非均布13點(diǎn)激光路面車轍檢測偏移誤差分析

胡斯然，周博聞，惠 冰

（1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015； 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410008； 3.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

準(zhǔn)確的車轍嚴(yán)重程度評價是路面養(yǎng)護(hù)時機(jī)與措施選擇的重要依據(jù)［1-7］。目前，非均布13點(diǎn)激光檢測車普遍應(yīng)用于中國國省干線車轍的快速檢測［8-9］，受道路線形和駕駛員人為因素的影響，檢測車在檢測過程中將不可避免的出現(xiàn)橫向偏移［10-17］，引發(fā)激光檢測設(shè)備的測點(diǎn)偏離正常位置（如圖1所示），難以采集完整的車轍橫斷面形態(tài)，進(jìn)而造成車轍深度偏移誤差的產(chǎn)生，甚至導(dǎo)致車轍嚴(yán)重等級的誤判，影響結(jié)果評價的可靠度［17］，進(jìn)而影響?zhàn)B護(hù)時機(jī)與措施的科學(xué)決策［18-21］。

圖1 檢測車橫向偏移圖示［7］Figure 1 Illustration of vehicle lateral offset

為掌握多點(diǎn)激光檢測設(shè)備橫向偏移對車轍深度測量的影響，SIMPSON［22-23］等研究表明3點(diǎn)和5點(diǎn)激光檢測車行駛過程中會在左、右兩側(cè)隨機(jī)產(chǎn)生50～250 mm的橫向偏移，激光點(diǎn)數(shù)量越多偏移誤差越??；BENNETT［24］對比了30點(diǎn)激光檢測設(shè)備右偏移50、100、150 mm的車轍深度，表明偏移誤差受車轍幾何形狀的影響，存在高估與低估2種情況。MALLELA［25］提出多點(diǎn)激光檢測車橫向偏移距離實(shí)際可達(dá)500 mm；馬榮貴［26］基于正弦函數(shù)模擬的對稱W型車轍，分析了橫向偏移對等間距di激光傳感器量測的車轍深度檢測結(jié)果的影響，表明偏移距離為di／2時偏移誤差最大；Tsai［27］對比了3點(diǎn)、5點(diǎn)激光和三維線激光的車轍深度檢測結(jié)果，認(rèn)為多點(diǎn)激光檢測設(shè)備的測點(diǎn)間距較大，發(fā)生橫向偏移后難以獲取車轍高程極值點(diǎn)，進(jìn)而造成檢測車轍深度的低估。上述研究表明，檢測車橫向偏移將影響車轍深度測量的精度。但研究局限于模擬或單一實(shí)測的車轍橫斷面，并未考慮不同的車轍橫斷面形態(tài)；另外檢測車偏移距離設(shè)置偏小，無法涵蓋實(shí)際的偏移范圍。

本文采用非均布13點(diǎn)激光車轍檢測設(shè)備現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)，針對有隆起和無隆起2類典型車轍形態(tài)，研究了左、右2個偏移方向和3個偏移距離（100、300、500 mm）對車轍深度測量結(jié)果的影響，分析了偏移誤差的變化規(guī)律與原因及對車轍嚴(yán)重等級判定的影響。為車轍深度測量數(shù)據(jù)質(zhì)量的評估和偏移誤差的修正提供依據(jù)。

1 檢測設(shè)備與方法

1.1 車轍檢測設(shè)備與深度計算方法

非均布13點(diǎn)激光車轍檢測設(shè)備廣泛應(yīng)用于中國國省干線車轍的快速檢測，設(shè)備基于離散點(diǎn)的相對高度測量原理，布置了13個距路面300 mm的激光傳感器，其中9個垂直激光傳感器按照中間稀疏兩側(cè)密集的規(guī)律分布在檢測斷面上，4個傾斜激光傳感器布置在垂直激光傳感器的兩側(cè)以實(shí)現(xiàn)3 500 mm的最大檢測寬度，激光器布設(shè)如圖2所示。

圖2 非均布13點(diǎn)激光傳感器的布設(shè)示意圖 （單位：mm）Figure 2 Layout of non-uniformly distributed 13-point laser sensors（Unit：mm）

非均布13點(diǎn)激光檢測車所采集的車轍橫斷面相對高程原始數(shù)據(jù)見表1，第1行G代表國道，108表示道路編號；A代表上行線 （B代表下行線），1235代表檢測點(diǎn)的樁號，112和082分別代表左、右轍槽的車轍深度，單位為0.1 mm；第2行為激光傳感器距路面各點(diǎn)的相對高程，單位為0.1 mm；第3行為激光測點(diǎn)在檢測斷面上的橫向坐標(biāo)，單位為1 mm。

車轍深度計算時需將檢測斷面中13個測點(diǎn)的橫向分布坐標(biāo) （表1中第3行）及其量測的相對高程數(shù)據(jù) （表1中第2行）還原成近似連續(xù)的車轍形態(tài)，再按照 《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60-2008）［28］中 “T 0973-3”規(guī)定的包絡(luò)線法計算得出兩側(cè)輪跡處橫斷面包絡(luò)線與道路表面間的最大垂直距離，即為車轍深度，見圖3。

