CN114324143A - 一种沥青路面纹理三维形状特性指标的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青路面纹理三维形状特性指标的测量方法，具体包括如下步骤：S1：制备沥青路面车辙板，获取车辙板表面纹理信息，并构建车辙板表面纹理三维可视化模型；S2：选定试验轮胎，获取试验轮胎与沥青路面车辙板有效接触下的车辙板表面纹理信息；S3：计算试验轮胎与沥青路面车辙板有效接触部分的车辙板表面纹理的深度值z_T；S4：计算z_T深度内的车辙板表面纹理的轮廓偏斜度S_k',表观各向异性度K_a'，驼峰度K_u'和平均倾斜角θ_s'，以表征车辙板在胎路有效接触下的表面纹理三维形状特性。本发明有效的解决了胎路接触下的沥青路面纹理三维形状特性指标的测量方法，从而为评价沥青路面抗滑提供了参考指标。

Description

一种沥青路面纹理三维形状特性指标的测量方法

技术领域

本发明属于道路工程领域。

背景技术

沥青路面良好的抗滑性能是公路交通安全的重要前提。而路面的抗滑性能来源是路面纹理的粗糙度。目前，道路规范主要采用构造深度与动摩擦系数反映路面纹理的宏观与微观特性，获得路面的整体抗滑水平。然而随着近年来道路抗滑机理与应用研究的深入，学者们发现道路抗滑性能不仅仅是道路单一对象的表征，而是轮胎和道路共同作用的结果。现阶段诸多研究集中于路面纹理的整体测量与评价，且测量路表宏观构造主要提供轮胎变形的阻滞摩擦力与排水通道，而忽略了轮胎与路面的有效接触特性下的路面纹理的分布特性，而其纹理分布特征决定了轮胎接触应力集中与胎面橡胶的变形程度，因此现阶段大多数研究无法真正揭示胎路接触机理下的路面纹理特性，致使道路抗滑磨耗层混合料设计过程中难以考虑真实的纹理分布需求，从而难以使路面具有较好的抗滑性能，无法满足现代社会对行车安全的要求。

发明内容

发明目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种沥青路面纹理三维形状特性指标的测量方法。

技术方案：本发明提供了一种沥青路面纹理三维形状特性指标的测量方法，具体包括如下步骤：

S1：针对各种类型的沥青路面制备相应的车辙板；

S2：采用三维激光扫描仪从左至右扫描车辙板，获取车辙板表面纹理三维点云数据；提取三维点云数据中道路表面高度信息，并存储为集合B,根据集合B生成三角网络模型，从而构建相应的车辙板表面纹理三维可视化模型，

其中x_i,y_j分别表示三维点云数据中第i行第j列的点在x轴，y轴上的的坐标值，z(x₁,y₁)表示第i行第j列的点在z轴坐标上的深度值，m表示扫描仪在车辙板上采样的总行数，n表示扫描仪在车辙板上采样的总列数，i＝1，2，...，m，j＝1，2，...，n；

S3：选择用于试验的轮胎，在车辙板上覆盖压模纸，采用轮胎对车辙板施压，获取轮胎与车辙板有效接触下压模纸的印痕；

S4：计算压模纸上印痕的面积A₀，基于S1中的三维可视化模型和A₀，计算试验轮胎与车辙板有效接触部分的车辙板表面纹理的深度值z_T；

S5：计算z_T深度内的车辙板表面纹理的轮廓偏斜度S_k′，表观各向异性度K_a′，驼峰度K_u′和平均倾斜角θ_s′，S_k′，所述K_a′，K_u′和θ_s′用于表征车辙板在胎路有效接触下的表面纹理三维形状特性。

进一步的，所述S3具体为：

S21：选择用于试验的轮胎的胎压为标准胎；

S22：采用液压系统通过轮胎对车辙板持续施加静荷载，直至压模纸内的显像微囊剂进行了充分的化学反应；

S23：采用影像设备扫描压模纸，并标定印痕区域保存。

进一步的，所述用于试验的轮胎为轻型货车走向花纹全钢丝子午线轮胎。

进一步的，所述S4具体为：

S41：基于计算得到的印痕面积A₀将印痕等效为圆；

S42：根据S2中车辙板表面纹理三维可视化模型，计算该模型的纹理曲面在预设的第u个深度z_u时的曲面表面积A_u，以曲面表面积为横坐标，深度值为纵坐标绘制表面积分布曲线图，u＝1，2，…U，U为预设的深度总个数；

