一种基于浮动车技术的道路平整度信息采集方法

刘林+邹复民+方卫东

摘 要：文章提出一种利用浮动车进行道路平整度信息检测的方法，通过浮动车搜集道路的平均振动信息和gps信息，生成道路平均振动频谱，当道路振动值超过正常界限时认定道路平整度异常，从而达到辅助道路养护决策的目的。

关键词：浮动车技术；道路平整度；信息采集；方法

中图分类号：U491 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）06-0001-03c

道路养护信息包括：水泥混凝土路面结构连续性、沥青混凝土路面透水性、桥梁隧道养护信息监测等诸多内容，其直观的体现为路面坑洼、裂缝、车辙等病害[1]。目前国内外先后有美国阿肯色大学交通研究所研发的WayLink系统、英国TRL开发的HARRIS系统、澳大利亚CSIRO实验室的新一代道路信息采集检测系统RoadCrack、美国的PSI多功能道路采集检测系统、长安大学CT-501A高速激光道路检测车、武汉大学SINC-RTM车载智能路面自动检测系统、南京理工大学智能路况检测车等[2-4]，可以通过特定检测车辆实现道路路面图像、路面形状、道路平整度、路面破损分析功能[5-6]。现有的监测技术无论在检测精度、检测效率上都有了长足的发展，但是对昂贵的检测设备、检测车的依赖，导致其在实用性上大打折扣，无法大面积推广。

本研究主要针对道路的坑洼、裂缝、车辙等病害进行信息搜集，以道路运输车辆为载体，利用车辆上装载的振动传感模块和GPS模块，通过记录、比对海量带地理位置标签的道路振动信息，对振动异常的道路位置点进行标注，达到辅助道路养护决策的作用。

1 基于浮动车技术的道路平整度信息采集原理

1.1 基于浮动车技术的道路平整度信息采集基本原理

汽车本身就是一个具有质量、弹簧和阻尼的振动系统。在不平路面激励的作用下，只研究汽车车身的垂直振动，即Z轴的振动，就可以将汽车这样一个复杂的振动系统简化成单自由度的系统，即：

m■+c■+kx=f（t）（1）

式中，M为质量；K为刚度；c-为阻尼；t为时间；f（t）是激励函数；x（t）是响应函数。

在特定路段（无破损路段）的行车过程中，设激励函数f（t），而在有破损的道路行车过程中存在道路破损带来的随机振动 g（t），则激励函数有：

■（t）=f（t）+g（t） （2）

通过对比正常道路行车与特定路段的行车振动频谱可过滤出破损道路激励带来的异常频谱。

1.2 数据采集处理步骤

1.2.1 数据采集

浮动车在行驶过程中形成系列的关于时间、位置、速度、震动频率和刹车频率的行车数据序列信息，由此我们可以使用存储卡直接存储或者使用蜂窝网络发送后进行存储；所述行车数据序列行车数据序列xi可表示为[7]：

xi=（3）

式中，i是车数据序列x的编号；ui是车辆编号；li是位置信息；vi是速度；ψi是震动频率；fi是刹车频率。

1.2.2 动态信息维护

根据搜集的数据，对行驶道路进行分段，将每100 m作为一个单位点，得到路段集，表示为：

M=ms|s∈1，？渍（4）

式中，M是路段集；？渍为每100 m划分一个路段得到的常量；ms-为所述路段。

其中，ms可表示为：

ms=（5）

式中，s表示路段编号；

area■表示路段覆盖区域范围。

①在给定的时间段T内，浮动车ui在实验时间t路跑，产生行车数据序列xi，从中可获取位置信息li；当li∈area■时，将行车数据序列xi存储到路段数据库路段ms对应的位置，重复上述步骤依次提取行车数据序列直至处于时间段[t-T，t]的行车数据序列xi提取结束；

②从路段数据库路段ms对应的位置中依次提取处于[t-T，t]时间段行车数据序列xi中的震动频率ψi和刹车频率fi并求得路段ms的历史平均震动频率ψs和历史平均刹车频率fs，将路段历史平均震动频率ψs和历史平均刹车频率fs存储到路段数据库相应的位置并以滑动时间窗口T定期更新维护。

③将搜集的道路信息在道路数据中心加以储存分析，可得到行车序列路段平均震动频率ψs及路段历史平均刹车频率fs。当行车序列点xi的ψi和刹车频率fi大于或等于路段平均震动频率ψs或历史平均刹车频率fs时，触发系统记录道路异常点xi。

