CN104535011B - 一种三维线激光车辙检测设备的室内参数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维线激光车辙检测设备的室内参数标定方法，包括3D线激光架设设备，3D线激光架设设备包括两个相互平行的钢桁架，两个钢桁架通过用于固定激光检测仪的端面连接板连接，且端面连接板能够沿钢桁架的内侧轨道上下滑动；在每个钢桁架的底端均设置有用于支撑钢桁架的三角支架；3D线激光检测仪器的输出端与计算机相连，3D线激光检测仪器的输入端与电源和I/O数据的输入端口相连。通过将3D线激光检测仪器固定在3D线激光架设设备的二号端面连接板，通过移动二号端面连接板在3D线激光架设设备上的高度来标定与检测3D线激光检测仪器的精度，该装置结构简单，易于操作，误差小，试验结果精确。

Description

一种三维线激光车辙检测设备的室内参数标定方法

技术领域

本发明涉及一种三维激光检测设备与方法，具体涉及一种三维线激光车辙检测设备的室内参数标定方法。

背景技术

随着科技水平的不断发展，车辙检测技术也从早期的接触式路面检测技术发展到现在的非接触式路面检测技术。因为超声波传感器检测技术受环境影响较大，同时接收装置安置要求较高，所以路面激光车辙检测技术成为非接触式检测的主要方式。

目前国外多采用横向分布3个、5个、7-31个激光点的点激光传感器车辙仪(共梁多激光传感器车辙仪)进行检测。然而，对于点传感器检测仪，一方面，由于其传感器数目的限制，点激光车辙检测仪往往无法准确充分地获取车辙断面形态数据，尤其是对于实际车辙横断面宽度大于检测车宽度的情况(点数少于13点的车辙检测仪误差尤其较大)；另一方面，点激光对汽车行驶的要求较高，即检测车的行车轨迹必须沿着实际车辙带行驶，这使得点激光检测仪在实际检测时，稍有偏差就会无法得到准确的车辙形态特征，从而导致点激光传感器车辙仪测得的(最大)车辙深度常常偏于保守。相关研究表明：当传感器数目n<21时,随着传感器数目的增加，车辙测量最大误差减小较快；当n>33时,该衰减开始缓慢。因此,在一般准确度检测时,至少要选用n＝21,才能保证车辙的最大误差不超过5％；在较高准确度检测时,选n＝33才可保证车辙检测的最大误差不超过2％。

随着传感技术的发展，3D线激光车辙成像技术由于可获取高密度的车辙横断面数据(几百至几千个数据点)而成为目前车辙检测的主要发展方向。然而，目前仍没有基于3D线激光车辙检测的相关室内检测标定设备与方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术缺点，提供一种三维线激光车辙检测设备的室内参数标定方法，该设备及方法能够针对3D线激光检测仪进行室内参数标定与检测精度标定。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：本发明的一种三维线激光车辙检测设备，包括3D线激光架设设备，

所述的3D线激光架设设备包括两个相互平行的钢桁架，两个钢桁架顶端通过端面连接板连接，且端面连接板能够沿钢桁架的内侧轨道上下滑动，在端面连接板上固定有用于检测测量模型的激光检测仪；

在每个钢桁架的底端均设置有用于支撑钢桁架的支架；

所述的3D线激光检测仪器的输出端与计算机相连，3D线激光检测仪器的输入端分别与电源和I/O数据接口相连。

所述的端面连接板的两端分别通过型号为8080-50直角支架固定在钢桁架上；

所述的支架为三角支架，且在支架底部均设置有蹄脚。

所述的3D线激光检测仪器的型号为Gocator2075；

所述的测量模型为量块或沥青车辙板；且测量模型采用尺寸为300mm×300mm×60mm的沥青车辙板。

所述的测量模型位于3D线激光检测仪器的正下方，且其与3D线激光检测仪器之间的距离≤1.2m。

本发明的一种三维线激光车辙检测设备的室内参数标定方法，包括以下步骤：

1)、确定最佳性能参数：

调整和校准3D线激光检测仪器的参数后，确定3D线激光检测仪器的最佳曝光值以及3D线激光架设设备的最佳架设高度，并执行步骤2)；

2)、采集车辙深度：

将3D线激光检测仪器及3D线激光架设设备分别调整至最佳曝光值及最佳架设高度，取p组尺寸相同深度不同的沥青车辙板；

采用3D线激光检测仪器对车辙深度相同的每组沥青车辙板的车辙深度均重复检测n次，得到p组车辙深度相同情况下的n次检测值x_pn；

3)、车辙深度数据分析：

A)、根据步骤2)得到的数据，通过组内方差计算公式，每组车辙深度相同的n次重复检测值的组内方差s² _i，得到p组组内方差，计算车辙深度相同的p组沥青车辙板的组间方差s² _mi；

