數(shù)字化技術(shù)對瀝青路面抗滑評價的應(yīng)用

陳惠萍

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海市200434）

數(shù)字化技術(shù)對瀝青路面抗滑評價的應(yīng)用

陳惠萍

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海市200434）

模擬制備了道路不同使用階段下的A C-13、SMA-13混合料試件，通過便攜式手持3D掃描設(shè)備，掃描獲取試件表面的紋理，運(yùn)用G eo m a g ic軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理、M a tl ab軟件對紋理的統(tǒng)計學(xué)指標(biāo)進(jìn)行提取計算，并基于M u r a t E r g u n的研究理論，建立I S O規(guī)定的Ra、Rq、La、Lq以及M P D等斷面統(tǒng)計指標(biāo)與摩擦系數(shù)之間的數(shù)值關(guān)系模型。通過計算，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實際試驗結(jié)果具有良好的相關(guān)性，證明該數(shù)值計算方法可以有效地預(yù)估路面的抗滑性能。

瀝青路面；紋理掃描；數(shù)字化技術(shù)

0 引言

路面的抗滑性能是評價道路運(yùn)營安全的一個重要指標(biāo)，而道路表面的紋理水平是決定其抗滑水平的主要因素。對于瀝青混凝土路面來說，路表的紋理水平高低將直接影響到路面與輪胎的接觸效果，繼而對車輛在路面行駛時的制動特性、行車穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[1]。隨著圖像采集、成像技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，運(yùn)用計算機(jī)平臺進(jìn)行數(shù)值計算因效率高、精度大、適用范圍廣的特點而逐漸被國內(nèi)外學(xué)者采用[2-5]。本文通過便攜式手持3D掃描設(shè)備獲取試件表面的紋理，采用計算機(jī)平臺建立抗滑性能評估模型，通過數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)瀝青路面抗滑性能評價，這大大減少了試驗的繁瑣與誤差，對提高工程施工效率具有重大的意義。

1 試件制備

目前，應(yīng)用于瀝青路面上面層的混合料類型主要有瀝青混凝土混合料（A C）和瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）。這2種瀝青混合料具有不同的工程性能與宏觀構(gòu)造，本次試驗以A C-13、SMA-13為例，集料采用昊天路橋工程公司提供的玄武巖，瀝青采用中國石化提供的70#基質(zhì)瀝青，通過添加T P S高模量劑改性。

為了證明模型的普適性，分別制備5塊A C-13試件和5塊SMA-13試件，除各保留1塊試件作為初始狀態(tài)評價之外，其余試件分別進(jìn)行不同程度的磨光，用以模擬路面磨損后的情況。

為了評估數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在10塊試件制作處理完成后，均采用動摩擦系數(shù)儀進(jìn)行摩擦系數(shù)的測定，以便與后期的數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行對比。

2 瀝青路面表面紋理數(shù)據(jù)獲取

2.1 設(shè)備簡介

本試驗采用的便攜式3D激光掃描儀H a ndy S C A N 3D（圖1）由C R E AM F O R M公司設(shè)計研發(fā)，該設(shè)備最大的特點是小巧獨立，無需外部定位系統(tǒng)，也無需使用測量臂、三角架或夾具，由于質(zhì)量不到1 k g，所以能夠裝入隨身攜帶的手提箱，帶到各個地點，并且可以在內(nèi)部或現(xiàn)場，甚至在狹小空間內(nèi)輕松使用。

圖1 HandySCAN手持式3D激光掃描儀

2.2 使用方法

使用H a ndy S C A N設(shè)備進(jìn)行瀝青路面紋理掃描的操作流程主要包括：光學(xué)反射靶的布置、儀器的連接、掃描儀校準(zhǔn)、掃描、點云文件的導(dǎo)出。

掃描開始前，先根據(jù)待掃描試件的大小，在地上放置光學(xué)反射靶，大致包絡(luò)出待掃描范圍（圖2）。該掃描儀使用光學(xué)反射靶來形成鎖定至部件自身的參考系統(tǒng)，使掃描期間可以根據(jù)需要來移動物體（動態(tài)參考），而且周圍環(huán)境的變化不會影響數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和精度。

圖2 待掃描試件與光學(xué)反射靶

掃描時將掃描儀與筆記本電腦連接，打開V x ele m e n t s軟件，首先按照所需的頻率對掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)以確保其處于最佳工作狀態(tài)，然后對光學(xué)反射靶進(jìn)行掃描，以確定預(yù)掃描區(qū)域。接下來放置試件，開始對試件表面進(jìn)行掃描。掃描采用7條激光十字線外加1條直線，通過三角測量法來實時確定自身與被掃描部件的相對位置，將掃描得到的試件模型實時呈現(xiàn)在V x ele m e n t s軟件界面中（圖3）。當(dāng)試件所有部分掃描結(jié)束后，完成數(shù)據(jù)采集，可以在初步優(yōu)化數(shù)據(jù)以后直接網(wǎng)格輸出，保存為.s tl文件，稍后再作進(jìn)一步處理。

