一種基于浮動車技術的道路平整度信息采集方法

劉林+鄒復民+方衛東

摘 要：文章提出一種利用浮動車進行道路平整度信息檢測的方法，通過浮動車搜集道路的平均振動信息和gps信息，生成道路平均振動頻譜，當道路振動值超過正常界限時認定道路平整度異常，從而達到輔助道路養護決策的目的。

關鍵詞：浮動車技術；道路平整度；信息采集；方法

中圖分類號：U491 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）06-0001-03c

道路養護信息包括：水泥混凝土路面結構連續性、瀝青混凝土路面透水性、橋梁隧道養護信息監測等諸多內容，其直觀的體現為路面坑洼、裂縫、車轍等病害[1]。目前國內外先后有美國阿肯色大學交通研究所研發的WayLink系統、英國TRL開發的HARRIS系統、澳大利亞CSIRO實驗室的新一代道路信息采集檢測系統RoadCrack、美國的PSI多功能道路采集檢測系統、長安大學CT-501A高速激光道路檢測車、武漢大學SINC-RTM車載智能路面自動檢測系統、南京理工大學智能路況檢測車等[2-4]，可以通過特定檢測車輛實現道路路面圖像、路面形狀、道路平整度、路面破損分析功能[5-6]。現有的監測技術無論在檢測精度、檢測效率上都有了長足的發展，但是對昂貴的檢測設備、檢測車的依賴，導致其在實用性上大打折扣，無法大面積推廣。

本研究主要針對道路的坑洼、裂縫、車轍等病害進行信息搜集，以道路運輸車輛為載體，利用車輛上裝載的振動傳感模塊和GPS模塊，通過記錄、比對海量帶地理位置標簽的道路振動信息，對振動異常的道路位置點進行標注，達到輔助道路養護決策的作用。

1 基于浮動車技術的道路平整度信息采集原理

1.1 基于浮動車技術的道路平整度信息采集基本原理

汽車本身就是一個具有質量、彈簧和阻尼的振動系統。在不平路面激勵的作用下，只研究汽車車身的垂直振動，即Z軸的振動，就可以將汽車這樣一個復雜的振動系統簡化成單自由度的系統，即：

m■+c■+kx=f（t）（1）

式中，M為質量；K為剛度；c-為阻尼；t為時間；f（t）是激勵函數；x（t）是響應函數。

在特定路段（無破損路段）的行車過程中，設激勵函數f（t），而在有破損的道路行車過程中存在道路破損帶來的隨機振動 g（t），則激勵函數有：

■（t）=f（t）+g（t） （2）

通過對比正常道路行車與特定路段的行車振動頻譜可過濾出破損道路激勵帶來的異常頻譜。

1.2 數據采集處理步驟

1.2.1 數據采集

浮動車在行駛過程中形成系列的關于時間、位置、速度、震動頻率和剎車頻率的行車數據序列信息，由此我們可以使用存儲卡直接存儲或者使用蜂窩網絡發送后進行存儲；所述行車數據序列行車數據序列xi可表示為[7]：

xi=（3）

式中，i是車數據序列x的編號；ui是車輛編號；li是位置信息；vi是速度；ψi是震動頻率；fi是剎車頻率。

1.2.2 動態信息維護

根據搜集的數據，對行駛道路進行分段，將每100 m作為一個單位點，得到路段集，表示為：

M=ms|s∈1，？漬（4）

式中，M是路段集；？漬為每100 m劃分一個路段得到的常量；ms-為所述路段。

其中，ms可表示為：

ms=（5）

式中，s表示路段編號；

area■表示路段覆蓋區域范圍。

①在給定的時間段T內，浮動車ui在實驗時間t路跑，產生行車數據序列xi，從中可獲取位置信息li；當li∈area■時，將行車數據序列xi存儲到路段數據庫路段ms對應的位置，重復上述步驟依次提取行車數據序列直至處于時間段[t-T，t]的行車數據序列xi提取結束；

②從路段數據庫路段ms對應的位置中依次提取處于[t-T，t]時間段行車數據序列xi中的震動頻率ψi和剎車頻率fi并求得路段ms的歷史平均震動頻率ψs和歷史平均剎車頻率fs，將路段歷史平均震動頻率ψs和歷史平均剎車頻率fs存儲到路段數據庫相應的位置并以滑動時間窗口T定期更新維護。

③將搜集的道路信息在道路數據中心加以儲存分析，可得到行車序列路段平均震動頻率ψs及路段歷史平均剎車頻率fs。當行車序列點xi的ψi和剎車頻率fi大于或等于路段平均震動頻率ψs或歷史平均剎車頻率fs時，觸發系統記錄道路異常點xi。

