CN116150554B - 一种道路智能压实指标、测量计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种道路智能压实指标、测量计算方法及系统，涉及道路工程智能压实技术领域，拟解决现有谐波比类指标未考虑非整周期对准确性的影响同时也未考虑高次谐波使得智能压实控制指标使用的不准确的问题；本发明在现有技术基础上考虑了加速度时域信号中高次谐波与基波幅值的相对关系，将高次谐波的幅值引入智能压实控制指标的主体ICCV中，并建立了主体智能压实控制指标的使用前提，即机‑料脱耦控制指标JCC；同时也提出了提高计算智能压实控制指标的关键数据‑‑加速度信号的周期截断方法，以此来提高本发明提出的智能压实控制指标的准确性，显著提高了智能压实施工效率。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程智能压实技术领域，具体涉及一种道路智能压实指标、测量计算方法及系统。
背景技术
压实是道路施工过程中的一个重要环节，对道路进行符合目标要求的压实环节可以有效提高道路的强度、刚度及稳定性，传统的道路压实方法及压实质量检测方法在过去半个世纪为我国的基础建设作出了重要贡献，但传统的道路压实方法及压实质量检测方法也存在破坏性、检测滞后性及检测区域局限性的问题，智能压实技术能在很大程度上解决传统压实方法及压实质量检测方法的问题。
智能压实技术是在国外新兴的一种道路压实技术，近年来在我国得到较为迅速的发展，智能压实技术的核心主要包括两个方面，分别是压实质量连续检测技术和压实过程实时控制技术，前者主要通过与检测压实质量相关的传感器来实现，而后者主要依赖于基于自适应和自学习技术训练而成的智能压实控制系统软件，同时辅之以无人驾驶技术，实现智能压实施工标准化、统一化。
但智能压实技术由于是一项新兴的道路建设技术，在以下方面还存在一定问题：
（1）试验中使用智能压实控制指标时，所获取的计算智能压实控制指标的加速度信号多为非整周期的信号，若直接使用非整周期的加速度信号，则会带来谐波比类指标计算不准确的问题；
（2）目前应用最为广泛的谐波比类智能压实控制指标未考虑高次谐波的存在，同时缺少使用前提条件，同样会带来智能压实控制指标使用的不准确的问题。
因此，本发明拟在目前智能压实控制指标的基础上，提出更为精准的控制指标，并提供对应的加速度信号周期截断方法。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明拟提供一种道路智能压实指标、测量计算方法及系统，拟解决现有谐波比类指标未考虑非整周期对准确性的影响同时也未考虑高次谐波使得智能压实控制指标使用的不准确的问题。
一种道路智能压实指标，所述智能压实控制指标计算公式为：
；
式中：ICCV—智能压实控制指标；C—常数，取300；AΩ—加速度频域信号中基波对应的幅值；A2Ω—加速度频域信号中二次谐波对应的幅值；A3Ω—加速度频域信号中三次谐波对应的幅值；A4Ω—加速度频域信号中四次谐波对应的幅值；A5Ω—加速度频域信号中五次谐波对应的幅值；JCC—机-料脱耦控制指标。
优选的，所述JCC为智能压实控制指标的使用前提条件，具体公式如下：
；
式中：—加速度频域信号中半次谐波对应的幅值。
一种道路智能压实指标的测量计算方法，包括如下步骤：
步骤1：在压路机振动轮上安装加速度传感装置；
步骤2：开启加速度传感装置，振动压路机开启振动模式，开始施工；
步骤3：将加速度传感装置获取的加速度信号进行周期性截断处理；
步骤4：将周期性截断处理后的加速度信号进行智能压实控制指标的计算；
步骤5：将计算后的智能压实控制指标进行有效信号筛选；
步骤6：基于筛选之后的ICCV指标，对智能压实的现场或室内试验结果进行分析。
优选的，所述步骤3中周期性截断处理详细内容如下：每次截取1秒的信号，对截断信号进行降噪处理；然后舍去降噪后信号起始的多个不稳定点，在新信号末尾的一个周期内找到与第一个点相位相近的点，去除该点及之后的信号，即可实现信号的周期性截断。
优选的，所述步骤5中有效信号筛选的具体方法如下：剔除JCC指标为0的智能压实控制指标ICCV，留下筛选后的智能压实控制指标ICCV。
