CN116008516A - 一种基于智能集料的沥青路面压实临界阈值确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于智能集料的沥青路面压实临界阈值确定方法，涉及一种沥青路面压实临界阈值确定方法。在预压实路面布设智能集料采集加速度和角度信号，智能集料连接数据存储模块、数据计算模块、压实反馈模块以及电源模块；压实路面的过程中通过数据计算模块调用信号数据进行计算并传输至压实反馈模块实时显示；数据计算模块根据加速度和角度信号，计算信号局部能量进而得出压实信号帧能量平均值；计算出当加速度和角度信号的CCT<1时的帧序列号，并计算两者帧序列号的最大值，根据CCT最大值帧序列号计算对应的压实时间确定为压实临界阈值。通过智能集料对沥青路面实时监测，根据智能集料姿态变化快速准确的计算压实临界阈值。
Description
技术领域
本发明涉及一种沥青路面压实临界阈值确定方法，尤其是一种基于智能集料的沥青路面压实临界阈值确定方法，属于沥青路面压实度检测技术领域。
背景技术
沥青混合料由多种材料组成，是一种非均匀、多相多层次的复杂颗粒体系，集料颗粒间的相互作用是沥青混合料压实紧密的主要成因。压实是沥青路面施工中重要的工序，而良好的压实质量能够有效提高沥青路面的服务质量和服役寿命，因此，准确测定压实度对沥青路面服役性能具有非常重要的意义。而在沥青路面压实度中，主要通过现场测试沥青路面密度并与实验室标准密度进行比值，作为沥青路面压实度。
目前，用于确定沥青路面压实度的方法主要分为钻芯取样方法和无损检测方法。钻芯取样方法是直接通过在新建路面中钻芯取样测试压实度，该方法会破坏沥青路面整体板体结构，而且检测周期长，影响工程进度；无损检测方法主要通过采用伽马射线、高频电磁波等具有传统能力的粒子流穿透沥青混合料，采集回波进行分析不同位置处沥青混合料密度，操作方便且能够快速检测，但是其选取的检测位置并不能普遍反应压实状况，且缺乏实时监测能力。
针对上述目前的沥青路面压实度检测方法存在的不足，亟需提供一种无需破坏沥青路面结构，并且能够对沥青路面压实度进行实时准确评估的检测方法。
发明内容
为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种基于智能集料的沥青路面压实临界阈值确定方法，它通过智能集料对沥青路面实时监测，根据智能集料姿态变化快速准确的计算压实临界阈值。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于智能集料的沥青路面压实临界阈值确定方法，包括以下步骤：
步骤一：智能集料路面布设
在预压实路面阵列布设智能集料，所述智能集料能够采集加速度和角度信号，首先将路面进行切槽处理，并根据智能集料的信号采集连接线进行刻槽以布置走向，同时在路肩部位对应每行智能集料依次连接数据存储模块、数据计算模块、压实反馈模块以及电源模块；
步骤二：压实路面信号采集
在摊铺沥青混合料之后压实路面的过程中，采集智能集料所在监测断面处的加速度和角度信号，并分别发送至对应的所述数据存储模块，之后通过对应的所述数据计算模块调用信号数据进行计算并传输至压实反馈模块，所述压实反馈模块具有显示屏能够进行实时显示；
步骤三：压实信号帧能量平均值确定
数据计算模块根据采集智能集料的加速度和角度信号，计算信号局部能量进而得出压实信号帧能量平均值，算法分为两部分：
3.1利用汉宁窗函数和帧移长度计算加速度和角度信号不同时刻的局部能量，计算公式如下：
式中：S(n)表示信号在时刻n的局部能量，x(i)表示信号时间序列，w(n)表示汉宁窗函数，M表示窗函数长度；
3.2根据不同时刻信号局部能量确定帧能量平均值
根据上一帧与下一帧的能量比值确定帧能量比值，进而计算帧能量平均值，计算公式如下：
式中：K(i)表示帧能量比值，CCT(j)表示帧能量平均值；
步骤四：压实临界阈值的确定
计算出当加速度和角度信号的CCT<1时的帧序列号，并计算两者帧序列号的最大值，计算公式如下：
CCT＝max[CCT(Angle),CCT(Acceleration)](5)
式中：Angle表示角度信号，Acceleration表示加速度信号，
