CN1384245A - 检测路面平整度的自动化路面剖面仪及检测方法 - Google Patents

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Abstract

检测路面平整度的自动化路面剖面仪及检测方法,属于能测出包括长波长在内的路面纵断面剖面及各种路面平整度指标的装置,及用该装置测量路面平整度的步骤。剖面仪包括距离传感器、角度传感器和电脑。检测时首先通过距离传感器和角度传感器测得距离信号及采样点的坡度信号并输入电脑;由分析程序获得路面纵断面剖面曲线及国际平整度指标、均方差、正、负向累积值等所有平整度指标。本发明自动化程度高,能现场检测和分析路面施工质量或评价现用路面状况,并可对现有其它平整仪校正。

Description

检测路面平整度的自动化路面剖面仪及检测方法
检测路面平整度的自动化路面剖面仪及检测方法，涉及一种路面平整度的检测装置，特别是能测出包括长波长在内的路面平整度剖面曲线的装置，以及采用改装置进行路面平整度检测的方法。
路面平整度，即路面的平滑性，直接影响车辆、飞机等运载装置运行的安全性，以及乘坐者的舒适程度，所以一直是路面质量评价及路面施工验收中的一个重要指标之一。包括高速公路、普通道路等各种等级的道路路面、桥梁引桥路面、飞机机场跑道等在内的各种路面的平整度，特别是大斜坡的路面平整度，除直接反映车辆行驶的舒适度外，更能反映其安全性及使用期限。事实上，路面平整度检测应包括大于0.3米波长的短波长路面(即路面高低变化较快的路)和小于0.3米波长的长波长路面。因为车辆及乘客对路面平整度比较敏感的波长范围远超过三米左右的短波长，尤其在高速行驶的情况下，如在高速公路上，乘客对更长波长的路面仍有明显的反应，另外对机场跑道，由于飞机的机身很长，在起飞和降落时，飞机对长波长的路面(如100米波长的路面)反应更明显。因此要求测出带有长波长的路面纵断面曲线。
目前，路面平整度检测装置和方法大致分为两大类。第一类是采用三米直尺平放在需检测的路面上，然后找出三米直尺与路面之间的最大间隙，从间隙的大小来分析该路面的平整程度。这种检测方法极为原始，其主要的问题有：检测速度极慢，费时费力，且无法对长波长、大斜坡进行检测；数据采集也极为困难，主要靠人工用尺量，而且由于三米直尺的跨度为3米，因此只能检测3米波长以内的短波长路面的平整度，即只能测量3米小斜坡内的路面平整度。为了减轻劳动强度，使上述测量成为机械化而采用了连续式平整度测量仪，该仪器的的跨梁长度也是3米，但该仪器以前后脚轮作为前后支点，可连续向前移动，然后通过设置在跨梁中点的测定轮测出间隔为3米的跨梁与路面之间的间隙，同时由固结在跨梁中间与测定轮连为一体的记录计记录此间隙数据。但仍无法检测超过3米波长的斜波，即长波长路面。
第二类平整度检测装置和方法是根据路面不平整时，车辆的车体与车轴之间的距离会随着路面的不平整而发生位移变化现象，开发出一种颠簸累积仪来测量路面平整度。因为这些累积的位移变化就是平整度指标。但是，由于车辆机械特性会随着时间的变化而发生变化，而且平整度指标还受到车辆机械特性及车速的影响，因此要经常用更精确的平整度仪对其进行标定。且在测量时要求行车的速度非常稳定。一但偏离给定的车速，此颠簸累积仪将会产生较大的检测误差。除此之外，颠簸累积仪在应用上有两个根本的局限。首先，由于是响应式的检测方法，无法测出路面纵断面剖面曲线，也就不适用于新路面施工的平整度验收。其次利用颠簸累积仪所采用的是响应式的检测方法，对长波长路面不敏感，所以它无法对路面长波长进行平整度检测。总之，它也只适用于检测短波长路面的平整度，并无法获得剖面曲线。
综上所述，现有的路面平整度检测方法由于无法得到带有长波长的路面纵断面曲线，所以很难适应桥梁引桥、公路及机场跑道建设和管理的需要，在应用上有局限性，无法做到既能用于对新路面施工质量的验收与评价，又能用于对现存路面的平整度评价。另外在路面平整度检测技术中，有一个非常重要的环节，即平整度检测仪的标定。目前国内外都采用国际平整度指标(IRI)作为标定的参照值。为取得IRI值，则必须要有一种标准方法能检测出带有长波长和短波长的路面纵断面剖面曲线(波长为0.3～30米的纵断面剖面曲线)。由于国内无此类仪器，为此只能用经过标定的精密水平仪测出每隔一定距离的路面纵断面标高，再按四分之一车辆仿真模型计算出IRI值，才能对需要标定的平整度仪进行标定。用精密水平仪检测路面纵断面曲线是十分费时，费力，且效率极低，而且无法直接读出IRI值。
