路面平整度的传统与智能化监测方法综述
2021-03-05
来源:步旅网
SUBJECTS I圃I解读 路面平整度是评价路面质量的重要指标之一,它与行车安全、舒适度等因素密切相 关,因此各国对此都展开过深入的研究。本文从路面平整度的定义出发,简要介绍了路 面平整度的各项评价指标,在此基础上进一步探讨了路面平整度的若干传统测量方法。 并简略分析了每一种方法的实用性与局限性,最后通过介绍国内外较为先进的基于智能 设备和移动互联技术的道路平整度测量新方法,展望了在大数据时代路面平整度测量的 新方向。 路面平整度的传统与智能化 监测方法综述 离博煜,商泽进,龚立平,尹冠生,曹媾。沈长安大学理学院,陕西西安710064 南 路面结构除了需要为车辆提供 足够的承载能力以保证基本的通行 的测量和监控一直是各国公路行业技术人员研 究的重要课题之一。本文将通过对路面平整度 传统测量方法的总结以及对在互联网时代相关 功能外,还必须满足驾驶的安全性 和舒适度等要求。各种路面缺陷不 仅会降低驾驶舒适度,还会损害车 辆…,加重车辆磨损。车辆沿着不 平整的路面行驶会引起车辆本身的 振动,同时将这些振动传递到交通 创新测量技术的归纳,客观地展现路面平整度 测量领域的先进性与不足之处,为该行业相关 领域的进一步研究提供参考。 负荷较大的道路附近的建筑物(通 常是居住区和商业建筑物)【2】。此 外,路面平整度是否良好,在一定 程度上直接影响燃油损耗,与节能 减排息息相关。因此,路面平整度 (1)路面平整度的定义 路面平整度是评定路面质量的三大技术指 标(厚度、平整度、压实度)之一。由于平整 度问题自身的复杂性,国内外有多种对平整度 21 SUBJECTS l圃I解读 的定义。其中,美国材料与试验协会 (ASTM)的定义为:道路平整度是路 本文将通过对路面平 整度传统测量方法的 总结以及对在互联网 时代相关创新测量技 术的归纳,客观地展 现路面平整度测量领 而主要的缺点是:检测速度慢,劳动力要求高,测量精 度低,测量人员主观性较大等。因此,在1998年的《公路 工程质量检验评定标准》(JT1 071—98)标准中做出了规 定,高速公路和一级公路平整度测量必须使用自动化的测 面表面相对于理想平面的竖向偏差。 这种偏差会影响到车辆动力特性、行 驶质量、路面所受动载荷及排水等。 该定义的合理性在于它明确指出了路 量设备,严禁使用3 m直尺法,并且必须同时检测公路各 个车道的平整度指标;同时提出了国际平整度指标IRI作 面平整度测量的参考系,利于测定; 还将人、车和路三方面综合考虑,清 楚地分析了其影响。交通运输部标 准《公路工程名词术语》(IT1 002— 87)将路面平整度定义为:路表面纵 向的凹凸量的偏差值。此外,还有其 他路面平整度的定义,例如:路面表 面对于理想平面的偏离;路面表面诱 使行驶车辆出现振动的高程变化。鉴 于ASTM的定义体现出人一车一路三位 一体的系统的优化,所以大部分文献 还是倾向于使用ASTM E867中的定义。 (2)路面平整度的评价指标 路面平整度的评价指标是用来反 映及评价路面平整情况的参数。评价 指标可以真实灵敏地反映所测路段的 相应断面信息,且能通过一定的方法 计算得到。 1998年原交通部对《公路工程质 量检验评定标准》(JTJ 071—94)进 行了修改,颁布了新的《公路工程质 量检验评定标准》(IT1 071—98), 并于1999年7月1日正式实施。新标准 规定了3个平整度评价指标:最大间 隙、平整度标准差、国际平整度指数 IRI。 20世纪8o年代以来,3 m直尺法 一直作为国内平整度验收的主要手 段。它将尺子与路面的最大间隙和测 量数据的合格率作为评价路面平整度 的标准。后面发展起来的自动化平整 度测量设备通常使用平整度标准差、 国际平整度指数IRI作为评价路面平 整度的标准。3 m直尺法的主要优点 有:仪器成本低,操作简单,对测 量人员的专业技术要求并不是很高; 22 域的先进性与不足之 处,为该行业相关领 域的进一步研究提供 参考。 