（控制理论与控制工程专业论文）沥青路面平整度检测仪设计.pdf

武汉理工大学硕士论文 摘要 随着道路建设及交通运输业的蓬勃发展，我国高速公路的总里程已经跃居 世界第二。对数量如此庞大的公路资源进行有效管理和维护，必须迅速提高沥 青路面检测设备的整体水平。沥青路面平整度检测仪是最熏要的检测设备之一， 可定量评价、检验和控制工程质量，为确定道路养护决策和养护资金分配提供 准确的指导。 本文在充分调研国内外沥青路面平整度检测技术的基础上，针对目前沥青 路面平整度检测设备存在的测量精度低、检测速度慢等问题，结合湖北省交通 项目“沥青路面行车性能激光检测技术及装备研究”的功能要求和技术指标， 提出基于激光三角法检测技术的整体方案，完成沥青路面平整度检测仪整体构 架的搭建以及测量原理的研究，采用功能模块划分的方法，重点完成沥青路面 平整度检测仪的硬件和软件设计，本论文主要研究内容如下： 首先，介绍沥青路面平整度检测仪的理论基础，对沥青路面平整度的静态 纵断面类、动态纵断面类、反应类和主观评价类等四类检测方法进行对比研究， 完成沥青路面平整度评定指标的算法设计。 其次，在沥青路面平整度检测仪的硬件设计中，详细介绍激光测距模块、 加速度测量模块、多普勒雷达测速模块、数据采集及控制模块。主要完成相应 传感器、a d 转换器、单片机的选型以及外围检测转换电路的设计。 然后，在沥青路面平整度检测仪的软件设计中，介绍下位机软件设计和上 位机软件设计两部分。下位机主要完成主程序和a d 转换程序的设计，给出主 程序软件流程图：上位机根据模块化结构设计，完成串口通信模块、数据存储 和显示模块、数据曲线显示模块、人机界面模块等的设计。 最后，对本文所做的工作进行了简短的总结，提出了需要继续完善的地方， 以作为后续研究工作的参考。 关键词：沥青路面，平整度指数，激光钡0 距，雷达测速 武汉理t 大学硕士论文 a b s t r a c t w i n lt h e r a p i dd e v e l o p m e n to fp a v e m e n tc o n s t r u c t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n i n d u s t r y , t h et o t a lm i l e a g eo fh i g h w a yh a sa l r e a d yr a n k e ds e c o n di nt h ew o r l d i ti s n e c e s s a r yt ou p g r a d et h ea s p h a l tp a v e m e n ts b r f a c ed e t e c t i n ge q u i p m e n tg e n e r a l l ys 0 t h a ts u c hn u m e r o u sh i g h w a yr e s o u r c e se r em a i n t a i n e dp r o p e r l y 1 1 1 e r o u g h n e s s d e t e c t i o ni n s t r u m e n tf o ra s p h a l tp a v e m e n ts u r f a c ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t d e t e c t i n ge q u i p m e n t , w h i c hc a nq u a n t i f i c a t i o n a la p p r a i s e ，c h e c ka n dc o n t r o lp r o j e c t q u a l i t y ；, t h e r e f o r e ，t h e i ra p p l i c a t i o np r o v i d ea c c u r a t ed i r e c t i o nf o rp a v e m e n t m a i n t a i n i n gd e c i s i o n - m a k i n ga n dm a i n t a i n i n gf u n dd i s t r i b u t i n g b a s e do ns t u d y i n gr o u g h n e s sd e t e c t i o nt e c h n i q u ef o ra s p h a l tp a v e m e n ts u r f a c e h o m ea n da b r o a ds u f f i c i e n t l y , a c c o r d i n gt om e a s u r e m e n ta c c u r a c yl o wa n ds p e e d s l o wo fr o u g h n e s sd e t e c t i o ne q u i p m e n tf o ra s p h a l tp a v e m e n tm l l - f a c ea t p r e s e n