CN104239628A - 一种检测车辆横向偏移对车辙深度误差的模拟分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测车辆横向偏移对车辙深度误差的模拟分析方法，包括以下步骤：1)利用多点激光检测设备所获取的车辙横断面离散高程点数据生成原始车辙横断面图形；2)从获取的原始车辙横断面图形中计算断面最大深度，记为RD₁；3)根据用户输入的检测车辆偏移参数进行偏移过程建模；4)利用偏移后的车辙横断面离散高程点数据生成偏移后横断面图形；5)根据偏移后生成的车辙横断面图形，计算断面最大深度，记为RD₂；6)分别计算偏移前后车辙最大深度的绝对误差ΔRD和相对误差δRD；7)利用绝对误差ΔRD和相对误差δRD评价横向偏移的影响。本发明解决了现有横向偏移影响模拟分析不能有效涵盖真实条件下不同横向偏移情况的问题。

Description

一种检测车辆横向偏移对车辙深度误差的模拟分析方法

【技术领域】

本发明属于道路检测技术领域，尤其涉及一种检测车辆横向偏移对车辙深度误差的模拟分析方法。

【背景技术】

车辙是沥青路面的主要病害之一，其产生不仅直接影响行车的舒适性和安全性，还严重影响路面质量及使用寿命，因而准确、可靠的车辙深度检测结果是各级道路管理部门制定养护方案的重要依据。目前车辙深度自动化检测设备普遍基于多点激光技术开发，该技术是目前国内外应用最广泛的车辙检测技术；其优点是能够快速、无损、连续的获取车辙横断面数据，但缺点在于可靠性受检测车辆横向偏移等因素影响较大。

长期养护工程实践发现，检测车辆的横向偏移会引起车辙深度检测结果的误差。受道路线形及沿线环境、或驾驶员疲劳、注意力分散等因素影响，检测车辆难以保证始终沿车道中心线行驶，不可避免会产生横向偏移；由于现有设备有效检测宽度普遍小于车道宽度，横向偏移会导致无法采集到完整、真实的车辙横断面形态，据此计算得出的车辙深度检测结果必然产生误差。因此，研究横向偏移情况对车辙深度的影响，对于车辙深度检测结果的评价，同时在检测设备改良和养护方案决策中都有重要意义。

现有检测车辆横向偏移对车辙深度误差的模拟分析方法存在以下不足：1)偏移距离制定过小，无法充分反映真实条件下的横向偏移影响；2)现有研究多模拟向右的单一偏移方向影响，不能体现横向偏移的随机性的影响规律，如非对称车辙形状中不同偏移方向的误差相差较大；3)没有考虑不同严重程度下的多种车辙形态，在产生横向偏移时的车辙深度误差变化，无法体现其影响。

因此，现有检测车辆横向偏移对车辙深度误差的模拟分析方法有待改进，使得模拟试验能更好的模拟实际沥青路面车辙检测过程中的各种偏移情况，更好的评价车辙深度检测结果。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术缺点，提供了一种检测车辆横向偏移对车辙深度误差的模拟分析方法。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现的：

一种检测车辆横向偏移对车辙深度误差的模拟分析方法，包括以下步骤：

1)利用多点激光检测设备所获取的车辙横断面离散高程点数据生成原始车辙横断面图形；

2)从获取的原始车辙横断面图形中计算断面最大深度，记为RD₁；

3)根据用户输入的检测车辆偏移参数进行偏移过程建模，符号表示偏移方向，“+”表示向右偏移，“-”表示向左偏移；数字表示偏移距离，偏移距离选择从0-500之间的任意实数，单位为mm；其中，具体建模过程为：模拟实际检测车辆向左偏移水平距离d时，检测横梁也沿着横断面图形向左偏移同样的距离d，各激光检测点以恒定的水平间距在道路断面提取新的离散点高程数据；当模拟实际检测车辆向右偏移水平距离d时，检测横梁也向右偏移同样的距离d，各激光检测点以恒定的水平间距在道路断面提取新的离散点高程数据；

4)利用偏移后的车辙横断面离散高程点数据生成偏移后横断面图形；

5)根据偏移后生成的车辙横断面图形，计算断面最大深度，记为RD₂；

6)分别计算偏移前后车辙最大深度的绝对误差ΔRD和相对误差δRD，计算方法如下式所示：

ΔRD＝RD₂-RD₁          (1)

