CN110243682A - 一种基于路面动态弯沉的道路承载性能评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于路面动态弯沉的道路承载性能评价方法，属于道路承载性能评价方法技术领域。本发明的技术方案要点为：一种基于路面动态弯沉的道路承载性能评价方法，采用路面动态弯沉无损快速检测设备，现场采集路面的动态弯沉数据；采用小波阈值降噪方法对实测动态弯沉数据进行降噪处理得到准确的路面动态弯沉数据；利用降噪处理后的路面动态弯沉数据对道路承载性能进行评价，确定出道路承载性能不足的路段位置。本发明采用路面动态弯沉进行道路承载性能评价，测量荷载为真实的车辆荷载，能够显著提高路面承载性能评价的速度和准确性。

Description

一种基于路面动态弯沉的道路承载性能评价方法
技术领域
本发明属于道路承载性能评价方法技术领域，具体涉及一种基于路面动态弯沉的道路承载性能评价方法。
背景技术
弯沉值是指在规定的荷载作用下，路基或路面表面产生的总的垂直变形(总弯沉)或垂直回弹变形值(回弹弯沉)，以0.01mm为单位表示，表征路面的承载性能。弯沉值的准确测量是道路工程师们确定道路结构养护维修方案的重要依据。传统的路面弯沉检测方法主要有贝克曼梁法、自动弯沉仪法和落锤式弯沉仪法，这些方法都存在检测效率低下、检测荷载和真实的移动车辆荷载有较大偏差、测量过程需要实行交通管制等问题。采用多普勒激光技术的动态弯沉测量设备能够实现在正常的行车速度下测量弯沉值，在克服上述问题的同时，能够最大限度的保证测量人员的安全。
激光动态弯沉测量技术是基于波的多普勒效应来测量路面的变形速度从而计算路面的弯沉值，这就导致了在测量信号中含有大量的与真实测量值无关的噪声信号。在数据预处理过程中消除这些噪声信号是能够准确评价道路结构状况的基础。
目前，对测速信号的处理主要选用快速傅里叶变换(SFFT)，傅里叶分析对光滑平稳的信号处理能够取得良好的效果。在动态弯沉的实际测量中，我们测得的信号往往不是光滑平稳的，恰恰是一些突变信号反映了路面的局部特征信息。快速傅里叶变换虽然可以采用不同宽度的窗来分析信号的局部特性，然而它的窗口大小是固定的，在一次变换中宽度不会变化，所以快速傅里叶变换还是无法满足非稳态信号分析的要求。小波变换是选取一个在时域和频域都具有紧支性或近似紧支性的母小波函数，对母小波函数进行平移和伸缩得到一系列小波函数，用这些小波函数来逼近非稳态的信号。它的优点就是能够对信号的局部特征进行分析，得到局部特征所代表的路况信息。
在小波分析中，一个重要的步骤就是在经过小波变换后对得到的小波系数进行处理。采用小波阈值降噪的关键就是阈值的计算和阈值函数的处理，直接影响了降噪的质量。目前常用的阈值计算方法有四种：(1)通用阈值法；(2)Stein无偏风险阈值法；(3)试探法的Stein无偏风险阈值法；(4)最大最小准则阈值法。阈值函数体现了对小波系数的不同处理策略，主要分为软阈值函数和硬阈值函数。在实际应用中，用硬阈值函数降噪后，重构信号在阈值点处不连续，存在振荡，降噪效果不理想。使用软阈值函数处理，重构信号虽然较为光滑，重构信号和原始信号存在恒定的偏差，降噪后的信号存在较大的失真。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种基于路面动态弯沉的道路承载性能评价方法，该方法采用一种新的阈值计算方法以及对阈值函数进行改进，在动态弯沉测量信号小波变换处理中能够更好的提取出有效测量信号，压制噪声，最终实现信号与噪声分离的目的。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：一种基于路面动态弯沉的道路承载性能评价方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1：采用路面动态弯沉无损快速检测设备，现场采集路面的动态弯沉数据；