t , c o m b i n i n gw i t ht h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n ta n dt e c h n o l o g yi n d e xo fh u b e ip r o v i n c e t r a 伍cp r o j e c t w h o s et i t l ei s “t h er e s e a r c ho f l a s e rd e t e c t i o nt e c h n i q u ea n de q u i m e n t f o rt r a v e l i n gp e r f o r m a n c eo fa s p h a l tp a v e l 弭e n ts u r f a c e t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s et h e i n t e g e rs c h e m eo fd e t e c t i n ge q u i p m e n tb a s e do nl a s e rt r i a n g l em e a s w ct e c h n i q u e , a c c o m p l i s ht h eb u i l d i n go fi n t e g e rt r u s sa n dt h er e s e a r c ho fm e a s u r e sp r i n c i p l eo f r o u g h n e s sd e t e c t i o ni n s t r u m e n tf o ra s p h a l tp a v e m e n ts h r f a c e , h a v i n gi m p l e m e n t e d t h em e t h o do fp a r t i t i o nf u n c t i o nm o d u l e f o c u s e so nt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo f r o u g h n e s sd e t e c t i o ni n s t r u m e n tf o ra s p h a l tp a v e m e n ts u r f a c e f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h e o r yf o u n d a t i o no fr o u g h n e s sd e t e c t i o n i n s t r u m e n tf o ra s p h a l tp a v e m e n ts u r f a c e ，r e s e a r c ht h ef o u rk i n dd e t e c t i n gm e t h o d s u c ha ss t a t i cv e r t i c a ls e c t i o n , d y n a m i cv e r t i c a ls e c t i o n ，r e a c t i o nk i n d ，s u b j e c t i v i t y e s t i m a t e ，f o rt h er o u g h n e s so fa s p h a l tp a v e m e n ts u r f a c e , a c c o m p l i s ht h ea l g o r i t h m d e s i g no f a s s e s si n d e xf o rt h el o u 皿l n e s so f a s p h a l tp a v e m e n ts u r f a c e s e c o n d l y , a m o n gt h eh a r d w a r ed e s i g no fr o u g h n e s sd e t e c t i o ni n s t r u m e n tf o r a s p h a l tp a v e m e n ts u r f a c e , t h ed i s s e r t a t i o nc o n c i s e l yi n t r o d u c e st h el a s e rd i s t a n c e m e a s u r e n l e n tm e d u l e , a c c e l e r a t i o nm e a s u r e m e n tm o d u l e ，t h ed o p p l e rr a d a rs p e e d m e a s u r e m e n tm e d u l e , d a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o lm o d u l e ，a c c o m p l i s ht h es e l e c t i