陳惠萍

（上海林同炎李國(guó)豪土建工程咨詢有限公司，上海市200434）

數(shù)字化技術(shù)對(duì)瀝青路面抗滑評(píng)價(jià)的應(yīng)用

陳惠萍

（上海林同炎李國(guó)豪土建工程咨詢有限公司，上海市200434）

模擬制備了道路不同使用階段下的A C-13、SMA-13混合料試件，通過便攜式手持3D掃描設(shè)備，掃描獲取試件表面的紋理，運(yùn)用G eo m a g ic軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理、M a tl ab軟件對(duì)紋理的統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)進(jìn)行提取計(jì)算，并基于M u r a t E r g u n的研究理論，建立I S O規(guī)定的Ra、Rq、La、Lq以及M P D等斷面統(tǒng)計(jì)指標(biāo)與摩擦系數(shù)之間的數(shù)值關(guān)系模型。通過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果具有良好的相關(guān)性，證明該數(shù)值計(jì)算方法可以有效地預(yù)估路面的抗滑性能。

瀝青路面；紋理掃描；數(shù)字化技術(shù)

0 引言

路面的抗滑性能是評(píng)價(jià)道路運(yùn)營(yíng)安全的一個(gè)重要指標(biāo)，而道路表面的紋理水平是決定其抗滑水平的主要因素。對(duì)于瀝青混凝土路面來說，路表的紋理水平高低將直接影響到路面與輪胎的接觸效果，繼而對(duì)車輛在路面行駛時(shí)的制動(dòng)特性、行車穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[1]。隨著圖像采集、成像技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，運(yùn)用計(jì)算機(jī)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算因效率高、精度大、適用范圍廣的特點(diǎn)而逐漸被國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用[2-5]。本文通過便攜式手持3D掃描設(shè)備獲取試件表面的紋理，采用計(jì)算機(jī)平臺(tái)建立抗滑性能評(píng)估模型，通過數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)瀝青路面抗滑性能評(píng)價(jià)，這大大減少了試驗(yàn)的繁瑣與誤差，對(duì)提高工程施工效率具有重大的意義。

1 試件制備

目前，應(yīng)用于瀝青路面上面層的混合料類型主要有瀝青混凝土混合料（A C）和瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）。這2種瀝青混合料具有不同的工程性能與宏觀構(gòu)造，本次試驗(yàn)以A C-13、SMA-13為例，集料采用昊天路橋工程公司提供的玄武巖，瀝青采用中國(guó)石化提供的70#基質(zhì)瀝青，通過添加T P S高模量劑改性。

為了證明模型的普適性，分別制備5塊A C-13試件和5塊SMA-13試件，除各保留1塊試件作為初始狀態(tài)評(píng)價(jià)之外，其余試件分別進(jìn)行不同程度的磨光，用以模擬路面磨損后的情況。

為了評(píng)估數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在10塊試件制作處理完成后，均采用動(dòng)摩擦系數(shù)儀進(jìn)行摩擦系數(shù)的測(cè)定，以便與后期的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2 瀝青路面表面紋理數(shù)據(jù)獲取

2.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

本試驗(yàn)采用的便攜式3D激光掃描儀H a ndy S C A N 3D（圖1）由C R E AM F O R M公司設(shè)計(jì)研發(fā)，該設(shè)備最大的特點(diǎn)是小巧獨(dú)立，無需外部定位系統(tǒng)，也無需使用測(cè)量臂、三角架或夾具，由于質(zhì)量不到1 k g，所以能夠裝入隨身攜帶的手提箱，帶到各個(gè)地點(diǎn)，并且可以在內(nèi)部或現(xiàn)場(chǎng)，甚至在狹小空間內(nèi)輕松使用。

圖1 HandySCAN手持式3D激光掃描儀

2.2 使用方法

使用H a ndy S C A N設(shè)備進(jìn)行瀝青路面紋理掃描的操作流程主要包括：光學(xué)反射靶的布置、儀器的連接、掃描儀校準(zhǔn)、掃描、點(diǎn)云文件的導(dǎo)出。

掃描開始前，先根據(jù)待掃描試件的大小，在地上放置光學(xué)反射靶，大致包絡(luò)出待掃描范圍（圖2）。該掃描儀使用光學(xué)反射靶來形成鎖定至部件自身的參考系統(tǒng)，使掃描期間可以根據(jù)需要來移動(dòng)物體（動(dòng)態(tài)參考），而且周圍環(huán)境的變化不會(huì)影響數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和精度。