本发明的目的是提供一种能简单精确地检测并读出包括长波长和短波长在内的IRI值及路面纵断面剖面曲线和其它平整度指标的剖面仪，本发明另一个目的是采用该剖面仪获得路面纵断面剖面曲线的检测方法。
为了达到上述目的，本发明是这样进行的：检测路面平整度的剖面仪，由电脑和检测平台组成，检测平台由底板与面罩构成，底板上依次装有轴承、角度传感器和距离传感器，轴承内分别通过前传动轴装配前轮、后传动轴装有后轮及单凹齿轮，单凹齿轮与距离传感器水平对应，前后轮之间的距离等于后轮的周长；角度传感器和距离传感器通过232接口与电脑连接，通过电脑内预设软件将测得的距离与角度进行计算和绘出路面平整度剖面曲线及计算各种平整度指标。
检测路面平整度的方法，包括数据采集单元和数据分析单元两部分，数据分析单元是用VB语言编写的程序：包括四分之一车辆仿真模型、二阶动态方程、统计方法求解过程。首先在待测路段上选择一个测量起始点和所需测量长度；接着通过剖面仪上设有的距离传感器和装在后传动轴上的单凹齿轮配套完成距离数据的采集，即当后传动轴上的单凹齿轮的唯一凹齿滑过距离传感器的表面时，距离传感器会产生出一个距离脉冲信号，通过电脑232接口接收；与此同时，当电脑通过232接口接收到此脉冲信号时，即会通过232接口反回指令对剖面仪上的角度传感器进行采样，测得该采样点纵向路面剖面相对于水平线的夹角，剖面仪能保证每行走一个后轮周长，即会取得一个路面纵断面剖面倾斜角值；最后将所测得的连续的间隔长度与相应角度通过模-数转换器转换成相对应的串行数字信号，并通过电脑的232接口输入电脑，在电脑内相关软件分析运算下，计算和画出包括短波长和长波长在内的整段路面纵向剖面曲线，并分别进行下例三种计算：国际平整度指标IRI值计算、标准均方差值计算和包括正、负方向累计值在内的路面平整度值计算；输出结果显示与打印，结束检测的全部步骤。
本发明具有如下优点：
1.由于本发明的剖面仪采用距离传感器和角度传感器同步获取连续的采样间隔及其路面纵断面倾斜角值数据，从而能直接测出路面纵断面的各点相对于起始点的垂直高度，因此不光能测出短波长而且能测出长波长路面纵断面剖面曲线，同时能测出各种路面平整度指标。
2.采用本发明的方法能直接从测出的包括长波长和短波长在内的路面纵断面曲线值中计算出IRI值，因此可为用户直接提供可靠的IRI值，且避开了繁琐的标定与相关分析的步骤。因为在所有的平整度指标计算中，IRI值的计算是最复杂的，是基于四分之一车辆仿真模型必须依赖于解二阶动态方程才能得出。由于本发明能检测出包括短波长和长波长在内的路面纵断面剖面曲线及获得IRI值，因此还可用于对其它路面平整仪的标定。
3.由于本发明采用了电脑化检测技术，所有的数据分析都能在现场立即完成，并能进行实时现场平整度分析，不仅能直接用于对带斜坡的桥梁引桥、高速公路等长波长路面施工质量的验收与评价，还可用于对现存路面的平整度检测与评价。
附图说明
图1为本发明的剖面仪内部结构示意图
图2为本发明的剖面仪的检测流程图
图3为用本发明的方法测得的路表面纵向剖面曲线示意图
图4为本发明的检测方法软件流程图
图5为用本发明的方法检测极平整的路面的剖面曲线图
图6为用本发明的方法检测带有浅凹坡的路面的剖面曲线图
图7为用本发明的方法检测带有高凸坡的路面的剖面曲线图
实施例1
请参阅图1、2，剖面仪由电脑和检测平台组成，检测平台由底板8与面罩构成，底板8上依次固有轴承3、角度传感器7和距离传感器5，轴承3内分别通过前传动轴装配前轮9、后传动轴装配后轮1，前后轮之间的距离等于后轮的周长；后轮1的传动轴上还装有单凹齿轮2，单凹齿轮2与距离传感器5水平对应，单凹齿轮2通过支架4和固定螺丝6安装在底板8上。角度传感器7和距离传感器5通过232接口与电脑连接，通过电脑内预设软件将测得的距离与角度进行计算和得到路面纵断面剖面曲线及各项平整度指标。后轮1由二轮组成并有两个支点，因此后轮1的支点高度即为两后轮支点高度的平均高度。前后轮支点之间的间距为S＝0.2～0.3米。