o n s o fc o r r e s p o n d i n gs e n s o r , a d c o n v e r t e r , s i n g l e - c h i pa n dt h ed e s i g n o fo u t e r m e a s u r e m e n ta n dc o n v e r s i o nc i r c u i t t h i r d l y , a m o n gt h es o f t w a r ed e s i g no fr o u g h n e s sd e t e c t i o ni n s t r u m e n tf o r a s p h a l tp a v e m e n ts u r f a c e ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st w op a r t so fl o w e ra n dt o p e r m a c h i n ep r o g r a m m i n g l o w e rp l a c em a c h i n ea c c o m p l i s h e st h ed e s i g no ft h eh e s t p r o c e d u r ea n da dc o n v e r s ep r o c e d u r e , 西v i n gt h es o f t w a r ef l o wc h a r to ft h eh o s t p r o c e d u r e b a s e do nm o d u l a r i z es t r u c t u r ed e s i g n t o p e rm a c h i n ea c c o m p l i s h e st 1 1 e i i 堕堡堡! 叁堂塑! 堡一 d e s i g no fs t r i n gc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，d a t as t o r a g ea n dd i s p l a ym o d u l e ，d a t ac u r v e d i s p l a ym o d u l ea n dm a l l m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l e f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o nm a k e sas u m m a r yo ft h ew o r k ，p o i n t so u tw h a tt h e s y s t e mn e e d st ob ei m p r o v e d ，a n do f f e r st h er e f e r e n c ef o rf o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n t w o r k k e y w o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n ts u r f a c e , r o u g h n e s si n d e x ，l a s e rd i s t a n c em e a s u r e m e n t , r a d a rs p e e dm e a s u r e m e r l t i i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期： 武汉理： 人学硕士学位论文 第1 章绪论 本章针对目前交通运输业的热点沥青路面车行性能检测问题，在查阅 国内外相关资料的基础上，介绍课题的来源及研究意义，综述国内外在沥青路 面平整度检测设备研制上取得的进展和研究现状，最后提出本文的主要研究工 作。 1 1 课题来源及研究意义 交通运输和道路建设事业不仅是社会发展的重要基础设施和基础产业，还 是国民经济运行的命脉目前，我国的交通事业正在飞速发展，截至2 0 0 5 年底， 我国公路通车里程数已突破1 9 0 万公里，其中高速公路达4 1 万公里，居世界第 二【”。面对如此庞大的高速公路网，如何迅速提高其重要组成部分沥青路面 的旌工质量评价及养护管理水平，如何精确、快速、全面地检测表征沥青路面 行车性能的各项参数，已成为我国高等级公路以及城市主干线道路建设的重要 课题，并且对我国国民经济的持续健康快速发展具有重大的意义。 路面平整度是评定沥青路面车行性能的最常见、最重要的一项检测参数， 不仅对检验和控制工程质量至关重要，还决定着道路养护决策的科学化程度和 养护资金的优化分配。但是，由于历史原因，我国各基层施工单位在沥青路面 平整度的检测方法和检测设备方面，与世界交通发达国家相比还存在相当大的 差距，普遍存在着速度慢、误差大、效率低、检测时严重影响交通运输等问题， 并且其评定指标不够统一，迫切需要进一步改进【2 l 。 