$\mathrm{\δRD}=\left|\frac{{\mathrm{RD}}_1-{\mathrm{RD}}_2}{{\mathrm{RD}}_1}\right|---\left(2\right)$

式中：绝对误差ΔRD的计算结果为代数差，相对误差δRD的计算结果为绝对值。

本发明进一步改进在于，利用绝对误差ΔRD的大小评价横向偏移的影响，具体评价其是否影响养护决策，按照我国公路技术状况评定标准(JTG H20-2007)》定义，将车辙深度严重等级划分为三档，具体是，当辙槽深度小于10mm时，不是车辙，当辙槽深度为10-15mm时，为轻度车辙，当辙槽深度大于15mm时，为重度车辙；如果偏移前后严重等级变高或变低，均认为偏移后结果不可取；如果偏移前后严重等级不变，认为偏移后深度可取，则进一步进行养护决策设计。

本发明进一步改进在于，利用绘制相对误差δRD的图形来评价不同影响因素的作用规律，具体观察其图形的发展变化趋势，其中，影响因素包括偏移方向、偏移距离、车辙形态和严重等级四种；当相对误差δRD随某一影响因素增大而增大时，认为该影响因素对其正相关；当相对误差δRD随某一因素增大而保持不变时，认为该影响因素对其影响不显著；当相对误差δRD随某一因素增大而减小时，认为该影响因素对其负相关。

本发明进一步改进在于，步骤2)中，采用包络线法从获取的车辙横断面图形中计算断面最大深度，具体是车辙深度为轮迹处横断面包络线与路面表面之间的最大垂直距离，最大深度为左、右车辙深度中的较大值。

本发明进一步改进在于，步骤6)中，采用包络线法并根据偏移后生成的车辙横断面图形，计算断面最大深度。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

本发明一种检测车辆横向偏移对车辙深度误差的模拟分析方法，是为解决目前检测车辆横向偏移模拟过程中参数不完善的问题。从车辙深度计算原理出发，从中提取了横向偏移距离、偏移方向、车辙形状和深度四个影响参数指标；利用MATLAB编程模拟不同横向偏移情况，并计算出相应的最大车辙深度；在此基础上分别计算偏移前后的绝对误差和相对误差，实现了横向偏移对车辙深度影响的评价。本发明解决了现有横向偏移影响模拟分析不能有效涵盖真实条件下不同横向偏移情况的问题。

【附图说明】

图1为本发明的方法流程图；

图2为包络线法计算车辙最大深度示意图，其中，图2(a)为道路中央隆起高于两侧隆起的情况，图2(b)为道路中央隆起低于两侧隆起的情况；

图3为车辙实测断面深度计算示意图，其中，图3(a)为激光传感器布置示意图，图3(b)为依据离散高程点还建模生成的有隆起车辙横断面，图3(c)为该横断面下的包络线深度计算结果，图3(d)为无隆起车辙横断面，图3(e)为该横断面下的包络线深度计算结果；

图4为车辆向不同方向横向偏移d时,左、右检测点沿车辙横断面偏移的示意图。其中，图4(a)为左偏移d的情况，图4(b)为右偏移d的情况；

图5为检测车辆向左偏移100-500mm前后有隆起车辙断面及深度变化情况示意图，实线为偏移后车辙断面及深度结果，点划线为未发生偏移时的车辙断面，其深度计算结果见图3(b)。其中，图5(a)为左偏移100mm，图5(b)为左偏移200mm，图5(c)为左偏移300mm，图5(d)为左偏移400mm，图5(e)为左偏移500mm；

图6为检测车辆向右偏移100-500mm前后有隆起车辙断面及深度变化情况示意图，实线为偏移后车辙断面及深度结果，点划线为未发生偏移时的车辙断面，其深度计算结果见图3(b)。其中，图6(a)为右偏移100mm，图6(b)为右偏移200mm，图6(c)为右偏移300mm，图6(d)为右偏移400mm，图6(e)为右偏移500mm；