步骤S2：采用小波阈值降噪方法对实测动态弯沉数据进行降噪处理得到准确的路面动态弯沉数据；
步骤S3：利用降噪处理后的路面动态弯沉数据对道路承载性能进行评价，确定出道路承载性能不足的路段位置。
优选的，步骤S1中采用激光动态弯沉检测车对道路动态弯沉数据进行测量采集，激光动态弯沉测量车采用4个激光探头采集路面动态弯沉数据，该4个激光探头沿检测车运行方向依次分布且4个激光探头与后轮间隙荷载中心点之间的距离依次为100mm、200mm、450mm、2350mm，后轮最大轴载能够达到20T，用于满足重轴载条件下道路承载性能的评价要求。
优选的，步骤S2中小波阈值降噪方法的具体过程为：首先选择一种母小波并确定小波分解层数，再对实测信号进行小波变换；其次对变换后的小波系数进行阈值降噪处理以滤除噪声；最后将降噪处理后的小波系数进行小波逆变换，重构信号。
优选的，步骤S2中小波阈值降噪方法的具体步骤为：
(1)选取sym8作为母小波，支撑长度为15，消失矩为8，分解层数定为4层，母小波函数sym8用ψ(t)表示，原始测量信号用f(x)表示，对ψ(t)进行时域上的平移和伸缩得到小波基函数，同时对其进行幂级数的离散化，然后对原始测量信号进行离散的小波变换，小波基函数的获取和小波变换过程可由式(1)、式(2)来表示：
ψj,k(t)＝2-j/2ψ(2-jt-k)，其中j,k∈Z (1)
式中：是ψj,k(t)的复共轭；
(2)采用阈值降噪方法对小波系数进行处理，对每层分辨率下都选取特定的阈值对变换后的小波系数进行处理，假设噪声信号服从标准正态分布φN(0,1)，对于某分辨率下的n个含噪小波系数d1，d2，d3，….，dn的阈值计算过程如下：
①：对小波系数的大小进行重新排序：按照绝对值大小排序如下，|d1|>|d2|>....>|dn|；
②：对于每个di，计算标准正态分布φ在di两侧的累计概率，pi＝2[1-φ(|di|)]；
③：对于每个pi，计算qi＝(n/i)pi和
④：计算函数取最小值时对应的a值；
⑤：计算公式最大值所对应的i值为k；
⑥：选取的阈值就是|dk|，即当所以满足式|di|<|dk|的di都置为0，其余的di按照改进的阈值函数进行处理；
(3)采用改进的软阈值函数结合计算得来的阈值对小波系数进行处理，改进的软阈值函数用式(3)表示：
式中：
(4)用处理过的小波系数对测量信号进行重构，用式(4)进行定义：
优选的，步骤S3的具体过程为：使用经过处理后的测量信号计算出后轮间隙荷载中心点处的弯沉值，求出代表路段路面结构强度系数SSI，确定道路承载性能不足的位置，从而在路网级层面快速确定道路中承载性能不足的区域，路面结构强度系数用式(5)计算：
式中：ld-路面设计弯沉；l0-实测代表弯沉。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用路面动态弯沉进行道路承载性能评价，测量荷载为真实的车辆荷载，能够显著提高路面承载性能评价的速度和准确性；
2、本发明开发新的阈值计算方法，它的特征在于在每层的分解尺度下都选取特定的阈值来对小波系数进行处理，能够最大限度的滤除噪声，同时不丢弃有用的特征信号，从而更加准确地评价道路承载性能。
附图说明
图1是道路实测弯沉数据；
图2是激光动态弯沉检测车上激光探头的分布图；
图3是sym8小波的小波函数和尺度函数；
图4是阈值处理函数；
图5是道路弯沉原始数据和降噪数据；