然而，直接从国外引进的先进沥青路面平整度检测设备，存在价格昂贵， 以及随之而来的保养检修负担重，设备技术升级困难等一系列问题【3 1 此外，由 于国内外在路面平整度检测方法和评定指标方面存在的差异，使其难以在我国 目前的沥青路面平整度检测中直接加以应用。从长远来看，如果不拥有独立知 识产权的核心技术将不利于我国高速公路沥青路面平整度检测技术的发展。 基于此，本课题在湖北省交通项目。沥青路面行车性能激光检测技术及装 备研究”资助下，综合国内外同类检测设备的研究现状，结合支撑项目的功能 武汉理工大学硕士学位论文 要求和技术指标，从检测、控制角度和软硬件实现上对沥青路面平整度检测仪 进行研究，利用目前先进的激光三角法检测技术，提高沥青路面平整度检测系 统的测量精度和检测速度，完成沥青路面平整度的长距离、高速度、高精度的 实时检测、显示以及存储等功能设计，以期通过该设备的使用全面提高我省高 速公路沥青路面平整度检测和养护管理水平。此研究不仅是整个项目的重要组 成部分，并且对我国沥青路面平整度检测技术今后的相关研究也会起一定的技 术积累作用。 1 2 国内外相关技术研究现状 目前，沥青路面行车性能检测主要包括路面弯沉检测、路面平整度检测、 抗滑性能检测及路面损坏状况检测等四个方面，具体检测参数分别为弯沉、平 整度、构造深度和摩擦系数、车辙深度和车辙宽剧4 】。路面平整度表征沥青路面 高速行车的舒适性，是最重要的一项沥青路面行车性能检测参数与之相适应， 高精度、高速度沥青路面平整度检测设备的研制开发也成为热点。 自1 9 1 7 年美国联邦公路局使用第一种专用仪器测量路面的平整度以来，国 外便开始了沥青路面平整度检测设备的研究，至今已积累了许多较为成熟的技 术。早期研制的沥青路面平整度检测设备如：美国的g m r 断面仪、英国t r r l 改进研制的v b i 颠簸累积仪、澳大利亚的n a as r a 平整度仪等，已广泛应用 于路面的检测、公路施工工程的质量评价及日常养护管理中阁。但是，这些检测 设备均需要将传感器附着于待测道路表面，因此检测时不但影响路面原有状态， 限制了测量精度、测量效率和检测设备的移动速度，而且还增大了操作者的劳 动强度和测量轮的耐磨性能要求。 近年来，随着激光、超声波、g p s 卫星定位及雷达等高科技先进技术在全 世界范围内的推广应用，非接触式沥青路面平整度检测设备应运而生嘲。它主要 以激光、超声波、雷达等作为检测手段，通过获取沥青路面的反馈信息进行沥 青路面平整度的测量。目前，加拿大，丹麦和澳大利亚等国的研究机构都在开 发此类检测设备。如：加拿大r o a d w 卸e 公司生产的a r a ns m a r tb 盯路面检测 系统，采用3 7 个超声波传感器，完成了宽度为3 7 m 范围内的路面平整度的检 测；相似的设备还有丹麦d y n a s ti n 2t e m a f i o n a la s 公司于1 9 9 7 年研制的新版 本d y n a t 铝t5 0 5 1m a r k p s pt e s ts y s t e m 路面测试系统，其路面检测车配有7 个 2 武汉理工大学硕士学位论文 激光传感器u - - s i 。此类沥青路面平整度检测设备采集样点密、精度高，但是所用 传感器太多，整套设备的成本较高，不利于此类检测设备的推广运用。 国内沥青路面平整度检测设备的研制起步较晚，发展较为缓慢。f 1 2 0 世纪 8 0 年代后期开始，通过技术及相关部分设备的引进和自主开发，在路面检测方 面也取得一定的成果，研制生产了连续平整度仪、颠簸累积仪等检测设备，但 是仍然普遍存在着检测手段落后、效率不高、对交通干扰严重等问题。 近年来，南京理工大学、武汉大学、交通部公路科学研究所等研究机构也 在该领域开展相关的研究工作，并开发出部分具有实用价值的产品。这些设备 的测量部分，大多数是采用基于激光飞行时间法的测距传感器进行距离检测， 由于光在空气的传播速度已知，只需检测从发出激光信号到接收到返回信号之 间的时间差，即可求得信号发射点到目标的距离。但是，利用电子仪器对传播 时间的检测，其测量精度很难进一步提高。因此，提高测量部分的测量精度和 测量速度，即传感器的选型是沥青路面平整度检测系统研究的重点 总的来说，目前沥青路面平整度捡测设备主要受传感器的个数、类型和检 测方式的限制，存在着设备成本较高、测量速度较慢、测量精度较低等问题。 1 3 本文的主要工作 本文在充分调研国内外沥青路面平整度检测技术的基础上，针对目前沥青 路面平整度检测系统存在的测量精度低、检测速度慢的问题，结合支撑项目的 功能要求和技术指标，提出激光三角法检测技术的整体方案，采用功能模块划 分的方法，完成系统的硬件和软件设计。沥青路面平整度检测系统的硬件部分 以单片机为核心，包括激光测距、加速度传感、多普勒雷达测速等功能模块； 系统软件部分以面向对象的程序设计语言v b 为开发环境，实现检测系统软件程 序设计。 全文共分5 章，各章的主要内容如下： 第l 章绪论。包括课题的来源、意义以及国内外相关技术的研究现状。 第2 章沥青路面平整度检测仪总体方案设计。主要包括沥青路面平整度检 测仪的理论基础、设计要求、系统构成以及测量原理等4 部分。沥青路面平整 度检测仪的理论基础包括沥青路面平整度的定义，沥青路面平整度多种检测方 法的研究，完成沥青路面平整度评定指标的算法设计。