CN104897676A - 一种路表纹理的表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路表纹理表征方法，包括如下步骤：采用三维扫描仪扫描路面表面，获取路表纹理的三维点云信息；根据点云竖向坐标Z，确定路表纹理三维点云基准计算平面的竖向坐标Z₀；计算纹理深度为i mm对应的点云竖向坐标Z_i；确定纹理深度小于i mm的点云面积A_i；确定路表纹理三维点云竖向基准计算平面的面积A₀；计算纹理深度小于i mm的纹理深度累积率CR_i。与现有的路表纹理深度表征方法相比，纹理深度累积率可更好表征路表纹理的三维特征信息，有利于建立路面纹理深度与路面摩擦系数、路面摩擦噪声的关系，有助于路表混合料的优化设计。

Description

一种路表纹理的表征方法

技术领域

本发明涉及道路路面，特别是路表纹理的表征。

背景技术

路面抗滑性能与路面噪声性能均是路面所应提供的最重要的安全性能，一直以来受到了重点关注。这两种性能都通过轮胎与路面的相互作用来实现，因此，为了提高这两种性能以提高行车的安全性和舒适性，轮胎工业界通过高安全、低噪声的轮胎设计来实现，而道路工程界则通过路面混合料的优化设计来实现。

就路面的抗滑性能与路面的噪声性能而言，与路面直接相关的要素是路表面的纹理形貌，即路表形貌的差异会直接导致路面抗滑性能与噪声性能的变化。因此，适当的路表纹理表征方法，有助于深入理解路面纹理与抗滑性能、噪声性能的关系，也有助于路表混合料材料组成的优化设计。

根据路表纹理的水平波长λ，路表纹理可分为微观纹理(0-0.5mm)、宏观纹理(0.5-50mm)、粗大纹理(50-500mm)和路面不平度(>500mm)。常用路表纹理的表征方法有以下几种：(1)平均构造深度(MTD)，常采用铺砂法测定。但是MTD与路面的抗滑性能、路面噪声性能的关联性不好，主要原因在于：MTD虽然在一定程度上考虑了纹理的三维特征，但其测定时易受人为因素的影响。(2)平均断面深度(MPD)，常采用激光测试系统来获得。MPD由路面断面各个点的纵向坐标计算得出：式中h₁、h₂分别为基准线(100mm)前、后半周期内路面断面纵坐标的峰值(mm)，h为基准线(100mm)内路面断面纵坐标的中线(mm)。现有研究表明，路表纹理MPD越大，路面摩擦系数越大，低频(1000Hz以下)噪声也越大，但这种关系的关联性不高。究其原因，主要是MPD仅是路面断面纵坐标的某种平均(一维尺度)，无法很好地涵盖路表纹理的三维特征。(3)纹理水平(TL)。经线性扫描得到路面的波长与波幅后，将纹理波长按照1/3倍频带进行分类。计算各类别纹理高度的均方根值，与设定的参考值进行对比计算，表征纹理波幅变化的剧烈程度。纹理水平(TL)的计算公式为：TL＝20lg(a_λ/a_ref)_，式中a_λ为路面纹理高度均方根值(m)，a_ref为路面纹理高度参考值(10^-6m)。TL与噪声频谱具有一定的关系。但总体而言，虽然同时考虑了纹理的波长及波幅(二维尺度)，但TL与路面抗滑、噪声性能的关联性不强。

据上所述，现有路表纹理表征方法，如MPD和TL分别从一维、二维尺度上表征了路表的纹理特征，由于缺乏三维信息，导致其与路面抗滑性能、路面噪声关联性不好；MTD虽然在一定程度上考虑了路表纹理的三维信息，但其不能很好地表征不同纹理深度的分布特征，且其测试时易受人为因素的影响。因此，上述这些表征方法均不能很好地表征路表纹理的三维特征，也无法给路表混合料的材料组成设计提供有益参考。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种新的路表纹理表征方法，用于解决现有的路表纹理表征方法无法很好地表征路表纹理的三维特征的技术问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明利用路表纹理的三维扫描信息，获得不同纹理深度的累积率，以此更好地表征路表的三维纹理特征。

本发明采用的具体的技术方案为：

一种路表纹理的表征方法，包括顺序执行的以下步骤：

步骤1、采用三维扫描仪扫描路面的表面，获取路表纹理三维点云；

步骤2、确定路表纹理三维点云的竖向基准计算平面的竖向坐标Z₀，舍弃位于竖向基准计算平面竖直上方的点云，其余点云的纹理深度为该竖向基准计算平面与点云之间的垂直距离；

