Предварительно выполняется расчет атрибута сигнала, который в виде маски накладывается на радарограмму (рис. 3). В случае если результат атрибутного анализа содержит информацию о локальном отклонении электрических свойств материала или грунта слоя, на графике атрибута, расположенном под радарограммой, формируется характерный всплеск (рис. 3), по величине которого можно судить о виде и степени нарушения. Указанный автоматический подход позволяет избежать экспертозависимости результата интерпретации георадарного профиля, а также существенно повысить производительность обработки данных

Рис. 3. Результат анализа однородности свойств слоев дорожной конструкции с применением атрибутного анализа
Значительное отклонение электрических свойств по амплитуде сигнала на границе слоя основания и дополнительного слоя основания дорожной одежды выделено на графике красным прямоугольником

Приложение GeoReader Project – это менеджер проектов, который используется для пакетного добавления данных в георадарный проект, их обработки, визуализации проездов георадара на карте и экспорта данных в файлы обменного формата

Раньше оператору приходилось открывать каждый георадарный профиль по отдельности. А затем применять к нему последовательные процедуры обработки: координатная или линейная привязка профиля, корректировка расстояния профиля, очистка профиля от волновых помех, настройка усиления, атрибутный анализ, поиск границ и областей неоднородности свойств слоев дорожной одежды, калибровка профиля по скважине, выгрузка результата и т.п.

GeoReader Project позволил сэкономить время на выполнение однотипных процедур, так как проводит их в фоновом режиме. Приложение позволяет создавать резервные копии исходного сигнала георадарных профилей и быстро откатиться к начальному виду радарограмм, в частности, если на них уже выполнены построения границ и других векторных элементов (точки, прямоугольные области, текстовые подписи). Существует возможность со хранить текущий вид обработки радарограмм в виде подложки, а при необходимости вернуться к нему, даже если позднее этот вид был изменен применением других процедур обработки

Все приложения программного комплекса GeoReader и менеджера проекта, в частности, работают по принципу САПР, когда для каждого вида векторных элементов (границы слоев, области неоднородности, скважины, однотипные дефекты и др.) или для отдельного слоя дорожной одежды создаются обособленные программные слои, в которых хранится информация, относящаяся только к этому слою

Также отличительной особенностью GeoReader Project является создание типовой дорожной конструкции для всех профилей проекта, когда наименования материалов слоев и их проектная толщина автоматически присваиваются отрисованным слоям, добавленным скважинам, а поиск неоднородностей свойств материалов и грунтов выполняется послойно в пределах указанных проектных или фактических толщин каждого слоя конструкции дороги. Добавляя в отдельные файлы георадарного проекта описание инженерно-геологических скважин (рис. 4), можно выполнять калибровку всех радарограмм одновременно

Рис. 4. Добавление описания скважины

Принципы преобразования результатов георадарного обследования в массив пространственных данных, а также поддержка возможности импорта файлов траектории систем мобильного лазерного сканирования в GeoReader Project позволили создавать трехмерные модели подповерхностной среды автомобильных дорог, совмещенные с облаком точек рис. 5) [12]

Риc. 5. Цифровая модель дорожной одежды

Приложение GeoReader AmplitudeMap используется для анализа подповерхностного пространства автомобильной дороги в горизонтальном, а не вертикальном сечении. Например, когда георадарные профили записаны многоканальным георадаром и получен массив точно-параллельных радарограмм с расстоянием между ними в несколько сантиметров. Путем интерполяции информации между профилями создаются амплитудные карты (горизонтальные срезы дороги на заданной глубине относительно поверхности дорожного покрытия). На таких срезах хорошо видны конфигурация области неоднородности свойств грунтов в плане, положение инженерных коммуникаций, расположение арматуры в железобетонных конструкциях, границы бетонных плит под асфальтобетоном, а в ряде случаев можно увидеть конфигурацию сетки трещин в нижних слоях покрытия – до их проявления на дневной поверхности (рис. 6)

Рис. 6. Пример горизонтального георадарного сечения

Инженерные коммуникации отображаются на горизонтальных срезах в форме объектов характерной правильной формы, также имеется возможность открыть фрагмент георадарного профиля в интересующем месте горизонтального среза для сравнения изображения радарограмм в разных плоскостях (рис. 7)

Рис. 7. Отображение инженерной коммуникации в основании городской улицы на вертикальном и горизонтальном сечениях
Инженерные коммуникации обведены красными прямоугольниками

Области неоднородности свойств грунта, дефекты нижних слоев покрытия, положение плит, армирования или инженерных коммуникаций на горизонтальных срезах рисуют непосредственно на амплитудной карте с последующей выгрузкой векторизованных элементов на план дороги с указанием ориентировочной глубины залегания найденных объектов

Описанный выше функционал ПО GeoReader не уникален и имеет аналоги в мире, вместе с тем не известно ни одного другого программного продукта, который бы вобрал в себя такое количество разнообразных функций применительно к обследованию автомобильных дорог

