李俊麗

（重慶交通大學(xué),重慶 400000）

0 引言

隨著瀝青道路的建設(shè)、車輛通行量的增加，交通事故頻繁發(fā)生，行車安全問(wèn)題日益突出。從摩擦學(xué)的角度來(lái)看，影響瀝青路面抗滑性能的因素很多，如路面紋理、天氣條件、輪胎-路面耦合摩擦等[1]。瀝青路面的抗滑性能主要取決于路面表面的紋理構(gòu)造。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)瀝青路面的抗滑性能主要從路面摩擦因數(shù)和構(gòu)造深度兩方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，由于測(cè)試儀器與原理的不同，各種抗滑性能評(píng)價(jià)方法存在一定局限性[2]。

1 瀝青路面表面紋理構(gòu)造類型

路面紋理構(gòu)造表示路面在特定波長(zhǎng)和振幅范圍內(nèi)偏離理想平面的程度[3]。波長(zhǎng)和振幅作為劃分標(biāo)準(zhǔn)將路面表面紋理分為如表1所示的四種紋理類型:微觀紋理、宏觀紋理、巨紋理和不平整度。每種紋理類型對(duì)路面性能的影響是不同的：微觀紋理影響低速摩擦，宏觀紋理對(duì)高速摩擦、滾動(dòng)阻力、表面排水和噪聲有顯著影響，而巨紋理和不平整度主要影響行車噪聲、行車舒適性和車輛穩(wěn)定性[4]。

表1 路表紋理構(gòu)造分類

對(duì)于宏觀紋理的測(cè)量，傳統(tǒng)的測(cè)試手段采用鋪砂法和流溢時(shí)間法，分別從構(gòu)造深度和排水時(shí)間的角度反映宏觀紋理的狀況，通常用平均構(gòu)造深度（MTD）和平均斷面深度（MPD）來(lái)表征宏觀構(gòu)造[5]。有研究表明相同平均構(gòu)造深度（MTD）但是摩擦系數(shù)不同，這可能與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法的局限性以及由此產(chǎn)生的紋理參數(shù)及其對(duì)摩擦的影響有關(guān)[6-9]。如不同紋理分布的路面平均構(gòu)造深度（MTD）可能一樣，但它們所表征的抗滑性能可能不同[10-12]。證明僅依靠傳統(tǒng)方法測(cè)量的摩擦系數(shù)和平均構(gòu)造深度（MTD）無(wú)法準(zhǔn)確全面評(píng)價(jià)路面抗滑能力。雖然MTD和MPD可以代表路面表面紋理的整體特性，但是不能準(zhǔn)確表征路面紋理的分布和范圍。

微觀紋理結(jié)構(gòu)與路面表面的微觀粗糙度有關(guān)，很難在現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量。目前，通常采用擺式儀所測(cè)得的摩擦系數(shù)間接表征路面的微觀紋理構(gòu)造[13]，具有容易操作、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量結(jié)果易受人為、環(huán)境等因素影響，測(cè)量精度不高。近年來(lái)，圖像采集、激光掃描技術(shù)的發(fā)展為瀝青路面表面紋理的研究提供了新的方向。通過(guò)掃描設(shè)備，可以直接獲取路面紋理的二維或三維形貌，這種掃描結(jié)果不僅更加直觀，且具有很高的精度。通過(guò)自動(dòng)化路面表面紋理測(cè)量和數(shù)據(jù)分析過(guò)程，可以快速有效地估計(jì)路面紋理特性[14]。

綜上所述，摩擦系數(shù)不能準(zhǔn)確地表征微觀紋理的特征，不能明確微觀紋理結(jié)構(gòu)對(duì)路面摩擦性能的影響，因?yàn)闇y(cè)量時(shí)摩擦系數(shù)的大小還受宏觀紋理和其他影響因素的影響[15]。目前常用的宏觀紋理的參數(shù)MPD和MTD及微觀紋理參數(shù)摩擦系數(shù)，不足以全面評(píng)估路面的抗滑性能[16]。因此針對(duì)路面紋理特征的評(píng)價(jià)指標(biāo)還需進(jìn)一步的研究，從而提出更加詳細(xì)描述路面紋理信息評(píng)價(jià)參數(shù)。

2 瀝青路面表面紋理構(gòu)造特征參數(shù)

2.1 常用的單一特征評(píng)價(jià)參數(shù)

