交通氣象埋入式路面狀況檢測(cè)器檢測(cè)方法研究

蔡 蕾，張德才，李 斌，高蘭達(dá)，汪 林，劉清彬

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088;2.燕山大學(xué)車(chē)輛與能源學(xué)院，秦皇島 066004)

0 引言

中國(guó)是雨雪、冰凍災(zāi)害性天氣多發(fā)的國(guó)家，具有影響范圍廣、程度深、發(fā)生頻次高等特點(diǎn).惡劣氣象條件產(chǎn)生的不良路面狀況是引發(fā)公路交通事故的重要因素之一，對(duì)公眾生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅.針對(duì)道路交通氣象對(duì)車(chē)輛行駛安全的影響國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了相關(guān)研究.1997年，法國(guó) METL(The Ministère del’Equipment des Transports et du Logement)機(jī)構(gòu)受世界氣象組織的委托，成立了道路氣象信息項(xiàng)目組開(kāi)展道路氣象信息研究［1］;1999年10月6日，Aurora項(xiàng)目組起草了《路面狀況檢測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》的最終報(bào)告［2］;2002年，美國(guó)交通部公路管理局發(fā)布了《道路交通氣象系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介》［3］，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的目的是進(jìn)一步完善道路氣象信息系統(tǒng)，但沒(méi)有由美國(guó)交通部強(qiáng)制執(zhí)行，只是鼓勵(lì)企業(yè)和使用者盡量按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)建立道路交通氣象系統(tǒng);2005年Aurora項(xiàng)目組發(fā)表了《路面溫度檢測(cè)器的實(shí)驗(yàn)室以及場(chǎng)外測(cè)試研究》，提出了在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試路面溫度檢測(cè)器的測(cè)試方法、試驗(yàn)結(jié)果以及試驗(yàn)結(jié)論和場(chǎng)外測(cè)試路面溫度檢測(cè)器的測(cè)試方法、試驗(yàn)結(jié)果以及試驗(yàn)結(jié)論［4］;2006年6月，由美國(guó)國(guó)家公路與運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)主辦的，與聯(lián)邦高速公路管理部門(mén)一起合作完成了《道路氣象信息系統(tǒng)檢測(cè)器場(chǎng)外使用性能測(cè)試方法》的研究報(bào)告［5］，這個(gè)報(bào)告填補(bǔ)了美國(guó)路面狀況檢測(cè)器檢測(cè)技術(shù)的空白，并且該項(xiàng)目力求建立可行的檢測(cè)規(guī)范和指南，該規(guī)范最終由美國(guó)國(guó)家公路研究計(jì)劃署執(zhí)行;目前我國(guó)對(duì)于交通氣象的研究主要集中于惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警和評(píng)價(jià)領(lǐng)域［6-9］，在公開(kāi)發(fā)表的報(bào)道中有關(guān)路面狀態(tài)檢測(cè)器檢測(cè)技術(shù)以及規(guī)范的研究較少，僅有交通部公路科學(xué)研究所發(fā)布的2個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《道路交通氣象環(huán)境埋入式路面狀況檢測(cè)器》和《道路交通氣象環(huán)境能見(jiàn)度檢測(cè)器》，標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有給出詳細(xì)的測(cè)試參數(shù)、檢定流程、試驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)結(jié)果輸出格式等［10-11］.

本文依托道路交通氣象模擬實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展埋入式路面狀況檢測(cè)器檢測(cè)方法的研究，針對(duì)路面水膜厚度、路面狀態(tài)給出了檢測(cè)方法，搭建了實(shí)驗(yàn)環(huán)境，依次進(jìn)行了水膜厚度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、水膜厚度場(chǎng)外對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)以及場(chǎng)外雨水、冰、雪路面狀態(tài)識(shí)別實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的埋入式路面狀況檢測(cè)器水膜厚度與路面狀態(tài)檢測(cè)方法具有準(zhǔn)確性、可操作性和重現(xiàn)性，進(jìn)一步完善了國(guó)內(nèi)路面狀況檢測(cè)器檢測(cè)方法.

1 路面狀況檢測(cè)器檢測(cè)方法

根據(jù)埋入式路面狀況檢測(cè)器中水膜厚度傳感器、路面雨水冰雪狀態(tài)識(shí)別傳感器的檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)，提出以下檢測(cè)方法.

1.1 水膜厚度檢測(cè)方法

1)檢測(cè)設(shè)備包括:用于仿真真實(shí)路面的測(cè)試槽，槽內(nèi)包括埋入式路面狀況檢測(cè)器安裝槽和排水結(jié)構(gòu);準(zhǔn)備用于多點(diǎn)標(biāo)定水膜厚度的三維光學(xué)輪廓儀;準(zhǔn)備用于均勻噴灑水霧的噴霧器，如圖1所示.

2)將埋入式路面狀況檢測(cè)器安裝入測(cè)試槽，使檢測(cè)器的表面與測(cè)試槽表面平齊.

3)通過(guò)噴霧器向測(cè)試槽均勻噴灑水霧，噴灑量相當(dāng)于在測(cè)試槽中積水深度1mm左右.

