一種適應低速及變速測量的平整度檢測裝置及方法與流程
本發明屬于交通路面平整度評價技術領域，涉及一種路面平整度評價裝置及方法，具體涉及一種適應低速及變速測量的平整度檢測裝置及方法。
背景技術：
路面平整度是路面評價的一個重要指標，不僅影響駕駛員及乘客行駛舒適度，而且還與車輛振動、運行速度、輪胎的磨損及車輛運營費用等有關，是一個涉及人、車、路3方面的指標。路面平整度也是路面使用性能指標之一，1960年AASHTO道路試驗研究表明大約95％的路面服務性能來自于道路表面的平整度。路面長期使用性能(LTPP)的研究表明，路面平整度特別是初始路面平整度將嚴重影響路面使用壽命。
路面行駛質量指數與國際平整度指數IRI(International Roughness Index)直接相關，IRI是由世界銀行1982年在巴西進行的國際平整度試驗則完整而系統地提出了IRI的計算模型與計算方法。采用1/4車模型，以80km/h速度在已知斷面上行駛，計算一定行駛距離內懸掛系統的累積位移為IRI。IRI綜合了斷面類與動態類平整度測定方法的優點而得到的一個評價指標，對靜態斷面高程數據經過數學模型計算后得到的動態變量。IRI具有與車輛振動的動態反應相關、結果具有時間穩定性、結果具有有效性、具有可轉移性，是目前國際上廣泛采用的平整度指標。
公路平整度檢測方式主要有直接式和間接式兩種。直接式方法是通過測量路面縱向輪廓獲得路面平整度；間接式方法則通過測量路面凹凸引起的顛簸間接反映路面平整情況。本發明的平整度測量方法為直接式測量方式，常用的直接式平整度檢測方法有3m直尺測量法、連續式八輪路面平整度儀法、連續平整度檢測儀法。對與本發明近似的技術方案進行如下闡述：
(1)3m直尺法。3m直尺法將直尺基準面距離路表面的最大間隙定義為路面平整度，3m直尺法為傳統人工測量方法；
3m直尺法直為傳統人工測量方法，此種方法存在測量效率低、安全隱患大、影響交通、測量結果受人為因素干擾等問題，無法實現平整度的快速、準確測量；
(2)連續式八輪路面平整度儀。此種儀器有4輪、5輪、8輪、16輪式多種類別([文獻1、2])，我國JTJ059-95《公路路基路面現場測試規程》規定的標準儀器僅僅限于3m的8輪平整度儀，它每隔10cm自動采集路面凹凸偏差值(相當用3米直尺中間位置的間隙值)，來評價該路段的平整度；
此方法的缺點是受測量輪的機械特性影響較大，測量車的牽引速度太低，無法實現平整度的快速測量；
(3)連續平整度檢測儀。它利用傳感器裝置獲取路面的真實輪廓，其實現方式為測距機與加速度計相結合，它通過測距機測量路面與測距機的相對距離，并通過加速度計直接積分獲取檢測車自身顛簸引起的上下震動位移，再從測距機數據中消除檢測車自身顛簸引起的路面輪廓測量誤差，進而獲得路面平整情況。
現有的連續平整度檢測儀往往由測量傳感器(測距機、加速度計、編碼器、GPS接收器等)、計算機、控制器、數據采集器等多個模塊組成，模塊之間存在耦合度高，系統整體復雜度高、集成度低、維護性和可靠性差等問題，有必要發明一種系統整體復雜度低、集成度高、維護性和可靠性強的平整度測量系統；且此種檢測方法僅適用于在高速、勻速情況下進行連續檢測；一方面，在非勻速、低速情況下，通過加速度計直接二積分獲取檢測車震動位移的方式將產生很大的誤差，導致測量的路面輪廓與路面真實輪廓具有明顯差異；另一方面，低速測量區間，由于加速度計數據一次積分獲取的震動速度存在較大誤差，此震動速度誤差對后續正常測量區間的載車震動速度進行累積影響，通過震動速度一次積分獲得的震動距離將存在很大測量誤差，測量結果無法滿足檢查要求，隨著交通日益繁忙擁堵，在檢測過程中出現非勻速、低速情況將是普遍現象，為了更適應實際交通情況，必須解決適應于不同速度(非勻速、低速、高速、勻速)情況下的平整度測量問題。
[文獻1]陳柏年.公路工程專業檢測技術中測量不確定度評定講座[J].計量檢測與監測,2004(8):29-31.