圖3 試件掃描與顯示界面

3 瀝青路面表面紋理數(shù)據(jù)預(yù)處理

掃描后的文件以三角網(wǎng)文件輸出，由于選取的坐標(biāo)系是在掃描儀內(nèi)部就確定的，因此與大地坐標(biāo)并不一致。為了方便之后對數(shù)據(jù)的處理與計算，先采用G eo m a g ic軟件對掃描得到的模型進(jìn)行預(yù)處理。

首先將需要處理的文件導(dǎo)入G eo m a g ic s t u di o，任意選取一個視圖，在試件表面對角線處選取2個點作為參照，通過高級對象移動器，使1，2兩點連線與水平軸線平行并重定向模型（圖4）。改變視圖，重復(fù)上述操作，經(jīng)過2～3次變換，基本可以實現(xiàn)模型與大地坐標(biāo)系達(dá)成一致。

圖4 模型旋轉(zhuǎn)實例

由于后期需要在極坐標(biāo)系下對模型進(jìn)行切割取值，為了便于計算，還需將坐標(biāo)原點移動到模型中點，實現(xiàn)模型坐標(biāo)系的最終轉(zhuǎn)換，此時俯視圖為一個矩形，主視圖和左視圖為一條幾乎與坐標(biāo)軸重合的直線（圖5）。

圖5 預(yù)處理后模型

將處理完成的模型保存成.a sc文件，便于后期處理?？梢圆捎肗 ote pa d++打開讀取點云數(shù)據(jù)（圖6），其中，前3列分別代表x、y、z坐標(biāo)，后3列表示激光強(qiáng)度，可以忽略不計。

圖6 點云文件讀取示例

4 路表紋理指標(biāo)與摩擦系數(shù)關(guān)系

4.1 斷面基本統(tǒng)計指標(biāo)

路表紋理可以理解為波，那么在道路工程路面性能檢測和研究中就可以通過一些基本的數(shù)值統(tǒng)計方法來定義路表紋理水平[6]。I S O組織針對物體表面形貌特征，開發(fā)了兩套指標(biāo)[7]，旨在考察垂直方向瀝青路面的形貌變化和旨在考察水平方向瀝青路面形貌的變化。

4.1.1 旨在考察垂直方向瀝青路面形貌變化的指標(biāo)

該套指標(biāo)包含斷面垂直方向的平均偏差（Ra）、斷面深度均方根偏差（Rq）和平均斷面深度（M P D）。

斷面垂直方向的平均偏差（Ra）是指在取樣長度內(nèi)，輪廓偏距絕對值|yi|的算術(shù)平均值，在一定程度上表征了輪廓高度相對其中線的離散程度，由式（1）定義：

式中：n是所選取采樣點總個數(shù)，為對應(yīng)點的斷面深度。斷面深度均方根偏差（Rq）表示輪廓高度偏離中線的程度，由式（2）定義：

平均斷面深度（M P D）是目前分析路面宏觀紋理最常用到的指標(biāo)，它是指將路面試件沿某一方向切開得到縱斷面后（見圖7），計算斷面上所有高度的均值（h），然后沿水平方向?qū)⒔孛娣殖蓛啥危謩e計算每段最高點的高度（h1和h2），再按下式計算得到：

圖7 平均斷面深度計算示意圖

4.1.2 旨在考察水平方向瀝青路面形貌變化的指標(biāo)

該套指標(biāo)包含斷面平均波長（La）和斷面波長的均方根（Lq）。

定義這兩個指標(biāo)之前，首先要對斷面的平均斜率Da和斷面斜率的平方根進(jìn)行定義，具體公式如下：

式中：Δy為斷面中可計量點縱坐標(biāo)yi和yi+1之間的差值，Δx為橫坐標(biāo)xi和xi+1之間的差值。

根據(jù)以上定義，于是La、Lq可分別由式（6）、式（7）定義：

4.2 路表紋理與摩擦系數(shù)的關(guān)系

根據(jù)前人研究成果，路表紋理深度水平與路面抗滑性能之間的關(guān)系需要通過紋理水平的數(shù)學(xué)指標(biāo)與摩擦系數(shù)或車速衰減規(guī)律建立起來，但是大多數(shù)的聯(lián)系都建立在摩擦系數(shù)和滑移速度之間，常用的P e nn S t a te模型、修正的P e nn S t a te模型、P I A R C模型以及國際摩阻系數(shù)I F I的表達(dá)中，給出的都是摩擦系數(shù)與滑移速度之間的關(guān)系[8]。