图7为检测车辆向左偏移100-500mm前后无隆起车辙断面及深度变化情况示意图，实线为偏移后车辙断面及深度结果，点划线为未发生偏移时的车辙断面，其深度计算结果见图3(d)。其中，图5(a)为左偏移100mm，图5(b)为左偏移200mm，图5(c)为左偏移300mm，图5(d)为左偏移400mm，图5(e)为左偏移500mm；

图8为检测车辆向右偏移100-500mm前后无隆起车辙断面及深度变化情况示意图，实线为偏移后车辙断面及深度结果，点划线为未发生偏移时的车辙断面，其深度计算结果见图3(d)。其中，图6(a)为右偏移100mm，图6(b)为右偏移200mm，图6(c)为右偏移300mm，图6(d)为右偏移400mm，图6(e)为右偏移500mm；

图9为实测不同车辙形状对横向偏移的误差影响示意图，其中，图7(a)为单侧隆起车辙向左偏移500mm时的误差影响，图7(b)为无隆起车辙向右偏移300mm时的误差影响；

图10为有隆起车辙断面随偏移距离的相对误差变化趋势图；

图11为无隆起车辙断面随偏移距离的相对误差变化趋势图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，本发明一种检测车辆横向偏移对车辙深度误差的模拟分析方法，包括以下步骤：

(1)绘制未偏移车辙的标准横断面。将各离散高程点依次相连，构成车辙横断面形状，表1为检测原始数据，每一个车辙断面由三行数据组成，第一行为道路、桩号和深度检测结果信息，单位为0.1mm；第二行为车辙断面各检测点高程数据，单位为0.1mm；第三行为激光点的横向坐标，单位为1mm；表中数据来源为13点激光设备。

表1 车辙检测原始数据

在绘制标准车辙横断面时：首先，将各离散高程点逐点相连构成空间线段；其次，将首尾两点相连并向两侧延伸，该直线即为原始路面线；最后，以最左端检测点为基准逐点修正原始路面线至水平。如图3(a)所示，为本发明所用激光传感器布设方式，表1中第二行为纵坐标，表示为y₁,y₂,…,y₁₃；第三行为横坐标，表示为x₁,x₂,…,x₁₃，若已知两点A(x₁,y₁)、B(x₂,y₂)，则两点在空间所构成的直线段的原理为公式(1)所示：

$\frac{(x-x_1)}{(x_2-x_1)}=\frac{(y-y_1)}{(y_2-y_1)}---\left(1\right)$

式中，x₁,x₂——A、B两点横坐标；

y₁,y₂——A、B两点纵坐标。

将表1中左侧前两点坐标A(757,103)和B(1110,24)代入得出的直线段方程为

79x+353y+96162＝0          (2)

(2)车辙最大深度RD₁计算。所述计算方法为《公路路基路面现场测试规程(2008)》中建议的包络线法，包络线的定义是：虚构一条拉线横跨整个车道横断面(包络线)，拉线两端与横断面的端点重合，则拉线只接触路面高程最大的点或突出的峰值点，如图3所示，为包络线法在不同车辙形状下的计算结果。

(3)偏移参数设定。为模拟偏移方向的随机性，用“+”、“-”分别表示车辆向右和向左偏移；通过实际路面测试发现，横向偏移的最大距离一般可达到500mm，小于500mm的偏移距离都被认为是可行的；

(4)横向偏移模拟。检测车辆向右侧偏移水平距离d时，原始激光检测点A(x₁,y₁)同时沿横断面线段向右移动相同的水平距离d，得到偏移后的检测点坐标A′(x′₁,y′₁)，其中x′₁＝x₁+d，y′₁坐标为将x′₁代入式(2)所得结果；当偏移距离d超过两个激光传感器的间距时，如图3(a)为本发明所用激光传感器间距，最小间距仅为225mm，横向偏移沿下一条连线进行，计算原理同；

(5)生成偏移后车辙的标准横断面。利用偏移后的车辙横断面离散高程点数据生成偏移后横断面图形，步骤(4)、(5)的具体实施方式如图4所示；

(6)车辙最大深度RD₂计算。根据偏移后生成的车辙横断面图形，计算断面最大深度，记为RD₂，计算方法同步骤(2)；图5和图6分别表示表2中13.8mm深车辙断面向左和向右偏移100-500mm前后的车辙深度变化情况；

