基于点激光测量路面车辙深度的方法优化设计及其模拟验证平台的开发

摘要

沥青公路的损害主要来自五个方面:疲劳裂缝,路面车辙,热裂缝,摩擦损伤以及湿敏性。其中路面车辙是描述路面性状的最常用指标之一。它被定义为路面上永久性的轮胎压痕。经济的发展和繁忙的交通使得公路承受了较之以往大得多的外部压力,尤其是来自载重货车的高压轮胎使得基于沥青这种可塑性材料的公路极易形成车辙,严重影响了公路的正常使用,是公路规划设计和路面维护都要考虑的重要问题。车辙深度是表征车辙最重要也是最常用的指标,它的测量需求主要来自两个方面:一是交通管理部门或公路服务商在评估公路是否需要维护时,车辙深度是主要参考之一;二是规划设计公路时需要研究在不同气候、载重、轮胎压强、交通量的条件下使用不同材料和结构时车辙的形成特点,即来自“加速的公路测试”的测量需求。车辙深度的测量技术有很多,本文集中讨论的是基于点激光测距传感器技术的测量方法,原因是其传感器测距精度高、可靠性好,成本较低且目前应用最广。在工程应用中常常因为过重的考虑成本因素而采用的传感器数量较少使得测试结果可靠性很差,而在科研应用中使用的激光扫描仪其昂贵的造价也严重限制了科研的发展,本文即是基于该事实,期望对工程应用中的常见测试方法进行优化,在保持低成本的需求下提高其测量结果的可靠性,并提出一种适于科研应用的“两点法”,在保持其高精度的需求下降低设备成本。为了实现主流方法的优化以及新方法的验证,本文开发了一种模拟车辙测量的软件平台。本文主要研究内容和成果如下:
　　 1.总结了工程应用中基于点激光测距传感器技术测量车辙深度的主流方法,分析了其主要的误差来源,为进一步优化指明了方向;对于科研应用,提出了一种低成本高精度的只使用两个点激光测距传感器的“两点法”,从理论上分析了两点法的可行性,给出了实现两点法所需的基本系统需求、具体的操作流程和两个传感器距离的设定规则。
　　 2.开发了用于优化和验证测量方法的模拟平台。首先汇总了搭建平台所需的理论依据,在经验数据的基础上抽象出了一个简单的车辙模型,并以此为基础重建了路面轮廓的模拟数据。
　　 3.模拟了工程应用中测量车辙深度的主流方法(包括三点法、五点法和多点法)以及科研应用中的两点法的采样过程。对工程应用中的方法设计了不同的方案,确定了每种方案下的采样路径。
　　 4.优化了工程应用中测量车辙深度的主流方法,对不同方案分别进行了横向和纵向对比,计算了采样轮廓数据的误差及其与实际轮廓数据的相关性、测量或计算出的车辙深度的误差及其与实际车辙深度的相关性,分析了测量结果与传感器个数和位置的关系,得到了推荐的配置(比如SC6和SC14-1)以及避免使用的配置(SC10和SC14-2),实现了工程方法的指导性优化。
　　 5.验证了提出的适用于科研应用的两点法,在确定的采样路径的基础上对采样的数据以及车辙的计算结果进行了可靠性分析,结果显示其无论是采样数据还是车辙深度的计算结果,都与实际参考值具有很好的相关性(相关系数大于0.95),平均误差仅有-3％左右。另外,还论述了如何利用“重叠数据”校正初始采样数据,进一步削弱由于测试系统水平方向上的倾斜导致的系统测试误差,并给出了校正系数的公式。