M u r a t E r g u n借助I S O規(guī)定的Ra、Rq、La、Lq以及M P D等斷面統(tǒng)計指標(biāo)[9]，建立了摩擦系數(shù)與路面紋理水平的數(shù)值關(guān)系模型，該模型采用的基本表達(dá)形式為：

式中：F0指滑移速度為0時的摩擦系數(shù)，它與宏觀紋理維度的M P D和微觀紋理維度的Rq之間存在如下關(guān)系：

-1/T指滑移速度與摩擦系數(shù)衰減曲線的斜率，它與宏觀維度的M P D和微觀維度的Rq之間存在如下關(guān)系：

通過式（8）～式（10），可以得到路面摩擦系數(shù)與路面宏觀紋理、微觀紋理之間的關(guān)系，那么通過對試件掃描結(jié)果的數(shù)據(jù)提取，就可以實現(xiàn)在數(shù)字平臺上獲取摩擦系數(shù)的目標(biāo)。

針對前面H a ndy S C A N掃描得到的點云格式數(shù)據(jù)，希望通過數(shù)值計算軟件，提取出針對不同瀝青路面表面紋理數(shù)值模型的具體數(shù)據(jù)。由于模型數(shù)據(jù)量龐大，如果采用三維數(shù)據(jù)計算，會嚴(yán)重影響計算效率，因此選取試件的橫斷面，將三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二維數(shù)據(jù)，再進(jìn)行具體指標(biāo)的計算。

試件的俯視圖見圖8，其中黑色方形為整塊車轍板，藍(lán)色陰影為磨光區(qū)域，采用調(diào)取M a tl ab內(nèi)部函數(shù)的方法直接讀取a sc文件中的數(shù)據(jù)，建立3個矩陣，分別存放x、y、z的坐標(biāo)值。為了保證分析結(jié)果的可靠性，減少隨機(jī)性帶來的誤差，界面切割時以圓心為中心點，保證每隔45°選取1個截面，總共選取8個截面（圖中截面①～⑧），分別計算指標(biāo)，篩掉異常點后，再以平均值代表該階段的最終指標(biāo)。

圖8 分析截面選取示例

由于前期是由人工調(diào)節(jié)使模型與大地坐標(biāo)對齊的，人眼誤差的存在使宏觀上產(chǎn)生一個斜面，從而導(dǎo)致各點不在同一基準(zhǔn)面上，因此截面選取完成后，要首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將各點轉(zhuǎn)換至同一基準(zhǔn)面。以截面①為例，讀取點云數(shù)據(jù)，得到橫截面，首先將高度數(shù)據(jù)點擬合成一條趨勢線，再用原始數(shù)據(jù)值減去趨勢線上的值，就可以得到消除斜面以后在同一基準(zhǔn)線上的數(shù)據(jù)。圖9顯示了斜面消除前后的對比效果。

圖9 斜面消除前后對比

接下來根據(jù)式（2）、式（3）、式（6）、式（9）、式（10）對調(diào)整后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，由于在國際摩阻指數(shù)中，選取60 km/h作為標(biāo)準(zhǔn)速度[10]，因此本文也選取速度為60 km/h進(jìn)行計算，所得結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對照，如圖10所示。

從圖10可以發(fā)現(xiàn)，對于不同的路面使用階段，無論是A C試件還是SMA試件，試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果整體具有很高的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9。因此該數(shù)值計算結(jié)果具有可靠性，在沒有條件進(jìn)行實地試驗的情況下，可以根據(jù)路面紋理數(shù)據(jù)，通過數(shù)值計算直接得到路面摩擦系數(shù)。

圖10 計算摩擦系數(shù)與實測摩擦系數(shù)對比圖

5 結(jié)語

（1）對于不同的路面使用階段，無論是A C試件還是SMA試件，試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果整體具有很高的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9。

（2）當(dāng)受現(xiàn)場條件限制，測量路面摩擦系數(shù)有困難時，可以采取數(shù)值計算方法，通過非接觸式掃描，得到路面表面紋理，直接在計算機(jī)中處理計算并得到對應(yīng)的路面摩擦系數(shù)。

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U416.217

A

1009-7716（2017）06-0266-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.079

2017-03-21

陳惠萍（1965-），女，上海人，工程師，從事道路工程設(shè)計工作。