(7)误差计算。分别计算绝对误差ΔRD和相对误差δRD，其中ΔRD计算结果为代数差，δRD结果为绝对值，计算方法如下式所示；

ΔRD＝RD₂-RD₁            (3)

$\mathrm{\δRD}=\left|\frac{{\mathrm{RD}}_1-{\mathrm{RD}}_2}{{\mathrm{RD}}_1}\right|---\left(4\right)$

式中，RD₁——偏移前最大车辙深度；

RD₂——偏移后最大车辙深度。

如图7所示，为横向偏移对不同形状车辙RD₁和RD₂的影响。

(8)偏移影响评价。利用ΔRD的大小和δRD变化趋势，评价横向偏移对车辙深度检测结果的影响。ΔRD主要影响车辙严重等级判定，按照我国《公路技术状况评定标准(JTGH20-2007)》定义，车辙严重等级划分如表2所示，本发明认为，当偏移前后车辙最大深度RD₁、RD₂的严重等级发生变化时，偏移结果影响不严重，否则认为其结果可接受。

表2 车辙严重等级划分

如表3所示，为不同深度下有隆起车辙断面分别向左右偏移100-500mm后的绝对误差和相对误差计算结果，附图5、6的实例为表3中断面3。

表3 有隆起车辙的绝对误差和相对误差(mm/％)

从附图9(a)可以看出，车辙最大深度在左辙槽，但受右侧隆起高度与宽度影响，随着左偏移距离逐渐增大，右端点逐渐接近最高点；当偏移达到400mm时，右端点与隆起最高点接近，此时可较完整的获取最深处辙槽形态，使得车辙深度误差最小；当左偏移距离继续增大，左端点高程开始降低，使得车辙深度误差逐渐增大。

从附图10中可以看出，左偏移时误差率普遍小于右偏移，且不同深度车辙断面的左偏移误差率基本保持不变，右偏移时在100-200mm时会快速增加，之后基本保持不变。

如表4所示，为不同深度下有隆起车辙断面偏移不同距离后的深度严重等级变化情况，断面1-2为偏移前后严重等级未发生变化的情况，从表中看出偏移后深度可能低估也可能高估；断面3-9为偏移前后严重等级发生变化的情况，本发明所用实例均为严重等级减小，如果高估造成严重等级发生变化，也认为该偏移条件下的偏移结果不可被接受。

表4 有隆起车辙偏移前后对车辙深度严重等级的影响

如表5所示，为不同深度下有隆起车辙断面分别向左右偏移100-500mm后的绝对误差和相对误差计算结果，附图7、8的实例为表5中断面8。

表5 无隆起车辙的绝对误差和相对误差(mm/％)

从表中可以看出，重度车辙(断面9)向右偏移400mm时，车辙的绝对深度误差为-5.2mm，相对误差为28.1％，偏移后的车辙深度减小为13.3mm，导致车辙严重程度低估为轻；同样的，轻度车辙(断面6、7)向右偏移500mm时，偏移后车辙深度均小于10mm，按规范不属于车辙，即绝对误差主要导致车辙严重程度误判。

从附图9(b)可以看出，无隆起车辙最大深度在左辙槽，并且左辙槽的槽壁坡度较大，随着右偏移距离的增大，左端点高程明显降低，使得车辙深度误差快速增大。向左偏移时，由于右辙槽的槽壁坡度平缓，因而向右偏移对车辙深度的误差的影响较小。

从附图11中可以看出，左偏移时误差率仍普遍小于右偏移，车辙最大深度的相对误差随偏移距离增加而单调增加。

本发明通过模拟试验，得出以下结论：

(1)模拟结果表明，检测车辆的横向偏移会对车辙深度结果造成误差。车辙深度绝对误差随横向偏移距离的增加单调递增，使得偏移后的车辙深度结果迅速减小，导致车辙严重程度的低估或高估，本文分析的两种实测车辙形态均存在偏移后严重程度被低估的情况。从养护管理的角度，偏移产生的严重程度低估可能会造成路况评价与养护决策的失误。