为评价平整度的标准,便于与国际接轨;测量过程中如遇 桥头跳车或是小范围内路面污染情况,平整度合格率只要 达到95%以上即为满分,当合格率小于70%时判定路面平 整度不合格,扣除全部分数;标准中还规定,为使路面达 到平整度标准,对路面结构从下到上实行依次递减的评判 标准,从而控制好施工质量,满足规定要求。 评价指标的传统测量方法 路面平整度的传统测量方法主要分为两类:断面类 平整度测定方法与反应类平整度测定方法。断面类平整度 测定方法是通过测量道路表面凹凸状况得到纵断面,依据 路面高程差得到相应的平整度评价指标,其精确度主要依 赖于测量仪器的高程测量精度。反应类平整度测定方法是 通过量测车辆的振动反应来量测路面不平整度 】,这类方 法从实用的角度出发,将道路使用者的用户体验作为试验 对象,具有一定的创新性,但由于不同车辆的振动模型不 同,因此依赖标准化的测试车系统。下面就两类方法中的 若干典型方法加以阐述。 (1)精密水准仪法 精密水准仪(图1)主要由望远镜、水准器和基座三 部分组成。其测量的基本原理是:利用水准器的气泡居中 来建立水平视线,再通过水平视线在水准标尺上的读数求 图1精密水准仪 SUBJEC FS l 一l解读 }点nIJl,j勺离劳..该方法 水水准仪视准轴jj水准轴必须 iT- 该条件不满 将会引起极大误劳、该方法 熏朗传髓 法 (4)车载式激光 整度测试仪 4域 操作 求较高,儿精瞍较低 (2)连续式路晰平整发仪法I 1 连 路 祭度仪(【 2)以3 m长桁架为旗准,中 耍 勺 激光路而平整艘仪测试车(N4) l、J :≤ 集成了激光传感器、JJ【1速度汁、陀螺 仪以及先进的数据采 车lj处理系统。 测试过程 车辆以一定速度仵路面上 L架I rJ ’编 或折叠,前 有4个行走轮。前后两组轮 }j问州 离为3 m,孑F机架c… 订一个能起 的}ll!lJ定轮, 1定}C"- 装仃位移传感器干¨距离传感器,测定时 }路而 一纵…他 以一定间隔{症墩3 m直线中点的 阳垂直位 Z值求i 求 该仪器测定 度较蕾且测试效率低,速度 难以 仃较多坑惜、瘸冉严重的路面上测试,同时 器较为笨最.他,H起米 方便。 (3)1 妓式颠簸累积仪法 I 车妓 蝴鹱累积仪(1 3)是通过计算装4 发仪器的 车 经过目标路段it?/ ̄-后轴与车厢的单 眵的累积 衷 路 、卜 度状况l1勺仪器,…于其测定的数据与装 :底f 的怂挂系统特性 ,关,敞敬 需要绎过际定校正 算, ‘町较为准确地眨映路而平整度。 口 连续式八轮路面平整度仪 车载式颠簸累积仪 行驶,在汽车底盘上嵌入的一排激光 传感器通过测试激光求反射同读数器 的角度来测试路而.该距离信写·刷测 试车上装配的加速喽汁信0进行互笠 并输 路而真实断而信号 该模拟信 号可转换为数字信‘ f:敲 已求下来 进行后续的分析。陔种_方法测试速度 快,测量精度高,ffI成本较为昂贵、 基于智能设备和移动互联技术 的路面平整度测量新方法 随着互联网大教据时代的到来, 众包技术逐渐走进人们的视野; 时,以往高消耗、高r-J撇低效率的 路 T-整嫂测量方法 经不能满 需求。冈此,【午多…内外的 队 J “数据众等”构想.以智能手机、便 携式电脑为载体,利jH其数据采集缱 犬、精确度高的特点对路而状况进行 监测,为路面平整瞍测挝提供了更广 阔的思路。 (1)移动互联技l术——众包技术 众包指的是一个公州或机构把 过 m员_T执行的一T f1 务,以门m 图4车载式激光平整度测试仪 解读 自愿的形式外包给非特定的大众网络 。 据(例 ̄HABS、牵引力控制等),只有与汽车制造商达成协 的做法 j。存交通物流领域.众包技 术在数据收集任务方而取得了较大的 成功。例如, 歌以及其他地图服务 提供商能够通过收集其地图用户的匿 数据,提供实时的道路拥堵和交通 看互联网大数据盯 芑的到来·众包技术 议获得专有PIN码才可以访问相关数据 考虑到上述局 限性,当前路面平整度测量的载体大多指向具有内置加速 : A q雾]n围9, ̄内2 度计、陀螺仪以及全球定位系统的智能手机或者是配有便 的圜认暴于数据 爻 构想以智能 携式传感器的手提电脑。 大量的研究都以汽车作为数据采集器,其中 流量数据l9I 众包技术也被用于预测 公交车的到达时间 …、救灾…J、污染 数据的收集和报告” 等。