圖2 待掃描試件與光學(xué)反射靶

掃描時(shí)將掃描儀與筆記本電腦連接，打開V x ele m e n t s軟件，首先按照所需的頻率對(duì)掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)以確保其處于最佳工作狀態(tài)，然后對(duì)光學(xué)反射靶進(jìn)行掃描，以確定預(yù)掃描區(qū)域。接下來放置試件，開始對(duì)試件表面進(jìn)行掃描。掃描采用7條激光十字線外加1條直線，通過三角測(cè)量法來實(shí)時(shí)確定自身與被掃描部件的相對(duì)位置，將掃描得到的試件模型實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在V x ele m e n t s軟件界面中（圖3）。當(dāng)試件所有部分掃描結(jié)束后，完成數(shù)據(jù)采集，可以在初步優(yōu)化數(shù)據(jù)以后直接網(wǎng)格輸出，保存為.s tl文件，稍后再作進(jìn)一步處理。

圖3 試件掃描與顯示界面

3 瀝青路面表面紋理數(shù)據(jù)預(yù)處理

掃描后的文件以三角網(wǎng)文件輸出，由于選取的坐標(biāo)系是在掃描儀內(nèi)部就確定的，因此與大地坐標(biāo)并不一致。為了方便之后對(duì)數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算，先采用G eo m a g ic軟件對(duì)掃描得到的模型進(jìn)行預(yù)處理。

首先將需要處理的文件導(dǎo)入G eo m a g ic s t u di o，任意選取一個(gè)視圖，在試件表面對(duì)角線處選取2個(gè)點(diǎn)作為參照，通過高級(jí)對(duì)象移動(dòng)器，使1，2兩點(diǎn)連線與水平軸線平行并重定向模型（圖4）。改變視圖，重復(fù)上述操作，經(jīng)過2～3次變換，基本可以實(shí)現(xiàn)模型與大地坐標(biāo)系達(dá)成一致。

圖4 模型旋轉(zhuǎn)實(shí)例

由于后期需要在極坐標(biāo)系下對(duì)模型進(jìn)行切割取值，為了便于計(jì)算，還需將坐標(biāo)原點(diǎn)移動(dòng)到模型中點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)模型坐標(biāo)系的最終轉(zhuǎn)換，此時(shí)俯視圖為一個(gè)矩形，主視圖和左視圖為一條幾乎與坐標(biāo)軸重合的直線（圖5）。

圖5 預(yù)處理后模型

將處理完成的模型保存成.a sc文件，便于后期處理?？梢圆捎肗 ote pa d++打開讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖6），其中，前3列分別代表x、y、z坐標(biāo)，后3列表示激光強(qiáng)度，可以忽略不計(jì)。

圖6 點(diǎn)云文件讀取示例

4 路表紋理指標(biāo)與摩擦系數(shù)關(guān)系

4.1 斷面基本統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

路表紋理可以理解為波，那么在道路工程路面性能檢測(cè)和研究中就可以通過一些基本的數(shù)值統(tǒng)計(jì)方法來定義路表紋理水平[6]。I S O組織針對(duì)物體表面形貌特征，開發(fā)了兩套指標(biāo)[7]，旨在考察垂直方向?yàn)r青路面的形貌變化和旨在考察水平方向?yàn)r青路面形貌的變化。

4.1.1 旨在考察垂直方向?yàn)r青路面形貌變化的指標(biāo)

該套指標(biāo)包含斷面垂直方向的平均偏差（Ra）、斷面深度均方根偏差（Rq）和平均斷面深度（M P D）。

斷面垂直方向的平均偏差（Ra）是指在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓偏距絕對(duì)值|yi|的算術(shù)平均值，在一定程度上表征了輪廓高度相對(duì)其中線的離散程度，由式（1）定義：

式中：n是所選取采樣點(diǎn)總個(gè)數(shù)，為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的斷面深度。斷面深度均方根偏差（Rq）表示輪廓高度偏離中線的程度，由式（2）定義：

平均斷面深度（M P D）是目前分析路面宏觀紋理最常用到的指標(biāo)，它是指將路面試件沿某一方向切開得到縱斷面后（見圖7），計(jì)算斷面上所有高度的均值（h），然后沿水平方向?qū)⒔孛娣殖蓛啥?，分別計(jì)算每段最高點(diǎn)的高度（h1和h2），再按下式計(jì)算得到：

圖7 平均斷面深度計(jì)算示意圖

4.1.2 旨在考察水平方向?yàn)r青路面形貌變化的指標(biāo)

該套指標(biāo)包含斷面平均波長(zhǎng)（La）和斷面波長(zhǎng)的均方根（Lq）。

定義這兩個(gè)指標(biāo)之前，首先要對(duì)斷面的平均斜率Da和斷面斜率的平方根進(jìn)行定義，具體公式如下：

式中：Δy為斷面中可計(jì)量點(diǎn)縱坐標(biāo)yi和yi+1之間的差值，Δx為橫坐標(biāo)xi和xi+1之間的差值。

根據(jù)以上定義，于是La、Lq可分別由式（6）、式（7）定義：

4.2 路表紋理與摩擦系數(shù)的關(guān)系

根據(jù)前人研究成果，路表紋理深度水平與路面抗滑性能之間的關(guān)系需要通過紋理水平的數(shù)學(xué)指標(biāo)與摩擦系數(shù)或車速衰減規(guī)律建立起來，但是大多數(shù)的聯(lián)系都建立在摩擦系數(shù)和滑移速度之間，常用的P e nn S t a te模型、修正的P e nn S t a te模型、P I A R C模型以及國(guó)際摩阻系數(shù)I F I的表達(dá)中，給出的都是摩擦系數(shù)與滑移速度之間的關(guān)系[8]。