在此基础上，提出沥青 武汉理1 人学硕士学位论文 路面平整度检测仪的设计要求，完成整个系统的构架搭建，并对系统的测量原 理进行研究。 第3 章沥青路面平整度检测仪的硬件设计沥青路面平整度检测仪的硬件 设计主要包括激光测距模块、加速度测量模块、多普勒雷达测速模块、数据采 集及控制模块等。前3 个模块主要完成相应传感器的选型以及外围检测转换电 路的设计。数据采集及控制模块主要完成a d 转换器、单片机的选型以及连接 电路设计。 第4 章沥青路面平整度检测仪的软件设计。沥青路面平整度检测仪的软件 设计包括下位机程序设计和上位机程序设计两部分。下位机主要完成主程序和 剐d 转换程序的设计，给出主程序软件流程图；上位机根据模块化设计结构，完 成串口通信模块、数据存储和显示模块、数据曲线显示模块、人机界面模块等 的设计 第5 章全文总结与展望。主要对全文进行总结，指出课题中有待完善之处 和现有研究工作中的不足和今后需要努力的方向。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章沥青路面平整度检测仪总体方案设计 本章主要包括沥青路面平整度检测仪的理论基础、设计要求、系统构成以 及测量原理等4 部分。沥青路面平整度检测仪的理论基础包括沥青路面平整度 的定义，沥青路面平整度多种检测方法的研究，完成沥青路面平整度评定指标 的算法设计。在此基础上，提出沥青路面平整度检测仪的设计要求，完成整个 系统的构架搭建，并对系统的测量原理进行研究。 2 1 沥青路面平整度检测仪的理论基础 沥青路面平整度检测仪的理论基础包括沥青路面平整度的定义简介，沥青 路面平整度多种检测方法的研究，完成沥青路面检测指标国际平整度指数瓜，、 标准偏差o 、路面行驶质量指数月q y 的算法设计。 2 1 1 沥青路面平整度的定义 由于沥青路面平整度是一个约定可计量的非物理量，它的定义计算与测量 方法有关，且相互之间不存在确定的换算关系，不同的定义、不同的测量方法 将会得出不同的结果，因此，要为沥青路面平整度下一个十分明确的、唯一的， 可定量化的、各方均可接受的概念较为困难。事实上，至今沥青路面平整度还 没有一个单一的、标准的定义嗍 交通部部标准公路工程名词术语( m 0 0 2 8 7 ) 中，以几何平面为基准， 道路表面纵向凹凸量的偏差值为沥青路面的平整度；在公路工程中，道路表面 的崎岖不平被称之为沥青路面平整度；国际道路平整度试验( i r r e ) 中，将沥 青路面平整度定义为：道路表面相对于理想平面的竖向偏差，它具有影响车辆 动力特性、行驶质量和路面动力载荷三者的数值特征。其中最后一种定义最为 全面，清晰地呈现了入一车一路系统产生相互作用的特性，为制定合理的路面 标准提供理论基础。 无论是新建的道路，还是运营多年的旧路，其路面都存在着不同程度的不 武汉理工大学硕士学位论文 平整性。不平整性形成的原因，一方面是由于施工原因引起的建筑不平整，另 一方面是由于个别或多数结构层的承重能力降低，致使路面不规则的起伏，产 生永久性的形变。主要表现为坑槽、波浪，不同频率和不同振幅的跳动将直接 对行驶车辆产生激励，诱发车辆振动，进而影响乘客的舒适性、平稳性和安全 性，对路面产生附加动力荷载，反过来加剧路面的损坏。除此之外，路面的不 平整性还会降低行车速度，加速车辆零部件的损坏，增加货物的破损率、燃料 和润滑油的消耗量和车辆的运营费用。 总而言之，沥青路面平整度的检测具有确定路面是否具有适应车辆行驶的 平整度、判明路面结构中一层或多层的破坏情况、根据平整度指标确定养护规 划、定期检测实现路面的科学管理等四个方面的意义。它既是一项整体性指标， 又是评价沥青公路路面施工质量和使用性能的一项关键性指标。如何实现快捷、 客观、准确、高效率地检测和评价沥青路面平整度，一直受到公路建设单位、 质量监督验收部门、养护管理部门等单位的高度关注。为此，世界各国的道路 工作者建立了相应的规范标准，研制了各种仪器设备，以便对新建道路进行质 量控制，对已运行道路进行检测评定。 2 1 2 沥青路面平整度的检测方法 在过去几十年中，世界各国曾提出多种沥青路面平整度的检测方法，大体 上可划分为静态纵断面检测法、动态纵断面检测法、反应类检测法和主观评价 法四种类型【1 0 1 。 ( 1 ) 静态纵断面检测法 静态纵断面检测法是指检测仪沿行驶车辆的轮迹来测量道路表面的纵断面 高程，测量结果通过数学分析后，用得到的某一统计值来反映道路表面的凹凸 情况。此方法操作简单，但速度慢，需大量劳力，不适用于大范围的数据采集， 按基准面的不同又可分为具有相对基准面和具有绝对基准面两种。 具有相对基准面检测法的典型设备有3 m 直尺，在相当长的一段时间内，我 国对路面平整度的检测都是采用3 m 直尺的人工测量方法。测量时，把直尺平放 在路面上，用楔块塞入直尺的尺底间隙，读取楔块上的测量值，3 m 直尺如图2 1 所示。 6 武汉理i ：大学硕十学位论文 图2 13 m 直尺 3 m 直尺法的尺位是人为选择的，测量的重复性较差，测量结果可能因人而 异，且劳动强度高、测量精度较低、测量速度慢。 具有绝对基准面检测法的典型设备有水准测量仪和梁式断面仪。