Développement d’un système pour le suivi du comportement fonctionnel et structural des chaussées

Leduc, Eric (2020). Développement d’un système pour le suivi du comportement fonctionnel et structural des chaussées. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cette recherche propose un modèle d’acquisition intelligent pour le suivi de l’état des chaussées et du trafic circulant sur celles-ci. L’objectif principal est de créer des chaussées connectées à l’aide d’une plate-forme de gestion des infrastructures, dans le but de proposer des interventions sur les chaussées à moindre coût pour la société. La structure de la chaussée peut ainsi être surveillée de façon permanente et le transfert d’informations s’effectuer en temps réel et de façon continue, avec le support de modules cellulaires, ultimement 5G, permettant de qualifier la qualité de la structure en tout temps et à partir de quelque endroit que ce soit. L’intérêt d’une telle innovation pour l’ensemble des parties prenantes de l’industrie routière est significatif, autant pour les ministères que pour les municipalités, les ingénieurs conseils, les fournisseurs, les universitaires et bien entendu la population qui doit avoir accès aux bénéfices associés aux taxes qu’elle paye.

À ce titre, le but premier de cette recherche est de concevoir et de valider un nouveau système mécanique inséré sous la couche de surface de la chaussée, qui mesure les déformations et le tassement de celle-ci à différentes profondeurs et selon plusieurs espacements horizontaux. Ce système mesure des caractéristiques électriques qui sont bien corrélées avec les bassins de déflexion ou de tassement sous charge. À partir de ces bassins de déflexion, la recherche fait ainsi ressortir la possibilité de déterminer les charges, via ces capteurs, et d’envoyer l’information recueillie dans une base de données. L’analyse subséquente permet alors, de déterminer :
• Le tassement des couches de la chaussée ; et,
• L’intensité des charges sur une chaussée donnée.

Cette analyse est effectuée en corrélant le tassement des couches de la chaussée, déduit des caractéristiques électriques, et la charge, via les modules de rigidité. Le système est intégré à la chaussée afin de déduire les tassements en ne retenant que les distorsions dynamiques significatives dans le temps et du fait même, en éliminant le bruit. Le système transmet par la suite, les données colligées au modèle d’acquisition qui les transforme en informations pouvant être utilisées par les gestionnaires des réseaux routiers, c’est-à-dire des charges sous essieu. Les résultats d’acquisition permettent d’obtenir le spectre de charges que subit la chaussée en temps réel, qui représente une donnée d’entrée importante au logiciel de dimensionnement et d’évaluation structurale des chaussées AASHTO 2002. Un prototype est conçu au laboratoire des enrobés de l’ETS et les essais réalisés afin de dégager la fonction qui relie les caractéristiques électriques et les charges. Ce module proposé est opérationnel.

Le but second de cette recherche est de concevoir et de valider une approche intégrée LiDARvidéo qui permet d’associer automatiquement un niveau de dégradation d’une surface de chaussée à une image collectée avec une caméra et un relevé laser par LiDAR (Time of Flight). Ces données digitales et de profondeur permettent de qualifier, de façon autonome, avec un modèle d’apprentissage supervisé, les déformations verticales et les fissures de surface (nid-de-poule, fissure longitudinale, transversale ou en maille, ornière, etc.). Ces données digitales et de profondeur, permettent également de construire une base de données fonctionnelle pour avoir une vue d’ensemble de l’état de la chaussée, à un moment précis de son cycle de vie. Ceci devient alors une base de référence fiable permettant à terme de sélectionner l’intervention d’entretien ou de réhabilitation la plus appropriée en fonction de la localisation, du type et de la sévérité des dégradations identifiées et catégorisées, et du diagnostic de leurs causes, tout en ayant une évolution du profil des dégradations dans le temps (déformations et fissures).

Titre traduit

Development of an integrated system in the roadway for monitoring its functional and structural behavior

Résumé traduit

This research proposes an intelligent acquisition model for monitoring the condition of roadways and traffic on them. The main objective is to create connected pavements using an infrastructure management platform, with the aim of offering pavement interventions at the lowest cost to society. The structure of the roadway can thus be permanently monitored, and the transfer of information is carried out in real time and continuously, with the support of cellular modules, ultimately 5G, allowing the quality of the structure to be qualified at all times. and from anywhere. The interest of such an innovation for all stakeholders in the road industry is significant, as much for the ministries as for the municipalities, consulting engineers, suppliers, academics and of course the population who must have access profits associated with the taxes it pays.

As such, the primary goal of this research is to design and validate a new mechanical system inserted under the surface layer of the road, which measures the deformations and the settlement of it at different depths and at several horizontal spacings. This system measures electrical characteristics which are well correlated with deflection or compaction basins under load. From these deflection basins, the research thus highlights the possibility of determining the charges, via these sensors, and of sending the information collected in a database. The subsequent analysis then makes it possible to determine:
• The compaction of the road layers; and,
• The intensity of the loads on a given roadway.

This analysis is carried out by correlating the settlement of the road layers, deduced from the electrical characteristics, and the load, via the stiffness modules. The system is integrated into the roadway in order to deduce the settlements, retaining only the significant dynamic distortions over time and thereby eliminating the noise. The system then transmits the data collected to the acquisition model which transforms it into information that can be used by road network managers, that is to say axle loads. The acquisition results make it possible to obtain the load spectrum that the pavement undergoes in real time, which represents an important input to the structural design and evaluation software for pavements AASHTO 2002. A prototype is designed in the laboratory of coated with ETS and the tests carried out in order to identify the function which links the electrical characteristics and the loads. This proposed module is operational.

The second goal of this research is to design and validate an integrated LiDAR-video approach which automatically associates a level of degradation of a road surface with an image collected with a camera and a laser survey by LiDAR (Time of Flight). These digital and depth data make it possible to qualify, independently, with a supervised learning model, vertical deformations and surface cracks (potholes, longitudinal, transverse or mesh cracks, ruts, etc.). This digital and depth data also makes it possible to build a functional database to have an overview of the condition of the roadway, at a specific point in its life cycle. This then becomes a reliable reference base allowing to ultimately select the most appropriate maintenance or rehabilitation intervention according to the location, type and severity of the damage identified and categorized, and the diagnosis of their causes, while having an evolution of the profile of degradations over time (deformations and cracks).

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 217-230).
Mots-clés libres:	villes intelligentes, internet des objets, intelligence artificielle, optimisation des coûts
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Assaf, Gabriel J.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	22 mars 2021 17:34
Dernière modification:	22 mars 2021 17:34
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2645

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