表1 車轍橫斷面數(shù)據(jù)Table 1 Raw data of 13-point based laser bar tested

圖3 包絡(luò)線法測量車轍的原理Figure 3 Illustration of the wire line method

1.2 數(shù)據(jù)選擇與偏移誤差計算方法

本文采用2015年G108現(xiàn)場的共110組車轍檢測數(shù)據(jù)，通過車轍橫斷面形態(tài)分析選擇了典型的無隆起車轍52組數(shù)據(jù)，有隆起車轍58組數(shù)據(jù)，車轍深度計算分別采用圖3（a）和 （b）方法；未偏移時2類車轍形態(tài)及深度計算實(shí)例如圖4所示。

本文基于MATLAB軟件開發(fā)了車轍橫向偏移誤差計算程序，首先利用未偏移的13個激光點(diǎn)橫向坐標(biāo)和相對高程建立近似連續(xù)車轍橫斷面，并計算偏移前的車轍深度D；其次，分別采用不同偏移距離和方向的非均布13點(diǎn)激光現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，構(gòu)建偏移后的車轍橫斷面形態(tài)并計算車轍最大深度D；偏移前后車轍深度的絕對誤差即為偏移誤差。無隆起車轍分別向左、右兩側(cè)偏移距離d＝100、300、500 mm時，前后的橫斷面對比結(jié)果如圖5所示，圖5中虛線表示偏移前車轍，實(shí)線則表示偏移后車轍。

從圖5可以看出，隨著檢測車橫向偏移距離的增大，非均布13點(diǎn)激光難以獲取完整的轍槽形狀，導(dǎo)致在此基礎(chǔ)上計算的車轍深度偏移誤差產(chǎn)生；受最深轍槽位置、轍槽寬度和槽壁坡度等轍槽形態(tài)特征影響，雖然不同偏移方向的車轍形態(tài)存在一定差異，但偏移變化規(guī)律具有較高的一致性。

圖4 2類車轍形態(tài)及深度計算實(shí)例Figure 4 Two types of rutting patterns and depth calculation examples

圖5 偏移前后車轍橫斷面對比圖Figure 5 Simulated results of different offset magnitude

2 檢測結(jié)果與分析

2.1 車轍深度檢測結(jié)果

2.1.1 無隆起車轍

將52組無隆起車轍的左偏移數(shù)據(jù)按深度由小到大排列，對比偏移100、300、500 mm前后車轍深度測量結(jié)果，如圖6所示。

從圖6可知，當(dāng)檢測車輛橫向偏移時，無隆起車轍的深度檢測結(jié)果隨偏移距離增加而不斷減小，偏移距離分別為100、300、500 mm時，最大偏移誤差分別為2.4、4.4、6.6 mm。無隆起車轍檢測偏移誤差的產(chǎn)生將導(dǎo)致車轍嚴(yán)重等級被低估。

圖6 無隆起車轍偏移前后深度檢測結(jié)果Figure 6 None upheaval rut depth detection results before and after lateral offset

2.1.2 有隆起車轍

有隆起車轍58組數(shù)據(jù)左偏移前后的車轍深度測量結(jié)果如圖7所示。

圖7 有隆起車轍偏移前后深度檢測結(jié)果Figure 7 Upheaval rut depth detection results before and after lateral offset

從圖7可以看出，有隆起車轍隨著偏移距離增大，深度檢測結(jié)果先減小后增大。當(dāng)檢測車橫向偏移100 mm時，49組車轍橫斷面測量深度不同程度減小，最大偏移誤差為-4.6 mm；偏移距離為300 mm時，31組數(shù)據(jù)的車轍測量深度減小，27組數(shù)據(jù)的車轍測量深度增大，最大偏移誤差為2.8 mm；當(dāng)偏移距離達(dá)到500 mm時，40組斷面的車轍深度測量結(jié)果高估，最大偏移誤差為4.1 mm。有隆起車轍檢測偏移誤差的產(chǎn)生會導(dǎo)致車轍嚴(yán)重等級的高估或低估。

2.2 車轍嚴(yán)重等級判定

目前中國 《公路技術(shù)狀況評價標(biāo)準(zhǔn)》 （JTG H20-2007）［3］以10、15 mm為輕、重度車轍嚴(yán)重等級判定閾值，準(zhǔn)確的車轍嚴(yán)重等級評價是進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時機(jī)與措施選擇的重要依據(jù)［29］。上述可知，檢測車橫向偏移會產(chǎn)生車轍深度檢測偏移誤差，進(jìn)而造成車轍深度檢測結(jié)果被高估或低估，可能導(dǎo)致車轍嚴(yán)重等級的誤判，影響車轍嚴(yán)重程度的準(zhǔn)確評價。

