路面平整度的傳統與智能化監測方法綜述

高博煜,商澤進,龔立平,尹冠生,曹 婧,沈 南

(長安大學 理學院,陜西 西安 710064)

路面平整度是評價路面質量的重要指標之一,它與行車安全、舒適度等因素密切相關,因此各國對此都展開過深入的研究.本文從路面平整度的定義出發,簡要介紹了路面平整度的各項評價指標,在此基礎上進一步探討了路面平整度的若干傳統測量方法,并簡略分析了每一種方法的實用性與局限性,最后通過介紹國內外較為先進的基于智能設備和移動互聯技術的道路平整度測量新方法,展望了在大數據時代路面平整度測量的新方向.

路面結構除了需要為車輛提供足夠的承載能力以保證基本的通行功能外,還必須滿足駕駛的安全性和舒適度等要求.各種路面缺陷不僅會降低駕駛舒適度,還會損害車輛[1],加重車輛磨損.車輛沿著不平整的路面行駛會引起車輛本身的振動,同時將這些振動傳遞到交通負荷較大的道路附近的建筑物(通常是居住區和商業建筑物)[2].此外,路面平整度是否良好,在一定程度上直接影響燃油損耗,與節能減排息息相關.因此,路面平整度的測量和監控一直是各國公路行業技術人員研究的重要課題之一.

本文將通過對路面平整度傳統測量方法的總結以及對在互聯網時代相關創新測量技術的歸納,客觀地展現路面平整度測量領域的先進性與不足之處,為該行業相關領域的進一步研究提供參考.

概述

(1)路面平整度的定義

路面平整度是評定路面質量的三大技術指標(厚度、平整度、壓實度)之一.由于平整度問題自身的復雜性,國內外有多種對平整度背景的定義.其中,美國材料與試驗協會(ASTM)的定義為:道路平整度是路面表面相對于理想平面的豎向偏差.這種偏差會影響到車輛動力特性、行駛質量、路面所受動載荷及排水等.該定義的合理性在于它明確指出了路面平整度測量的參考系,利于測定;還將人、車和路三方面綜合考慮,清楚地分析了其影響.交通運輸部標準《公路工程名詞術語》(JTJ 002-87)將路面平整度定義為:路表面縱向的凹凸量的偏差值.此外,還有其他路面平整度的定義,例如:路面表面對于理想平面的偏離;路面表面誘使行駛車輛出現振動的高程變化.鑒于ASTM的定義體現出人-車-路三位一體的系統的優化,所以大部分文獻還是傾向于使用ASTM E867中的定義.

(2)路面平整度的評價指標

路面平整度的評價指標是用來反映及評價路面平整情況的參數.評價指標可以真實靈敏地反映所測路段的相應斷面信息,且能通過一定的方法計算得到.

1998年原交通部對《公路工程質量檢驗評定標準》(JTJ 071-94)進行了修改,頒布了新的《公路工程質量檢驗評定標準》(JTJ071-98),并于1999年7月1日正式實施.新標準規定了3個平整度評價指標:最大間隙、平整度標準差、國際平整度指數IRI.

20世紀80年代以來,3 m直尺法一直作為國內平整度驗收的主要手段.它將尺子與路面的最大間隙和測量數據的合格率作為評價路面平整度的標準.后面發展起來的自動化平整度測量設備通常使用平整度標準差、國際平整度指數IRI作為評價路面平整度的標準.3 m直尺法的主要優點有:儀器成本低,操作簡單,對測量人員的專業技術要求并不是很高;而主要的缺點是:檢測速度慢,勞動力要求高,測量精度低,測量人員主觀性較大等.因此,在1998年的《公路工程質量檢驗評定標準》(JTJ 071-98)標準中做出了規定,高速公路和一級公路平整度測量必須使用自動化的測量設備,嚴禁使用3 m直尺法,并且必須同時檢測公路各個車道的平整度指標;同時提出了國際平整度指標IRI 作為評價平整度的標準,便于與國際接軌;測量過程中如遇橋頭跳車或是小范圍內路面污染情況,平整度合格率只要達到 95%以上即為滿分,當合格率小于70%時判定路面平整度不合格,扣除全部分數;標準中還規定,為使路面達到平整度標準,對路面結構從下到上實行依次遞減的評判標準,從而控制好施工質量,滿足規定要求.