4)利用三維光學(xué)輪廓儀對(duì)水膜厚度傳感器處的水膜厚度進(jìn)行測(cè)量，得出水膜厚度的準(zhǔn)確值;

5)讀取埋入式路面狀況檢測(cè)器的水膜厚度檢測(cè)數(shù)據(jù);

6)利用噴霧器繼續(xù)對(duì)測(cè)試槽進(jìn)行水霧的均勻噴灑，依次分別實(shí)現(xiàn)測(cè)試槽中積水深度為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm 左右，通過(guò)三維光學(xué)輪廓儀分別對(duì)上述水膜厚度進(jìn)行測(cè)量，分別得出水膜厚度的準(zhǔn)確值;

7)在不同水膜厚度下，讀取埋入式路面狀況檢測(cè)器的水膜厚度.

8)重復(fù)3～7操作步驟.

圖1 水膜測(cè)試設(shè)備

1.2 路面狀態(tài)識(shí)別檢測(cè)方法

1)檢測(cè)設(shè)備包括:用于進(jìn)行溫度環(huán)境控制的步入式高低溫濕熱試驗(yàn)箱;用于仿真真實(shí)路面的測(cè)試槽;用于測(cè)試槽水平狀態(tài)調(diào)整的水平儀;用于均勻噴灑水霧的噴霧器;

2)將埋入式路面狀況檢測(cè)器安裝入測(cè)試槽，使檢測(cè)器的表面與測(cè)試槽表面平齊，并將測(cè)試槽放置在高低溫濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)，用水平儀校平;

3)不加任何覆蓋物即為干燥情況，讀取埋入式路面狀況檢測(cè)器干燥狀態(tài);

4)在測(cè)試槽中噴灑適量的水，使水均勻的攤開(kāi)槽底，可根據(jù)測(cè)試需求調(diào)整測(cè)試槽中積水厚度，讀取埋入式路面狀況檢測(cè)器狀態(tài);

5)在測(cè)試槽中噴灑適量的水，使水均勻的攤開(kāi)槽底，調(diào)整高低溫濕熱試驗(yàn)箱的溫度為－2℃，積水完全結(jié)冰后，讀取埋入式路面狀況檢測(cè)器結(jié)冰狀態(tài);

6)通過(guò)一定方法采集或制作積雪，在－6℃的高低溫濕熱試驗(yàn)箱中保持積雪狀態(tài)，并將積雪均勻鋪滿(mǎn)測(cè)試槽5 cm以上，隨后壓實(shí)積雪，讀取埋入式路面狀況檢測(cè)器積雪狀態(tài).

2 測(cè)試環(huán)境搭建

2.1 切割路面

切割路面時(shí)，如果路面無(wú)法切出圓形的槽可以改切方形的，槽的大小與實(shí)物的大小越接近越好，這樣利于傳感器的水平和路面填平，如圖2所示.

圖2 切割路面

2.2 放置傳感器

將傳感器放入切好的槽中，V字型的金屬支架架在路面上，傳感器底部與槽底部的空洞要用砂石填平，填平后用水平儀檢測(cè)傳感器是否與路面水平.

2.3 填補(bǔ)檢測(cè)器路面

填補(bǔ)傳感器路面使用環(huán)氧樹(shù)脂和凝固劑，一般調(diào)配的比例為4∶1.混合后要充分、迅速攪拌，在凝固劑開(kāi)始凝固前用漏斗或者木棒引流進(jìn)入切槽內(nèi)，用環(huán)氧樹(shù)脂封住傳感器，如圖3所示;澆注好傳感器后，傳感器的上方要用重物壓住，待凝固劑干后拆除.安裝好的傳感器如圖4所示.

圖3 澆注傳感器

圖4 安裝好的路面狀況檢測(cè)器

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

3.1 水膜厚度測(cè)試

3.1.1 水膜厚度標(biāo)定測(cè)試

本測(cè)試采用三維非接觸輪廓儀測(cè)試水膜高度為標(biāo)定值，埋入式路面狀態(tài)傳感器測(cè)試結(jié)果為測(cè)試值.三維非接觸輪廓儀的檢測(cè)范圍為0～8 mm，精度誤差為0～1 mm±0.1 mm和1～6 mm±0.5 mm.

1)測(cè)試步驟

①將裝有埋入式路面狀態(tài)傳感器的仿真真實(shí)路面的測(cè)試槽水平放置，將傳感器表面清理干凈、擦干.將JR-25的電源線，控制箱與馬達(dá)的連接線，CCS、ΜMX與電腦連接的USB數(shù)據(jù)線，光學(xué)筆連接控制箱的光纖接好.

②打開(kāi)電腦上的Nanovea 3D軟件，調(diào)整光學(xué)筆至合適位置.

③通過(guò)針管對(duì)測(cè)試槽進(jìn)行水霧的均勻噴灑，噴灑量相當(dāng)于在測(cè)試槽中積水深度8 000 μm左右;

④利用三維光學(xué)輪廓儀對(duì)水膜厚度傳感器處的水膜厚度進(jìn)行測(cè)量，得出水膜厚度的準(zhǔn)確值.