B)、将p组沥青车辙板中的最大组内方差与总方差值的比值和组内方差的最大临界值进行比较，当某一组最大组内方差与总方差值的比值大于组内方差的最大临界值时，剔除最大组内方差所在组的数据，将车辙深度相同情况下的p组沥青车辙板的最大组内方差与最小组内方差的比值大于最大阈值时，则剔除最小方差所在实验组的数据；

C)、根据步骤3)得到的数据计算每组数据的组内偏差系数以及组间偏差系数，并将组内偏差系数与组间偏差系数分别和最大容许组内偏差系数及最大容许组间偏差系数进行比较，当组内偏差系数大于最大容许组内偏差系数，组间偏差系数大于最大容许组间偏差系数时，执行步骤2)；当组内偏差系数及组间偏差系数均符合要求时，执行步骤4)；

4)、室内车辙深度指标的识别与标定：

将步骤3)得到的每组沥青车辙板的测量值与其实际值进行比较，当测量值与其实际值的精度误差大于5％，则执行步骤2)，同时，验证测量值的重复性，并验证测量值与实际值之间是否满足沥青车辙板的测量值与其实际值之间的线性回归方程且实际值与测量值之间的相关系数大于0.90；直至测量值与其实际值的精度误差≤5％，当测量值与其实际值的精度误差≤5％时，记录此时的3D线激光检测仪器配置与调节情况。

所述的步骤1)的具体步骤为：

a)、调节3D线激光架设设备高度的平整性、根据外界光线环境调整3D线激光检测仪器的曝光值以及校正其基准线；

b)、调整与校正3D线激光检测仪器后，将3D线激光检测仪器检测频率调至最大值，检测速度调至60km/h，将3D线激光架设设备(1)调整至不同高度，测量在相同高度下曝光值以等间隔Mus变化时所对应的识别率，当识别率大于等于95％，即得最佳曝光值以及最佳架设高度。

所述的真实值采用精度为0.1mm游标卡尺测量沥青车辙板不同位置的高度，将不同位置的高度取平均值得到。

所述的组内方差计算公式为：

组间方差计算公式为：

其中，x_i为第i组车辙深度相同重复检测n次的检测值，i≤p，x_i取自x_pn；为第i组车辙深度相同重复检测n次的平均值，

为车辙深度相同情况下，p组所有数据平均值的方差，为p组组内方差的平均值， $s_A^2={{\mathrm{\&Sigma;s}}_i}^2/p;$

为车辙深度相同情况下，p组所有数据的平均值， $\stackrel{\&OverBar;}{x_A}=\mathrm{\&Sigma;}\stackrel{\&OverBar;}{x_i}/p;$

所述的组内偏差系数计算方法为：用第i组深度相同的车辙板的组内方差除以该组车辙板的平均值，并乘以100；

所述的组间偏差系数计算方法为：用车辙深度相同的p组沥青车辙板的组间方差除以该组车辙板的平均值，并乘以100。

所述的线性回归方程为：R_U真＝1.0869R_U测-1.3933，其中，R_U真为真实值，R_U测为测量值。

当p＝5，n＝7时，组内方差的最大临界值为0.4539，最大方差与最小方差比值的最大阈值为8；

最大容许组内偏差系数为0.051％，最大容许组内偏差系数为4.180％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的一种室内车辙深度三维激光检测设备通过将3D线激光检测仪器固定在3D线激光架设设备的端面连接板上，通过移动端面连接板在3D线激光架设设备上的高度来标定与检测3D线激光检测仪器的精度，该装置结构简单，易于操作。

本发明的一种室内车辙深度三维激光检测设备的检测方法，通过调整与校正3D线激光检测仪器以及3D线激光架设设备，并确定其最佳性能参数，根据设备的最佳性能参数来检测多组沥青车辙板深度数据，并对数据进行组内分析、组间分析，判断一致性，验证其组内偏差系数、组间偏差系数来标定车辙深度指标，本方法误差小，试验结果精确。

附图说明

图1为本发明的检测流程图；

图2为本发明的检测设备的结构示意图；

图3本发明的3D线激光架设设备结构示意图；

图4(a)为本发明的3D线激光检测仪器的数据识别率随架设高度的变化图；

图4(b)为本发明的3D线激光检测仪器的检测范围随架设高度的变化图；

图5为本发明的每个实验组下各车辙深度对应的平均检测值示意图；

图6为本发明的不同车辙深度检测条件下标准方差随检测平均值的变化关系图；图6(a)组内标准方差VS平均值；图6(b)组间标准方差VS平均值；

图7为本发明的不同车辙深度检测条件下标准方差随检测平均值的变化关系图；图7(a)组内方差系数VS平均值；图7(b)组间方差系数VS平均值；

图8为本发明的实验测量值与真实值的相关性验证结果图；

其中，1、3D线激光架设设备；1-1、一号端面连接板；1-2、钢桁架；1-3、三角支架；1-4、直角支架；1-5、蹄脚；2、测量模型；3、3D线激光检测仪器；4、I/O数据接口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明：