根据CCT最大值帧序列号计算对应的压实时间确定为压实临界阈值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过智能集料实时监测沥青路面压实过程中颗粒间相互作用，对沥青路面实时压实状态进行准确评估，与传统压实度方法相比，本发明可根据智能集料姿态变化计算压实临界阈值，具有快速、准确的优势，易于推广和普及，可以用于沥青路面压实特性研究，作为一种沥青路面压实监测方法，对于提升沥青路面内部压实质量具有十分关键的意义。
附图说明
图1是实施例中智能集料布设示意图；
图2中(a)部分是实施例中8号智能集料的压实加速度信号；
图2中(b)部分是实施例中8号智能集料的压实角度信号；
图3中(a)部分是实施例中加速度信号局部能量；
图3中(b)部分是实施例中角度信号局部能量；
图4中(a)部分是实施例中加速度信号CCT值；
图4中(b)部分是实施例中角度信号CCT值；
图5是实施例中数据计算模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于智能集料的沥青路面压实临界阈值确定方法，包括以下步骤：
步骤一：智能集料路面布设
在预压实路面阵列布设智能集料，所述智能集料能够采集加速度和角度信号，首先将路面进行切槽处理，并根据智能集料的信号采集连接线进行刻槽以布置走向，同时在路肩部位对应每行智能集料依次连接数据存储模块、数据计算模块、压实反馈模块以及电源模块，所述电源模块宜采用太阳能电池板进行充电；
步骤二：压实路面信号采集
在摊铺沥青混合料之后压实路面的过程中，采集智能集料所在监测断面处的加速度和角度信号，并分别发送至对应的所述数据存储模块，之后通过对应的所述数据计算模块调用信号数据进行计算并传输至压实反馈模块，所述压实反馈模块具有显示屏能够进行实时显示；
步骤三：压实信号帧能量平均值确定
数据计算模块根据采集智能集料的加速度和角度信号，计算信号局部能量进而得出压实信号帧能量平均值，算法分为两部分：
3.1利用汉宁窗函数和帧移长度计算加速度和角度信号不同时刻的局部能量，计算公式如下：
式中：S(n)表示信号在时刻n的局部能量，x(i)表示信号时间序列，w(n)表示汉宁窗函数，M表示窗函数长度；
3.2根据不同时刻信号局部能量确定帧能量平均值
根据上一帧与下一帧的能量比值确定帧能量比值，进而计算帧能量平均值，计算公式如下：
式中：K(i)表示帧能量比值，CCT(j)表示帧能量平均值；
步骤四：压实临界阈值的确定
计算出当加速度和角度信号的CCT<1时的帧序列号，并计算两者帧序列号的最大值，计算公式如下：
CCT＝max[CCT(Angle),CCT(Acceleration)] (5)
式中：Angle表示角度信号，Acceleration表示加速度信号，
根据CCT最大值帧序列号计算对应的压实时间确定为压实临界阈值。
实施例(在哈尔滨绕城高速进行了实际应用)
一、利用机械设备在预压实路面阵列布设智能集料，本实施例中智能集料采用发明人硕士学位论文(梁尊东.基于智能集料的沥青路面车辙变形监测方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2021)中设计的智能集料，智能集料布设间距为25cm，监测断面间距为20m，埋深约为4cm，并在路肩部位布设数据存储模块(W25Q64SPI总线存储模块共15块)、数据计算模块(STM32单片机共15块)、压实反馈模块(p2全彩LED显示屏尺寸320mm×160mm共4块)以及电源模块，具体智能集料布设示意图结合图1所示，智能集料性能参数如下表1所示：
表1智能集料性能参数
| 性能参数 | 参数范围 |
| 加速度 | ±6g |
| 加速度分辨率 | 0.00075g/LSB |
| 温度范围 | -40℃～175℃ |
| 传输频率 | 0.1Hz～200Hz |
| 抗冲击力 | 1.96kN |
| 角速度 | ±2000°/s |
| 角速度分辨率 | 0.0061(°/s)/(LSB) |
| 角度 | X轴：±180°；Y轴：±90°；Z轴：±180°； |
| 角度分辨率 | 0.0055°/LSB |