工程中表述宏觀紋理構(gòu)造深度的兩特征參數(shù)分別為平均構(gòu)造深度MTD和平均斷面深度MPD，同時(shí)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD50—2017）[17]中采用橫向力系數(shù)SFC和構(gòu)造深度TD作為路面抗滑能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。雖然目前表2中常用的評(píng)價(jià)參數(shù)具有測(cè)量操作簡(jiǎn)單、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，但是測(cè)量結(jié)果受人為因素或環(huán)境因素影響較大，因此還需嘗試研究自動(dòng)化測(cè)量方法以提高測(cè)量的效率及測(cè)量結(jié)果精度。

表2 常用的路面紋理評(píng)價(jià)參數(shù)

諸多學(xué)者對(duì)路面表面紋理的評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)進(jìn)行了研究，表面紋理指標(biāo)獲取手段和紋理參數(shù)多種多樣，紋理獲取手段包括鋪砂法、圖像處理方法、激光紋理掃描方法等、紋理指標(biāo)主要包括幾何指標(biāo)和統(tǒng)計(jì)指標(biāo)[18]。學(xué)者基于集料顆粒特性、輪胎有效接觸面積等研究理論提出相關(guān)紋理參數(shù)，并驗(yàn)證其用于評(píng)價(jià)路面抗滑性能的可行性。

邱志雄[19]采用CT掃描技術(shù)實(shí)驗(yàn)分析手段，針對(duì)瀝青路面層結(jié)構(gòu)約1～2 cm尺寸范圍內(nèi)的抗滑構(gòu)造影響深度，探索從準(zhǔn)三維尺度以角度描述和分形描述為基礎(chǔ)的宏觀輪廓的提取和衰減分析。根據(jù)不同粗糙程度路面的宏觀輪廓線所表現(xiàn)出不同的空間分布形態(tài)，在研究中采用輪廓峰頂夾角值α單一參數(shù)評(píng)價(jià)瀝青路面抗滑性能。將測(cè)量并經(jīng)濾波處理后所得的路面輪廓線上每一個(gè)波峰認(rèn)為路面上的一個(gè)小顆粒，即輪廓峰頂夾角α表征了突出的集料的顆粒形態(tài)，夾角值越小，則說(shuō)明集料顆粒越窄，抗滑性能越好。

藍(lán)忠志[20]應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)分析處理得到的二值化路表紋理結(jié)構(gòu)圖，計(jì)算分析后得出結(jié)論上凹區(qū)域面積率與摩擦系數(shù)兩者擬合曲線近似呈拋物線，有明顯的相關(guān)性。在對(duì)瀝青路面抗滑性能做出評(píng)價(jià)時(shí)，可從上凸區(qū)域面積率的大小進(jìn)行側(cè)面評(píng)價(jià)。

錢朝清[21]利用CT掃描技術(shù)提取出芯樣表面輪廓后提出紋理參數(shù)PLindex指標(biāo)，并驗(yàn)證PLindex與BPN、MTD、SP、F60的相關(guān)性均為強(qiáng)相關(guān)。表明用PLindex表征路表紋理特征是有效可行的。

Pranji?[22]等人根據(jù)圖像分析方法提取路面紋理后進(jìn)行三維模型重構(gòu)基于二維剖面分析，所選取的參數(shù)分別為峰高Rm、平均高度Ra、均方根粗糙度Rms、偏度Rsk和峰度Rku。分析結(jié)果顯示峰高Rm、均方根粗糙度Rms與SRT、MPD均為強(qiáng)相關(guān)可替代表征路面紋理特征。

劉夢(mèng)梅[23]通過(guò)構(gòu)建穩(wěn)健高斯濾波器，使路面表面原始輪廓經(jīng)過(guò)有效接觸輪廓截取、重構(gòu)和宏、微觀波識(shí)取處理后，在有效接觸輪廓中識(shí)取路面宏、微觀紋理波，進(jìn)而計(jì)算宏、微觀尺度路面紋理幾何統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，提出有效接觸輪廓紋理指標(biāo)：Ra、Rq、Rsk、Rku、MTD、MPD、Rsm、LR、D、LTX,0.5-32、LTX,0.06-0.5。驗(yàn)證了除Rsk和LTX指標(biāo)，接觸輪廓宏觀紋理指標(biāo)與DF60顯著相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)大于未處理的原始輪廓紋理指標(biāo)與DF60的相關(guān)系數(shù)。同理，相較于原始路面輪廓紋理指標(biāo)，接觸輪廓微觀紋理指標(biāo)與DF20的相關(guān)性更為顯著。驗(yàn)證路面紋理評(píng)價(jià)方法考慮輪胎、路面接觸情況，可以有效提高路面表面紋理指標(biāo)用于分析路面抗滑性能的準(zhǔn)確度。