参见图2和图3，本发明的一种室内车辙深度三维激光检测设备，包括3D线激光架设设备1，3D线激光架设设备1包括两个相互平行的钢桁架1-2，两个钢桁架1-2顶端通过端面连接板1-1连接，端面连接板1-1的两端分别通过型号为8080-50直角支架1-4固定在钢桁架1-2上；且端面连接板1-1能够沿钢桁架1-2的内侧轨道上下滑动，在端面连接板1-1上固定有用于检测测量模型2的3D线激光检测仪器3；

在每个钢桁架1-2的底端均设置有用于支撑钢桁架1-2的支架1-3；

3D线激光检测仪器3的输出端与计算机5相连，3D线激光检测仪器3的输入端分别与电源和I/O数据接口4相连。

所述的支架1-3为三角支架，且在支架1-3底部均设置有蹄脚1-5。

本发明的3D线激光检测仪器3的型号为Gocator2075；

本发明的测量模型2为量块或沥青车辙板；且测量模型2采用尺寸为300mm×300mm×60mm的沥青车辙板。

本发明的测量模型2位于3D线激光检测仪器3的正下方，且其与3D线激光检测仪器3之间的距离≤1.2m。

本发明的一种室内车辙深度三维激光检测设备中的直角支架型号为8080–50，三角支架型号为50-45°，端面连接板的型号为50100-M12，蹄脚型号为M12X100-80D。

参见图1、图4至图8，本发明的一种三维线激光车辙检测设备的室内参数标定方法，包括以下步骤：1)、确定最佳性能参数：

调整和校准3D线激光检测仪器3的参数后，确定3D线激光检测仪器3的最佳曝光值以及3D线激光架设设备1的最佳架设高度，并执行步骤2)；

2)、采集车辙深度：

将3D线激光检测仪器3及3D线激光架设设备1分别调整至最佳曝光值及最佳架设高度，取p组尺寸相同深度不同的沥青车辙板；

采用3D线激光检测仪器3对车辙深度相同的每组沥青车辙板的车辙深度均重复检测n次，得到p组车辙深度相同情况下的n次检测值x_pn；

3)、车辙深度数据分析：

A)、根据步骤2)得到的数据，通过组内方差计算公式，每组车辙深度相同的n次重复检测值的组内方差s² _i，得到p组组内方差，计算车辙深度相同的p组沥青车辙板的组间方差s² _mi；

B)、将p组沥青车辙板中的最大组内方差与总方差值的比值和组内方差的最大临界值进行比较，当某一组最大组内方差与总方差值的比值大于组内方差的最大临界值时，剔除最大组内方差所在组的数据，将车辙深度相同情况下的p组沥青车辙板的最大组内方差与最小组内方差的比值大于最大阈值时，则剔除最小方差所在实验组的数据；

C)、根据步骤3)得到的数据计算每组数据的组内偏差系数以及组间偏差系数，并将组内偏差系数与组间偏差系数分别和最大容许组内偏差系数及最大容许组间偏差系数进行比较，当组内偏差系数大于最大容许组内偏差系数，组间偏差系数大于最大容许组间偏差系数时，执行步骤2)；当组内偏差系数及组间偏差系数均符合要求时，执行步骤4)；

4)、室内车辙深度指标的识别与标定：

将步骤3)得到的每组沥青车辙板的测量值与其实际值进行比较，当测量值与其实际值的精度误差大于5％，则执行步骤2)，同时，验证测量值的重复性，并验证测量值与实际值之间是否满足沥青车辙板的测量值与其实际值之间的线性回归方程且实际值与测量值之间的相关系数大于0.90；直至测量值与其实际值的精度误差≤5％，当测量值与其实际值的精度误差≤5％时，记录此时的3D线激光检测仪器(3)配置与调节情况。

其中，步骤1)的具体步骤为：

a)、调节3D线激光架设设备1高度的平整性、根据外界光线环境调整3D线激光检测仪器3的曝光值以及校正其基准线；

b)、调整与校正3D线激光检测仪器3后，将3D线激光检测仪器3检测频率调至最大值，检测速度调至60km/h，将3D线激光架设设备1调整至不同高度，测量在相同高度下曝光值以等间隔Mus变化时所对应的识别率，当识别率大于等于95％，即得最佳曝光值以及最佳架设高度。