[文獻2]Suksawat B.Development of multifunction international roughness index and profile measuring device[C]//Control,Automation and Systems(ICCAS),2011 11th International Conference on.IEEE,2011:795-799.
技術實現要素：
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種適應低速及變速測量的平整度檢測裝置及方法。
本發明的裝置所采用的技術方案是：一種適應低速及變速測量的平整度檢測裝置，其特征在于：包括信號接收單元、信號轉換單元、數據處理單元、平整度輸出單元；所述信號接收單元用于接收外界提供的測量傳感器信號，所述信號轉換單元將測量傳感器的模擬信號轉換為數字信號，所述數據處理單元用于平整度計算，所述平整度輸出單元向外界提供平整度檢測結果。
作為優選，所述測量傳感器包括測距機、加速度計、編碼器/GPS。
本發明的方法所采用的技術方案是：一種適應低速及變速測量的平整度檢測方法，其特征在于，包括以下步驟：
步驟1：信號接收單元接收外界提供的測量傳感器信號；
步驟2：信號轉換單元將測量傳感器的模擬信號轉換為數字信號；
步驟3：數據處理單元進行平整度計算；
步驟4：平整度輸出單元向外界提供平整度檢測結果。
作為優選，步驟2的具體實現包括以下子步驟：
步驟2.1：信號接收單元將接收的模擬電壓/電流信號傳輸給信號轉換電路，信號轉換電路將進入的信號1:P的轉換為模擬電壓信號；
步驟2.2：利用濾波電路對模擬電壓信號進行濾波處理，進而抑止信號線上的共模干擾，同時衰減高頻干擾信號；
步驟2.3：AD轉換電路將濾波后的模擬電壓信號轉變為數字信號；
步驟2.4：將轉變后的數字信號傳輸給數據處理單元。
作為優選，步驟3的具體實現包括以下子步驟：
步驟3.1：輸入待計算區間原始數據；
根據平整度計算區間要求，向數據處理單元輸入平整度待計算區間的原始信號數據，所述原始信號數據包括里程信號Sh、測距機信號SL、加速度計VvA信號；
步驟3.2：計算行車速度；
其中Vhi為第i個點采樣時刻的行車速度，Shi+m、Shi-m分別為第i+m、i-m個點采樣時刻的里程位置，Fsamp為模擬信號采集器的采樣頻率；
步驟3.3：選取有效測量數據；
依據里程信號及行車速度信息，選取部分有效數據，即剔除部分超低速冗余數據；數據選取方法為：當測量速度Vh≥Tv時，原始數據均為有效數據；當測量速度Vh＜Tv時，在原始采樣數據中，依據采樣點序號，按Vh/Tv比例均勻選取數據或按Vh/Tv比例截取數據作為當前有效數據，同時記錄當前有效數據對應的行車速度；其中Tv為速度閾值；
步驟3.4：計算行車加速度；
對當前有效數據對應的行車速度{Vhi|i＝1,2,…,n}，其中n為當前有效數據點的總個數，先進行濾波，得到濾波后的行車速度{Vhi'|i＝1,2,…,n}，再計算初始行車加速度，計算公式如下：
VhAoi＝(Vh'i+1-Vh'i)·Fsamp (式2)；
其中VhAoi為當前第i個有效點采樣時刻的初始行車加速度速度，再對初始行車加速度進行濾波，得到最終行車加速度{VhAi|i＝1,2,…,n}；
步驟3.5：基于行車加速度的數據自適應分段；
利用閾值Tpre，初步判斷當前有效數據是否需要進行分段；
若需要分段，則Flag＝1，否則Flag＝0，式3中N＝{1,2,…,n}；
若當前有效數據需要進行分段，則利用閾值Tacc對數據進行精確分段，對任一數據段Segj，數據分段要求如下：