評價指標的傳統測量方法

路面平整度的傳統測量方法主要分為兩類:斷面類平整度測定方法與反應類平整度測定方法.斷面類平整度測定方法是通過測量道路表面凹凸狀況得到縱斷面,依據路面高程差得到相應的平整度評價指標,其精確度主要依賴于測量儀器的高程測量精度.反應類平整度測定方法是通過量測車輛的振動反應來量測路面不平整度[3],這類方法從實用的角度出發,將道路使用者的用戶體驗作為試驗對象,具有一定的創新性,但由于不同車輛的振動模型不同,因此依賴標準化的測試車系統.下面就兩類方法中的若干典型方法加以闡述.

(1)精密水準儀法[4]

精密水準儀(圖1)主要由望遠鏡、水準器和基座三部分組成.其測量的基本原理是:利用水準器的氣泡居中來建立水平視線,再通過水平視線在水準標尺上的讀數求得各點間的高差.該方法要求水準儀視準軸與水準軸必須相互平行,若該條件不滿足則將會引起極大誤差.該方法對測量者操作要求較高,且精度較低.

圖1 精密水準儀

(2)連續式路面平整度儀法[5]

連續式路面平整度儀(圖2)以3 m長桁架為基準,中間機架可縮短或折疊,前后各有4個行走輪.前后兩組輪的軸間距離為3 m,在機架中間有一個能起落的測定輪,該測定輪上裝有位移傳感器和距離傳感器,測定時沿路面某一縱向位置以一定間隔量取3 m直線中點的單向垂直位移數值來記錄.該儀器測定精度較差且測試效率低,速度慢,難以在具有較多坑槽、病害嚴重的路面上測試,同時該儀器較為笨重,使用起來很不方便.

(3)車載式顛簸累積儀法[6]

車載式顛簸累積儀(圖3)是通過計算裝載該儀器的測量車在經過目標路段時車后軸與車廂的單向位移的累積值來表征路面平整度狀況的儀器,由于其測定的數據與裝載車底盤的懸掛系統特性有關,故數據需要經過標定校正并換算之后才可較為準確地反映路面平整度.

(4)車載式激光平整度測試儀法[7]

激光路面平整度儀測試車(圖4)集成了激光傳感器、加速度計、陀螺儀以及先進的數據采集和處理系統.測試過程中車輛以一定速度在路面上行駛,在汽車底盤上嵌入的一排激光傳感器通過測試激光束反射回讀數器的角度來測試路面,該距離信號同測試車上裝配的加速度計信號進行互差并輸出路面真實斷面信號.該模擬信號可轉換為數字信號并被記錄下來進行后續的分析.該種方法測試速度快,測量精度高,但成本較為昂貴.

基于智能設備和移動互聯技術的路面平整度測量新方法

隨著互聯網大數據時代的到來,眾包技術逐漸走進人們的視野;同時,以往高消耗、高門檻低效率的路面平整度測量方法已經不能滿足需求.因此,許多國內外的團隊基于"數據眾籌"構想,以智能手機、便攜式電腦為載體,利用其數據采集量大、精確度高的特點對路面狀況進行監測,為路面平整度測量提供了更廣闊的思路.

(1)移動互聯技術--眾包技術

眾包指的是一個公司或機構把過去由員工執行的工作任務,以自由路面平整度的傳統測量方法主要分為兩類:斷面類平整度測定方法與反應類平整度測定方法.