水准测量 仪是使用水准仪和水准尺沿轮迹测量路表高程，由此得到精确的路表纵断面， 水准测量仪如图2 - 2 所示。 图2 - 2 水准测量仪 此方法简单易行，所得结果比较稳定，不会因人因地而有较大的差异，但 很费工，测量速度很慢，因此仅适用于测定路段很少的情况。 英国运输和道路研究所( t r r t ) 研制3 米直梁基准测量仪是一种典型的半 自动化梁式断面测量仪，梁式断面仪如图2 - 3 所示。 图2 3 梁式断面仪 7 武汉理工大学硕士学位论文 直梁基准测量仪为一根3 m 长的铝制梁，两端支于可以调整水平的三角架 上，直径为2 5 0 r a m 的跟随轮装在可以在梁上滑移的支架上，跟随轮沿梁长在路 表面上滚过，装在支架内的仪器测出跟随轮相对于梁的竖向位移，分辨率达l m m ， 取值间距为1 0 0 m m 。滑移支架由人工操作，以步行速度由梁的一端推移到另一 端。每隔3 m 安设一次梁，通过连续测量可以得到路段的纵断面。此方法可以得 到精确的断面数据，测量速度较水准测量仪快，所费的劳力也相对的较省。 ( 2 ) 动态纵断面检测法 动态纵断面检测法是指直接测量轮迹的纵断面高程。此方法测量精度较高、 速度快，但设备昂贵、操作复杂，所以限制了它的广泛使用，按基准面的不同 也可分为具有相对基准面和具有绝对基准面两种。 具有相对基准面检测法的典型设备有多轮仪，采用多个平衡轮支承的直梁 构成随动基准，测量参数是路面相对于基准梁的垂直位移，多轮仪如图2 - 4 所示。 轮 图2 - 4 多轮仪 平衡轮两成对的装置成平衡形式，当路面不平时，各轮架可绕平衡架转动， 各平衡架又可绕基准转动。轮兼有平衡和支承仪器的功能，沿行驶方向两排平 衡轮共十六个，单排八个随动基准是一根直梁，直梁中点是测量的参考点， 该点处于十六个平衡轮的平均位置。测量轮在弹簧的作用下保持与路面接触， 它测量基准和路面的相对竖向位移并记录在仪器上。 具有绝对基准面检测法的典型设备有a p l 路面纵剖面仪和非接触式断面 仪。法国道路桥梁研究室于1 9 7 4 年完成了用于高速、二级以上公路及机场跑道 纵剖面分析的a p l 路面纵剖面仪系列的开发，主要由测量轮、车架、测量臂和 低频惯性摆组成，惯性摆提供拟水平参考系，通过测量测量臂相对于水平惯性 摆的角位移，可计算得到测量轮沿路表的竖向位移，从而得到路表纵断面。适 用于各种平整度路面的测定，测量速度可在1 5 - - - 1 4 0 k m h 范围内变化a p l 路面 纵剖面仪如图2 5 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 a p l 路面纵剖面仪 综上所述，采用相对基准测得的纵断面，时间稳定性较好，不同时期测量 同一轨迹的结果基本相同，且操作方便直观，便于理解。但其纵断面随基线长 度而变化，基线长度短时，有些低频成分反映不出，高频成分也存在较严重的 失真现象，不能反映出大于基准线长度的波长，测定速度低( 高速时基准线会 跳动) ，因此不适用于高速公路路面平整度的测量。 采用绝对基准面的纵断面测量仪具有可真实描述路面的不平整情况，时间 稳定性好等优点，但不能反映人一车一路系统中对人和车的影响。 ( 3 ) 反应类检测法 反映类检测法是以一定速度行驶在不平整路面上的车辆某一位置的动态响 应来描述路面的平整度，是一种间接式的测量方法；反应类指标是司机和乘客 直接感受到的舒适性能指标，主要用来评价行驶质量；反应类测量仪是一个由 检测车、传感器和显示器构成的机械振动系统，可以传感和累积车辆以某一速 度驶经不平整路面时机械系统的动态反应，最典型的有平整度仪和颠簸累积仪。 美国公路局研制的b p r 平整度仪为单轮拖车，通过机械式积分器记录带片 弹簧车辆的竖向位移量，其测量速度为3 2 k m h ，平整度仪如图2 - 6 所示。 积分器 积分器碱振器 图2 - 6 平整度仪 9 武汉理i ：大学硕十学位论文 颠簸累积仪是将颠簸仪安装在检测车上，测量后轴同车身之间的悬挂系位 移，颠簸累积仪如图2 7 所示。 图2 7 颠簸累积仪 后轴和安装在车身上的滑轮由一钢索连接，滑轮随悬挂系位移按比例转动， 机械式离合器将此转动单方向的传给脉冲发生器，当位移累积一定量后，就发 送一脉冲信号给电子计数器，因此每计数一次就相当于一固定的位移量。 反应类测量仪具有价格低廉、操作简便的优点，可适用于大范围的路面平 整度快速测量。由于反应类测量是对平整度的一个向接度量，其测量结果与检 测车的动态反应状况有关，即随车辆行驶速度而变，具有时问稳定性差，由于 车辆振动特性会随时间和其他因素而变化，同一台仪器在不同时期测定的结果 不一致；转换性差，一个部门测量的结果很少能为其他部门所复制，所以不同 部门的测量结果难以进行对比；不能给出路表面的真实断面，因而无法利用测 定结果考察和分析影响路况的路表特性三方面的缺点。 ( 4 ) 主观评价法 精度要求不高时，可组织评分小组，根据乘车的体验或目测检查，对路面 的行驶舒适性给予评分。总而言之，上述平整度测量方法中，无论采取哪种检 测方法、何种检测设备检测路面平整度，均可设计出与各评定指标相对应的算 法，得出测量结果。 