真实值采用精度为0.1mm游标卡尺测量沥青车辙板不同位置的高度，将不同位置的高度取平均值得到。

组内方差计算公式为： $s_i^2=\left(\&Sigma;x_i^2-n{\stackrel{\&OverBar;}{x_i}}^2\right)/(n-1);$

组间方差计算公式为：

其中，x_i为第i组车辙深度相同重复检测n次的检测值，i≤p，x_i取自x_pn；为第i组车辙深度相同重复检测n次的平均值，

为车辙深度相同情况下，p组所有数据平均值的方差，为p组组内方差的平均值， $s_A^2={{\mathrm{\&Sigma;s}}_i}^2/p;$

为车辙深度相同情况下，p组所有数据的平均值， $\stackrel{\&OverBar;}{x_A}=\&Sigma;\stackrel{\&OverBar;}{x_i}/p;$

所述的组内偏差系数计算方法为：用第i组深度相同的车辙板的组内方差除以该组车辙板的平均值，并乘以100；

所述的组间偏差系数计算方法为：用车辙深度相同的p组沥青车辙板的组间方差除以该组车辙板的平均值，并乘以100。

所述的线性回归方程为：R_U真＝1.0869R_U测-1.3933，其中，R_U真为真实值，R_U测为测量值。

当p＝5，n＝7时，组内方差的最大临界值为0.4539，最大方差与最小方差比值的最大阈值为8；

最大容许组内偏差系数为0.051％，最大容许组内偏差系数为4.180％。

具体的实验步骤如下：

1)、确定最佳性能参数：

将3D线激光检测仪器3的检测频率(仪器每秒钟可发出的激光点数)调至最大值(788.298HZ)，检测速度调至60km/h，然后调节3D线激光架设设备1的架设高度为1.8m、1.6m、1.4m、1.2m、1.0m，并在每一个高度下均按照200us至1200us，每200us取一个值进行测定，检测结果如表1所示：

表1不同高度与曝光值条件下的线激光检测数据情况

由表1可知，3D线激光系统的架设高度不仅对检测系统识别率有明显影响，同时也对系统检测范围有明显影响。对于一定的曝光值下，随着系统架设高度的增加，其识别率将会下降。当高度低于1400mm时，800us的曝光值即可满足95％以上的识别率，但当设备架设高度高于1400时，设备曝光值需要达到1200us才能满足要求。同时，但如图1所示，系统检测范围随架设高度近似呈线性增加。线性公式如下(D为检测范围，H为架设高度)：

D＝0.5239H+21.945,R2＝0.9999

参见图4，对于一定的曝光值，当架设高度超过1400mm时，检测系统的数据识别率开始下降明显并逐渐趋于稳定，因此，在保证数据识别率的条件下，最佳架设高度应为1400mm以内。而由图1可以看出，只有当曝光值超过1000us时，检测系统的数据识别率才可以保证在99％以上(根据ASTMC802，当采集的数据点中缺失点占总采集点的比例小于1％时，可认为该组采集的数据有效)。同时，考虑到检测范围随架设高度的增加而增加，因此，本实验确定了该线激光成像系统的最佳参数组合为：架设高度为1400mm，同时曝光值在1000us以上。

(2)室内车辙深度指标的识别与标定方法

目前，我国车辙深度检测的主要指标为车辙深度指标。根据《公路沥青路面养护技术规范》，定义深度大于15mm的车辙为养护的临界值。因此，标定实验推荐选取深度在10mm-25mm之间的车辙作为检测对象。本次实验选取了10mm-15mm和15mm-25mm深度范围内的车辙板各3组作为本次的检测对象。

为了真实地反映3D线激光对沥青路面材料的检测效果，实验推荐选用碾压车辙成型的沥青车辙板(尺寸：长×宽×高＝300mm×300mm×50mm)来对沥青混凝土路面车辙进行模拟测量。根据《车载式路面激光车辙仪》要求，车辙深度的真实值通过游标卡尺(精度为0.1mm)进行测量。其中，在真实值的测量中，用游标卡尺分别对车辙不同位置(两边与中间点)进行高度测量，取其平均值作为最终的车辙深度真实值。

根据《ASTMC802-09a》要求，对于某一个检测对象来说，如果标定实验的实验组数为10-15组，则其每组重复实验至少为3组；如果实验组数小于10组，其重复实验数量n＝(30/p)+1(其中，p为实验组数，如果30不是p的整倍数，则取其结果的相邻最大整数)；如果实验组数超过15个，则其重复实验次数至少为2组。本次实验选取了5个实验组，每个实验组的重复检测次数为7次。

本次标定中，激光测量仪的架设高度为1400mm，理论检测宽度(视野)为1200mm，实际检测宽度为756.8mm，理论检测高度(测量范围)为1400mm，仪器曝光值为1000us。根据《车载式路面激光车辙仪》规范要求，线激光检测仪器的检测速度为60km/h。车辙深度检测数据汇总结果如表2所示：