由此形成的道路养护监测信息zi包括浮动车车辆编号ui、时间信息ti、位置信息li、震动频率ψi、速度vi、刹车频率fi以及异常信号标记信息，且zi=。

④道路平整度信息入库。浮动车将得到的道路养护监测信息zi通过移动蜂窝通信技术传送到数据中心，数据中心将相应的数据存储到道路养护监测信息库中。

2 路面安装测试

2.1 振动检测装置安装

以福州闽运公交车作为浮动车母体，安装自行加工的车辆振动检测装置，如图1和图2所示。车辆振动检测装置利用X、Y、Z三轴，其中Z轴垂直于车底盘，X、Y保持水平，在车辆行驶过程中，即可通过X、Y两轴的位移变化，记录道路的振动情况；结合车载GPS位置信息，即可获取道路点的振动情况。

2.2 振动数据的生成

车辆在路跑过程中，形成了海量的带有GPS地理信息的振动数据。浮动车道路振动示意图，如图3所示，浮动车道路振动信息与GPS信息耦合后的数据示意图，如图4所示。

2.3 振动异常点的测取

2.3.1 车辆怠速状态数据分析

当车辆处于怠速状态时，可以采集到无路面激励下的车辆振动采样值。如图5（a）和图5（b）所示。由此可知在置信水平为0.95的条件下，无路面激励下汽车自身振动系统的采样值一般有|Δi|<500。

2.3.2 车辆行驶平整路面数据分析

当车辆行驶在平整路面时，除了汽车自身振动系统产生的激励还叠加了平整路面对汽车的激励。选取大学城新建道路做为实验道路，采集平整路面激励下浮动车振动采样值。如图6（a）和图6（b）所示，由此可知在置信水平为0.95的条件下，平整路面激励下振动采样系统的采样值一般有|Δi|<2000。

2.3.3 车辆通过破损路面数据分析

当车辆通过破损路面时，车辆会在自身振动系统及平整路面运行激励的基础上再叠加破损路面的激励。实验中选取一条存在破损的道路，浮动车以60 km/h的速度反复通过一个沟壑，采集通过沟壑前后共计6 s的振动采样值，约100条。可以得出车辆通过沟壑时的振动采样值分析得出破损道路的振动采样阈值。浮动车四次通过沟壑的振动频谱，如图7所示。可知通过沟壑瞬时的振幅一般有|Δi|>4000。

2.4 道路平整度信息的生成

根据浮动车日常道路运营中形成的振动信息及gps信息，结合异常点的判断，形成道路振动信息，由此可以判断道路的平整度状况，如图8所示。由平整路面实验分析可知，两条红线区域内的振动采样变化值Δi<2000，可认定为路面状况优良，无需维护；超过红框区域的振幅为路面激励作用较大，即路面存在不同程度破损，需要维护。

将道路振动频谱导入道路地图土层后即生成的效果示意图，如图9所示。

根据实际情况与系统生成效果示意图比对，基本符合实际情况，即：金桔路、建新中路、二环尤溪洲桥下桥处等几初存在道路振幅异常，经实地查勘后金桔路、建新中路路面坑洼较厉害，二环尤溪洲桥下桥处由于桥面落差较大，下桥时容易“跳车”引起震动异常。

3 结 语

本文基于浮动车加载GPS、振动传感器搜集道路振动信息，利用大数据技术进行道路平整度检测，实验表明此方法具有现实可行性。该方法比传统的检测车检测具有使用、维护简单，成本低廉的优点。

参考文献：

[1] 李志栋.中国道路管养新模式的研究[J].公路，2015，（10）.

[2] 吴志华.基于车辆—道路耦合系统下的道路友好特征研究[D].重庆：重 庆交通大学，2010.

[3] 宋波，郭大进，马力.沥青路面试验检测数据验证方法研究[J].公路交通 科技，2012，（5）.

[4] 邓强，葛俊锋，罗予频.一种对不确定区域再分类的路面检测算法[J].计 算机工程与应用，2010，（31）.

[5] 俞先江，马圣昊，王正，等.探地雷达技术在国省干线公路早期病害防治 中的应用[J].公路，2015，（8）.

[6] 周晓青，孙立军.国际平整度指数与路面功率谱密度相关关系研究及 验证[J].土木工程学报，2007，（1）.

[7] 刘林，邹复民，蒋新华，等.一种基于浮动车技术的道路养护信息采集方 法[P].中国：1631776，2013-01-11.