圖2 連續式八輪路面平整度儀

圖3 車載式顛簸累積儀

圖4 車載式激光平整度測試儀

自愿的形式外包給非特定的大眾網絡的做法[8].在交通物流領域,眾包技術在數據收集任務方面取得了較大的成功.例如,谷歌以及其他地圖服務提供商能夠通過收集其地圖用戶的匿名數據,提供實時的道路擁堵和交通流量數據[9].眾包技術也被用于預測公交車的到達時間[10]、救災[11]、污染數據的收集和報告[12]等.與此同時,隨著智能手機的升級換代與普及,具有內置的三軸加速度計、全球定位系統以及精確計時系統的智能手機被大眾所擁有,這為原本需要專人專時完成的路面檢測工作提供了新思路:Eriksson等人[13]以及Mohan等人[14]將傳統的振動測試模式拓展為結合了智能手機振動傳感器和GPS系統的眾包測試模式,利用車輛固有的移動性從多來源(接收眾包任務的車主的智能手機自帶的傳感器)收集數據,然后處理數據以評估路面狀況.這種嘗試使得基于眾包技術的"數據眾籌"構想有了實現的可能.雖然該技術在路面檢測領域的應用存在一定困難[15-16],但眾包技術的強大之處在于,從多個來源收集的大型數據集一定程度上彌補了個體數據的局限性.雖然一部分車輛可能會提供與實際路面狀況不符的錯誤數據,但根據大數據分析得出的路面狀況模型應無限趨近于路面的實際狀況.

(2)路面平整度(IRI)測量新方法

現代化車輛都具有完備的加速度計、陀螺儀和全球定位系統,若能直接在車輛出廠時就安裝一個路面平整度測量系統,則無需其他外置設備就可以完成平整度測量的數據收集工作.但是,現有車輛的電子系統沒有相關組件,也不允許外部連接訪問原始傳感器數據(例如加速度計、陀螺儀、懸架偏轉等)或相關車輛系統數據(例如ABS、牽引力控制等),只有與汽車制造商達成協議獲得專有PIN碼才可以訪問相關數據[17].考慮到上述局限性,當前路面平整度測量的載體大多指向具有內置加速度計、陀螺儀以及全球定位系統的智能手機或者是配有便攜式傳感器的手提電腦.

大量的研究都以汽車作為數據采集器,其中WG.Buttlar等人[18]進行了激光車載斷面儀與安裝有路面平整度測試APP的智能手機的對比試驗.結論是:在路面狀況較為良好的路面上,不需要經過系統校準,由Android設備測量的IRI值與由激光車載斷面儀收集的粗糙度數據之間就具有了的良好相關性.在路面破損較為嚴重的路面,智能手機測量的IRI值低于統一線,這是由于目前的分析技術并未直接考慮車輛懸架系統引起的加速阻尼,因此需要對較粗糙的路面進行校準[19].González等人[20]通過分析在某一路面上測得的輪軸或車身加速度功率譜密度來估計道路剖面的功率譜密度,經過試驗與計算機模擬發現,對于高空間頻率,輪軸加速度可以提供比車身加速度更精確的功率譜密度估計值,這項試驗證實了使用輪軸或車身加速度來精確分類道路剖面情況的可行性.Tomonori Nagayama等人[21]將測量車輛的垂直加速度轉換為測量標準四分之一汽車模型的簧上質量的加速度,然后使用近似表達式將其轉換為IRI來評估路面平整度,并基于此開發了一種名為VIMS(車輛智能監控系統)的測試系統,如圖5所示.經過2種校準方法(一種是選擇一條已知路面損傷狀況的道路進行駕駛測試,利用測量和模擬的功率譜密度估計值對驅動速度進行插值,另一種是通過對隆起路面進行驅動測試來識別等效的非線性四分之一汽車模型)驗證了該方法的可行性和該系統的可靠性.作為VIMS系統的補充試驗,Viengnam等人[22]同時在2臺汽車上利用該系統隨著互聯網大數據時代的到來,眾包技術逐漸走進人們的視野.因此,許多國內外的團隊基于"數據眾籌"構想,以智能手機、便攜式電腦為載體,利用其數據采集量大、精確度高的特點對路面狀況進行監測,這為路面平整度測量提供了更廣闊的思路.