为使剖面仪每行走S距离而取得一个角度值，有两个关键的环节需保证：首先后轮1的周长需为S。这样当后轮转一周时，剖面仪正好行走S距离。其次必需保证每当后轮1转一周时，剖面仪必需对角度传感器7进行一次采样。这点由装在后传动轴上的单凹齿轮2和配套的距离传感器5来完成。本发明采用的距离传感器5是一电磁感应器。当单凹齿轮2的唯一凹齿滑过距离传感器5的表面时，距离传感器5会产生出一个脉冲信号。这样每当后轮1转一周时，距离传感器5即会产生出一个脉冲信号。当笔记本电脑通过232接口接收到此脉冲信号时，即会通过232接口发出指令对角度传感器7进行采样。此工作方法能保证每当剖面仪往前行走S距离时，即会取得一个路面纵断面倾斜角值，从而能得出图3所显示的包括长波长和短波长的整段路面的纵断面剖面曲线。
实施例2
请参阅图3，采用本发明的剖面仪进行路面平整度的检测方法包括数据采集单元和数据分析单元两部分：
数据采集单元是这样进行的：首先在待测路面上选择一个测量起始点0，当剖面仪行走S距离时，单凹齿轮2对应的距离传感器5就获得一个脉冲信号，通过232接口输入电脑，电脑反回指令给角度传感器7，测得该采样点路面纵断面剖面相对于水平线的夹角aK(K＝1、2、3、、、N)，将所测得的连续的长度与相应角度通过传感器内设有的模一数转换器转换成相对应的串行数字信号通过电脑的232接口输入笔记本电脑，然后通过在电脑内设有的编程语言对采集的数据进行计算分析，获得整段路面的纵断面剖面曲线；并分别进行下例三种计算：国际平整度指标IRI值、标准均方差值、包括正、负方向累计值在内的路面平整度值；最后按需要通过电脑显示屏和打印机将曲线或计算结果显示出来或打印出来，并结束全部检测步骤。
请参阅附图3，a1、a2、a3、、、aN-1、aN为通过检测装置上的角度传感器在上述各点测得的相对于水平线的纵断面剖面的倾斜角，经模-数转换器转变成串行符号后，输入232接口。这里N为采样的样本点数。y1、y2、y3、、、yN-1、yN为相对于起始点(高度为0)的各点高度，y1＝S Sin(a1)
            y2＝y1+S Sin(a2)＝S[Sin(a1)+Sin(a2)]
        y3＝y2+S Sin(a3)＝S[Sin(a1)+Sin(a2)+Sin(a3)]
    yk＝yk-1+S Sin(ak)＝S[Sin(a1)+Sin(a2)+…+Sin(ak-1)+Sin(ak)]。
通过电脑中设置的高通滤波器滤去相对漫变的低频误差信号后，依次进入数据采集程序和数据分析程序，本发明采用VB程序语言作为编程语言以实现采样程序和数据处理程序。程序经过编译后组装成执行软件包，可安装到任何一台带有微软之窗的笔记本电脑上，而无需VB程序语言的支持。由前者可将测得的路表面纵断面剖面曲线显示出来；由后者进行的计算分析可获得路面纵断面的各点(每隔S距离)相对于起始点的垂直高度，从而获得IRI以及其它路面平整度。平整度指标分析模型包括由四分之一车辆仿真模型计算出的IRI值，路面纵断面标准均方差，超过给定绝对高差累积次数，及正负单向累积高差等。
实施例3
请参阅图4，本发明的检测方法的软件分数据采集单元和数据分析单元两部分，具体步骤如下：
a.输入参数：在待测路面上选择一个测量起始点0，并设定检测距离；
b.剖面数据采集：采用带电脑的检测装置从起始点0推进到待测终点，该检测装置的底板8上设有距离传感器5、角度传感器7和前后轮，将后轮1的周长设定为等于前、后轮的间距(即等于采样间隔S)，剖面仪后轮轴上固有的单凹齿轮2行走一圈，距离传感器5获得一个脉冲信号，通过232接口输入电脑，电脑反回指令给角度传感器7测得该路面纵断面剖面与水平线的夹角aK(K＝1、2、3、、、N)将所测得的连续的间隔长度与相应角度通过模-数转换器转换成相对应的串行数字信号，通过232输入电脑；
C.剖面曲线显示：将测得的长度与角度数据通过模-数转换器转换成相对应的串行数字信号，并通过电脑的232接口输入电脑，在置于电脑内相关的软件运算下，计算和画出包括短波长和长波长在内的路面纵断面剖面曲线，完成数据采集工作；
D.存数据，将上述数据与曲线存入电脑中专设的数据库内；
E.是否进行数据分析：按需要或者进入下一个步骤，数据分析单元，或退出分析运作；