2.2 三維紋理特征參數(shù)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出許多路面三維形貌參數(shù)用于評(píng)價(jià)路面抗滑性能，按照指標(biāo)物理意義和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，可將這些指標(biāo)分為高度相關(guān)指標(biāo)、波長(zhǎng)相關(guān)指標(biāo)、形狀相關(guān)指標(biāo)及綜合相關(guān)指標(biāo)四類。下述學(xué)者基于激光測(cè)量法、近景攝影測(cè)量法研究三維紋理特征參數(shù)用于表征路面粗糙程度。

張淑文[24]基于三維激光紋理儀測(cè)量技術(shù)手段獲取豐富的路面紋理手段，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)得路表輪廓的三維模型表面，選用改進(jìn)的覆蓋投影法計(jì)算曲面分形維數(shù)。分析得出路面表面分形維數(shù)與摩擦系數(shù)相關(guān)性極強(qiáng)，相關(guān)性系數(shù)為0.961，表明可使用路表面分形維數(shù)在一定程度上可以表征路面粗糙程度指標(biāo)。

楊躍琴[25]借助高精度激光掃描儀和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)儀對(duì)6條道路跟蹤測(cè)試，借助SPSS軟件對(duì)采集的宏觀紋理指標(biāo)和動(dòng)摩擦系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)宏觀紋理指標(biāo)Ra、Rq、Rz、Rku與MPD極強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，因此推薦可用以上指標(biāo)表征路面的抗滑性能。

Kogbara等人[26]利用近景攝影測(cè)量法測(cè)量了路面，使用GripTester收集路面摩擦力數(shù)據(jù)，評(píng)估了使用手持?jǐn)z像機(jī)從CRP測(cè)量中獲得的紋理參數(shù)與使用GripTester測(cè)量的路面摩擦力之間的關(guān)系。逐步回歸表明，峰值密度（Spd）和峰值材料體積（Vmp）與摩擦力的相關(guān)性最佳（R2=0.75-0.76），驗(yàn)證這些參數(shù)可用作路面摩擦力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 基于路表紋理特征瀝青路面抗滑能力評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于瀝青路面抗滑預(yù)測(cè)主要采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測(cè)定和回歸分析等方法展開(kāi)研究，并取得了一定的研究成果。理論研究表明瀝青路面的抗滑性能主要由微觀紋理和宏觀紋理提供，由單一的紋理指標(biāo)無(wú)法全面準(zhǔn)確的評(píng)估路面抗滑能力。許多研究缺乏引用多尺度和多個(gè)數(shù)字化手段進(jìn)行便捷和直觀的高精度測(cè)量評(píng)價(jià)的方法研究。同時(shí)考慮路面宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造的多尺度抗滑評(píng)價(jià)方法，目前較多的是二維評(píng)價(jià)指標(biāo)而針對(duì)三維的評(píng)價(jià)指標(biāo)研究及運(yùn)用較少。下文介紹一些學(xué)者采用不同的參數(shù)指標(biāo)建立預(yù)測(cè)模型對(duì)路面紋理特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的研究結(jié)果。

吳凡[27]基于三維激光掃描儀得到路面紋理三維模型，選擇表征微觀紋理的空間參數(shù)MPD、RMS、MPH、SV2pts、SV6pts與橫向力系數(shù)相關(guān)性分析?；诤暧^和微觀MPD的綜合模型可得到較優(yōu)的抗滑性能預(yù)測(cè)結(jié)果，并得出考慮有效接觸輪廓宏微觀MPD相關(guān)性系數(shù)為0.896 7的橫向力預(yù)測(cè)模型。

Wang[28]利用改進(jìn)的六條激光線約束的雙目重建方法，獲得了瀝青路面的宏觀紋理和微觀紋理，提出基于平均紋理深度MTD、均方根波長(zhǎng)、偏斜度Sk等三維紋理數(shù)據(jù)的改進(jìn)IFI路面抗滑評(píng)價(jià)模型。該模型只需要測(cè)量路面的三維紋理數(shù)據(jù)，便可計(jì)算出任意測(cè)試速度下的摩擦系數(shù)，為路面抗滑性能的評(píng)價(jià)提供了一種新的方法，其評(píng)價(jià)結(jié)果直接取決于路面的三維結(jié)構(gòu)和集料類型。

楊躍琴[25]借助高精度激光掃描儀和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)儀對(duì)6條道路跟蹤測(cè)試，借助SPSS軟件對(duì)采集的宏觀紋理指標(biāo)和動(dòng)摩擦系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。確定了可評(píng)價(jià)路面抗滑性能的宏觀紋理參數(shù)后，建立了宏觀紋理指標(biāo)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)F60之間相關(guān)系數(shù)為0.6的線性模型和基于B-P算法的多層感知器相關(guān)系數(shù)為0.8的非線性模型。