S43：基于A_u，将纹理曲面在预设的第u个深度z_u时的曲面表面等效成直径为D_u的圆，

以直径为横坐标，深度值为纵坐标绘制直径分布曲线图；

S44：在U个曲面表面中寻找与压痕面积A₀对应的曲面表面，得到该曲面表面对应的直径，从而得到该直径在直径分布曲线图中对应的深度z_T。

进一步的，所述S41中计算压痕面积A₀具体为：

对压模纸上的印痕进行n次数值化处理，针对每一次数值化处理，将值大于0的点作为有效接触点，计算有效接触点构成的区域面积；计算n个区域面积的均值，将该均值作为印痕面积A₀。

进一步的，所述S44中在U个曲面表面中寻找与压痕面积A₀对应的曲面表面，具体为：计算折损前的印痕面积A1＝A₀*γ；在U个曲面表中寻找面积值与A1最相近的曲面表面，作为与压痕面积A₀对应的曲面表面。

进一步的，所述S5具体为：在集合B中提取出在z轴上深度值小于等于z_T的点，这些点构成的矩阵为m’行n’列，将这些点存储为集合B’，

其中z’(x_i’，y_j’)为m’行n’列矩阵中第i’行第j’列的点在z轴上的深度值，x_i’，y_j’分别为第i’行第j’列的点在x轴，y轴上的坐标值，i’＝1，2，...，m’；j’＝1，2，...，n’；

根据如下公式计算轮廓偏斜度S_k′：

其中，

表观各向异性度K_a′点的表达式如下所示：

其中，x表示x轴，y表示y轴，Δ_q的表达式为：

其中，Δx、Δy分别为三维激光扫描仪扫描时宽度和长度方向的间隔值；

驼峰度K_u′的表达式为：

平均倾斜角θ_s′表达式为：

有益效果：本发明在传统的沥青路面抗滑指标基础上，考虑了轮胎路面接触对抗滑的影响，有效的解决了胎路接触下的沥青路面纹理三维形状特性指标的测量方法，从而为评价沥青路面抗滑提供了参考指标。

附图说明

图1为本发明方法的总流程图。

图2为车辙板路接触示意图，其中图(a)是轮胎与车辙板接触的二维示意图；图(b)是轮胎与车辙板接触的三维示意图。

图3为轮胎在静荷载下作用于车辙板时压膜纸显像示意图。

图4为车辙板在z_T深度内纹理三维可视化模型示意图。

具体实施方式

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

如图1所示，本实施例提供了一种基于胎路有效接触的沥青路面纹理三维形状特性指标的测量方法，包括以下步骤：

S1：制备沥青路面车辙板，获取车辙板表面纹理信息，并构建车辙板表面纹理三维可视化模型；

S2：选定试验轮胎，获取试验轮胎与沥青路面车辙板有效接触下的车辙板表面纹理信息；

S3：计算试验轮胎与沥青路面车辙板接触部分的车辙板表面纹理的平均深度值z_T；

S4：计算z_T深度内的车辙板表面纹理的轮廓偏斜度S_k′，驼峰度K_u′，平均倾斜角θ_s′以及表观各向异性度K_a′，其中S_k′，K_u′、θ_s′和K_a′用于表征车辙板在胎路有效接触下的表面纹理三维形状特性。

轮廓偏斜度S_k′衡量形貌轮廓幅度分布偏离基准线的不对称性程度，受到离散的峰或谷的影响。当S_k′＝0表示轮廓线以基准线对称分布；当S_k′＜0，表示轮廓谷尖锐、狭窄而轮廓峰圆滑、宽平；当S_k′＞0，则表示轮廓谷宽平而轮廓峰尖窄。该指标能够很好地区分表面形貌轮廓的形状，可以反映轮廓的支撑能力以及稳定性。

表观各向异性度K_a′反映了曲面形貌在不同方向上的几何粗糙特性的差异程度。当K_a′＝1时，表明表面呈各向同性；当0＜K_a′＜1时，说明表面呈各向异性，且随着K_a′值的减小，各向异性的程度越明显，可以帮助判断路表在行车方向与横向的粗糙度差异。

驼峰度K_u′类似于轮廓偏斜度，表示轮廓曲面分布变化的尖哨程度。驼峰度K_u′以正态分布的曲面形状为基准，当形貌轮廓的偏距满足理想随机的正态分布条件时，K_u′＝3；当K_u′＞3时，表明轮廓曲面幅度分布陡峭，称为尖峰态曲面；当K_u′＜3时，轮廓曲面则被称为低峰态曲面，此时轮廓曲面分布较为平坦，对路表抗滑有不利影响。

平均倾斜角θ_s′表示形貌曲面空间的平均指向，它是由每个局部倾斜微小平面和水平面的夹角α_k先进行叠加，再求平均值计算得到的。该指标综合了表面幅值和波长特性，反映了曲面轮廓各处的平均倾斜状态，且与MTD指标有较好的相关性。