表2车辙深度检测数据汇总

表3显示了不同车辙深度下检测数据的组内分析与组间分析。表格栏a、b….g以下的数字代表不同实验组的7次重复测量值，平均值和组内方差的计算公式如下所示：

$\stackrel{\&OverBar;}{x_i}=\&Sigma;x_i/n;s_i^2=(\&Sigma;x_i^2-n{\stackrel{\&OverBar;}{x_i}}^2)/(n-1);\stackrel{\&OverBar;}{x_A}=\&Sigma;\stackrel{\&OverBar;}{x_i}/p;s_A^2=\&Sigma;{s_i}^2/p$

$s_{\stackrel{\&OverBar;}{x_A}}^2=\&lsqb;\&Sigma;{\stackrel{\&OverBar;}{x_i}}^2-p{\left(\stackrel{\&OverBar;}{x_A}\right)}^2\&rsqb;/(p-1);s_A^2=s_{\stackrel{\&OverBar;}{x_A}}^2-(s_A^2/n);$

表36种车辙深度下检测数据的组内分析与组间分析

*组内方差的数据单位为10-4。

表3列出了不同车辙深度下检测结果的平均值、方差。在进行数据分析前，必须按照以下两个条件来检查数据的一致性：a、不同实验组的方差相同(方差齐性检验)；b、不同实验组的实验结果必须要有相同的变化规律(互不干扰性)。其中，方差齐性是指不同实验组的组内方差是相同的，但是这并不意味着不同实验组的组内方差必须都要很接近，个别组内方差可以为其平均方差的4倍。表4列出了每个车辙深度下实验数据中的最大方差与总方差比值的最大临界值，如果某一组的检测结果中该比值大于表4所给出的规定值，则该最大方差所在实验组为不合格实验组，应当将该组数据剔除。同时，对于每个车辙深度下实验数据中的最小方差，与最大方差一样，也可能存在。如果该车辙深度下的检测结果无明显较大的方差，则可以利用其最大方差与最小方差的比值来对最小方差进行验证，表5列出了每个车辙深度下实验数据中的最大方差与最小方差的最大临界值，如某一组的检测结果中国该比值大于表5所列出的规定值，则每最小方差所在实验组为不合格实验组，应当对实验方法进行调整。如果在某一个车辙深度的检测数据中，同时出现明显很大和很小的方差而导致数据结果的不稳定，则该实验方法是不合适的。此时，进一步的数据分析(误差分析)应当停止并且进行导致该组数据的不稳定性的原因探讨。

表4最大方差与总方差的近似比值(置信度为95％以上)

注：Δ该数据是由作图插值法求解得到的。

表5最大方差与最小方差的近似比值(置信度为95％以上)

Δ尽管该组临界值可以计算得到，但是本发明推荐：当重复实验次数为2次时，最大方差与最小方差的比值均为合格；

*该数据是由作图插值法求解得到的。

本次实验的实验组数为5组，重复实验次数为7次。由表4和表5可知，最大方差与总方差的比值的最大阈值为0.4539，最大方差与最小方差比值的最大阈值为8。因此，可以发现A组的5组数据存在不稳定性，而D组实验数据存在最大方差。进一步对于A组进行重新检查并验算其方差。而对于D组实验数据，则要剔除第2组实验数据，对剩余4组数据进行平均值和方差的重新计算，所得到的计算结果重新填写在表格中，如表3所示。

经过方差一致性的分析后，最终结果汇聚在表6内。其中，第2列显示了每种车辙深度下所有数据的总平均值，并且推荐由小到大排列，其主要目的是精度误差的直观检查和可以清楚地看到不同车辙深度下检测数据的变化情况。第3列和第4列表示的是，每种车辙深度下所有数据的组内方差和组间部分误差。第5列和第6列分别表示的是组内方差(与第3列相同)和两部分方差总和(第3列与第4列之和)。

表6不同车辙深度下的平均值、部分方差与总方差

注：由于A组实验数据不稳定，因此将A组实验数据进行剔除并重新进行检测，所得数据合格后可填入该表。

表7为最终的检测精度表，同样推荐其总平均值由小到大排列。其中，第2列与表6中的第2列相同，第3列和第4列为表8内第5列和第6列的算数平方根，第5列和第6列则表示相对应的方差系数(以百分号计)，即组内与组间的标准方差除以相应的平均值，再乘以100。

表7不同车辙深度下的平均值、标准差与方差系数值

图5显示了每个实验组内不同车辙深度的检测平均值(平均值按照从小到大的顺序排列)。由图5可以看出，对于不同实验组而言，各车辙深度下对应的检测平均值变化规律是相似的。因此，各实验组间并无明显的干扰作用，即各实验组间无明显相交关系。