优选的，所述加速度传感装置，其量程大于振动压路机激振力振幅的5倍，小于振动压路机激振力振幅的10倍，采集频率大于500Hz，小于2000Hz。
优选的，所述降噪处理详细步骤如下：对原始信号进行傅里叶变换，然后将4倍基频以上分量置零，再通过傅里叶逆变换恢复，得到降噪后的信号。
优选的，所述步骤1中还包括在压路机振动轮上安装温度传感装置和含水率检测装置，所述温度传感装置用于获取沥青面层的施工温度,所述含水率检测装置用于检测路基土的含水率。
优选的，所述步骤6中实验结果的分析方法包括：
第一种、设定ICCV的合格阈值为A，A优选100，则ICCV值＞100时，则认为压实质量满足要求，反之则不满足要求；
第二种、引入统计学的方法进行压实均匀性评价；通过引入单变量统计学3σ准则，认为ICCV值处于（μ-3σ，μ+3σ）区间时，则认为压实均匀，反之则认为压实质量不均匀。
一种道路智能压实指标的测量计算系统，包括信号截断模块、指标计算模块、指标筛选及分析模块，所述信号截断模块用于将加速度传感装置获取的加速度信号进行周期性截断处理，所述指标计算模块用于将周期性截断处理后的加速度信号进行智能压实控制指标的计算，所述指标筛选分析模块用于将计算后的智能压实控制指标进行有效信号筛选并基于筛选之后的ICCV指标，对智能压实的现场或室内试验结果进行分析。
本发明的有益效果包括：
（1）本发明提出的智能压实控制指标在现有的智能压实控制指标的基础上，考虑了高次谐波及高次谐波与基波的对应关系，并且ICCV指标反映的不再是常见的幅值之比，而是谐波部分能量与基波能量的比值，其中之所以要用能量进行替代是因为信号的幅值并不满足叠加原理，即两个不同频率信号叠加后的幅值并不等于两个原始信号的幅值之和，但信号的能量却是可以叠加的，因此使用谐波能量和更为合理，从而使得ICCV指标具有更高的精准性与更好的稳定性。
（2）目前在计算智能压实控制指标时，是将加速度信号直接进行离散傅里叶变换，将加速度的时域信号转变为频域信号，进而对加速度频域信号的各谐波幅值进行计算；这样直接使用加速度信号进行智能压实控制指标的计算，会因为加速度信号的周期不完整性导致智能压实控制指标计算出现较大偏差，使智能压实控制指标的使用失去了意义，对此本发明建立了加速度信号周期性截断方法进行加速度信号的处理，并且本申请中的周期性截断并不是用来做连续信号的截取的，而是在截取信号的基础上做进一步处理，以提高其傅里叶变换的精度，除此之外本申请还提出了在截取信号的基础上做进一步周期性截断的方法，可以有效降低傅里叶变换泄露和栅栏效应带来的误差，因此本方法看似简单，但对于钢轮振动这种近似平稳的信号，效果要比常用的改变窗函数的方法要好，再者，因为原始信号噪声较强，不断振荡的数据会对周期判断造成干扰，因此不能直接在原始连续信号上截取整数个周期，经过实验按本申请中的方法，先截取一段信号，降噪后再做周期性截断，之后进行智能压实控制指标的计算，可显著提高智能压实控制指标的准确性。
（3）本发明专利提出了ICCV指标的适用条件；当压路机与被压实材料发生脱耦时，即当机-料脱耦时，智能压实控制指标ICCV不再适用，而当前的智能压实控制指标在使用时，没有考虑脱耦情况；本专利提出的ICCV指标的适用条件，同样可以提高其精准性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为实施例1涉及的一种道路智能压实指标的测量计算方法的流程图；
图2为实施例2涉及的一种道路智能压实指标的测量计算系统的结构示意图；
图3为实施例1涉及的原始振动信号的傅里叶变换频谱图；
图4为实施例1涉及的降噪信号的时域和频谱图；
图5为实施例1涉及的信号周期性截断后的频谱图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例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本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1：下面结合附图1、附图3-附图5对本发明的具体实施例做详细的说明；
