胡斯然，周博聞，惠 冰

（1.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015； 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410008； 3.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064）

準確的車轍嚴重程度評價是路面養(yǎng)護時機與措施選擇的重要依據(jù)［1-7］。目前，非均布13點激光檢測車普遍應用于中國國省干線車轍的快速檢測［8-9］，受道路線形和駕駛員人為因素的影響，檢測車在檢測過程中將不可避免的出現(xiàn)橫向偏移［10-17］，引發(fā)激光檢測設備的測點偏離正常位置（如圖1所示），難以采集完整的車轍橫斷面形態(tài)，進而造成車轍深度偏移誤差的產生，甚至導致車轍嚴重等級的誤判，影響結果評價的可靠度［17］，進而影響?zhàn)B護時機與措施的科學決策［18-21］。

圖1 檢測車橫向偏移圖示［7］Figure 1 Illustration of vehicle lateral offset

為掌握多點激光檢測設備橫向偏移對車轍深度測量的影響，SIMPSON［22-23］等研究表明3點和5點激光檢測車行駛過程中會在左、右兩側隨機產生50～250 mm的橫向偏移，激光點數(shù)量越多偏移誤差越?。籅ENNETT［24］對比了30點激光檢測設備右偏移50、100、150 mm的車轍深度，表明偏移誤差受車轍幾何形狀的影響，存在高估與低估2種情況。MALLELA［25］提出多點激光檢測車橫向偏移距離實際可達500 mm；馬榮貴［26］基于正弦函數(shù)模擬的對稱W型車轍，分析了橫向偏移對等間距di激光傳感器量測的車轍深度檢測結果的影響，表明偏移距離為di／2時偏移誤差最大；Tsai［27］對比了3點、5點激光和三維線激光的車轍深度檢測結果，認為多點激光檢測設備的測點間距較大，發(fā)生橫向偏移后難以獲取車轍高程極值點，進而造成檢測車轍深度的低估。上述研究表明，檢測車橫向偏移將影響車轍深度測量的精度。但研究局限于模擬或單一實測的車轍橫斷面，并未考慮不同的車轍橫斷面形態(tài)；另外檢測車偏移距離設置偏小，無法涵蓋實際的偏移范圍。

本文采用非均布13點激光車轍檢測設備現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)，針對有隆起和無隆起2類典型車轍形態(tài)，研究了左、右2個偏移方向和3個偏移距離（100、300、500 mm）對車轍深度測量結果的影響，分析了偏移誤差的變化規(guī)律與原因及對車轍嚴重等級判定的影響。為車轍深度測量數(shù)據(jù)質量的評估和偏移誤差的修正提供依據(jù)。

1 檢測設備與方法

1.1 車轍檢測設備與深度計算方法

非均布13點激光車轍檢測設備廣泛應用于中國國省干線車轍的快速檢測，設備基于離散點的相對高度測量原理，布置了13個距路面300 mm的激光傳感器，其中9個垂直激光傳感器按照中間稀疏兩側密集的規(guī)律分布在檢測斷面上，4個傾斜激光傳感器布置在垂直激光傳感器的兩側以實現(xiàn)3 500 mm的最大檢測寬度，激光器布設如圖2所示。

圖2 非均布13點激光傳感器的布設示意圖 （單位：mm）Figure 2 Layout of non-uniformly distributed 13-point laser sensors（Unit：mm）

非均布13點激光檢測車所采集的車轍橫斷面相對高程原始數(shù)據(jù)見表1，第1行G代表國道，108表示道路編號；A代表上行線 （B代表下行線），1235代表檢測點的樁號，112和082分別代表左、右轍槽的車轍深度，單位為0.1 mm；第2行為激光傳感器距路面各點的相對高程，單位為0.1 mm；第3行為激光測點在檢測斷面上的橫向坐標，單位為1 mm。

車轍深度計算時需將檢測斷面中13個測點的橫向分布坐標 （表1中第3行）及其量測的相對高程數(shù)據(jù) （表1中第2行）還原成近似連續(xù)的車轍形態(tài)，再按照 《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60-2008）［28］中 “T 0973-3”規(guī)定的包絡線法計算得出兩側輪跡處橫斷面包絡線與道路表面間的最大垂直距離，即為車轍深度，見圖3。