其中，S1又分为以下具体步骤：

S11：针对各种类型的沥青路面制备相应的车辙板，本实施例制备以下四种常见的路面类型车辙板：AC-13、AC-16、SMA-13和OGFC-13。按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定，在最佳油石比下成型车辙板(300mm×300mm×50mm)。

S12保持手持式三维激光扫描仪距离车辙板高30cm，沿车辙板从左至右扫描沥青车辙板获取表面纹理三维点云数据文件“.ply”，通过数据处理软件提取“.ply”文件中的道路表面高度信息，并存储为集合B；

其中，m，n均为大于1的整数，表示所测车辙板表面宽度和长度方向上的采样点数；z(x_i，y_j)表示第i行第j列的点在z轴上的坐标值也既深度值，也既坐标在x轴，y轴上的作为(x_i，y_j)的点的表面纹理三维深度数据；

S13利用集合B中的点云信息在MATLAB中生成三角网格模型，实现车辙板表面纹理重建。

建模完成后，进一步选定试验轮胎，为获取试验轮胎与沥青路面车辙板有效接触下的车辙板表面纹理信息做准备。

S21根据《公路工程技术标准JTGB01-2014》规定，试验采用较具代表性的轻型货车走向花纹全钢丝子午线轮胎：轮胎规格7.00R16LT，轮辋规格5.5F，12层级，单轮额定负荷12.15KN，标准轮胎气压670KPa。

S22将不同类型的车辙板依次置于疲劳试验操作台面上，在每个车辙板覆上一层可显像的压膜纸，将试验轮胎竖直悬于压膜纸上方，采用液压系统对试验轮胎施加125KN静荷载，分别测试试验轮胎在额定负载，标准胎压下的胎路接触信息，持续加载时间达2分钟以上，以保证压膜内的显像微囊剂的化学反应充分。所述沥青路面胎路(车辙板)接触示意图如图2所示，其中，图2(a)为胎路接触二维示意图，图2(b)为胎路接触三维示意图。

S23待压膜内显色试剂反应充分稳定后，用专业影像设备扫描压膜纸、标定压膜纸上的印痕信息并储存。

根据空间几何关系，胎面橡胶与车辙板表面构造的贴合接触面为三维曲面，其接触面积与路表构造的表面积可以建立换算关系。具体步骤如下：

S31基于FPD专用软件对S23储存后的压膜纸上的印痕进行n次数值化，将接触应力值大于0的区域作为轮胎与路面接触的有效接触点，计算有效接触点的面积，计算n个区域面积的均值，将该均值作为印痕面积A₀。如图图3所示是轮胎在静荷载下作用于车辙板时压膜纸显像后示意图，单位mm；从图3中可以看出接触应力值大于0的区域在压膜纸上表征为轮胎花纹印痕上的不显色区域。

S32基于计算得到的压痕面积A₀将印痕等效直径为D₁的圆，

S33根据S13中车辙板表面纹理三维可视化模型，计算该模型的纹理曲面在预设的第u个深度z_u时的曲面表面积A_u，以曲面表面积为横坐标，深度值为纵坐标绘制表面积分布曲线图A-z，u＝1，2，…U，U为预设的深度总个数；

S34基于A_u，将纹理曲面在预设的第u个深度z_u时的曲面表面等效成直径为D_u的圆，

以直径为横坐标，深度值为纵坐标绘制直径分布曲线图；

S35计算插值A1，A1为折损前的印痕面积，A1＝A₀*γ，γ为胶片折损值；在U个曲面表中寻找面积值与A1最相近的曲面表面，作为与压痕面积A₀对应的曲面表面，得到该曲面表面对应的直径，从而得到该直径在直径分布曲线图中对应的深度z_T，将z_T作为车辙板表面纹理的平均深度值。

图4为在查找和计算z_T后，试验车辙板在z_T深度内纹理三维可视化模型示意图，可以清晰的看出本发明能够得出轮胎路面有效接触下的路面纹理三维可视化模型。为后续胎路有效接触下的表面纹理三维形状特性指标：轮廓偏斜度S_k′，驼峰度K_u′，平均倾斜角θ_s′和表观各向异性度K_a′的计算奠定基础。

最后，计算不同路面类型车辙板对应z_T深度内的表面纹理特征指标。

在集合B中提取出在z轴上深度值小于等于z_T的点，这些点能够构成m’行n’列的矩阵，并将这些点存储为集合B’，

其中z’(x_i’，y_j’)为m’行n’列的矩阵中第i’行第j’列的点在z轴上的深度值，x_i’，y_j’分别为第i’行第j’列在x轴，y轴上的坐标值，i’＝1，2，...，m’；j’＝1，2，...，n’；

计算轮廓偏斜度S_k′：

其中，R_q：

计算驼峰度K_u′：

计算表观各向异性度K_a′：

其中，Δ_q的表达式为：

其中Δx、Δy分别为三维激光扫描仪扫描时宽度和长度方向的间隔值。

计算平均倾斜角θ_s′

在现实场景中可以根据沥青路面的类型，得该路面的表面纹理特征指标。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (7)