為分析偏移誤差對車轍嚴(yán)重等級評價準(zhǔn)確性的影響，針對有、無隆起車轍形態(tài)的左、右2個偏移方向和3個偏移距離 （100、300、500 mm）對車轍嚴(yán)重等級評定的影響，將車轍嚴(yán)重等級未產(chǎn)生改變的視為正常，分別計算了等級正常、低估和高估3種情況比例。無隆起和有隆起車轍嚴(yán)重等級判定結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 橫向偏移對無隆起車轍嚴(yán)重等級判定影響Figure 8 Influence of lateral offset on judgment of none upheaval rut severity level

圖9橫向偏移對有隆起車轍嚴(yán)重等級判定影響Figure 9 Influence of lateral offset on judgment of upheaval rut severity level

從圖8可以看出，檢測車橫向偏移會導(dǎo)致無隆起車轍形態(tài)嚴(yán)重等級被低估，隨著偏移距離不斷增大，低估比例逐漸增加；當(dāng)偏移距離為100 mm時，現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)中最多有3.8%的車轍嚴(yán)重等級被低估；當(dāng)偏移距離為300 mm時，最多有59.6%被低估；當(dāng)偏移距離達(dá)到500 mm，最多有73.4%被低估。嚴(yán)重等級被低估的車轍可能會導(dǎo)致最佳養(yǎng)護(hù)時機(jī)的錯失，甚至影響車輛行駛安全性。

從圖9可以看出，有隆起車轍隨著偏移距離的不斷增大，嚴(yán)重等級判定呈現(xiàn)先低估后高估的趨勢；當(dāng)偏移距離為100 mm時，最多有25.9%的車轍嚴(yán)重等級被低估；當(dāng)偏移距離為300 mm時，最多有94.9%的車轍嚴(yán)重等級正常；當(dāng)偏移距離為500 mm時，有隆起車轍最多有31.0%的嚴(yán)重等級被高估，可能導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)周期縮短，造成養(yǎng)護(hù)資源浪費(fèi)。

2.3 偏移誤差原因分析

通過上述分析，檢測車橫向偏移對有、無隆起車轍的嚴(yán)重等級判定準(zhǔn)確性存在顯著影響。圖10為無隆起車轍偏移誤差示意圖。當(dāng)檢測車向一側(cè)偏移時，另一測的邊緣激光傳感器測點(diǎn)將沿轍槽坡壁明顯下滑，13點(diǎn)激光測量將無法獲取車轍完整橫斷面形態(tài)。偏移后包絡(luò)線的變化，導(dǎo)致車轍深度結(jié)果減小，引起嚴(yán)重等級被低估。

圖11為有隆起車轍偏移誤差示意圖，車轍的隆起高于道路平面。因此，采用包絡(luò)線法分別計算左右轍槽深度時，非均布13點(diǎn)激光檢測設(shè)備受檢測寬度限制，無法獲取車轍邊緣隆起最高點(diǎn)。而偏移后包絡(luò)線的變化，使得車轍深度結(jié)果增大，引起嚴(yán)重等級的高估。另外，有隆起車轍在小于300 mm的低估則是由于車轍中部隆起高度較兩側(cè)隆起大，稀疏分布的激光傳感器測點(diǎn)在偏移產(chǎn)生時無法獲取中部隆起最高點(diǎn)，同時邊緣測點(diǎn)高程增長較小，造成車轍深度結(jié)果降低，引起車轍嚴(yán)重等級的低估。

圖10 無隆起車轍偏移誤差示意圖Figure 10 The effect of none upheaval rut characteristics to lateral offset

圖11 有隆起車轍偏移誤差示意圖Figure 11 The effect of upheaval rut characteristics to lateral offset

3 結(jié)論

a.無隆起車轍深度檢測結(jié)果隨偏移距離增加而不斷減小，有隆起車轍先減小后增大。檢測車橫向偏移會造成車轍偏移誤差產(chǎn)生，當(dāng)偏移距離分別為100、300、500 mm時，無隆起車轍的最大偏移誤差為-2.4、-4.4、-6.6 mm，有隆起車轍的最大偏移誤差為-4.6、2.8、4.1 mm。

b.偏移誤差會導(dǎo)致車轍嚴(yán)重等級誤判，無隆起車轍嚴(yán)重等級被低估，隨著偏移距離不斷增大，嚴(yán)重等級被低估比例由3.8%增加至73.4%，車轍嚴(yán)重等級被低估可能會導(dǎo)致最佳養(yǎng)護(hù)時機(jī)的錯失，甚至影響車輛行駛安全性；有隆起車轍不同偏移距離時，分別存在高估和低估現(xiàn)象，最多有31.0%的車轍被高估，可能導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)周期縮短，造成養(yǎng)護(hù)資源浪費(fèi)。

c.無隆起車轍偏移誤差受最深轍槽位置和槽壁坡度影響；有隆起車轍分別受13點(diǎn)激光檢測設(shè)備受有效檢測寬度限制和激光器布設(shè)間距影響，導(dǎo)致偏移誤差產(chǎn)生。結(jié)論為車轍深度檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估與偏移誤差修正提供參考。