公路路面不平度测量技术分析综述.doc

公路工程学课程文献综述

学生： 朱明辉
专业方向： 工程项目管理
年级： 2011级
学号： 11101060140
任课教师： 王首绪

2011 年 12月

公路路面不平度测量技术分析综述

（朱明辉）
（2011级管科 学号：11101060140）

摘要: 公路路面不平度在汽车平顺性研究中有着重要的作用,也关系到车辆的运营时间和费用。该文综述了公路路面不平度测量技术在国内外的发展情况,在此基础上,分析了公路路面不平度数据测量的多种方法,指出了关于数据测量现存的问题并给予分析解决。最后讨论了公路路面不平度数据在车辆工程领域的应用及公路路面不平度数据测量技术的发展方向。
关键词: 公路路面不平度 测量技术 激光测量仪 研究综述

车轮与地面接触的公路路面不平度(车辆学科称不平度,道路学科称平整度)不仅是衡量公路路面质量的指标,而且是影响运输经济性与汽车产品成本的一个重要因素。公路路面不平度的增大会导致乘坐的舒适性与车速降低,还直接影响到车辆运营时间及费用,因此公路路面不平度的研究受到了国内外学者的广泛关注。另外,路谱研究已拓展到任何涉及公路路面激励的场合,它对道路的分级及汽车平顺性试验研究都有较大的指导作用,其重要性和必要性对汽车工业的发展日益明显。同时,公路路面平整度差,车辙严重,造成道路使用年限缩短,使投资巨大的公路不能发挥其经济效益,造成了大量的人力物力浪费。所以,无论从车辆学科还是道路学科显得日益迫切。
但是,公路路面不平度的研究相对于空气动力学和流体力学的研究有着一定的困难,因为公路路面不像空气和水对飞机和船舶那样均匀和连续,而是一个随机的过程,所以它不但是一个数学问题,更是一个工程化应用问题。同时,一些关键的技术和方法也制约了公路路面不平度的研究,如快速傅立叶变换(FFT)直到1965年才由Cooley Tukey完成,有关谱窗、泄漏、误差等问题,国内在20世纪70年代还在探讨中。

1 公路路面不平度的表达方法
大量的测量分析结果表明,公路路面不平度具有随机、平稳和各态历经的特性,可用平稳随机过程理论来分析描述。由于各国对公路路面不平度的理解不同,各个国家及行业所采用的标准也不尽相同。国内车辆工程领域通常以道路垂直纵断面与道路表面的交线作为公路路面不平度的样本, 通过样本的数学特征方差和功率谱密度函数(PSD)来描述道路的公路路面状况。功率谱密度函数能够表示公路路面不平度能量在空间频域的分布,它刻画了公路路面不平度即公路路面波的结构.

2 国内外公路路面不平度数据测量现状
2.1 国外公路路面不平度测量现状
国外最具代表性的公路路面不平度测量项目是公路路面长期使用性能(LTPP)。作为一项持续20年的公路研究项目,LTPP始于1987年的美国战略公路研究计划(SHRP),在SHRP结束后由美国联邦公路局(FHWA)负责继续进行。LTPP的主要工作包括以下几个方面:对美国和加拿大正在服务的道路进行长期观测,从而测量和储存其公路路面性能数据;分析数据,描述公路路面使用性能,并解释不同公路路面性能出现的原因;将研究成果应用于公路路面的设计、维修、养护和管理。LTPP包括两大套试验:一般公路路面研究(GPS)和特殊公路路面研究(SPS),GPS有792个试验段,均为普通类型的公路路面;SPS有1250个试验段,均为考虑特定的工程因素而修建的,按特定的研究内容分为9种型。
按照LTPP计划,试验段测量的数据要能完全描述公路路面性能和其他一些相关信息,如公路路面结构材料、气候、交通量等。测量的数据包括:基本结构数据、试验数据、养护和重建数据、交通量数据、弯沉和破坏数据、摩擦系数数据、气候数据和荷载数据。将测得的数据进行处理, 得到一些不平度指数,比如IRI,RMSVA和Slope Variance等。
截至2005年,LTPP数据库中已经存有1000多条记录,数据测量工作仍将继续下去。除去数据采集,LTPP还要得出一系列成果供国家运输部门和其他机构使用,这些成果可以是指南、使用软件、设备等。如:Datepave、LTPPBind、刚性公路路面设计软件、公路路面养护和维修手册及公路路面纵断面仿真程序等。2007年,LTPP在北美进行了24个特殊公路路面的数据测量工作。
2.2 国内公路路面不平度测量历史与现状
国内于20世纪60年代开始公路路面不平度的测量与研究。1965年,长春汽车研究所用标杆法测量了江苏、安徽等省的若干公路的公路路面不平度,并进行了谱估计。70年代以来,一汽和吉林大学合作,在公路路面测量和统计分析方面作了较深入的工作,并完成了海南试验场可靠性跑道的设计与构筑。目前,较为完善的中国道路路谱数据相对匮乏,但其在汽车研发阶段的作用日益受到各大汽车公司的关注。早在1988年,为了使富康轿车能够适应中国的道路条件和使用条件, 中法双方专家就共同组织了在中国不同地区的行驶试验,包括多种地形、多种路况,记录了大量试验数据。通过对试验过程记录数据的分析,法专家对将要引进的产品提出了30项改进意见,以适应中国的道路条件和使用条件。1996年,美国通用公司派专家测量了中国的部分路谱, 根据路谱统计结果对上海通用公司产的轿车的悬挂系统做了改进。
近些年,一些企业、大学进行了越来越多的道路谱数据测量工作。从2008年8月起,国家 “863”计划资助的项目开始在全国大范围内进行道路谱数据采集,旨在结合实际道路特点, 测量道路谱信息、地理信息以及视频信息,建立道路谱数据库,实现室内道路模拟等。