M u r a t E r g u n借助I S O規(guī)定的Ra、Rq、La、Lq以及M P D等斷面統(tǒng)計(jì)指標(biāo)[9]，建立了摩擦系數(shù)與路面紋理水平的數(shù)值關(guān)系模型，該模型采用的基本表達(dá)形式為：

式中：F0指滑移速度為0時(shí)的摩擦系數(shù)，它與宏觀紋理維度的M P D和微觀紋理維度的Rq之間存在如下關(guān)系：

-1/T指滑移速度與摩擦系數(shù)衰減曲線的斜率，它與宏觀維度的M P D和微觀維度的Rq之間存在如下關(guān)系：

通過式（8）～式（10），可以得到路面摩擦系數(shù)與路面宏觀紋理、微觀紋理之間的關(guān)系，那么通過對(duì)試件掃描結(jié)果的數(shù)據(jù)提取，就可以實(shí)現(xiàn)在數(shù)字平臺(tái)上獲取摩擦系數(shù)的目標(biāo)。

針對(duì)前面H a ndy S C A N掃描得到的點(diǎn)云格式數(shù)據(jù)，希望通過數(shù)值計(jì)算軟件，提取出針對(duì)不同瀝青路面表面紋理數(shù)值模型的具體數(shù)據(jù)。由于模型數(shù)據(jù)量龐大，如果采用三維數(shù)據(jù)計(jì)算，會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算效率，因此選取試件的橫斷面，將三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二維數(shù)據(jù)，再進(jìn)行具體指標(biāo)的計(jì)算。

試件的俯視圖見圖8，其中黑色方形為整塊車轍板，藍(lán)色陰影為磨光區(qū)域，采用調(diào)取M a tl ab內(nèi)部函數(shù)的方法直接讀取a sc文件中的數(shù)據(jù)，建立3個(gè)矩陣，分別存放x、y、z的坐標(biāo)值。為了保證分析結(jié)果的可靠性，減少隨機(jī)性帶來的誤差，界面切割時(shí)以圓心為中心點(diǎn)，保證每隔45°選取1個(gè)截面，總共選取8個(gè)截面（圖中截面①～⑧），分別計(jì)算指標(biāo)，篩掉異常點(diǎn)后，再以平均值代表該階段的最終指標(biāo)。

圖8 分析截面選取示例

由于前期是由人工調(diào)節(jié)使模型與大地坐標(biāo)對(duì)齊的，人眼誤差的存在使宏觀上產(chǎn)生一個(gè)斜面，從而導(dǎo)致各點(diǎn)不在同一基準(zhǔn)面上，因此截面選取完成后，要首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將各點(diǎn)轉(zhuǎn)換至同一基準(zhǔn)面。以截面①為例，讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到橫截面，首先將高度數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成一條趨勢(shì)線，再用原始數(shù)據(jù)值減去趨勢(shì)線上的值，就可以得到消除斜面以后在同一基準(zhǔn)線上的數(shù)據(jù)。圖9顯示了斜面消除前后的對(duì)比效果。

圖9 斜面消除前后對(duì)比

接下來根據(jù)式（2）、式（3）、式（6）、式（9）、式（10）對(duì)調(diào)整后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，由于在國(guó)際摩阻指數(shù)中，選取60 km/h作為標(biāo)準(zhǔn)速度[10]，因此本文也選取速度為60 km/h進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，如圖10所示。

從圖10可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的路面使用階段，無論是A C試件還是SMA試件，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果整體具有很高的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9。因此該數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有可靠性，在沒有條件進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)的情況下，可以根據(jù)路面紋理數(shù)據(jù)，通過數(shù)值計(jì)算直接得到路面摩擦系數(shù)。

圖10 計(jì)算摩擦系數(shù)與實(shí)測(cè)摩擦系數(shù)對(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于不同的路面使用階段，無論是A C試件還是SMA試件，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果整體具有很高的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9。

（2）當(dāng)受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，測(cè)量路面摩擦系數(shù)有困難時(shí)，可以采取數(shù)值計(jì)算方法，通過非接觸式掃描，得到路面表面紋理，直接在計(jì)算機(jī)中處理計(jì)算并得到對(duì)應(yīng)的路面摩擦系數(shù)。

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U416.217

A

1009-7716（2017）06-0266-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.079

2017-03-21

陳惠萍（1965-），女，上海人，工程師，從事道路工程設(shè)計(jì)工作。