(2)单侧隆起车辙最大绝对误差为-5.8mm，相对误差达到32％。无隆起车辙的最大绝对误差为-6.4mm，相对误差达到29.2％；偏移距离越大，车辙深度绝对误差和相对误差都逐渐增大；随着车辙严重程度的增大，绝对误差逐渐增大但对相对误差影响较小；相对误差随偏移距离等因素的变化趋势可评价不同因素的影响规律。

(3)不同偏移方向造成的深度误差主要受最深辙槽位置、槽壁坡度和隆起宽度与高度等车辙形态特征的影响。如无隆起车辙形态的左偏移后误差普遍小于右偏移，这是由于车辙最大深度位于左辙槽，且左辙槽的槽壁坡度较大。因此，检测车辆行驶应偏向最深辙槽和槽壁坡度大的方向以全面获取最深辙槽形态，减少横向偏移对深度计算结果影响。

Claims (5)

1.一种检测车辆横向偏移对车辙深度误差的模拟分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用多点激光检测设备所获取的车辙横断面离散高程点数据生成原始车辙横断面图形；

2)从获取的原始车辙横断面图形中计算断面最大深度，记为RD₁；

3)根据用户输入的检测车辆偏移参数进行偏移过程建模，符号表示偏移方向，“+”表示向右偏移，“-”表示向左偏移；数字表示偏移距离，偏移距离选择从0-500之间的任意实数，单位为mm；其中，具体建模过程为：模拟实际检测车辆向左偏移水平距离d时，检测横梁也沿着横断面图形向左偏移同样的距离d，各激光检测点以恒定的水平间距在道路断面提取新的离散点高程数据；当模拟实际检测车辆向右偏移水平距离d时，检测横梁也向右偏移同样的距离d，各激光检测点以恒定的水平间距在道路断面提取新的离散点高程数据；

4)利用偏移后的车辙横断面离散高程点数据生成偏移后横断面图形；

5)根据偏移后生成的车辙横断面图形，计算断面最大深度，记为RD₂；

6)分别计算偏移前后车辙最大深度的绝对误差ΔRD和相对误差δRD，计算方法如下式所示：

ΔRD＝RD₂-RD₁            (1)

$\mathrm{\δRD}=\left|\frac{{\mathrm{RD}}_1-{\mathrm{RD}}_2}{{\mathrm{RD}}_1}\right|---\left(2\right)$

式中：绝对误差ΔRD的计算结果为代数差，相对误差δRD的计算结果为绝对值。

2.根据权利要求1所述的一种检测车辆横向偏移对车辙深度误差的模拟分析方法，其特征在于，利用绝对误差ΔRD的大小评价横向偏移的影响，具体评价其是否影响养护决策，按照我国公路技术状况评定标准(JTG H20-2007)》定义，将车辙深度严重等级划分为三档，具体是，当辙槽深度小于10mm时，不是车辙，当辙槽深度为10-15mm时，为轻度车辙，当辙槽深度大于15mm时，为重度车辙；如果偏移前后严重等级变高或变低，均认为偏移后结果不可取；如果偏移前后严重等级不变，认为偏移后深度可取，则进一步进行养护决策设计。

3.根据权利要求1所述的一种检测车辆横向偏移对车辙深度误差的模拟分析方法，其特征在于，利用绘制相对误差δRD的图形来评价不同影响因素的作用规律，具体观察其图形的发展变化趋势，其中，影响因素包括偏移方向、偏移距离、车辙形态和严重等级四种；当相对误差δRD随某一影响因素增大而增大时，认为该影响因素对其正相关；当相对误差δRD随某一因素增大而保持不变时，认为该影响因素对其影响不显著；当相对误差δRD随某一因素增大而减小时，认为该影响因素对其负相关。

4.根据权利要求1所述的一种检测车辆横向偏移对车辙深度误差的模拟分析方法，其特征在于，步骤2)中，采用包络线法从获取的车辙横断面图形中计算断面最大深度，具体是车辙深度为轮迹处横断面包络线与路面表面之间的最大垂直距离，最大深度为左、右车辙深度中的较大值。

5.根据权利要求1所述的一种检测车辆横向偏移对车辙深度误差的模拟分析方法，其特征在于，步骤6)中，采用包络线法并根据偏移后生成的车辙横断面图形，计算断面最大深度。