步骤3、计算纹理深度为i mm对应的点云竖向坐标Z_i＝Z₀-i；

步骤4、确定纹理深度小于i mm的点云面积A_i；

步骤5、确定路表纹理三维点云竖向基准计算平面的面积A₀；

步骤6、计算纹理深度小于i mm的纹理深度累积率CR_i＝A_i/A₀×100，并以此来表征路表纹理。

进一步的，在本发明中，步骤2中，路表纹理三维点云的竖向基准计算平面的竖向坐标Z₀按照如下步骤获得：

步骤2.1、将路表纹理三维点云导入到点云处理软件如Geomagic studio 12中，重新构建点云坐标系，使路表纹理表面平行于XY平面，获得坐标转换后的三维点云信息；由于这里的路表纹理表面凹凸不平所以很难获得绝对平面，所以选取时选择具有最多个数的位于路表的点云所在的平面为路表纹理表面；

步骤2.2、在点云处理软件中，剔除异常的点云，获得余下点云的竖向坐标Z；具体的，在Geomagic studio 12中，是采用敏感性参数(取值范围0～100)来判断点云异常的，敏感性参数越大，异常的点云数越多，常见的敏感性参数取值为60～70；

步骤2.3、将点云的竖向坐标Z按照从小到大排列，并提取出排列中92～94分位点中的一个分位点对应的竖向坐标，将该竖向坐标作为路表纹理三维点云的竖向基准计算平面的竖向坐标Z₀。提取这个位置有两个目的：一是为确定不同纹理深度范围内的点云个数做准备；二是剔除Z大于Z₀的点，因为这些点对表征纹理没有显著影响。选择92～94分位点是根据多次铺沙法现场实测试验最终确定的经验值。

进一步的，在本发明中，步骤4中的纹理深度小于i mm的点云面积A_i按照如下步骤获得：

步骤4.1、提取点云的竖向坐标Z满足Z_i≤Z<Z₀条件的点云，并确定点云个数n；

步骤4.2、计算纹理深度小于i mm的点云面积A_i＝a×n，其中a为点云的精度。

进一步的，在本发明中，步骤5中的路表纹理三维点云竖向基准计算平面的面积A₀按照如下步骤获得：

步骤5.1、计算点云的竖向坐标为Z₀的点云个数N；

步骤5.2、计算路表纹理三维点云竖向基准计算平面的面积A₀＝a×N，其中a为点云的精度。

有益效果：

由于纹理深度累积率可更好表征路表纹理的三维信息，因此本发明提供的路表纹理表征方法，通过构造不同纹理深度的累积率，可建立纹理深度累积率特征参数与路面抗滑能力、路面摩擦噪声之间的良好关系，为路表混合料材料组成的优化设计提供有益参考。

附图说明

图1是本发明的选定区域的路表三维纹理图；

图2是本发明的路表三维纹理的纹理深度小于0.5mm的点云分布图；

图3是本发明的路表三维纹理点云竖向基准计算平面内的点云分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，在已有的路面表面(混合料类型为SMA13)上选定15cm×15cm的纹理测试区域，在该区域喷洒一层反光增强剂，并在该区域的四周外黏贴定位点2。调试好三维扫描仪，将固定在三脚架上的扫描仪的两个测量镜头对准已选定的纹理测试区域，保持测量镜头与纹理测试区域的距离为50cm。运行三维扫描仪配套的测试软件，开始已选定区域的第一次纹理扫描，直至扫描完成。绕纹理测试区域中心，顺时针45°移动安装有两个测量镜头的三脚架，仍保持测量镜头与纹理测试区域的距离为50cm，完成已选定区域的第二次纹理扫描。按照同样的步骤，完成已选定区域的第三次、第四次……第八次纹理扫描。在三维扫描仪配套的测试软件中，根据定位点2，将已完成的八次纹理扫描信息调整合并成完整的三维点云信息，保存该信息文件。

将上述路表纹理的三维点云信息文件导入三维点云处理软件Geomagic studio 12中，重新构建点云坐标系，使路表纹理表面平行于XY平面，获得坐标转换后的三维点云信息；剔除明显异常的点云，获得选定区域内余下点云的竖向坐标Z。将点云的竖向坐标Z按照从小到大排列，提取出93分位点对应的竖向坐标，作为路表纹理三维点云的竖向基准计算平面的竖坐标Z₀，本例中Z₀＝0.9mm。根据公式Z_0.5＝Z₀-0.5，计算纹理深度为0.5mm对应的点云竖向坐标Z_0.5＝0.9-0.5＝0.4mm。

如图2所示，1表示点云，根据点云的竖向坐标Z，提取测试区域内满足Z_0.5≤Z<Z₀条件的点云，确定点云个数n，本例中n＝77413。根据公式A_0.5＝a×n，本例中a＝0.01mm²，计算得纹理深度小于0.5mm的点云面积A_0.5，本例中A_0.5＝774.13mm²。

如图3所示，1表示点云，寻找点云竖向坐标为Z₀的点云，即确定路表纹理三维点云竖向基准计算平面内的点云个数为N，本例中N＝90320。根据公式A₀＝a×N，本例中a＝0.01mm²，计算路表纹理三维点云竖向基准计算平面的面积A₀＝903.20mm²。

