一種基于浮動(dòng)車技術(shù)的道路平整度信息采集方法

劉林+鄒復(fù)民+方衛(wèi)東

摘 要：文章提出一種利用浮動(dòng)車進(jìn)行道路平整度信息檢測(cè)的方法，通過浮動(dòng)車搜集道路的平均振動(dòng)信息和gps信息，生成道路平均振動(dòng)頻譜，當(dāng)?shù)缆氛駝?dòng)值超過正常界限時(shí)認(rèn)定道路平整度異常，從而達(dá)到輔助道路養(yǎng)護(hù)決策的目的。

關(guān)鍵詞：浮動(dòng)車技術(shù)；道路平整度；信息采集；方法

中圖分類號(hào)：U491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）06-0001-03c

道路養(yǎng)護(hù)信息包括：水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)連續(xù)性、瀝青混凝土路面透水性、橋梁隧道養(yǎng)護(hù)信息監(jiān)測(cè)等諸多內(nèi)容，其直觀的體現(xiàn)為路面坑洼、裂縫、車轍等病害[1]。目前國內(nèi)外先后有美國阿肯色大學(xué)交通研究所研發(fā)的WayLink系統(tǒng)、英國TRL開發(fā)的HARRIS系統(tǒng)、澳大利亞CSIRO實(shí)驗(yàn)室的新一代道路信息采集檢測(cè)系統(tǒng)RoadCrack、美國的PSI多功能道路采集檢測(cè)系統(tǒng)、長安大學(xué)CT-501A高速激光道路檢測(cè)車、武漢大學(xué)SINC-RTM車載智能路面自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、南京理工大學(xué)智能路況檢測(cè)車等[2-4]，可以通過特定檢測(cè)車輛實(shí)現(xiàn)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]?，F(xiàn)有的監(jiān)測(cè)技術(shù)無論在檢測(cè)精度、檢測(cè)效率上都有了長足的發(fā)展，但是對(duì)昂貴的檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)車的依賴，導(dǎo)致其在實(shí)用性上大打折扣，無法大面積推廣。

本研究主要針對(duì)道路的坑洼、裂縫、車轍等病害進(jìn)行信息搜集，以道路運(yùn)輸車輛為載體，利用車輛上裝載的振動(dòng)傳感模塊和GPS模塊，通過記錄、比對(duì)海量帶地理位置標(biāo)簽的道路振動(dòng)信息，對(duì)振動(dòng)異常的道路位置點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，達(dá)到輔助道路養(yǎng)護(hù)決策的作用。

1 基于浮動(dòng)車技術(shù)的道路平整度信息采集原理

1.1 基于浮動(dòng)車技術(shù)的道路平整度信息采集基本原理

汽車本身就是一個(gè)具有質(zhì)量、彈簧和阻尼的振動(dòng)系統(tǒng)。在不平路面激勵(lì)的作用下，只研究汽車車身的垂直振動(dòng)，即Z軸的振動(dòng)，就可以將汽車這樣一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)簡化成單自由度的系統(tǒng)，即：

m■+c■+kx=f（t）（1）

式中，M為質(zhì)量；K為剛度；c-為阻尼；t為時(shí)間；f（t）是激勵(lì)函數(shù)；x（t）是響應(yīng)函數(shù)。

在特定路段（無破損路段）的行車過程中，設(shè)激勵(lì)函數(shù)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(jī)振動(dòng) g（t），則激勵(lì)函數(shù)有：

■（t）=f（t）+g（t） （2）

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

1.2 數(shù)據(jù)采集處理步驟

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

浮動(dòng)車在行駛過程中形成系列的關(guān)于時(shí)間、位置、速度、震動(dòng)頻率和剎車頻率的行車數(shù)據(jù)序列信息，由此我們可以使用存儲(chǔ)卡直接存儲(chǔ)或者使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)送后進(jìn)行存儲(chǔ)；所述行車數(shù)據(jù)序列行車數(shù)據(jù)序列xi可表示為[7]：

xi=（3）

式中，i是車數(shù)據(jù)序列x的編號(hào)；ui是車輛編號(hào)；li是位置信息；vi是速度；ψi是震動(dòng)頻率；fi是剎車頻率。

1.2.2 動(dòng)態(tài)信息維護(hù)

根據(jù)搜集的數(shù)據(jù)，對(duì)行駛道路進(jìn)行分段，將每100 m作為一個(gè)單位點(diǎn)，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(gè)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(hào)；

area■表示路段覆蓋區(qū)域范圍。

①在給定的時(shí)間段T內(nèi)，浮動(dòng)車ui在實(shí)驗(yàn)時(shí)間t路跑，產(chǎn)生行車數(shù)據(jù)序列xi，從中可獲取位置信息li；當(dāng)li∈area■時(shí)，將行車數(shù)據(jù)序列xi存儲(chǔ)到路段數(shù)據(jù)庫路段ms對(duì)應(yīng)的位置，重復(fù)上述步驟依次提取行車數(shù)據(jù)序列直至處于時(shí)間段[t-T，t]的行車數(shù)據(jù)序列xi提取結(jié)束；