劉夢(mèng)梅[23]針對(duì)現(xiàn)有IFI模型對(duì)不同紋理特征路面的區(qū)分度較差、忽視路面微觀紋理對(duì)抗滑貢獻(xiàn)等不足，提出紋理特性參數(shù)Tp和摩擦系數(shù)WFC，進(jìn)而建立適用于不同測(cè)試速度下AC、SMA、OGFC路面且相關(guān)性均在0.9以上的多參數(shù)優(yōu)化的IIFI抗滑模型。其中紋理特性參數(shù)Tp為考慮有效接觸輪廓下優(yōu)選的宏、微觀尺度上是水平、豎直、形狀方向的混合料表面紋理評(píng)價(jià)指標(biāo)。經(jīng)驗(yàn)證多參數(shù)優(yōu)化的IIFI抗滑模型提高了速度域內(nèi)路面不同速度下抗滑預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，并提出IFI抗滑模型的擴(kuò)展應(yīng)用，對(duì)于無(wú)法判斷路面類型時(shí)可根據(jù)MPD進(jìn)行劃分，選擇與之對(duì)應(yīng)的IIFI模型。

KOVá?M[29]等認(rèn)為從路面紋理輪廓評(píng)估的二維紋理參數(shù)，缺少與顆粒形狀相關(guān)的表面特征，二維參數(shù)可能不足以提供與輪胎-道路相互作用描述相關(guān)的信息。因此采用靜態(tài)道路掃描儀測(cè)量路面紋理計(jì)算了85個(gè)不同的三維紋理參數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析各三維宏、微觀紋理參數(shù)與擺式儀測(cè)量值PTV的相關(guān)性得出微觀紋理下支承率Smr2,MIC可為表征路面微觀紋理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，證實(shí)了微觀紋理對(duì)摩擦系數(shù)有顯著影響并提出基于微觀紋理三維參數(shù)的多元線性回歸摩擦系數(shù)預(yù)測(cè)模型。

CAOYZ[30]等提出一種基于路面三維微觀和宏觀紋理參數(shù)預(yù)測(cè)SFC的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，選擇了包含三維微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（R2為0.85）來(lái)預(yù)測(cè)SFC。驗(yàn)證提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型提供了通過(guò)非接觸式高分辨率3D激光掃描技術(shù)獲得SFC值的替代方案，而不是使用昂貴的側(cè)向摩阻力測(cè)試車SCRIM測(cè)量路面橫向力系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）目前大部分路面抗滑性能評(píng)價(jià)均采用單一的評(píng)價(jià)參數(shù)，如平均構(gòu)造深度（MTD）和平均斷面深度（MPD）等。決定路面抗滑性能的是多方面的，僅從某個(gè)參數(shù)單一評(píng)價(jià)是不合理的。應(yīng)考慮路面宏、微觀紋理從二維、三維角度多尺度對(duì)路面抗滑性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（2）基于目前在集料的宏、微觀紋理對(duì)路面摩擦水平的影響研究，路面設(shè)計(jì)階段可根據(jù)集料的紋理特征合理設(shè)計(jì)級(jí)配以增大路面的抗滑性，可在路面抗滑病害分析中準(zhǔn)確診斷抗滑不足的原因，為瀝青路面抗滑性能養(yǎng)護(hù)技術(shù)提供理論基礎(chǔ)和論據(jù)。

（3）目前研究路面表面紋理的特性從二維、三維多尺度研究得出許多與抗滑能力相關(guān)性高的宏、微觀紋理評(píng)價(jià)指標(biāo)，均可用來(lái)評(píng)價(jià)路面紋理特性。根據(jù)目前的二維、三維紋理參數(shù)以及學(xué)者新提出的相關(guān)紋理評(píng)價(jià)參數(shù)，選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化已有抗滑評(píng)價(jià)模型或建立抗滑能力評(píng)價(jià)模型，還需繼續(xù)研究適用不同類型路面相關(guān)預(yù)測(cè)模型，以此建立統(tǒng)一的路面抗滑能力綜合評(píng)價(jià)體系。

（4）目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者采用高精度圖像數(shù)字技術(shù)、激光掃描技術(shù)、攝影測(cè)量技術(shù)基于紋理對(duì)路面抗滑能力的進(jìn)行研究，且基于這些技術(shù)提出不同路面抗滑能力預(yù)測(cè)模型很多。如何將研究所得的抗滑能力預(yù)測(cè)模型運(yùn)用在實(shí)際道路測(cè)量、抗滑能力評(píng)價(jià)中以提高路面抗滑能力評(píng)價(jià)效率還需進(jìn)一步的研究。