数据分析单元按如下步骤进行：
F.调出数据文件，将已存入的数据调出，并分别进行下例三种计算；
G.计算国际平整度指标IRI值，利用设置于电脑中的四分之一车辆仿真模型及二阶动态微分方程软件完成IRI值计算；
H.计算标准均方差值，利用设置于电脑中的统计方法；
I.计算路面平整度值，包括正、负方向幅度累计值在内的路面平整度值是通过设置在电脑中的统计软件获得；
J.输出结果显示与打印，最后按需要通过电脑显示屏和打印机将曲线或计算结果显示出来或打印出来，并结束全部检测步骤。
另外，对现有其它测量路面平整度的平整仪进行校正时，启动***标定单元，然后进行传感器角度标定和***工作参数设定，最后回到是否数据分析，需要就进入下一步，不需要就退出。
采用本发明的方法按下例3个实施例进行3种不同路面情况检测：极平整的路面、带有浅凹坡的路面、带有高凸斜坡的路面，显然，第一种路面的IRI值较小，第二种路面的IRI值略微大些，而第三种路面的IRI值则非常大。
实施例4
描述的是从极平整的路面测得的平整度结果。
首先设定采集距离100米、采集间距0.3米，并通过数据采集装置将数据输入笔记本电脑，先在剖面仪完成检测后，电脑存储器内预先设置好的软件进行计算分析获得如图5的路面剖面曲线，及其如下面所例的表1的分段路面平整度分析和表2的路面平整度分析，
表1.分段路面平整度分析
 分段长度(米)  IRI值米/千米 均方差(厘米) 正向累计值(厘米) 负向累计值(厘米)  速度米/秒
 0～10  3.83  0.33  1.54  1.75  0.52
 10～20  1.93  0.12  0.78  0.91  0.6
 20～30  3.19  0.19  1.35  1.49  0.65
 30～40  3.55  0.19  1.75  1.07  0,66
 40～50  1.85  0.08  0.52  1.05  0.64
 50～60  3.04  0.42  2.34  0.78  0.49
 60～70  3.88  0.24  1.19  1.19  0.64
 70～80  4.88  0.23  1.26  2.56  0.66
 80～90  1.53  0.16  0.85  0.45  0.7
 90～100  2.75  0.14  0.91  1.15  0.78
表2.路面平整度分析
采样间隔 30厘米
采集距离 100.8米
用于分析的距离 从0～100.8米
有无明显坡度 否
数据分析所用最长波长 包括所有波长
国际平整度指标(IRI) 3.2米/千米
标准均方差 0.5厘米
速度 0.63米/秒
绝对幅度大于3毫米点数 195
绝对幅度大于5毫米点数 119
绝对幅度大于8毫米点数 44
绝对幅度大于10毫米点数 26
绝对幅度大于12毫米点数 12
绝对幅度大于15毫米点数 3
正向幅度累计值 12.5厘米
负向幅度累计值 13.6厘米
实施例5
描述的是从带有浅凹坡的路面测得的平整度结果。首先设定采集距离100米、采集间距0.3米，采样点N＝10等参数，并通过数据采集装置将数据输入笔记本电脑，剖面仪完成检测后由电脑存储器内预先设置好的软件进行计算分析获得如图6的路面剖面曲线，及如下面所例的表3的分段路面平整度分析和表4的路面平整度分析。
表3.分段路面平整度分析
 分段长度(米)  IRI值(米/千米) 均方差(厘米) 正向累计值(厘米) 负向累计值(厘米)  速度(米/秒)
 0～10  5.9  30.94  0.94  11.92  1.06
 10～20  2.77  9.98  0.0  15.69  0.83
 20～30  3.34  17.66  0.0  17.22  0.85
 30～40  3.07  23.3  0.0  15.5  0,9
 40～50  3.65  24.92  1.02  2.65  0.75
 50～60  6.75  22.81  3.67  2.53  0.63
 60～70  4.51  20.45  8.18  0.02  0.82
 70～80  4.0  14.97  14.61  0.0  0.88
 80～90  3.53  9.43  16.87  0.0  0.93