其中FlagAbj為第j個數據段是否為急加減速段的標記值，值為1表示為急加減速段，值為0表示為正常測量段，section為當前有效數據被分割的數據段總個數，其中Segj為第j個數據段數據對應的數據序號集合，SIDj為第j個數據段數據對應的數據起始序號，Cntj為第j個數據段對應數據點的總個數據；
步驟3.6：分段獲取載車上下震動距離；
對任意第j段內的測量數據，通過加速度計數據一次積分，獲取載車上下震動速度，通過載車上下震動速度一次積分，獲取載車上下震動距離，計算公式如下：
Vvi＝Vvi-1+VvAi/Fsamp,i＝SIDj+1,SIDj+2,…,SIDj+Cntj-1 (式5)；
Svi＝Svi-1+Vvi/Fsamp,i＝SIDj+1,SIDj+2,…,SIDj+Cntj-1 (式6)；
其中j∈{1,2,…,section}，Vvi、VvAi、Svi分別為當前第i個采樣點的載車上下震動速度、載車上下震動加速度、載車上下震動距離；其中Vvi-1、Svi-1分別為當前第i-1個采樣點時的載車上下震動速度、載車上下震動距離，i∈Segj，另外，當i＝SIDj，Vvi＝0,Svi＝0；
步驟3.7：分段獲取路面縱斷面輪廓；
結合測距機數據和載車上下震動距離，計算各段內的路面縱斷面輪廓，計算公式如下：
Profilei＝SetV-SLi-Svi (式7)；
其中Profilei、SLi分別為當前第i個采樣點的斷面相對高程、測距機測量的距離，SetV為測距機安裝高度；
步驟3.8：路面縱斷面輪廓拼接；
將各段的縱斷面輪廓進行拼接，其中對第j段內的路面縱斷面輪廓拼接公式如下：
Profile'i＝Profile'p+Profilei (式8)；
其中j∈{2,…,section}，Profile'i、Profile'p分別為斷面拼接后第i、p個采樣點的斷面相對高程，其中p＝SIDj，i∈Segj；
對拼接后的斷面，進行濾波處理，得到最終的路面縱斷面高程Profile”i，i＝1,2,…,n；
步驟3.9：計算國際平整度指數；
基于最終的路面縱斷面高程Profile”i，i＝1,2,…,n，采用世界銀行提供的標準IRI計算方法，計算并輸出國際平整度IRI。
本發明的有益效果為：
(1)平整度檢測裝置及其工作模式。現有的連續平整度檢測儀往往由測量傳感器(測距機、加速度計、編碼器、GPS接收器等)、計算機、控制器、數據采集器等多個模塊組成，模塊之間存在耦合度高，系統整體復雜度高、集成度低、維護性和可靠性差等問題，本平整度檢測裝置將信號接收、信號轉換、數據處理、數據輸出功能高度集成，為一體化檢測裝置，本裝置只需接入測量傳感器(測距機、加速度計、編碼器)原始信號，即可完成平整度檢測工作，它具備維護性和可靠性強，便于組裝等優點；
(2)由于測距機、加速度計均為內觸發工作模式，即傳感器本身均獨立工作，其測量信號無法直接與其他信號進行匹配，為了滿足測量要求，數據之間的對應關系需進行匹配，本發明利用模擬信號采集器解決了測距機、加速度計、里程信號的相互匹配問題；本裝置解決了測量傳感器信號(測距機、加速度計、里程信號)的相互匹配問題，利用濾波電路對模擬電壓信號進行濾波處理，有效抑止信號噪聲；利用AD采樣電路實現了將模擬信號轉變為數字信號，從而保障了平整度計算的數據可靠性；
(3)基于數據自適應分段的路面平整度計算方法。本發明在處理過程中，通過選取部分有效數據，即剔除部分超低速冗余數據，有效降低了低速測量區間的大量加速度計數據二次積分產生的位置偏移誤差；低速測量區間，由于加速度計數據一次積分獲取的震動速度存在較大誤差，在數據未分段情況下，連續對后續正常測量區間的載車震動速度進行累積影響，通過震動速度一次積分獲得的震動距離將存在很大累積誤差，本發明利用行車加速度信息，對數據進行自適應分段，大大降低了低速測量區間對后續正常測量區域的影響；本發明通過對分段路面縱斷面輪廓進行拼接，有效消除了數據分段處理造成的數據斷層現象，從而有效獲取了路面的相對真實輪廓，進而實現了不同速度(非勻速、低速、高速、勻速)情況下的平整度快速、準確測量，滿足實際交通測量要求。