1.一种沥青路面纹理三维形状特性指标的测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

S1：针对各种类型的沥青路面制备相应的车辙板；

S2：采用三维激光扫描仪从左至右扫描车辙板，获取车辙板表面纹理三维点云数据；提取三维点云数据中道路表面高度信息，并存储为集合B,根据集合B生成三角网络模型，从而构建相应的车辙板表面纹理三维可视化模型，

其中x_i,y_j分别表示三维点云数据中第i行第j列的点在x轴，y轴上的的坐标值，z(x₁,y₁)表示第i行第j列的点在z轴坐标上的深度值,m表示扫描仪在车辙板上采样的总行数，n表示扫描仪在车辙板上采样的总列数，i＝1,2,…,m,j＝1,2,…,n；

S3：选择用于试验的轮胎，在车辙板上覆盖压模纸，采用轮胎对车辙板施压，获取轮胎与车辙板有效接触下压模纸的印痕；

S4：计算压模纸上印痕的面积A₀，基于S1中的三维可视化模型和A₀，计算试验轮胎与车辙板有效接触部分的车辙板表面纹理的深度值z_T；

S5：计算z_T深度内的车辙板表面纹理的轮廓偏斜度S_k',表观各向异性度K_a'，驼峰度K_u'和平均倾斜角θ_s',S_k'，所述K_a'，K_u'和θ_s'用于表征车辙板在胎路有效接触下的表面纹理三维形状特性。

2.根据权利要求1所述的一种沥青路面纹理三维形状特性指标的测量方法，其特征在于，所述S3具体为：

S21：选择用于试验的轮胎的胎压为标准胎；

S22：采用液压系统通过轮胎对车辙板持续施加静荷载，直至压模纸内的显像微囊剂进行了充分的化学反应；

S23：采用影像设备扫描压模纸，并标定印痕区域保存。

3.根据权利要求1所述的一种沥青路面纹理三维形状特性指标的测量方法，其特征在于，所述用于试验的轮胎为轻型货车走向花纹全钢丝子午线轮胎。

4.根据权利要求1所述的一种沥青路面纹理三维形状特性指标的测量方法，其特征在于，所述S4具体为：

S41：基于计算得到的印痕面积A₀将印痕等效为圆；

S42：根据S2中车辙板表面纹理三维可视化模型，计算该模型的纹理曲面在预设的第u个深度z_u时的曲面表面积A_u，以曲面表面积为横坐标，深度值为纵坐标绘制表面积分布曲线图，u＝1,2,…U，U为预设的深度总个数；

S43：基于A_u，将纹理曲面在预设的第u个深度z_u时的曲面表面等效成直径为D_u的圆，

以直径为横坐标，深度值为纵坐标绘制直径分布曲线图；

S44：在U个曲面表面中寻找与压痕面积A₀对应的曲面表面，得到该曲面表面对应的直径，从而得到该直径在直径分布曲线图中对应的深度z_T。

5.根据权利要求4所述的一种沥青路面纹理三维形状特性指标的测量方法，其特征在于，所述S41中计算压痕面积A₀具体为：

对压模纸上的印痕进行n次数值化处理，针对每一次数值化处理，将值大于0的点作为有效接触点，计算有效接触点构成的区域面积；计算n个区域面积的均值，将该均值作为印痕面积A₀。

6.根据权利要求4所述的一种沥青路面纹理三维形状特性指标的测量方法，其特征在于，所述S44中在U个曲面表面中寻找与压痕面积A₀对应的曲面表面，具体为：计算折损前的印痕面积A1＝A₀*γ；在U个曲面表中寻找面积值与A1最相近的曲面表面，作为与压痕面积A₀对应的曲面表面。

7.根据权利要求1所述的一种沥青路面纹理三维形状特性指标的测量方法，其特征在于，所述S5具体为：在集合B中提取出在z轴上深度值小于等于z_T的点，这些点构成的矩阵为m’行n’列，将这些点存储为集合B’，

其中z’(x_i’,y_j’)为m’行n’列矩阵中第i’行第j’列的点在z轴上的深度值，x_i’,y_j’分别为第i’行第j’列的点在x轴，y轴上的坐标值，i’＝1,2,…,m’；j’＝1,2,…,n’；

根据如下公式计算轮廓偏斜度S_k'：

其中，

表观各向异性度K_a'点的表达式如下所示：

其中，x表示x轴，y表示y轴,Δ_q的表达式为：

其中，Δx、Δy分别为三维激光扫描仪扫描时宽度和长度方向的间隔值；

驼峰度K_u'的表达式为：

平均倾斜角θ_s'表达式为：

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