3 公路路面不平度数据测量
3.1 数据测量方法
道路谱数据测量有很多种分类方法,本文根据基准的不同而将测量方法分为6类。综合以上测量方法可知,在进行道路谱数据测量时,应当选择国内外技术成熟,满足精度高、重复性好、分辨率高等一系列基本技术指标的公路路面不平度测量仪器进行测量。
3.2 公路路面不平度测量仪器的两个重要参数
(1)公路路面测量的波长范围和采样间隔:公路路面测量的波长范围直接关系到对公路路面描述的准确程度,也影响到测量数据在车辆耐久性分析、模态、平顺性、操作稳定性等试验中的应用。公路路面测量的波长范围可以由使用条件给出,从汽车响应的频带范围可以算出相应的公路路面激励的波长范围,这个波长范围就是需要测量的波长范围。在文献[10]中规定一台断面仪测量公路路面不平度的一般要求是:可以测量的空间波长范围为0.15~ 67 m。在实际测量中,测量长波需要仪器的性能和测量的样本长度来保障,而短波则主要取决于测量时采样间隔长度。另外,采样间隔的确定要满足采样定理,以防止频率混淆而不能再现公路路面真实波形;同时采样间隔过小会导致数据分析的工作量增加。
(2)公路路面不平度仪器的幅频特性:仪器的频率特性包括幅频特性和相频特性,而车辆工程领域对于公路路面分析只看重测量仪器的幅频特性,仅仅从仪器的性能来说,希望公路路面测量仪器的幅值特性为1,但是这往往导致仪器的成本增高。
3.3 测量仪器
随着电子、计算机、传感器以及通讯等技术的发展,激光测量仪是目前在路谱测量中比较先进的测量仪器,具有测量速度快和测量精度高的特点,在国内外已经得到普遍的应用。
3.3.1 LTPP使用的测量仪器
美国LTPP项目从开始,一共使用了3种惯性测量仪进行公路路面数据的测量工作: K.J.LawEngineers DNC 690白炽光测量仪K.J.Law Engineers T-6600红外线测量;ICC激光测量仪。第一台测量仪K.J.LawEngineers DNC 690安装在一个底盘为Ford E 350的改装车上,然后在1996年被K.J.Law Engineers T-6600红外线测量仪所代替。K.J.Law Engineers T-6600的使用时间为1996年到2002年。2002年6月, FHWA用ICC激光测量仪替代了K.J.Law Engineers T-6600测量仪,并于2002年8月开始数据测量工作。

4 目前测量技术存在的问题及处理方法
由惯性测量仪所得到的公路路面高程数据一般用来计算不平度指数及功率谱密度,在LTPP项目中,测量上述3种道路谱测量仪结构类似,都采用惯性基数据通过联邦公路局提供ProQual软件(该软件使用世界银行所推荐的IRI算法)来计算不平度指数。目前,尽管测量设备和数据处理技术较之前有了很大的改进,可在实际的测量中仍出现一些问题,这些问题主要体现在以下几个方面。
(1)采样间隔问题
目前的大多数公路路面不平度测量方法都是对公路路面进行采样,采样点之间的间隔决定了一段公路路面上的采样点数,对测量结果有很大影响,同时也关系到对采样数据的处理。采用激光三角法以及面阵CCD的方法对公路路面进行扫描,并模拟出公路路面的三维轮廓,再计算公路路面参数,可以达到对公路路面连续测量的目的。
(2)功能问题
目前世界上的平整度测量仪大多只能测量不平度;或是把多个测量系统集成到一起,以同时测量其他公路路面信息如车辙、弯沉量、公路路面厚度等。但是各系统之间的信息不共享,存在资源浪费、效率低下的问题。发展方向是设计真正的多功能测量系统,实现各系统之间信息最大限度的融合。
(3)颠簸问题
车辆颠簸是平整度测量误差的主要来源之一。目前大多采用加速度传感器来补偿车辆的垂直颠簸,倾角传感器补偿车辆的倾斜。这种方法使测量误差源增加很多。因此,通过直接测量公路路面高程差而非高程本身,则有可能减少传感器的数目,进而提高不平度数据的测量精度。
4)海拔问题
当公路路面中出现大的起伏和上下坡的情况,测量系统已不能得到道路的大波长数据。这对汽车耐久性及操纵稳定性研究有着很大的影响。因此,数据测量系统中需要增加达到毫米级的测量海拔高度的高精度GPS 测量仪,以减少这种误差。
(5)数据处理
目前的不平度的处理方法大都只是对测量数据进行简单的运算以获得要求的功率谱密度,并没有进行充分的预处理 所得结果受测量过程的影响比较大。因此,在处理数据时可对数据进行预处理, 如去均值、去趋势项、数字滤波等,这样可在一定程度上减小因数据处理不当而带来的影响。
5 展望
本文对公路路面不平度数据测量方法进行了对比分析,介绍了目前常用的数据测量仪,总结了测量过程中出现的问题并给予解决处理方法。通过以上叙述可知公路路面不平度测量技术的总体趋势是:由人工操作向自动化方向发展;由低速低精度向快速高精度方向发展;由功能单一向多功能智能化方向发展,同时完善数标综合测量仪器是相当紧迫和必需的。

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