图6是道路承载力不足位置分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明具体实施过程中的技术方案进行清楚、完整说明。一种基于路面动态弯沉的道路承载性能评价方法，包括以下步骤：
步骤S1：采用路面动态弯沉无损快速检测设备，现场采集路面的动态弯沉数据；
采用激光动态弯沉检测车对道路动态弯沉数据进行测量采集，激光动态弯沉测量车采用4个激光探头采集路面动态弯沉数据，激光探头之间的位置关系如图1所示，0点表示后轮间隙荷载中心点，D1-D4表示四个激光探头，后轮间隙荷载中心点与各激光探头之间的间距依次为100mm、200mm、450mm、2350mm，后轮最大轴载可以达到20T，以满足重轴载条件下道路承载性能评价要求；
步骤S2：采用小波阈值降噪方法对实测动态弯沉数据进行降噪处理得到准确的路面动态弯沉数据；
首先选择一种母小波并确定小波分解层数，再对实测信号进行小波变换；其次对变换后的小波系数进行阈值降噪处理以滤除噪声；最后将降噪处理后的小波系数进行小波逆变换，重构信号；
具体过程为：
(1)选取sym8作为母小波，支撑长度为15，消失矩为8，分解层数定为4层，母小波函数sym8用ψ(t)表示，原始测量信号用f(x)表示，对ψ(t)进行时域上的平移和伸缩得到小波基函数，同时对其进行幂级数的离散化，然后对原始测量信号进行离散的小波变换，小波基函数的获取和小波变换过程可由式(1)、式(2)来表示：
ψj,k(t)＝2-j/2ψ(2-jt-k)，其中j,k∈Z (1)
式中：是ψj,k(t)的复共轭；
(2)采用阈值降噪方法对小波系数进行处理，对每层分辨率下都选取特定的阈值对变换后的小波系数进行处理，假设噪声信号服从标准正态分布φN(0,1)，对于某分辨率下的n个含噪小波系数d1，d2，d3，…，dn的阈值计算过程如下：
①：对小波系数的大小进行重新排序：按照绝对值大小排序如下，|d1|>|d2|>....>|dn|；
②：对于每个di，计算标准正态分布φ在di两侧的累计概率，pi＝2[1-φ(|di|)]；
③：对于每个pi，计算qi＝(n/i)pi和
④：计算函数的取最小值时对应的a值；
⑤：计算公式最大值所对应的i值为k；
⑥：选取的阈值就是|dk|，即当所以满足式|di|<|dk|的di都置为0，其余的di按照改进的阈值函数进行处理；
(3)采用改进的软阈值函数结合计算得来的阈值对小波系数进行处理，改进的软阈值函数可用式(3)表示：
式中：
(4)用处理过的小波系数对测量信号进行重构，可用式(4)定义：
步骤S3：利用降噪处理后的动态弯沉数据对道路承载性能进行评价，确定出道路承载性能不足的路段位置；
使用经过处理后的测量信号计算出荷载中心点处的弯沉值，求出代表路段路面结构强度系数SSI，确定道路承载性能不足的位置，从而在路网级层面快速确定道路中承载性能不足的区域，路面结构强度系数可用式5计算：
式中：ld-路面设计弯沉；l0-实测代表弯沉。
实施例1
结合某高速一段实测数据进一步阐述本发明。首先采用激光动态弯沉检测车对该高速路段弯沉数据进行实测，检测速度为60km/h，检测频率为1000Hz，后轮轴载为10T。每1m取数据的平均值为一个代表值，检测距离为800m，简要的原始测量数据如表1所示。
表1
以D1激光探头为例对实测数据进行降噪处理，对原始测量数据进行离散的小波变换，选取sym8为母小波函数，分解层数为4层，采用改进的阈值计算方法对各层分辨率下的小波系数计算阈值，计算阈值结果如表2所示：
表2
层数 1 2 3 4
阈值 0.886 2.083 3.092 3.698
阈值处理函数的如图4所示，经过降噪处理过后，四个探头的测量值如表3所示：
降噪的效果数据：从图5中可以看到，处理过的数据在滤除了噪声的同时保留了原始测量中的突变点，保留了路面局部的特征信息。