②從路段數(shù)據(jù)庫路段ms對(duì)應(yīng)的位置中依次提取處于[t-T，t]時(shí)間段行車數(shù)據(jù)序列xi中的震動(dòng)頻率ψi和剎車頻率fi并求得路段ms的歷史平均震動(dòng)頻率ψs和歷史平均剎車頻率fs，將路段歷史平均震動(dòng)頻率ψs和歷史平均剎車頻率fs存儲(chǔ)到路段數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的位置并以滑動(dòng)時(shí)間窗口T定期更新維護(hù)。

③將搜集的道路信息在道路數(shù)據(jù)中心加以儲(chǔ)存分析，可得到行車序列路段平均震動(dòng)頻率ψs及路段歷史平均剎車頻率fs。當(dāng)行車序列點(diǎn)xi的ψi和剎車頻率fi大于或等于路段平均震動(dòng)頻率ψs或歷史平均剎車頻率fs時(shí)，觸發(fā)系統(tǒng)記錄道路異常點(diǎn)xi。

由此形成的道路養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)信息zi包括浮動(dòng)車車輛編號(hào)ui、時(shí)間信息ti、位置信息li、震動(dòng)頻率ψi、速度vi、剎車頻率fi以及異常信號(hào)標(biāo)記信息，且zi=。

④道路平整度信息入庫。浮動(dòng)車將得到的道路養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)信息zi通過移動(dòng)蜂窩通信技術(shù)傳送到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心將相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到道路養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)信息庫中。

2 路面安裝測(cè)試

2.1 振動(dòng)檢測(cè)裝置安裝

以福州閩運(yùn)公交車作為浮動(dòng)車母體，安裝自行加工的車輛振動(dòng)檢測(cè)裝置，如圖1和圖2所示。車輛振動(dòng)檢測(cè)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(dòng)情況；結(jié)合車載GPS位置信息，即可獲取道路點(diǎn)的振動(dòng)情況。

2.2 振動(dòng)數(shù)據(jù)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(dòng)數(shù)據(jù)。浮動(dòng)車道路振動(dòng)示意圖，如圖3所示，浮動(dòng)車道路振動(dòng)信息與GPS信息耦合后的數(shù)據(jù)示意圖，如圖4所示。

2.3 振動(dòng)異常點(diǎn)的測(cè)取

2.3.1 車輛怠速狀態(tài)數(shù)據(jù)分析

當(dāng)車輛處于怠速狀態(tài)時(shí)，可以采集到無路面激勵(lì)下的車輛振動(dòng)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(lì)下汽車自身振動(dòng)系統(tǒng)的采樣值一般有|Δi|<500。

2.3.2 車輛行駛平整路面數(shù)據(jù)分析

當(dāng)車輛行駛在平整路面時(shí)，除了汽車自身振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的激勵(lì)還疊加了平整路面對(duì)汽車的激勵(lì)。選取大學(xué)城新建道路做為實(shí)驗(yàn)道路，采集平整路面激勵(lì)下浮動(dòng)車振動(dòng)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(lì)下振動(dòng)采樣系統(tǒng)的采樣值一般有|Δi|<2000。

2.3.3 車輛通過破損路面數(shù)據(jù)分析

當(dāng)車輛通過破損路面時(shí)，車輛會(huì)在自身振動(dòng)系統(tǒng)及平整路面運(yùn)行激勵(lì)的基礎(chǔ)上再疊加破損路面的激勵(lì)。實(shí)驗(yàn)中選取一條存在破損的道路，浮動(dòng)車以60 km/h的速度反復(fù)通過一個(gè)溝壑，采集通過溝壑前后共計(jì)6 s的振動(dòng)采樣值，約100條?？梢缘贸鲕囕v通過溝壑時(shí)的振動(dòng)采樣值分析得出破損道路的振動(dòng)采樣閾值。浮動(dòng)車四次通過溝壑的振動(dòng)頻譜，如圖7所示。可知通過溝壑瞬時(shí)的振幅一般有|Δi|>4000。

2.4 道路平整度信息的生成

根據(jù)浮動(dòng)車日常道路運(yùn)營中形成的振動(dòng)信息及gps信息，結(jié)合異常點(diǎn)的判斷，形成道路振動(dòng)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(shí)驗(yàn)分析可知，兩條紅線區(qū)域內(nèi)的振動(dòng)采樣變化值Δi<2000，可認(rèn)定為路面狀況優(yōu)良，無需維護(hù)；超過紅框區(qū)域的振幅為路面激勵(lì)作用較大，即路面存在不同程度破損，需要維護(hù)。

將道路振動(dòng)頻譜導(dǎo)入道路地圖土層后即生成的效果示意圖，如圖9所示。

根據(jù)實(shí)際情況與系統(tǒng)生成效果示意圖比對(duì)，基本符合實(shí)際情況，即：金桔路、建新中路、二環(huán)尤溪洲橋下橋處等幾初存在道路振幅異常，經(jīng)實(shí)地查勘后金桔路、建新中路路面坑洼較厲害，二環(huán)尤溪洲橋下橋處由于橋面落差較大，下橋時(shí)容易“跳車”引起震動(dòng)異常。

3 結(jié) 語

本文基于浮動(dòng)車加載GPS、振動(dòng)傳感器搜集道路振動(dòng)信息，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行道路平整度檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)表明此方法具有現(xiàn)實(shí)可行性。該方法比傳統(tǒng)的檢測(cè)車檢測(cè)具有使用、維護(hù)簡單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

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