附圖說明
圖1：本發明實施例的裝置原理圖；
圖2：本發明實施例的模擬信號轉換為數字信號流程圖；
圖3：本發明實施例的平整度計算流程圖；
圖4：本發明實施例的原始采樣數據示例；
圖5：本發明實施例的選取的有效測量數據示例；
圖6：本發明實施例的基于行車加速度的自適應分段示例；
圖7：本發明實施例的路面縱斷面高程獲取示例；
圖8：本發明實施例的相同路段不同測量速度情況下路面縱斷面高程獲取示例。
具體實施方式
為了便于本領域普通技術人員理解和實施本發明，下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發明，并不用于限定本發明。
請見圖1，本發明提供的一種適應低速及變速測量的平整度檢測裝置，主要由信號接收單元、信號轉換單元、數據處理單元、平整度輸出單元組成，其中信號接收單元用于接收外界提供的測量傳感器(測距機、加速度計、編碼器)信號，信號轉換單元將測量傳感器的模擬信號轉換為數字信號，數據處理單元用于平整度計算，平整度輸出單元向外界提供平整度檢測結果。本發明所述平整度檢測裝置為一體化檢測裝置，它集成度高、維護性和可靠性強，便于組裝，只需接入測量傳感器(測距機、加速度計、編碼器)原始信號，即可完成平整度檢測工作。
本發明提及的信號接收單元通過模擬信號接口接收外界提供的測量傳感器(測距機、加速度計、編碼器)信號。
本發明提及的信號轉換單元工作原理如圖2所示，其工作邏輯如下：
(1)信號接收單元將接收的模擬電壓/電流信號傳輸給信號轉換電路，信號轉換電路將進入的信號1:1的轉換為模擬電壓信號；
(2)信號轉換后，利用濾波電路對模擬電壓信號進行二階巴特沃斯濾波處理，進而抑止信號線上的共模干擾，同時衰減高頻干擾信號；
(3)AD轉換電路將濾波后的模擬電壓信號轉變為數字信號；
(4)將轉變后的數字信號傳輸給數據處理單元。
本發明提及的數據處理單元采用基于數據自適應分段的路面平整度算法進行數據處理，其數據處理流程如圖3所示。基于數據自適應分段的路面平整度算法步驟如下：
(1)輸入待計算區間原始數據。根據平整度計算區間要求，對數據處理單元輸入平整度待計算區間(數據區間長度為100m；也可以取：100m、50m、25m、20m等)的原始信號數據(里程信號Sh、測距機信號SL、加速度計VvA信號，如圖4所示)。
(2)計算行車速度。依據里程信息，計算行車速度，計算公式如下所示：
其中Vhi為第i個點采樣時刻的行車速度，m＝4000，Shi+m、Shi-m分別為第i+m、i-m個點采樣時刻的里程位置，Fsamp＝16000(Hz)為模擬信號采集器的采樣頻率。
(3)選取有效測量數據。依據里程及行車速度信息，選取部分有效數據，即剔除部分超低速冗余數據，數據選取方法為：設置超低速閾值Tv＝7.2km/h，當測量速度Vh≥Tv時，原始數據均為有效數據；當測量速度Vh＜Tv時，在原始采樣數據中，依據采樣點序號，按Vh/Tv比例均勻選取數據或按Vh/Tv比例截取數據作為當前有效數據，假設里程信息的測量精度為5mm，則在采樣數據中相同里程值的有效點個數最多為40個(16000*(5/2000))，同時記錄當前有效數據對應的行車速度，有效測量數據效果如圖5所示；
(4)計算行車加速度。對當前有效數據對應的行車速度{Vhi|i＝1,2,…,n}，其中n為當前有效數據點的總個數，先進行濾波半徑為100的低通濾波(如均值濾波、低通濾波等)，得到濾波后的行車速度{Vhi'|i＝1,2,…,n}，再計算初始行車加速度，計算公式如下：