承载力不足的位置：从图6中可以快速判断出所测路面承载力不足的位置。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (5)

1.一种基于路面动态弯沉的道路承载性能评价方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1：采用路面动态弯沉无损快速检测设备，现场采集路面的动态弯沉数据；
步骤S2：采用小波阈值降噪方法对实测动态弯沉数据进行降噪处理得到准确的路面动态弯沉数据；
步骤S3：利用降噪处理后的路面动态弯沉数据对道路承载性能进行评价，确定出道路承载性能不足的路段位置。
2.根据权利要求1所述的基于路面动态弯沉的道路承载性能评价方法，其特征在于：步骤S1中采用激光动态弯沉检测车对道路动态弯沉数据进行测量采集，激光动态弯沉测量车采用4个激光探头采集路面动态弯沉数据，该4个激光探头沿检测车运行方向依次分布且4个激光探头与后轮间隙荷载中心点之间的距离依次为100mm、200mm、450mm、2350mm，后轮最大轴载能够达到20T，用于满足重轴载条件下道路承载性能的评价要求。
3.根据权利要求1所述的基于路面动态弯沉的道路承载性能评价方法，其特征在于：步骤S2中小波阈值降噪方法的具体过程为：首先选择一种母小波并确定小波分解层数，再对实测信号进行小波变换；其次对变换后的小波系数进行阈值降噪处理以滤除噪声；最后将降噪处理后的小波系数进行小波逆变换，重构信号。
4.根据权利要求1所述的基于路面动态弯沉的道路承载性能评价方法，其特征在于：步骤S2中小波阈值降噪方法的具体步骤为：
(1)选取sym8作为母小波，支撑长度为15，消失矩为8，分解层数定为4层，母小波函数sym8用ψ(t)表示，原始测量信号用f(x)表示，对ψ(t)进行时域上的平移和伸缩得到小波基函数，同时对其进行幂级数的离散化，然后对原始测量信号进行离散的小波变换，小波基函数的获取和小波变换过程可由式(1)、式(2)来表示：
ψj,k(t)＝2-j/2ψ(2-jt-k)，其中j,k∈Z (1)
式中：是ψj,k(t)的复共轭；
(2)采用阈值降噪方法对小波系数进行处理，对每层分辨率下都选取特定的阈值对变换后的小波系数进行处理，假设噪声信号服从标准正态分布φ N(0,1)，对于某分辨率下的n个含噪小波系数d1，d2，d3，….，dn的阈值计算过程如下：
①：对小波系数的大小进行重新排序：按照绝对值大小排序如下，|d1|>|d2|>....>|dn|；
②：对于每个di，计算标准正态分布φ在di两侧的累计概率，pi＝2[1-φ(|di|)]；
③：对于每个pi，计算qi＝(n/i)pi和
④：计算函数取最小值时对应的a值；
⑤：计算公式最大值所对应的i值为k；
⑥：选取的阈值就是|dk|，即当所以满足式|di|<|dk|的di都置为0，其余的di按照改进的阈值函数进行处理；
(3)采用改进的软阈值函数结合计算得来的阈值对小波系数进行处理，改进的软阈值函数用式(3)表示：
式中：
(4)用处理过的小波系数对测量信号进行重构，用式(4)进行定义：
5.根据权利要求1所述的基于路面动态弯沉的道路承载性能评价方法，其特征在于：步骤S3的具体过程为：使用经过处理后的测量信号计算出后轮间隙荷载中心点处的弯沉值，求出代表路段路面结构强度系数SSI，确定道路承载性能不足的位置，从而在路网级层面快速确定道路中承载性能不足的区域，路面结构强度系数用式(5)计算：
式中：ld-路面设计弯沉；l0-实测代表弯沉。
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