Однако есть у программного комплекса GeoReader и уникальные особенности. В конце 2022 года ООО «ТИМ» во второй раз стало победителем конкурса, организованного Фондом содействия инновациям, по результатам которого была выполнена научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа (НИОКР) по теме: «Разработка и тестирование прототипа программного обеспечения с автоматическим поиском границ слоев дорожной конструкции на георадарном профиле с помощью искусственного интеллекта»

Работа продолжалась полтора года, и в середине 2024 года рынку был представлен принципиально новый продукт – облачный сервис для автоматической обработки георадарных профилей, в котором была развернута работа нейросети, осуществляющей поиск границ слоев дорожной одежды на георадарных профилях без какого-либо участия со стороны человека

Для обращения к облаку было разработано приложение GeoReader AI, интегрированное в состав программного комплекса GeoReader

Обучающая выборка данных включала более 500 км георадарных профилей, записанных на вновь построенных автомобильных дорогах, длительно эксплуатируемых дорогах и городских улицах

Обучение выполнено для шести различных видов георадарного оборудования, работающих как в контакте, так и с отрывом от дорожного покрытия при сканировании. По результатам выполненной НИОКР и разработки нового программного приложения

GeoReader AI удалось добиться производительности поиска границ слоев дорожной одежды на георадарных профилях с помощью искусственного интеллекта не менее 150 км/ч

Направления дальнейшего развития

Вместе с тем текущее развитие продукта не будет ограничиваться вышеуказанными возможностями

Авторами GeoReader разработана концепция переноса функционала программного комплекса со всеми его десктопными приложениями в облачную среду, что позволит иметь доступ к более производительным вычислительным мощностям для всех пользователей ПО, всегда актуальным версиям приложений, учитывающим все последние доработки. Кроме того, это даст возможность исключить для конечного пользователя необходимость в дополнительных проверках безопасности используемого ПО в корпоративных сетях

Большой упор также будет сделан на разработку новых алгоритмов искусственного интеллекта, например, для автоматического картирования подземных инженерных коммуникаций и сопоставительного анализа результатов георадарного обследования с другими измерительными системами. Важным видится функционал автоматической генерации отчетных документов, включая пояснительные записки и графические материалы, в соответствии с действующими и вновь разрабатываемыми документами по стандартизации

Список использованных источников:

1. Электронный ресурс https://exactitudeconsultancy.com/reports/24985/ground-penetrating-radar-market/
2. Электронный ресурс https://www.fortunebusinessinsights.com/ground-penetrating-radar-market-102600
3. Электронный ресурс https://www.s-vfu.ru/universitet/nauka/Возможности%20проектов%20в%20Акселераторе%20(2).pdf
4. Электронный ресурс https://www.researchgate.net/publication/366237347_Automatic_pavements_diagnostics_using_GPR_FWD
5. Электронный ресурс https://geotim.ru/novosti-i-publikacii/o-vnesenii-programm-tim-v-edinyj-reestr-rossijskih-programm-dlya-elektronnyh-vychislitelnyh-mashin-i-baz-dannyh/
6. Электронный ресурс https://geotim.ru/novosti-i-publikacii/o-registracii-sto-35584078-001-2023/
7. Электронный ресурс https://www.academia.edu/31008414/Pavement_Thickness_and_Stiffness_Evaluation_using_Ground_Penetrating_Radar_and_Surface_Wave_Method
8. Старовойтов А.В. Интерпретация георадиолокационных данных. М.: Изд-во МГУ, 2008
9. Кулижников A.M. Обнаружение дефектов в грунтах земляного полотна и подстилающего основания с помощью георадарных технологий / А.М. Кулижников, А.А. Белозеров, С.Н. Бурда // Актуальные проблемы современного дорожного строительства и хозяйства: материалы Всерос. науч.- практ. конф. Вологда: ВоГГУ, 2002. С. 73–77
10. Кулижников А.М. и др. Методические подходы к обнаружению ослабленных зон в дорожной одежде по динамическим и кинематическим признакам / А.М. Кулижников, Р.А. Еремин, Н.Г. Пудова, Е.О. Зверев // Дороги и мосты. 2022. № 48 (2). С. 82–97
11. Старовойтов А.В. Изучение ослабленных зон в верхней части разреза методом георадиолокации / А.В. Старовойтов, А.М. Романова, А.Ю. Калашников // Инженерная геофизика – 2011: материалы международной науч.-практ. конф., электронная версия. М., 2011. С. R3
12. Р.А. Еремин, А.М. Кулижников, Н. Г. Пудова, Ф. А. Гришин, Д. Р. Галимов / Перспективы информационного моделирования дорожных одежд // Научно-технический журнал Республиканского дочернего унитарного предприятия «Белорусский дорожный научно-исследовательский институт «БелдорНИИ» при Министерстве транспорта и коммуникаций Республики Беларусь. № 2 (30). 2022