2 1 3 沥青路面平整度的评定指标 平整度的检测输出指数较多，不同国家和地区都有相关的检测评定标准， 如：澳大利亚的n a a s r a 指数、法国的a p l 指数、加拿大的p s i 指数、我国的 最大问隙h 和标准偏差叮指数、国际上通用的国际平整度i r 指数等。检测评定 i o 武汉理工大学硕士学位论文 指标随检测手段的发展，也经历着一个逐渐与国际接轨的过程。本课题所用到 的标准偏差o 、国际平整度指数i r i 和路面行驶质量指数胄凹的算法设计如下。 ( 1 ) 标准偏差。 标准偏差。是目前国内普遍采用的道路路面平整度评价指标，由连续式平 整度仪测量输出得到。测定时，以仪器的八个行车轮的接地点所确定的动态平 面为相对基准面，沿路面某一纵向位置以一定间隔量( 如：t o c m ) 采集测量轮 的单向垂直高程值，再用一般统计学方法来计算一定步长内( 如：1 0 0 m ) 所有 数据的方差，此方差即我们通常所说的标准偏差o ，以此来表征路面的不平整度。 车辆在路面上行驶时所碰到的凹凸是随机的，因此，将随机测量概念引入 到平整度评价指标也是符合客观实际、有理论依据的。总所周知。在一段很短 的距离内，不同的车辆所碰到的凹凸量很有可能不尽相同；但在很长的距离内， 所有的车辆碰到的凹凸量几乎相等；当距高为无限长时，所有的车辆碰到的凹 凸量应该是相等的。由理论研究可知，在无限长里程中测量，大的凹凸为少数， 而中等凹凸为多数，其特点符合于正态分布规律，而标准偏差正是正态分布函 数的主要特征系数，也就是说，用标准偏差指标表征路面平整度或凹凸率，既 反映了正态分布特性，又符合于车辆的随机行驶规律。 按公路工程质量检验评定标准j t j 0 0 1 - 9 7 的规定，标准偏差的测量是以每 2 0 0 0 0 0 m m 为一个检测单元，按1 0 0 0 r a m 的间隔测量待测路面的纵断面数据，用 数理统计的方法计算2 0 0 0 1 ) 0 m m 中所有纵断面上数据的方差，计算公式如下： 只= 三喜y 。 亿， 盯= 岳万磊 ( 2 - 2 ) 式中，一为每一步长内所含高程值的个数；y 。为每一步长内的第七个高程值； 儿为每一步长内所含的一个高程值的算术平均值。 用标准偏差值。的大小表示实际路面的平整度时，标准偏差的值。越小， 平整度指标越高，当o = o 时，表征路面平如镜，汽车平稳行驶，人体乘坐最舒 适；反之，平整度指标越低，行驶汽车有局部跳动或大跳动，人体乘坐不太舒 适、较不舒适或不舒适。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 国际平整度指数i r i 世界银行为了建立各种反应类平整度仪测量数据之间的关系，为了客观定 量分析路面平整度，于1 9 8 2 年，组织各国有关专家在巴西进行了国际平整度试 验，主要目的是寻找一项标准的平整度指标，应用这项指标计算由纵断面测定 得到的平整度，可以同由各种反应类平整度仪测到的平整度建立良好的相关关 系。通过试验和分析比较，提出了一项能够很好的反映乘客感受、可为国际共 用的指标作为标准平整度指标，并命名为国际平整度指数( i n t e r n a t i o n a l r o u g h n e s si n d e x 简称1 r ) ，它是最符合时间稳定、可转换和易于测量要求的一 项平整度指标【l ”。 国际平整度指数是基于反应类平整度仪进行平整度测量的模拟，它应用力 学方法，测量模拟理想四分之一车，理想车模型如图2 8 所示，以较高速度( 如： 8 0 k m h ) 沿路表纵断面行驶，计算在一定行驶距离内车身悬挂系统的累积位移 量( 单位为m ) 与行驶距离( 单位为k m ) 之比，其计量单位为m k m 图2 - 8 理想车模型 图2 8 中，鸭为簧载质量，即车身部分质量：为非簧载质量，即轮胎质 量；屯为车身悬架刚度；t 为轮胎刚度；c ，为悬架阻尼。 理想车模型可建立如下运动控制方程： 武汉理_ 【大学硕士学位论文 只+ “只一y ，) + 七2 0 ，一只) 2 0 l( 2 3 ) u y ，+ k l 饥一手) 一c ( 只一只卜k 2 ( y , 一只) = o j 式中，儿和儿分别为簧载质量和非簧载质量的垂直绝对位移；c 甜、毛、屯 为系数，取c = q m i - - 6 o s 一，“= 鸭m s = o 1 5 ，毛= 毛m s = 6 5 3 s 2 ， 屯= 屯7 鸭= 6 3 3 s 4 ；f 为纵断面高程；t 、羹、z 、五分别表示相应符号对时 间的一阶与二阶微分，即垂直速度与垂直加速度。 输入纵断面高程，解得乃和只，从而得到国际平整度指数为： 工 i r = 7 1j | 只一只陋( 2 - 4 ) 一0 由于微分方程式( 2 3 ) 为线性，如果测点间的断面形状为已知，则可以应 用状态转移矩阵法得到精确解。 图2 - 9 中的模型可以用4 个状态变量乙( ，= l ，4 ) 来描述，其中，z 1 和z 2 分 别表示簧载质量的速度和加速度；z 3 和乙分别表示非簧载质量的速度和加速 度。如果前一位置4 个变量已知，且沿轮迹到下一位置间的断面坡度y 也已知， 则下一位置的4 个变量可利用下述递归方程计算得到： 0 ， = b 略，f j + 扫l y ( 2 5 ) 式中， j 和扛，j 分别为前一位置和目前位置的状态变量，= 1 , 2 , 3 , 4 ；j ，为 输入的断面坡度，j ，= “一y s - 。) d ，只和y t - 。