表1 車轍橫斷面數(shù)據(jù)Table 1 Raw data of 13-point based laser bar tested

圖3 包絡線法測量車轍的原理Figure 3 Illustration of the wire line method

1.2 數(shù)據(jù)選擇與偏移誤差計算方法

本文采用2015年G108現(xiàn)場的共110組車轍檢測數(shù)據(jù)，通過車轍橫斷面形態(tài)分析選擇了典型的無隆起車轍52組數(shù)據(jù)，有隆起車轍58組數(shù)據(jù)，車轍深度計算分別采用圖3（a）和 （b）方法；未偏移時2類車轍形態(tài)及深度計算實例如圖4所示。

本文基于MATLAB軟件開發(fā)了車轍橫向偏移誤差計算程序，首先利用未偏移的13個激光點橫向坐標和相對高程建立近似連續(xù)車轍橫斷面，并計算偏移前的車轍深度D；其次，分別采用不同偏移距離和方向的非均布13點激光現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，構建偏移后的車轍橫斷面形態(tài)并計算車轍最大深度D；偏移前后車轍深度的絕對誤差即為偏移誤差。無隆起車轍分別向左、右兩側偏移距離d＝100、300、500 mm時，前后的橫斷面對比結果如圖5所示，圖5中虛線表示偏移前車轍，實線則表示偏移后車轍。

從圖5可以看出，隨著檢測車橫向偏移距離的增大，非均布13點激光難以獲取完整的轍槽形狀，導致在此基礎上計算的車轍深度偏移誤差產生；受最深轍槽位置、轍槽寬度和槽壁坡度等轍槽形態(tài)特征影響，雖然不同偏移方向的車轍形態(tài)存在一定差異，但偏移變化規(guī)律具有較高的一致性。

圖4 2類車轍形態(tài)及深度計算實例Figure 4 Two types of rutting patterns and depth calculation examples

圖5 偏移前后車轍橫斷面對比圖Figure 5 Simulated results of different offset magnitude

2 檢測結果與分析

2.1 車轍深度檢測結果

2.1.1 無隆起車轍

將52組無隆起車轍的左偏移數(shù)據(jù)按深度由小到大排列，對比偏移100、300、500 mm前后車轍深度測量結果，如圖6所示。

從圖6可知，當檢測車輛橫向偏移時，無隆起車轍的深度檢測結果隨偏移距離增加而不斷減小，偏移距離分別為100、300、500 mm時，最大偏移誤差分別為2.4、4.4、6.6 mm。無隆起車轍檢測偏移誤差的產生將導致車轍嚴重等級被低估。

圖6 無隆起車轍偏移前后深度檢測結果Figure 6 None upheaval rut depth detection results before and after lateral offset

2.1.2 有隆起車轍

有隆起車轍58組數(shù)據(jù)左偏移前后的車轍深度測量結果如圖7所示。

圖7 有隆起車轍偏移前后深度檢測結果Figure 7 Upheaval rut depth detection results before and after lateral offset

從圖7可以看出，有隆起車轍隨著偏移距離增大，深度檢測結果先減小后增大。當檢測車橫向偏移100 mm時，49組車轍橫斷面測量深度不同程度減小，最大偏移誤差為-4.6 mm；偏移距離為300 mm時，31組數(shù)據(jù)的車轍測量深度減小，27組數(shù)據(jù)的車轍測量深度增大，最大偏移誤差為2.8 mm；當偏移距離達到500 mm時，40組斷面的車轍深度測量結果高估，最大偏移誤差為4.1 mm。有隆起車轍檢測偏移誤差的產生會導致車轍嚴重等級的高估或低估。

2.2 車轍嚴重等級判定

目前中國 《公路技術狀況評價標準》 （JTG H20-2007）［3］以10、15 mm為輕、重度車轍嚴重等級判定閾值，準確的車轍嚴重等級評價是進行預防性養(yǎng)護時機與措施選擇的重要依據(jù)［29］。上述可知，檢測車橫向偏移會產生車轍深度檢測偏移誤差，進而造成車轍深度檢測結果被高估或低估，可能導致車轍嚴重等級的誤判，影響車轍嚴重程度的準確評價。