模塊進行了重復試驗,結果表明,智能手機傳感器在不同駕駛速度下采集到的加速度數據與道路平整度條件具有顯著的線性關系.Eriksson等人[13]也開發了一個名為Pothole Patrol(P2)的基于車載傳感器的路面平整度檢測系統,通過信號處理和基于機器學習的方法,利用手動收集的訓練數據去識別不同類別的道路異常(坑洼、鐵路道口等)的位置并進行建模.Perttunen等人[23]對三軸加速度信號進行了全光譜分析,并提出一種用于特征提取的速度依賴性去除方法和一種用于對數據標準化預測進行可視化分析方法的框架.Mohan等人[14]使用智能手機自帶的加速度計、麥克風、無線電和GPS等傳感元件來采集加速度、車輛顛簸、制動以及鳴笛聲等數據,為路面狀況評估和交通狀況監測提供幫助.Mednis等人[24]使用帶有加速計的Android智能手機設備來檢測路面坑洼的位置,他們用了很多簡單的算法來處理振動數據.

圖5 VIMS測試系統

還有一部分試驗以自行車或者摩托車為數據采集器(圖6),簡化了系統自身的振動模型,便于模型建立與數據分析.何俊興等[25]對3款振動測試APP的性能進行了評測,并驗證了智能手機APP與GIS系統結合的可能性,找到了與GIS系統匹配度較高的APP,建立了一套較為完備的基于5自由度自行車振動模型的路面數據采集與分析方法.Tai Y C等[26]利用基于摩托車的移動設備進行道路異常檢測,并對有監督學習和無監督學習2種不同的機器學習方法進行了對比,試驗發現支持向量機方法在正確檢測道路異常方面精度較高;同時,他們建立了路段排序系統,并提出了衡量路面質量的粗糙度指數函數.瑞典一家公司開發了一款名為Roadorid的路面平整度監測APP,該應用程序既可以用于監測自行車道路路面狀況,也可以監測公路網絡的路面平整度.開發者提出2種粗糙度數據計算選項:一種是估算IRI(eIRI),該數值是基于峰值和均方根振動分析得出的;另一種是計算IRI(cIRI),此數據是基于四分之一車的公式得出的.該團隊在嘗試智能手機APP振動測試之前已經有過使用基于傳感器的測試程序,并擬合出較好的結果,故在運行手機APP前,其成員對數據寫入頻率(只有100 Hz)較低且加速度計的靈敏度G尺度(+/-2G)較低的手機應用的可行性進行了討論,最終確認該方式可行[27].

圖6 自行車振動測試

經過對大量試驗的研判發現,智能手機內置的三軸加速度計大多只是適配于計步等健康功能,其靈敏度及數據采集頻率相對于傳感器而言有較大差距.但是,智能手機用戶量大,手機APP下載使用方便的特性決定了該類方法能收集到極其龐大的數據,對數據有效性的篩選及普適性模型的選擇還有待進一步的研究.

結語

無論是路面平整度傳統測量方法,還是基于智能設備和移動互聯技術的路面平整度測量新方法,其核心都是利用傳感器測量在外部激勵條件下路面的響應情況,收集數據,建立模型,最終通過對路面響應的參數分析和模態分析,將路面平整度量化為一個參數(常見的參數為當前適用性指數以及國際平整度指數)供路面管理部門參考.基于智能設備的數據眾籌路面平整度測量新方法的優勢在于減少了政府開支,優化了測量技術,但面臨的問題也同樣嚴峻:車輛垂直加速度與國際平整度指數(IRI)之間的換算關系尚無精確公式,不同車輛懸架系統不同,簡化模型適用性有待商榷,相關APP對于普通大眾使用價值不足,難以推廣等.這些問題都基于智能設備的數據眾籌路面平整度測量新方法的優勢在于減少了政府開支,優化了測量技術,但面臨的問題也同樣嚴峻,一些問題都有待相關專家進行進一步研究與分析.

有待相關專家進一步研究與分析.