根据公式CR_0.5＝A_0.5/A₀×100，计算纹理深度小于0.5mm的纹理深度累积率CR_0.5，本例中CR_0.5＝774.13/903.20×100＝85.7。

按照同样的方法，分别确定纹理深度为0.25、0.75……、2.0mm对应的纹理深度累积率CR_0.25、CR_0.75、……、CR_2.0，其结果如表1所示。

表1不同纹理深度对应的纹理深度累积率CR

路面抗滑能力、路面摩擦噪声主要与深度2.0mm以下的纹理有关，建立纹理深度累积率CR与纹理深度TD的关系：CR＝a_d×TD^b，式中a_d称为累积率特征系数，是根据表1的数据采用数据拟合方法而获得，数据拟合时的拟合参数为上式中的b。根据表1得，CR＝93.077×TD^0.151，即a_d＝93.077，b＝0.151。

在上述纹理测试区域，采用摆式摩擦仪可得该区域的摆值(BPN)为70.3。采用噪声计同步测得摆式摩擦仪与路面滑动接触时的最大摩擦噪声值(FNL)为74.4dBA。

按照上述同样的方法，在具有不同路面纹理特征的表面上，可获得纹理深度累积率CR与纹理深度TD的关系式，以及相应的BPN值和FNL值，如表2。

表2不同路面测试区域的纹理、BPN和FNL值

根据表2，可建立累积率特征系数a_d与路面抗滑能力(用BPN表征)、路面摩擦噪声(用FNL表示)的关系：

BPN＝-0.052a_d+75.08 (R²＝0.84)

FNL＝0.004(a_d-79.48)²+73.58 (R²＝0.84)

式中R²表示拟合精度，该值越高，表示关系越紧密。

采用铺砂法测得上述相同纹理测试区域1～4的平均纹理深度(MTD)，分别为0.65mm、0.82mm、0.72mm和0.84mm，据此可得路面抗滑能力(BPN)、路面摩擦噪声(FNL)与平均纹理深度(MTD)的关系：

BPN＝7.709MTD+65.51 (R²＝0.69)

FNL＝26.525(MTD-0.72)+74.32 (R²＝0.15)

对比两组不同的方法获得的累积率特征系数a_d和平均纹理深度MTD与路面抗滑能力、路面摩擦噪声之间的关系式可见，采用本专利提出的路表纹理表征方法获得的关系式中的拟合精度比传统的铺砂获得的关系式中相应的拟合精度要高，因此本发明方法可更好地表征路面纹理的特性，有利于建立路表纹理深度与路面抗滑、摩擦噪声之间的关系，也有助于路表混合料的优化设计。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种路表纹理的表征方法，其特征在于：包括顺序执行的以下步骤：

步骤1、采用三维扫描仪扫描路面的表面，获取路表纹理三维点云；

步骤2、确定路表纹理三维点云的竖向基准计算平面的竖向坐标Z₀；

步骤3、计算纹理深度为i mm对应的点云竖向坐标Z_i＝Z₀-i；

步骤4、确定纹理深度小于i mm的点云面积A_i；

步骤5、确定路表纹理三维点云竖向基准计算平面的面积A₀；

步骤6、计算纹理深度小于i mm的纹理深度累积率CR_i＝A_i/A₀×100。

2.如权利要求1所述的路表纹理的表征方法，其特征在于：步骤2中，路表纹理三维点云的竖向基准计算平面的竖向坐标Z₀按照如下步骤获得：

步骤2.1、将路表纹理三维点云导入到点云处理软件中，重新构建点云坐标系，X轴、Y轴、Z轴组成两两相互垂直的三维坐标系，且Z轴竖直向上，使路表纹理表面平行于XY平面，获得坐标转换后的三维点云信息；

步骤2.2、在点云处理软件中，剔除异常点云，获得余下点云的竖向坐标Z；

步骤2.3、将点云的竖向坐标Z按照从小到大排列，并提取出排列中92～94分位点中一个分位点对应的竖向坐标，将该竖向坐标作为路表纹理三维点云的竖向基准计算平面的竖向坐标Z₀。

3.如权利要求1所述的路表纹理的表征方法，其特征在于：步骤4中的纹理深度小于i mm的点云面积A_i按照如下步骤获得：

步骤4.1、提取点云的竖向坐标Z满足Z_i≤Z<Z₀条件的点云，并确定满足该条件的点云个数n；

步骤4.2、计算纹理深度小于i mm的点云面积A_i＝a×n，其中a为点云的精度。

4.如权利要求1所述的路表纹理的表征方法，其特征在于：步骤5中的路表纹理三维点云竖向基准计算平面的面积A₀按照如下步骤获得：

步骤5.1、计算点云的竖向坐标为Z₀的点云个数N；

步骤5.2、计算路表纹理三维点云竖向基准计算平面的面积A₀＝a×N，其中a为点云的精度。