图6分别表示了不同车辙深度检测条件下标准方差和平均值间的关系，图7表示了不同车辙深度检测条件下方差系数与平均值间的关系。由图6可以看出，随着车辙深度的增大，其标准方差将会近似减小。图中拐点的出现表明了该实验中存在三种不同水平的组内(或组间)标准方差。即一种为B组，一组为C组和D组，另一种为E组和F组。然而，根据本实验给出的实验结果，并不能确定这三种标准方差水平是否真实存在，因此，需要更多的数据结果来对此进行验证。同样地，图7中的组间方差系数随检测平均值的变化情况也表明了这种情况。然而，不同于图6的是，组内方差系数明显随检测平均值减小。基于上述对检测数据的分析，可以得到以下结论：

(1)对于每个车辙深度下的每个实验组，单个实验操作人员执行了7次相同的操作实验。其组内方差系数的平均值为0.051％，根据《ASTMC670》的规定，对于一次重复实验，其最大容许组内方差系数差为0.051％。而本次实验中，每个实验组的重复次数为7次，因此本实验的最大容许组内方差系数差为0.051％乘以7次重复实验所对应的折算系数4.2(不同重复实验次数对应的折算系数如表8所示)，即为0.214％。而本实验的最大组内方差系数差为0.034％，满足规定要求。同样地，本实验的最大容许标准方差的差值为0.032366，而本实验最大标准方差的差值为0.002126，同样满足规定要求。因此，本文中单个实验操作人员采集的数据符合要求。

(2)对于组间最大容许标准方差(或方差系数)的差值的计算同样可以计算得出：组间最大容许标准方差差值为0.678421，最大容许方差系数差值为4.180％。而本实验计算得到的最大标准方差差值和最大方差系数差值分别为0.201813和1.402％，同样满足规定要求。因此，不同实验组实验人员采集的数据同样符合要求。

表8实验结果的最大容许偏差范围折算系数

重复实验次数	标准偏差或方差系数折算系数
		2	2.8
3	3.3
		4	3.6
5	3.9
		6	4.0
7	4.2
		8	4.3
9	4.4
		10	4.5

通过上述检测数据的分析，最后得到5组数据的结果是符合最后的规定要求的。对这5组数据与测量的真实值进行对比，结果如表9所示。

表95组不同深度车辙的测量值与真实数据对比

表9为5组不同严重程度的车辙深度的测量值与真实值的对比情况。由表11可以看出，测量相对误差大部分在2％以内，这证明了该三维激光检测仪同样可以满足工程上高精度的测量要求。同样地，为了评价三维激光检测仪的重复性，本次实验分别对每个量块进行了7次独立测量。实验结果表明，两次测量绝对误差范围在0.133mm至0.652mm以内，误差结果同样精确于人工测量。根据《车载式路面激光车辙仪》规范要求，按照下列公式分别计算每组测量结果的偏差系数(C_V)，结果如表10所示。结果显示，5组测量结果的测量偏差系数均小于5％，符合规范要求。

$C_v=S/\stackrel{\&OverBar;}{x}$

$S=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{(x_i-\stackrel{\&OverBar;}{x})}^2}$

表10不同组别测量结果的偏差系数

组别	B	C	D	E	F
						偏差系数CV	0.4％	1.8％	1.7％	0.9％	0.8％

根据《车载式路面激光车辙仪》规范要求，对以上5组测量数据进行相关性分析，并且得到真实值RU真与测量值RU测之间的线性回归方程及相关系数，结果如图8所示，

R_U真＝1.0869R_U测–1.3933，R²＝0.9985；

由线性回归结果可知，真实值RU真与测量值RU测之间的相关系数大于0.90，因此，相关性结果满足规范要求。

3D线激光检测仪器3处于不同3D线激光架设设备1高度时对测量结果的影响标定的具体步骤和试验结果如下：

由于在容许视野(不超过1.2m)与测量范围(不超过1.4m)内，3D线激光检测仪器的移动分辨率应随架设高度的变化而保持不变，即3D线激光检测仪器的测量精度理论上应当不会受3D线激光架设设备高度的变化而变化。

将3D线激光检测仪器3分别调整至1.5m、1.8m和2.0m处，然后对同一量块横断面进行高程测量，测量结果如表1所示。由表1可知，3D线激光架设设备1的高度对3D线激光检测仪器3的测量精度的影响很小(相对误差不超过±0.1％)。因此，在容许测量范围内，架设高度对仪器测量精度的影响可忽略不计。

表1不同架设高度下仪器的测量精度对比

2)、3D线激光检测仪器室内检测精度标定方法

目前，我国车辙深度检测的主要指标为车辙深度指标。根据《公路沥青路面养护技术规范》，定义深度大于15mm的车辙为养护的临界值。因此，标定实验应选取几组不同高度的量块(表面平整光滑的长方体物块)作为模拟对象，其中量块高度在几毫米到几十毫米之间。