為分析偏移誤差對車轍嚴重等級評價準確性的影響，針對有、無隆起車轍形態(tài)的左、右2個偏移方向和3個偏移距離 （100、300、500 mm）對車轍嚴重等級評定的影響，將車轍嚴重等級未產生改變的視為正常，分別計算了等級正常、低估和高估3種情況比例。無隆起和有隆起車轍嚴重等級判定結果如圖8和圖9所示。

圖8 橫向偏移對無隆起車轍嚴重等級判定影響Figure 8 Influence of lateral offset on judgment of none upheaval rut severity level

圖9橫向偏移對有隆起車轍嚴重等級判定影響Figure 9 Influence of lateral offset on judgment of upheaval rut severity level

從圖8可以看出，檢測車橫向偏移會導致無隆起車轍形態(tài)嚴重等級被低估，隨著偏移距離不斷增大，低估比例逐漸增加；當偏移距離為100 mm時，現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)中最多有3.8%的車轍嚴重等級被低估；當偏移距離為300 mm時，最多有59.6%被低估；當偏移距離達到500 mm，最多有73.4%被低估。嚴重等級被低估的車轍可能會導致最佳養(yǎng)護時機的錯失，甚至影響車輛行駛安全性。

從圖9可以看出，有隆起車轍隨著偏移距離的不斷增大，嚴重等級判定呈現(xiàn)先低估后高估的趨勢；當偏移距離為100 mm時，最多有25.9%的車轍嚴重等級被低估；當偏移距離為300 mm時，最多有94.9%的車轍嚴重等級正常；當偏移距離為500 mm時，有隆起車轍最多有31.0%的嚴重等級被高估，可能導致養(yǎng)護周期縮短，造成養(yǎng)護資源浪費。

2.3 偏移誤差原因分析

通過上述分析，檢測車橫向偏移對有、無隆起車轍的嚴重等級判定準確性存在顯著影響。圖10為無隆起車轍偏移誤差示意圖。當檢測車向一側偏移時，另一測的邊緣激光傳感器測點將沿轍槽坡壁明顯下滑，13點激光測量將無法獲取車轍完整橫斷面形態(tài)。偏移后包絡線的變化，導致車轍深度結果減小，引起嚴重等級被低估。

圖11為有隆起車轍偏移誤差示意圖，車轍的隆起高于道路平面。因此，采用包絡線法分別計算左右轍槽深度時，非均布13點激光檢測設備受檢測寬度限制，無法獲取車轍邊緣隆起最高點。而偏移后包絡線的變化，使得車轍深度結果增大，引起嚴重等級的高估。另外，有隆起車轍在小于300 mm的低估則是由于車轍中部隆起高度較兩側隆起大，稀疏分布的激光傳感器測點在偏移產生時無法獲取中部隆起最高點，同時邊緣測點高程增長較小，造成車轍深度結果降低，引起車轍嚴重等級的低估。

圖10 無隆起車轍偏移誤差示意圖Figure 10 The effect of none upheaval rut characteristics to lateral offset

圖11 有隆起車轍偏移誤差示意圖Figure 11 The effect of upheaval rut characteristics to lateral offset

3 結論

a.無隆起車轍深度檢測結果隨偏移距離增加而不斷減小，有隆起車轍先減小后增大。檢測車橫向偏移會造成車轍偏移誤差產生，當偏移距離分別為100、300、500 mm時，無隆起車轍的最大偏移誤差為-2.4、-4.4、-6.6 mm，有隆起車轍的最大偏移誤差為-4.6、2.8、4.1 mm。

b.偏移誤差會導致車轍嚴重等級誤判，無隆起車轍嚴重等級被低估，隨著偏移距離不斷增大，嚴重等級被低估比例由3.8%增加至73.4%，車轍嚴重等級被低估可能會導致最佳養(yǎng)護時機的錯失，甚至影響車輛行駛安全性；有隆起車轍不同偏移距離時，分別存在高估和低估現(xiàn)象，最多有31.0%的車轍被高估，可能導致養(yǎng)護周期縮短，造成養(yǎng)護資源浪費。

c.無隆起車轍偏移誤差受最深轍槽位置和槽壁坡度影響；有隆起車轍分別受13點激光檢測設備受有效檢測寬度限制和激光器布設間距影響，導致偏移誤差產生。結論為車轍深度檢測數(shù)據(jù)質量評估與偏移誤差修正提供參考。