相应为目前位置和前一位置的高 程，d 为测点间距；嘲和扫 为随测点间距变化而变化的系数矩阵。 式( 2 5 ) 可用于计算除第一点以外的各抽样点的4 个变量，除第一个测点 外，要为每一个测点解4 个变量方程式。通过下述规定，应用头l l m 的平均坡 度作为变量的初始值： 毛：乃一。一) l l t v y ，) 1l毛= 乃= 。一i z 2 = 乙= 0(2-6) 4 ：n d + 1 l 式中，只为第一个测点的高程( i 衄) ；y a 为第口个测点的高程( r a m ) ；d 为 测点间距( m ) 。如果d = o 5 m ，则将利用第2 3 点和第1 点的高程差来建立初始 坡度。 武汉理工大学硕士学位论文 从第2 到第n 逐点求解以下4 个递归方程： 当测点间距d ；0 5 m 时，系数和易的值分别为： 0 9 8 8 1 7 2 7 一o 9 2 8 5 1 6 6 3 8 6 3 2 6 8 一0 2 3 7 4 3 2 9 4 2 1 2 8 3 9 4 e 0 2 o 9 0 0 1 6 1 6 6 6 1 5 4 4 5 e 0 3 0 4 1 8 6 7 7 9 p = 一2 5 2 0 9 3 l e 0 2 3 3 9 1 3 6 9 o 2 4 0 2 8 9 6 4 6 6 7 8 8 3 3 7 0 3 8 和一0 2 1 4 3 1 9 8 8 5 0 6 9 5 8 4 7 3 4 2 9 8 5 5 5 为各测点解出上述方程后，计算该路段的i r ： i r = 石1 荟 r s 。 式中，j 强为计算位置的调整坡： 硒= k z ，i ( 2 7 ) 9 9 2 3 1 6 5 e 一0 4 6 2 8 0 1 6 7 p 一0 2 9 8 6 2 6 8 5 口一0 3 0 11 4 5 2 5 1 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 将上述计算过程己编成程序，在测量得到纵断面的高程资料后，便可按测 量点间距利用此程序计算该段路面国际平整度指数i r 值。 同时，国际平整度指数也可以采用绝大多数的纵断面测定方法直接测量得 到，并与各种反应类平整度测定方法有很高的相容性，可用于对这类仪器的标 定，此外它同主观评价法也有很好的相关性。 各类路面的国际平整度指数i r i 的大致变化范围如图2 - 9 所示。 矿y 矿矿 刖n 办a + + + + 即蹦蹦阳 + + + + n ” n s 量 j 童 + + + + 乞龟屯 + + + + ，毛，气，毛，毛 鳓跏融“ i i = = = 毛屯乃乙 武汉理工大学硕士学位论文 5 0 k m h 6 0 k m h s w a n h 速 度 图2 - 9 国际平整度指数i r i 的大致变化范围 ( 3 ) 路面行驶质量指标r q i 路面行驶质量指数r g ( r i d i n gq u a l i t yi n d e x ) 是反映车辆行驶舒适性、安 全性和经济性的重要指标，同时还是反映路面服务能力或服务水平的重要参数。 它与路面平整度、车辆动态响应和人的感受三方面因素有关，因此，不同的乘 客乘坐同一辆车行驶在同一个路段上，由于各入对行驶舒适性的要求和颠簸的 接受能力不同，对该路段的行驶质量会做出不同的评价 这种评价带有个人主观性，为了避免随意性，提出了主客观相结合的评价 方法。一方面邀请具有不同代表性的乘客，分别按各人的主观意见进行评分， 而后汇总以平均评分值代表众人的评价；另一方面对各评价路段进行平整度测 量；通过回归分析建立主观评分同客观量测结果的相关关系，以此建立评价模 型，用来对路面行驶质量进行较统一的评价。 行驶质量的评价一般考虑路面特性，即需对路面平整度做定量描述；车辆 悬挂系统的振动特性，即结合路面平整度分析车辆的动态响应；人对振动的反 善juu堇，i笔芘一 武汉理工大学硕十学位论文 应，对用户的舒适性要求或承受颠簸的能力做出定量描述三个方面因素。 影响路面行驶质量的主要因素为路面平整度，整理各主观评分和客观测量 结果后，通过回归分析可建立线性的评价模型： r = 1 1 5 0 7 5 1 r ( 2 1 0 ) 式中，r g 为行驶质量指数，数值范围0 1 0 ，如出现负值，则r q f 取0 ； 如计算结果大于1 0 ，r q 叮取值1 0 ：i r i 为国际平整度指数，m k i n 路面行驶质量评定标准如表2 1 所示。 表2 1 路面行驶质量评定标准 2 2 沥青路面平整度检测仪的设计要求 针对现有高速公路沥青路面检测中存在的关键问题，经充分调研国内外沥 青路面平整度检测技术，提出了沥青路面平整度检测系统的主要功能和检测指 标 ( 1 ) 能够完成检测车后的测试梁到沥青路面的高度测量，测量高度为 2 0 0 m m a ：3 5 m m ，高度分辨率为士o 2 r a m ： ( 2 ) 能够完成检测车垂直方向上加速度的测量，分辨率为i m g ： ( 3 ) 能够完成检测车的车速测量，最高时速为6 0 1 a r d h ： ( 4 ) 系统纵向采样间隔为1