根据《车载式路面激光车辙仪》要求，线激光检测仪对每组量块分别测量2次，并取其平均值作为最终高程的结果值，真实值则通过游标卡尺(精度为0.1mm)对量块进行测量。其中，在真实值的测量中，用游标卡尺分别对量块的不同位置(两边与中间点)进行高度测量，取其平均值作为最终的真实值。

本次标定中，调整3D线激光架设设备1使3D线激光检测仪器3的架设高度为1500mm，理论检测宽度(视野)为1200mm，实际检测宽度为821mm，理论检测高度(测量范围)为1400mm。检测数据结果如表2所示：

表2不同高度量块的测量数据与真实数据对比

表2为12组量块的测量值与真实值的对比情况，分别模拟测量了不同严重程度的车辙深度数据。由表2可以看出，测量相对误差大部分在2％以内，这证明了该三维激光检测仪精度标定的结果可达到高精度测量要求。同时，为了评价三维激光检测仪的重复性，本次实验分别对每个量块进行了两次独立测量。实验结果表明，两次测量绝对误差范围在0.032mm至0.194mm以内，误差结果精确于人工测量。根据《车载式路面激光车辙仪》规范要求，分别计算每组测量结果的偏差系数(C_V)，如表3所示。结果证明，测量偏差系数均小于5％，符合规范要求。

表3不同组别测量结果的偏差系数

组别

1#

2#

3#

4#

5#

6#

偏差系数CV

4.3％

2.0％

1.4％

0.9％

1.1％

1.0％

组别

7#

8#

9#

10#

11#

12#

偏差系数CV

0.8％

0.1％

0.7％

0.1％

0.4％

0.4％

根据《车载式路面激光车辙仪》规范要求，对以上12组测量数据进行相关性分析(如图4所示)，并且得到真实值R_U真与测量值R_U测之间的线性回归方程，及相关系数，该线性回归方程为y＝1.0034x-0.1523，即R_1U真＝1.0034R_1U测–0.1523，R²＝0.9992。由线性回归结果可知，真实值R_1U真与测量值R_1U测之间的相关系数大于0.90，因此，相关性结果满足规范要求。

3)室内车辙深度指标的识别与标定方法

为了真实地测量沥青混凝土路面车辙深度，实验应选用碾压车辙成型的沥青车辙板(尺寸：长×宽×高＝300mm×300mm×60mm)来对沥青混凝土路面车辙进行模拟测量。同样地，使用游标卡尺对真实车辙深度进行测量，测量方法同上述室内精度标定实验，即分别对车辙不同位置(两边与中间点)进行高度测量，取其平均值作为最终的真实值。根据《车载式路面激光车辙仪》规范要求，三维激光仪以60km/h的速度对车辙板的车辙深度数据进行5次采集。

本次标定方法中，10组不同深度的车辙数据采集情况如表4与表5所示(推荐采集10组以上数据)。车辙深度的真实值范围为4.5mm至19.8mm。

表410组不同深度车辙的测量数据与平均值

表510组不同深度车辙的测量值与真实数据对比

表5为10组不同严重程度的车辙深度的测量值与真实值的对比情况。由表5可以看出，测量相对误差大部分在2％以内，这证明了该三维激光检测仪同样可以满足工程上高精度的测量要求。同样地，为了评价三维激光检测仪的重复性，本次实验分别对每个量块进行了五次独立测量。实验结果表明，两次测量绝对误差范围在0.133mm至0.787mm以内，误差结果同样精确于人工测量。根据《车载式路面激光车辙仪》规范要求，分别计算每组测量结果的偏差系数(C_V)，如表6所示。结果显示，除了第一组外，其余组的测量偏差系数均小于5％，符合规范要求。因此，第一组车辙板需要进行重新检测以确定数据的正确性。

表6不同组别测量结果的偏差系数

组别	1#	2#	3#	4#	5#
						偏差系数CV	5.1％	5.0％	2.1％	0.8％	0.8％
组别	7#	8#	9#	10#	11#
						偏差系数CV	0.4％	1.8％	2.0％	1.0％	0.8％

根据《车载式路面激光车辙仪》规范要求，对以上9组测量数据进行相关性分析(如图6所示，剔除第一组数据结果)，并且得到实际R_2U真与测量值R_2U测之间的线性回归方程及相关系数。R_2U真＝1.065；R_2U测–0.637，R₂ ²＝0.9896；

由线性回归结果可知，实际值R_2U真与测量值R_2U测之间的相关系数大于0.90，因此，相关性结果满足规范要求。

Claims (6)