二、在摊铺沥青混合料之后压实路面的过程中，采集相应监测断面处智能集料的加速度数据和角度数据并存入数据存储模块，本实施例中数据存储模块由单片机控制SD卡进行存储，通过数据计算模块调用数据进行计算并传输至压实反馈模块，以监测断面①中心位置的8号智能集料为例，压实过程中8号智能集料的数据结合图2所示，其中(a)部分为压实加速度信号，(b)部分为压实角度信号。
三、利用信号短时能量分析方法计算路面压实过程中加速度和角度信号局部能量，计算公式如下：
式中：S(n)表示信号在时刻n的局部能量，x(i)表示信号时间序列，w(n)表示汉宁窗函数，M表示窗函数长度。
本实施例中选取窗函数长度M＝50，帧移长度inc＝30，对信号进行分帧并计算每帧信号对应的时刻以及能量，根据上一帧与下一帧的能量比值确定帧能量比值，进而计算帧能量平均值，计算公式如下：
式中：K(i)表示帧能量比值，CCT(j)表示帧能量平均值，本实施例中n＝2。
采用公式(1)和公式(2)计算信号局部能量结合图3所示，其中(a)部分为加速度信号局部能量，(b)部分为角度信号局部能量。
采用公式(3)和公式(4)计算加速度信号和角度信号CCT值，当CCT<1时，认为此时智能集料加速度和角度变化幅度较小，集料颗粒旋转相互作用达到紧密程度，表明沥青路面压实已进入稳定阶段，结合图4所示，其中(a)部分为加速度信号CCT值，(b)部分为角度信号CCT值。
四、根据图4结果计算出当加速度和角度信号的CCT<1时的帧序列号，并计算两者帧序列号的最大值，计算公式如下：
CCT＝max[CCT(Angle),CCT(Acceleration)](5)
Angle表示角度信号，Acceleration表示加速度信号，根据CCT最大值帧序列号计算对应的压实时间确定为压实临界阈值，本实施例中在压实时间为133s时，沥青混合料达到较为稳定密实状态。
将上述算法集成数据计算模块，本实施例中块由15块单片机构成，其示意图结合图5所示，通过数据计算模块进行计算，并将计算结果传输至压实反馈模块，压实反馈模块具有电子显示屏，监测断面中未满足压实条件的智能集料可以在屏幕上显示。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (2)
1.一种基于智能集料的沥青路面压实临界阈值确定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：智能集料路面布设
在预压实路面阵列布设智能集料，所述智能集料能够采集加速度和角度信号，首先将路面进行切槽处理，并根据智能集料的信号采集连接线进行刻槽以布置走向，同时在路肩部位对应每行智能集料依次连接数据存储模块、数据计算模块、压实反馈模块以及电源模块；
步骤二：压实路面信号采集
在摊铺沥青混合料之后压实路面的过程中，采集智能集料所在监测断面处的加速度和角度信号，并分别发送至对应的所述数据存储模块，之后通过对应的所述数据计算模块调用信号数据进行计算并传输至压实反馈模块，所述压实反馈模块具有显示屏能够进行实时显示；
步骤三：压实信号帧能量平均值确定
数据计算模块根据采集智能集料的加速度和角度信号，计算信号局部能量进而得出压实信号帧能量平均值，算法分为两部分：
3.1利用汉宁窗函数和帧移长度计算加速度和角度信号不同时刻的局部能量，计算公式如下：
式中：S(n)表示信号在时刻n的局部能量，x(i)表示信号时间序列，w(n)表示汉宁窗函数，M表示窗函数长度；
3.2根据不同时刻信号局部能量确定帧能量平均值
根据上一帧与下一帧的能量比值确定帧能量比值，进而计算帧能量平均值，计算公式如下：
式中：K(i)表示帧能量比值，CCT(j)表示帧能量平均值；
步骤四：压实临界阈值的确定
计算出当加速度和角度信号的CCT<1时的帧序列号，并计算两者帧序列号的最大值，计算公式如下：
CCT＝max[CCT(Angle),CCT(Acceleration)] (5)
式中：Angle表示角度信号，Acceleration表示加速度信号，
根据CCT最大值帧序列号计算对应的压实时间确定为压实临界阈值。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能集料的沥青路面压实临界阈值确定方法，其特征在于：所述电源模块采用太阳能电池板进行充电。
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| GR01 | Patent grant |