与此同时, 随着智能手机的升级换代与普及,具 有内置的三轴加速度计、伞球定位 系统以及精确计时系统的智能手机被 大众所拥有,这为原本需要专人专时 完成的路而检测 作提供了新思路: Eriksson等人 ” 以及Mohan等人 将传 统的振动测试模式拓展为结合了智能 手机振动传感器干uGPS系统的众包测 试模式,利用车辆固有的移动性从多 来源(接收众包任务的车主的智能手 机白带的传感器)收集数据。然后处 理数据以评什路而状况。这种尝试使 得基于众包技术的“数据众筹”构想 有了实现的可能。虽然该技术在路而 检测领域的应用存在一定困难 】, 但众包技术的强大之处在于,从多个 来源收集的大型数据集一定程度上弥 补了个体数据的局限性。虽然一部分 车辆可能会提供与实际路面状况不符 的错误数据,但根据大数据分析得 的路面状况模型应无限趋近于路面的 实际状况。 (2)路面平整度(IRI)测量新 方法 现代化车辆都具有完备的加速 度计、陀螺仪和全球定位系统,若能 直接在车辆出厂时就安装一个路面平 整度测量系统,则无需其他外置设备 就可以完成平整度测量的数据收集工 作。但是,现有车辆的电子系统没有 相关组件,也不允许外部连接访问原 始传感器数据(例如加速度计、陀螺 仪、悬架偏转等)或相关车辆系统数 24 埂携瓦龟陋为 利 :之点i f路面∥ 行 ,这为强爵 平墼 i曩螺提供7里一旧 … WG.Buttlar等人 进行了激光车载断而仪与安装有路而平 整度测试APP的智能手机的对比试验。结论是:存路而状 况较为良好的路面上,不需要经过系统校准,南Android 设备测量的IRI值与由激光车载断面仪收集的粗糙度数据 之间就具有了的良好相关性。征路面破损较为严承的路 而,智能手机测量的IRI值低于统一线,这是由于目前的 分析技术并末直接考虑车辆悬架系统引起的加速阻尼,冈 此需要对较粗糙的路而进行饺准 。Gonzfi.1ez等人 通过 分析在某一路面上测得的轮轴或车身加速度功率谱密度来 竹计道路剖面的功率谱密度,经过试验与汁算机摸拟发 现,对于高空问频率.轮轴加速度可以提供比车身加速度 更精确的功率谱密度估计值,这项试验证实了使用轮轴或 车身加速度来精确分类道路剖而情况的可行 Tomonori Nagayama等人 将测量车辆的垂直加速度转换为测量标准 四分之一汽车模型的簧上质量的加速度,然后使用近似表 达式将其转换为IRI来评估路面平整度,并基于此开发了 一种 为VIMS(车辆智能监控系统)的测试系统,如图5 所示。经过2种校准方法(一种是选择一条已知路而损伤 状况的道路进行驾驶测试,利用测量和模拟的功率谱密度 估计值对驱动速度进行插值,另一种是通过对隆起路而进 行驱动测试来识别等效的非线性四分之一汽车模型)验汪 了该方法的可行性和该系统的可靠性。作为VIMS系统的 补充试验,Viengnam等人 同时在2台汽车上利用该系统 图5 VfMS测试系统 SUBJEC'I’S I I I解读 进行rl l试验. 是 ,智能手机传感器存不川 驶 的 基于智能设备的数据 众篝路面平整度测萎 斯方法的优势在于城 项:一种址  ̄:IRI(elRI).陔数 是 J 峰 相1均,J_f {1I 动分忻 … 的; 一种址汁t t; ̄:IRI(clRI),Jft:数 据赴 干 分之一·/t'-I'l' ̄J 式 的 述馊I 采 刊 』J【】述度教 与道路 整度条件 仃 线 天糸Eriksson等人l1 也升发了一个 为Pothole Patrol (P2)的lj_㈡ ,}i找 感器的路而甲整度俭测系统,通过 少了限府开支.优化 了测鳖技术,但面临 处 干IJ垤I-J 机器 的,J 汰,利用于动收 的训练教 』f= 该 队 尝试钳能干机APp振动测试 之前已经 过他川 J 传感器旧测试 }J 别 川炎圳 道路蚌常(坑洼、铁路道口等) 的问题也同样严峻 逊 建他 Perttunen等人 ”对i轴加速度信~j’进,彳j,令光 分析. …t一种』{j J 特征提取的速度依赖性上除方 法 一 川J 时数-JEbl训 化预测进行I 视化分析方法n勺 打i 架Mohan等人l】 他川 能手机F1带的加述 汁、是兜 风、无线 f『]GPs f0感庀件来采集加速度、年辆颤靛、 制功以/之呜f J ..