⑤對(duì)埋入式路面狀況檢測(cè)器的水膜厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取.

⑥用針管對(duì)測(cè)試槽進(jìn)行水霧的均勻吸取，依次分別實(shí)現(xiàn)測(cè)試槽中積水深度為 7 000 μm、6 000 μm、5 000 μm、4 000 μm、3 000 μm、2 000 μm、1 000 μm、0 μm左右，并通過(guò)三維光學(xué)輪廓儀和埋入式路面狀況檢測(cè)器分別對(duì)上述水膜厚度進(jìn)行測(cè)量，分別得出水膜厚度的準(zhǔn)確值和標(biāo)定值.

2)測(cè)試結(jié)果記錄與分析

①測(cè)試數(shù)據(jù)記錄如表1所示.

表1 水膜厚度標(biāo)定測(cè)試記錄表

②水膜厚度測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)原始數(shù)據(jù)，以測(cè)試次數(shù)為橫坐標(biāo)，以水膜厚度為縱坐標(biāo)，繪制出三維光學(xué)輪廓儀和埋入式路面?zhèn)鞲衅鳒y(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線圖，如圖5所示.

圖5 水膜厚度測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線

曲線分析:從曲線中可看出，埋入式路面?zhèn)鞲衅鳒y(cè)出的標(biāo)定值和三維光學(xué)輪廓儀測(cè)出的測(cè)試值近似一致，變化趨勢(shì)也相同.從誤差曲線可看出，兩者誤差接近于0，小于三維光學(xué)輪廓儀的精度0.5 mm.結(jié)論:埋入式路面?zhèn)鞲衅髂茌^準(zhǔn)確地測(cè)出水膜厚度.

3.1.2 水膜厚度場(chǎng)外對(duì)比測(cè)試

1)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄

場(chǎng)外路面狀態(tài)檢測(cè)器24 h運(yùn)行，表2是下雨時(shí)3個(gè)廠家路面狀態(tài)檢測(cè)器的水膜厚度測(cè)試數(shù)據(jù).

表2 水膜厚度場(chǎng)外測(cè)試記錄表

2)水膜厚度場(chǎng)外對(duì)比測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)原始數(shù)據(jù)，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以3個(gè)廠家路面狀況測(cè)量的水膜厚度為縱坐標(biāo)，繪制出3個(gè)廠家埋入式路面?zhèn)鞲衅魉ず穸葴y(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線圖，如圖6所示.從曲線中可看出，3個(gè)廠家的路面狀態(tài)檢測(cè)器測(cè)的水膜厚度值接近，由于精度不同，測(cè)試數(shù)據(jù)略有差異.結(jié)論:檢測(cè)技術(shù)及檢測(cè)方法準(zhǔn)確，可適用于以上3個(gè)廠家的路面狀況檢測(cè)器.

圖6 水膜厚度場(chǎng)外測(cè)試對(duì)比曲線

3.2 路面狀態(tài)識(shí)別場(chǎng)外測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.2.1 雨水狀態(tài)識(shí)別實(shí)驗(yàn)分析

1)實(shí)驗(yàn)步驟

將傳感器表面清理干凈，觀察設(shè)備讀數(shù);14:50往埋入式傳感器表面滴1滴水;讀取傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

①實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如表3所示.

表3 水狀態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

②實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:在傳感器表面滴1滴水后，待傳感器數(shù)據(jù)采集軟件更新后，路面狀態(tài)變?yōu)槌睗?，傳感器能?zhǔn)確識(shí)別水狀態(tài).

3.2.2 冰狀態(tài)識(shí)別實(shí)驗(yàn)分析

1)實(shí)驗(yàn)步驟

將傳感器表面清理干凈，觀察設(shè)備讀數(shù);16:50往埋入式傳感器表面放置1塊冰;讀取傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

①實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如表4所示.

表4 冰狀態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

②實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:在傳感器表面放1塊冰后，待傳感器數(shù)據(jù)采集軟件更新后，路面狀態(tài)變?yōu)榻Y(jié)冰，傳感器能準(zhǔn)確識(shí)別冰狀態(tài).

3.2.3 雪狀態(tài)識(shí)別實(shí)驗(yàn)分析

1)實(shí)驗(yàn)步驟

將傳感器表面清理干凈，觀察設(shè)備讀數(shù);9:50往埋入式傳感器表面放置一定量的雪;讀取傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

①實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如表5所示.

表5 雪狀態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

②實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:在傳感器表面放置雪后，待傳感器數(shù)據(jù)采集軟件更新后，路面狀態(tài)變?yōu)檠?，傳感器能?zhǔn)確識(shí)別雪狀態(tài).

4 結(jié)論

1)提出了路面狀態(tài)、水膜厚度的檢測(cè)方法.

2)搭建了路面狀況傳感器的測(cè)試環(huán)境.

3)對(duì)vaisala、lufft及凱邁3個(gè)廠家的路面狀況檢測(cè)器進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了路面狀況檢測(cè)器檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性、可操作性和重現(xiàn)性.

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［11］交通部公路科學(xué)研究院.JT/T 714—2008.道路交通氣象環(huán)境埋入式路面狀況檢測(cè)器［S］.