一种道路智能压实指标，所述智能压实控制指标计算公式为：
；
式中：ICCV—智能压实指标；C—常数，取300；AΩ—加速度频域信号中基波对应的幅值；A2Ω—加速度频域信号中二次谐波对应的幅值；A3Ω—加速度频域信号中三次谐波对应的幅值；A4Ω—加速度频域信号中四次谐波对应的幅值；A5Ω—加速度频域信号中五次谐波对应的幅值；JCC—机-料脱耦控制指标，具体公式如下：
；
式中：—加速度频域信号中半次谐波对应的幅值。
一种道路智能压实指标的测量计算方法，包括如下步骤：
步骤1：在压路机振动轮上安装加速度传感装置；将加速度传感装置安装在压路机发生振动的钢轮中心轴位置，同时注意单轴的加速度传感装置的安装方向为垂直于地面，以此来获取压路机振动轮竖直方向的振动加速度信号；其中所述加速度传感装置，其量程为振动压路机激振力振幅的7倍，采集频率为1000Hz；此外还加装了温度传感装置以此来获取沥青面层的施工温度；
步骤2：开启加速度传感装置，振动压路机开启振动模式，开始施工；
步骤3：将加速度传感装置获取的加速度信号进行周期性截断处理；
其中周期性截断处理的具体方法为：
每次截取1秒的信号，对截断信号进行降噪处理。可通过对原始信号进行傅里叶变换（图3），由图3可看出：原始信号经历了傅里叶变换后，不仅存在基本频率和二次谐波对应的峰值，还存在其他高次谐波对应的峰值，依据本专利提出的智能压实控制指标的计算方法，应将4倍基频以上的峰值部分去处；在将4倍基频以上分量置零后，再通过傅里叶逆变换恢复，得到降噪后的信号（图4），由图4可看出：超过4倍基频对应的峰值已不存在，只剩下4倍基频之内对应的峰值。然后舍去降噪后信号起始的半个周期的数据点，在新信号末尾的一个周期内找到与第一个点相位相近的点，去除该点及之后的信号，即可实现信号的周期性截断（图5），由图5可看出：经过周期性截断的信号基本频率不发生改变，但基频对应的峰值增大，二倍基频对应的峰值同样增大，使后续计算出来的智能压实控制指标值减小；
步骤4：将周期性截断处理后的加速度信号进行智能压实控制指标的计算；
步骤5：将计算后的智能压实控制指标进行有效信号筛选；剔除JCC指标为0的智能压实控制指标ICCV，留下筛选后的智能压实控制指标ICCV。
步骤6：基于筛选之后的ICCV指标，对智能压实的现场或室内试验结果进行分析，分析过程如下：设定ICCV的合格阈值为100，ICCV值＞100时，则认为压实质量满足要求，反之则不满足要求。
本发明的道路智能压实指标，一方面，基于对现场以及室内试验得到的加速度信号进行的分析，发现在加速度频域信号的5次谐波内，皆对应存在显著的整次谐波的峰值，因此在智能压实控制指标考虑到了5次谐波；
另一方面，引入了压路机与被压实材料脱耦的判定条件JCC，并将JCC指标作为ICCV指标使用的前提条件。只有当JCC≠0时，表明压路机与被压实材料未发生脱耦，即压路机与被压实材料是时刻接触的，此时的ICCV指标才具有使用的意义；
综上，本发明的道路智能压实指标相对于现有的谐波比类智能压实指标具有更高的稳定性与更小的变异性。
实施例2：参照附图2，一种道路智能压实指标的测量计算系统，应理解，该系统与实施例1对应，能够执行附图1方法实施例涉及的各个步骤，该系统具体的功能可以参见上文中的描述，为避免重复，此处适当省略详细描述。如附图2所示，一种道路智能压实指标的测量计算系统，包括信号截断模块、指标计算模块、指标筛选及分析模块，所述信号截断模块用于将加速度传感装置获取的加速度信号进行周期性截断处理，所述指标计算模块用于将周期性截断处理后的加速度信号进行智能压实控制指标的计算，所述指标筛选分析模块用于将计算后的智能压实控制指标进行有效信号筛选并基于筛选之后的ICCV指标，对智能压实的现场或室内试验结果进行分析，其中分析方法为：引入统计学的方法进行压实均匀性评价；通过引入单变量统计学3σ准则，认为ICCV值处于（μ-3σ，μ+3σ）区间时，则认为压实均匀，反之则认为压实质量不均匀。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (6)
1.一种道路智能压实指标的测量计算方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1：在压路机振动轮上安装加速度传感装置；