-5  ̄-数 .为路而状况 估干u交通状况监洲 供 Jik Mednis等人 他用带有加速计的Android智能 平机设箭米馀测路 坑 的位置,他们川了很 简 }1{(J算 法术处川t41r, ̄动教 还 一 分}=【{=验以I't行牟或者摩托年为数据采 器 ( 6),简化r系统 { f{,J振动模 ,便于模 建立 数 分析何俊 等 对3揿振动测试APPf14J性能进行lr 测, 5 J 能] ̄dgLAPP与GIS系统结合I;tg ̄ff ̄-性,找 到丫与( S系统lJ 馊较 的APP.建 了一全较为充音午 的l, 5I'1…馊1'1 1 振功馍 的路而数据采 7J,if] ,J‘ 法 Tai Y C≮ fl|川 j 托车的移动没备进 道路 榆测,坪对仃 饼 已监督学习2利 不『n1的机器学jJ 方汰进 j 时it_i.试验发现支持向 机方法存正确伦洲道 路异常儿‘ }}0 较 ;Mli,f,他们建立了路段排序系统, 并 JlI r衡fII-路 质㈨ 荆【糙度指数函数 瑞 一家公 发 次 为Roadoridfl4j路而半 度监 ̄!jAPP,该』、 川 程J j 以川jJ 测r1仃 道路路而状况,也 以I /.' ,/'lill公 路 络¨,J路 、l 发者提.q'2种粗糙度数 计 选 图6自行车振动测试 些问题都有待相关 专家进行进一步研究 与分析 序, 拟俞¨;较 f 果,放 运 行手 ̄JLAPPfi;-J,j !刈‘教 入 牢( 丫】.100 Hz)4 奁低I{_加述 汁“勺 灵敏嫂G尺馊(+/一2G)较低的卜 饥应』}]的fU’仃 rl 世f J:J 、、J 论.山 终f确 认陔方式可 经过对人1}{= 的研判发 , 能手机 HI I,J={tlfl{JjlI 计人多 址 适配十汁少 缝球功能, 灵敏度 数 采 j缸十{l对 感器而青订较 大筹 。仙I址, 能干机用广 人, 手机APP卜钱他jlj 他fI,J特性决定J 陔类方法能收 刨仪l 庞火的坡 . 对数 订效 Plt?,J筛选肢 遁性 的 选择还彳丁待进一 }f14JI{}:ItYf, 结语 无沦是蹄m 』 传统测 ’ 法,还赴 f 能没箭ffl移动 i:联技 术的路面 测 新厅法, 核心 邪足利川传感 测 外部激助祭r 卜路而 响膨h ,收 教 .过、 馍, 最终通过埘路ff61 1的参数分 析和模态分忻,将路 、卜 化7,j 一个参教(常 的 数勾 1前适川t I'l- 指数以及 际、 撕教)供路 理部门参 r 能没箭的数 众 筹路而甲 瞍测Ij J .矧9 ̄"-t,lJ‘法的优协 J 减少了政 l7F支. 化r测m披水. 但而临的川题也… 峻:1 辆幔 加速度 j『I5, .指数(IRI)三 问的换算炎系尚几柑确公式, 1 辆悬架系统 ㈨I,简化馍 遁川悱f 待商 ,十f1 APP埘川 通火众他川 价值不足,难以推r 这些n_IJ SUBJECTS I匿圈I解读 有待相关专家进一步研究与分析。【 参考文献: [1]BIRLIK G,0NDFR CEM SEZGIN.EFFECT OF VIBRATIONS ON TRANSPORTATION SYSTEM[M]//Vibration Problems ICOVP 2005.Springer Netherlands,2006:85—90 圈GORDONT.Vibration n'ansrmssionfrommad surfacefeatures.Vehicle measurement and detection[J].2007. 【3J周晓青I予J、立军,颜利.路面平整度评价发展及趋势U].公路交通科 技,2005,22(10):18—22 【4J刘宛予,张磊,谢凯,等.路面平整度检测技术及其发展现状分析o]工 业计量,2007,17(1):9—12. 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