基于现场实测三维高精度纹理数据的沥青路面抗滑性能预测研究

摘要

道路交通事故的发生与路面抗滑性能关系密切。良好的路面抗滑性能可以确保轮胎具备较高的附着系数，为车辆提供稳定可靠的操控性能，有效降低道路交通事故发生率。路面抗滑性能又与路面纹理特征紧密相关，优良的路面纹理构造有助于积水排出、刺穿水膜，从而改善轮胎与路面接触状态并降低车辆水滑事故的发生概率。本文借助高精度三维激光扫描技术，现场实测沥青路面高精度三维纹理点云数据，并探究路面纹理与沥青路面抗滑性能的内在联系，建立基于路面纹理特征的沥青路面抗滑性能预测模型。本文的研究成果验证了基于纹理特征的非接触式路面抗滑性能评价方法替代现有的接触式路面抗滑性能测试的可行性，为完善路面抗滑性能评价方式以及提高道路交通安全管理效率提供了理论基础。　　本文基于LTPPSPS10(Long-termpavementperformance,路面长周期使用性能研究;Specificpavementstudy,特殊路面研究)俄克拉荷马州项目，使用LS-40便携式三维表面分析仪和DFT（Dynamicfrictiontester,动态摩擦系数测试仪）分三年采集获得实验段沥青路面108组三维高精度纹理点云数据和路面摩擦数据，开展了如下工作：　　1.介绍路面纹理和路面抗滑性能的传统检测方法，指出传统路面纹理评价方法的局限性，依据现场实测三维高精度纹理点云数据建立新型的路面区域三维纹理表征体系，通过多元回归模型预测路面摩擦系数，基于区域三维纹理表征参数探讨了路面纹理与路面抗滑性能的潜在联系。　　2.建立路面抗滑性能机器学习预测模型，对比分析支持向量机模型和人工神经网络模型的预测性能。发现两种模型对路面抗滑性能预测效果与多元线性回归模型和以往同类研究相比有所提高，其中，人工神经网络模型的预测准确度高于支持向量机回归模型，揭示了路面纹理与路面抗滑性能之间的非线性关系，证实了区域三维纹理表征参数预测路面抗滑性能的有效性。　　3.基于三维高精度纹理点云数据重构了沥青路面三维纹理有限元模型；基于DFT工作原理建立橡胶块-三维路面相互作用有限元模型并进行了验证；使用指数衰减摩擦模型表征橡胶块-三维路面界面摩擦特性，通过二分查找方法反算指数衰减摩擦模型系数；通过Butterworth滤波器将高精度三维纹理数据分离为宏观纹理数据和微观纹理数据，并计算了宏观、微观的区域三维纹理表征参数。　　4.分别以宏观和微观层面评价区域三维纹理表征参数之间的关联性，建立了界面摩擦系数的逐步回归模型和主成分回归模型并进行了验证，发现路面纹理分别于宏、微观层面对界面摩擦系数产生着叠加影响效应，当纹理评价手段从宏观过渡到微观以后，纹理对路面抗滑性能的影响也随之发生明显变化；讨论了界面摩擦系数以及橡胶材料模型对路面抗滑性能的影响，并进行了各影响因素的显著性分析，发现各因素对路面抗滑性能的影响次序分别为：界面动态摩擦系数、橡胶材料类型、界面静态摩擦系数、界面指数摩擦衰减系数。　　5.根据ASTM(AmericanSocietyforTestingandMaterials，美国试验与材料协会)E524规范要求，建立锁轮型摩擦测试仪(Locked-wheelfrictiontester)的二维轮胎模型；利用ABAQUS有限元软件建立轮胎三维实体模型并进行充气加载仿真，通过静载作用下的轮胎接地印迹测算轮胎的线弹性材料参数；通过能量守恒、水流印迹以及NASA轮胎滑水经验公式验证轮胎-水膜-路面相互作用有限元模型的正确性。　　6.以DFT测得的路面摩擦数据作为轮胎-水膜-路面耦合作用模型的输入参数，计算不同路面摩擦值对应的轮胎附着系数；根据牛顿第二运动定律计算轮胎刹车距离，对比以往研究和AASHTO(AmericanAssociationofStateHighwayandTransportationofficials,美国国家高速公路和交通运输协会)标准，轮胎刹车距离计算结果符合正常取值范围，验证了轮胎刹车距离计算过程的有效性；以区域三维纹理表征参数为解释变量，通过人工神经网络建立轮胎刹车距离预测模型。建立了轮胎刹车距离的主成分回归模型，分析了区域三维纹理表征参数与轮胎刹车距离之间的关联性。结果表明，区域三维纹理表征参数可以高度解释轮胎刹车距离，为路面抗滑性能非接触式智能评估提供了依据。　　本文为非接触式沥青路面抗滑性能智能评估提供了理论基础，对于实现道路交通安全管理的信息化、自动化、智能化具有重要意义。研究成果为沥青路面设计、选材提供了借鉴，为强化道路交通安全管理、提高沥青路面运营维护水平提供了新的思路。

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