步骤2：开启加速度传感装置，振动压路机开启振动模式，开始施工；
步骤3：将加速度传感装置获取的加速度信号进行周期性截断处理；
其中，所述周期性截断处理详细内容如下：每次截取1秒的信号，对截断信号进行降噪处理；然后舍去降噪后信号起始的多个不稳定点，在新信号末尾的一个周期内找到与第一个点相位相近的点，去除该点及之后的信号，即可实现信号的周期性截断；
所述降噪处理详细步骤如下：对原始信号进行傅里叶变换，然后将4倍基频以上分量置零，再通过傅里叶逆变换恢复，得到降噪后的信号；
步骤4：将周期性截断处理后的加速度信号进行智能压实控制指标的计算；
其中，所述智能压实控制指标计算公式为：
；
式中：ICCV—智能压实控制指标；C—常数，取300；AΩ—加速度频域信号中基波对应的幅值；A2Ω—加速度频域信号中二次谐波对应的幅值；A3Ω—加速度频域信号中三次谐波对应的幅值；A4Ω—加速度频域信号中四次谐波对应的幅值；A5Ω—加速度频域信号中五次谐波对应的幅值；JCC—机-料脱耦控制指标；
所述JCC为智能压实控制指标的使用前提条件，具体公式如下：
；
式中： —加速度频域信号中半次谐波对应的幅值；
步骤5：将计算后的智能压实控制指标进行有效信号筛选；
步骤6：基于筛选之后的ICCV指标，对智能压实的现场或室内试验结果进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种道路智能压实指标的测量计算方法，其特征在于，所述步骤5中有效信号筛选的具体方法如下：剔除JCC指标为0的智能压实控制指标ICCV，留下筛选后的智能压实控制指标ICCV。
3.根据权利要求1所述的一种道路智能压实指标的测量计算方法，其特征在于，所述加速度传感装置，其量程大于振动压路机激振力振幅的5倍，小于振动压路机激振力振幅的10倍，采集频率大于500Hz，小于2000Hz。
4.根据权利要求1所述的一种道路智能压实指标的测量计算方法，其特征在于，所述步骤1中还包括在压路机振动轮上安装温度传感装置和含水率检测装置，所述温度传感装置用于获取沥青面层的施工温度,所述含水率检测装置用于检测路基土的含水率。
5.根据权利要求1所述的一种道路智能压实指标的测量计算方法，其特征在于，所述步骤6中实验结果的分析方法包括：
第一种、设定ICCV的合格阈值为A，则ICCV值＞A时，则认为压实质量满足要求，反之则不满足要求；
第二种、引入统计学的方法进行压实均匀性评价，通过引入单变量统计学3σ准则，认为ICCV值处于（μ-3σ，μ+3σ）区间时，则认为压实均匀，反之则认为压实质量不均匀。
6.一种道路智能压实指标的测量计算系统，其特征在于，包括信号截断模块、指标计算模块、指标筛选及分析模块，
所述信号截断模块用于将加速度传感装置获取的加速度信号进行周期性截断处理，所述周期性截断处理详细内容如下：每次截取1秒的信号，对截断信号进行降噪处理；然后舍去降噪后信号起始的多个不稳定点，在新信号末尾的一个周期内找到与第一个点相位相近的点，去除该点及之后的信号，即可实现信号的周期性截断，其中所述降噪处理详细步骤如下：对原始信号进行傅里叶变换，然后将4倍基频以上分量置零，再通过傅里叶逆变换恢复，得到降噪后的信号；
所述指标计算模块用于将周期性截断处理后的加速度信号进行智能压实控制指标的计算；
其中，所述智能压实控制指标计算公式为：
；
式中：ICCV—智能压实控制指标；C—常数，取300；AΩ—加速度频域信号中基波对应的幅值；A2Ω—加速度频域信号中二次谐波对应的幅值；A3Ω—加速度频域信号中三次谐波对应的幅值；A4Ω—加速度频域信号中四次谐波对应的幅值；A5Ω—加速度频域信号中五次谐波对应的幅值；JCC—机-料脱耦控制指标；
所述JCC为智能压实控制指标的使用前提条件，具体公式如下：
；
式中：—加速度频域信号中半次谐波对应的幅值；
所述指标筛选分析模块用于将计算后的智能压实控制指标进行有效信号筛选并基于筛选之后的ICCV指标，对智能压实的现场或室内试验结果进行分析。
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