由此形成的道路養護監測信息zi包括浮動車車輛編號ui、時間信息ti、位置信息li、震動頻率ψi、速度vi、剎車頻率fi以及異常信號標記信息，且zi=。

④道路平整度信息入庫。浮動車將得到的道路養護監測信息zi通過移動蜂窩通信技術傳送到數據中心，數據中心將相應的數據存儲到道路養護監測信息庫中。

2 路面安裝測試

2.1 振動檢測裝置安裝

以福州閩運公交車作為浮動車母體，安裝自行加工的車輛振動檢測裝置，如圖1和圖2所示。車輛振動檢測裝置利用X、Y、Z三軸，其中Z軸垂直于車底盤，X、Y保持水平，在車輛行駛過程中，即可通過X、Y兩軸的位移變化，記錄道路的振動情況；結合車載GPS位置信息，即可獲取道路點的振動情況。

2.2 振動數據的生成

車輛在路跑過程中，形成了海量的帶有GPS地理信息的振動數據。浮動車道路振動示意圖，如圖3所示，浮動車道路振動信息與GPS信息耦合后的數據示意圖，如圖4所示。

2.3 振動異常點的測取

2.3.1 車輛怠速狀態數據分析

當車輛處于怠速狀態時，可以采集到無路面激勵下的車輛振動采樣值。如圖5（a）和圖5（b）所示。由此可知在置信水平為0.95的條件下，無路面激勵下汽車自身振動系統的采樣值一般有|Δi|<500。

2.3.2 車輛行駛平整路面數據分析

當車輛行駛在平整路面時，除了汽車自身振動系統產生的激勵還疊加了平整路面對汽車的激勵。選取大學城新建道路做為實驗道路，采集平整路面激勵下浮動車振動采樣值。如圖6（a）和圖6（b）所示，由此可知在置信水平為0.95的條件下，平整路面激勵下振動采樣系統的采樣值一般有|Δi|<2000。

2.3.3 車輛通過破損路面數據分析

當車輛通過破損路面時，車輛會在自身振動系統及平整路面運行激勵的基礎上再疊加破損路面的激勵。實驗中選取一條存在破損的道路，浮動車以60 km/h的速度反復通過一個溝壑，采集通過溝壑前后共計6 s的振動采樣值，約100條。可以得出車輛通過溝壑時的振動采樣值分析得出破損道路的振動采樣閾值。浮動車四次通過溝壑的振動頻譜，如圖7所示。可知通過溝壑瞬時的振幅一般有|Δi|>4000。

2.4 道路平整度信息的生成

根據浮動車日常道路運營中形成的振動信息及gps信息，結合異常點的判斷，形成道路振動信息，由此可以判斷道路的平整度狀況，如圖8所示。由平整路面實驗分析可知，兩條紅線區域內的振動采樣變化值Δi<2000，可認定為路面狀況優良，無需維護；超過紅框區域的振幅為路面激勵作用較大，即路面存在不同程度破損，需要維護。

將道路振動頻譜導入道路地圖土層后即生成的效果示意圖，如圖9所示。

根據實際情況與系統生成效果示意圖比對，基本符合實際情況，即：金桔路、建新中路、二環尤溪洲橋下橋處等幾初存在道路振幅異常，經實地查勘后金桔路、建新中路路面坑洼較厲害，二環尤溪洲橋下橋處由于橋面落差較大，下橋時容易“跳車”引起震動異常。

3 結 語

本文基于浮動車加載GPS、振動傳感器搜集道路振動信息，利用大數據技術進行道路平整度檢測，實驗表明此方法具有現實可行性。該方法比傳統的檢測車檢測具有使用、維護簡單，成本低廉的優點。

參考文獻：

[1] 李志棟.中國道路管養新模式的研究[J].公路，2015，（10）.

[2] 吳志華.基于車輛—道路耦合系統下的道路友好特征研究[D].重慶：重 慶交通大學，2010.

[3] 宋波，郭大進，馬力.瀝青路面試驗檢測數據驗證方法研究[J].公路交通 科技，2012，（5）.

[4] 鄧強，葛俊鋒，羅予頻.一種對不確定區域再分類的路面檢測算法[J].計 算機工程與應用，2010，（31）.

[5] 俞先江，馬圣昊，王正，等.探地雷達技術在國省干線公路早期病害防治 中的應用[J].公路，2015，（8）.

[6] 周曉青，孫立軍.國際平整度指數與路面功率譜密度相關關系研究及 驗證[J].土木工程學報，2007，（1）.

[7] 劉林，鄒復民，蔣新華，等.一種基于浮動車技術的道路養護信息采集方 法[P].中國：1631776，2013-01-11.