1.一种三维线激光车辙检测设备的室内参数标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、确定最佳性能参数：

调整和校准3D线激光检测仪器(3)的参数后，确定3D线激光检测仪器(3)的最佳曝光值以及3D线激光架设设备(1)的最佳架设高度，并执行步骤2)；

2)、采集车辙深度：

将3D线激光检测仪器(3)及3D线激光架设设备(1)分别调整至最佳曝光值及最佳架设高度，取p组尺寸相同深度不同的沥青车辙板；

采用3D线激光检测仪器(3)对车辙深度相同的每组沥青车辙板的车辙深度均重复检测n次，得到p组车辙深度相同情况下的n次检测值x_pn；

3)、车辙深度数据分析：

A)、根据步骤2)得到的数据，通过组内方差计算公式，每组车辙深度相同的n次重复检测值的组内方差s² _i，得到p组组内方差，计算车辙深度相同的p组沥青车辙板的组间方差s² _mi；

B)、将p组沥青车辙板中的最大组内方差与总方差值的比值和组内方差的最大临界值进行比较，当某一组最大组内方差与总方差值的比值大于组内方差的最大临界值时，剔除最大组内方差所在组的数据，将车辙深度相同情况下的p组沥青车辙板的最大组内方差与最小组内方差的比值大于最大阈值时，则剔除最小方差所在实验组的数据；

C)、根据步骤3)得到的数据计算每组数据的组内偏差系数以及组间偏差系数，并将组内偏差系数与组间偏差系数分别和最大容许组内偏差系数及最大容许组间偏差系数进行比较，当组内偏差系数大于最大容许组内偏差系数，组间偏差系数大于最大容许组间偏差系数时，执行步骤2)；当组内偏差系数及组间偏差系数均符合要求时，执行步骤4)；

4)、室内车辙深度指标的识别与标定：

将步骤3)得到的每组沥青车辙板的测量值与其实际值进行比较，当测量值与其实际值的精度误差大于5％，则执行步骤2)，同时，验证测量值的重复性，并验证测量值与实际值之间是否满足沥青车辙板的测量值与其实际值之间的线性回归方程且实际值与测量值之间的相关系数大于0.90；直至测量值与其实际值的精度误差≤5％，当测量值与其实际值的精度误差≤5％时，记录此时的3D线激光检测仪器(3)配置与调节情况。

2.根据权利要求1所述的一种三维线激光车辙检测设备的室内参数标定方法，其特征在于：所述的步骤1)的具体步骤为：

a)、调节3D线激光架设设备(1)高度的平整性、根据外界光线环境调整3D线激光检测仪器(3)的曝光值以及校正其基准线；

b)、调整与校正3D线激光检测仪器(3)后，将3D线激光检测仪器(3)检测频率调至最大值，检测速度调至60km/h，将3D线激光架设设备(1)调整至不同高度，测量在相同高度下曝光值以等间隔Mus变化时所对应的识别率，当识别率大于等于95％，即得最佳曝光值以及最佳架设高度。

3.根据权利要求1所述的一种三维线激光车辙检测设备的室内参数标定方法，其特征在于：所述的真实值采用精度为0.1mm游标卡尺测量沥青车辙板不同位置的高度，将不同位置的高度取平均值得到。

4.根据权利要求1所述的一种三维线激光车辙检测设备的室内参数标定方法，其特征在于：所述的组内方差计算公式为：

组间方差计算公式为：

其中，x_i为第i组车辙深度相同重复检测n次的检测值，i≤p，x_i取自x_pn；为第i组车辙深度相同重复检测n次的平均值，

为车辙深度相同情况下，p组所有数据平均值的方差，为p组组内方差的平均值， $s_A^2={{\mathrm{\&Sigma;s}}_i}^2/p;$

为车辙深度相同情况下，p组所有数据的平均值， $\stackrel{\&OverBar;}{x_A}=\mathrm{\&Sigma;}\stackrel{\&OverBar;}{x_i}/p;$

所述的组内偏差系数计算方法为：用第i组深度相同的车辙板的组内方差除以该组车辙板的平均值，并乘以100；

所述的组间偏差系数计算方法为：用车辙深度相同的p组沥青车辙板的组间方差除以该组车辙板的平均值，并乘以100。

5.根据权利要求1所述的一种三维线激光车辙检测设备的室内参数标定方法，其特征在于：所述的线性回归方程为：R_U真＝1.0869R_U测-1.3933，其中，R_U真为真实值，R_U测为测量值。

6.根据权利要求1所述的一种三维线激光车辙检测设备的室内参数标定方法，其特征在于：当p＝5，n＝7时，组内方差的最大临界值为0.4539，最大方差与最小方差比值的最大阈值为8；

最大容许组内偏差系数为0.051％，最大容许组内偏差系数为4.180％。