 90～100  2.75  4.71  11.43  0.0  0.81
表4.路面平整度分析
采样间隔 30厘米
采集距离 101.4米
用于分析的距离 从0～100米
有无明显坡度 有
数据分析所用最长波长 包括所有波长
国际平整度指标(IRI) 4.6米/千米
标准均方差 19.9厘米
速度 0.84米/秒
绝对幅度大于3毫米点数 334
绝对幅度大于5毫米点数 332
绝对幅度大于8毫米点数 331
绝对幅度大于10毫米点数 331
绝对幅度大于12毫米点数 330
绝对幅度大于15毫米点数 329
正向幅度累计值 57.8厘米
负向幅度累计值 65.5厘米
实施例6
描述的是从带有高凸斜坡的路面测得的平整度结果。首先设定采集距离48.6米、采集间距0.3米，并通过数据采集装置将数据输入笔记本电脑，剖面仪完成检测后由电脑存储器内预先设置好的软件进行计算分析获得如图7的路面剖面曲线，及如下面所例的表5的分段路面平整度分析和表6的路面平整度分析。
表5.分段路面平整度分析
 分段长度(米) IRI值(米/千米) 均方差(厘米) 正向累计值(厘米) 负向累计值(厘米)  速度(米/秒)
 0～10  32.14  18.66  56.26  0.71  0.68
 10～20  21.86  45.55  63.53  0.0  0.72
 20～30  45.97  65.96  29.1  25.7  0.71
 30～40  18.18  39.5  0.0  65.68  0.77
表6.路面平整度分析
采样间隔 30厘米
采集距离 48.6米
用于分析的距离 从0～48.6米
有无明显坡度 有
数据分析所用最长波长 包括所有波长
国际平整度指标(IRI) 33.6米/千米
标准均方差 48.7厘米
速度 0.71米/秒
绝对幅度大于3毫米点数 160
绝对幅度大于5毫米点数 160
绝对幅度大于8毫米点数 159
绝对幅度大于10毫米点数 159
绝对幅度大于12毫米点数 157
绝对幅度大于15毫米点数 155
正向幅度累计值 149.2厘米
负向幅度累计值 155.5厘米

Claims (2)

1.检测路面平整度的自动化路面剖面仪，其特征在于：由电脑和检测平台组成，检测平台由底板(8)与罩住底板(8)的面罩构成；底板(8)上依次装有轴承(3)、角度传感器(7)和距离传感器(5)，轴承(3)内通过传动轴分别装有前轮(9)和后轮(1)，前后轮之间的距离等于后轮的周长；后轮(1)的传动轴上装有单凹齿轮(2)，单凹齿轮(2)与通过支架(4)和固定螺丝(6)安装在底板(8)上的距离传感器(5)水平对应；角度传感器(7)和距离传感器(5)通过232接口与电脑连接，通过电脑内预设软件将测得的距离与角度进行计算和绘出路面平整度剖面曲线及计算各种平整度指标。
2.检测路面平整度的方法，包括数据采集单元和数据分析单元，数据分析单元是通过电脑存储器内预设用VB语言编写的程序：包括四分之一车辆仿真模型、二阶动态方程、统计方法求解过程在内的程序软件，其特征在于：首先在待测路面上选择一个测量起始点和需检测路段的长度；接着通过剖面仪上设有的距离传感器(5)和装在传动轴上的单凹齿轮(2)配套完成距离数据的采集，即当单凹齿轮(2)的唯一凹齿滑过距离传感器(5)的表面时，距离传感器(5)会产生出一个脉冲信号，通过电脑232接口接收；与此同时，当电脑通过232接口接收到此脉冲信号时，即会通过232接口反回指令对剖面仪上的角度传感器(7)进行采样，测得该采样点路面纵向剖面与水平线的夹角，剖面仪能保证每行走一个后轮周长，即会取得一个路面纵断面倾斜角值，以此获相对水平高度；最后将所测得的连续的间隔长度与相应角度通过模-数转换器转换成相对应的串行数字信号，并通过电脑的232接口输入电脑，在电脑内相关软件分析运算下，计算和画出包括短波长和长波长在内的整段路面纵向剖面曲线，并分别进行下例三种计算：国际平整度指标IRI值计算、标准均方差值计算和包括正、负方向累计值在内的路面平整度值计算；最后输出结果显示与打印，结束检测的全部步骤。
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