VhAoi＝(Vh'i+1-Vh'i)·Fsamp (式2)
其中VhAoi為當前第i個有效點采樣時刻的初始行車加速度速度，再對初始行車加速度進行濾波半徑為1000的均值濾波(如均值濾波、低通濾波等)，得到最終行車加速度{VhAi|i＝1,2,…,n}，有效測量數據效果如圖6中行車加速度所示。
(5)基于行車加速度的數據自適應分段。利用閾值Tpre(Tpre＝1.6)初步判斷當前有效數據是否需要進行分段。
若需要分段，則Flag＝1，否則Flag＝0，式3中N＝{1,2,…,n}。
若當前有效數據需要進行分段，則利用閾值Tacc(Tacc＝0.6)對數據進行精確分段，對任一數據段Segj，數據分段要求如下：
其中FlagAbj為第j個數據段是否為急加減速段的標記值，值為1表示為急加減速段(區域)，值為0表示為正常測量段(區域)，section為當前有效數據被分割的數據段總個數，其中Segj為第j個數據段數據對應的數據序號集合，SIDj為第j個數據段數據對應的數據起始序號，Cntj為第j個數據段對應數據點的總個數據，數據分段效果如圖6所示。
(6)分段獲取載車上下震動距離。對任意第j(j∈{1,2,…,section})段內的測量數據，通過加速度計數據一次積分，獲取載車上下震動速度，通過載車上下震動速度一次積分，獲取載車上下震動距離，計算公式如下：
Vvi＝Vvi-1+VvAi/Fsamp,i＝SIDj+1,SIDj+2,…,SIDj+Cntj-1 (式5)
Svi＝Svi-1+Vvi/Fsamp,i＝SIDj+1,SIDj+2,…,SIDj+Cntj-1 (式6)
其中Vvi、VvAi、Svi分別為當前第i個采樣點的載車上下震動速度、載車上下震動加速度、載車上下震動距離；其中Vvi-1、Svi-1分別為當前第i-1個采樣點時的載車上下震動速度、載車上下震動距離，i∈Segj，另外，當i＝SIDj，Vvi＝0,Svi＝0，若當前區域為急加減速區，則對當前區域的載車上下震動距離進行濾波半徑為10低通濾波，載車上下震動距離如圖7所示。
(7)分段獲取路面縱斷面輪廓。結合測距機數據和載車上下震動距離，計算各段內的路面縱斷面輪廓，計算公式如下：
Profilei＝SetV-SLi-Svi (式7)
Profilei、SLi分別為當前第i個采樣點的斷面相對高程、測距機測量的距離，SetV(SetV＝290mm)為測距機安裝高度。
(8)路面縱斷面輪廓拼接。將各段的縱斷面輪廓進行拼接，其中對第j(j∈{2,…,section})段內的路面縱斷面輪廓拼接公式如下：
Profile'i＝Profile'p+Profilei (式8)
Profile'i、Profile'p分別為斷面拼接后第i、p個采樣點的斷面相對高程，其中p＝SIDj-1，i∈Segj，另外，對拼接后的斷面，需進行濾波處理(如均值濾波、低通濾波等)，得到最終的路面縱斷面高程Profile”i，i＝1,2,…,n，獲取的路面縱斷面輪廓如圖8所示。
(9)計算國際平整度指數。基于最終的路面縱斷面高程Profile”i，i＝1,2,…,n，采用世界銀行提供的標準IRI計算方法，計算并輸出國際平整度IRI。
路面行駛質量指數與國際平整度指數IRI(International Roughness Index)直接相關，IRI是由世界銀行1982年在巴西進行的國際平整度試驗則完整而系統地提出了IRI的計算模型與計算方法。采用1/4車模型，以80km/h速度在已知斷面上行駛，計算一定行駛距離內懸掛系統的累積位移為IRI。IRI綜合了斷面類與動態類平整度測定方法的優點而得到的一個評價指標，對靜態斷面高程數據經過數學模型計算后得到的動態變量。IRI具有與車輛振動的動態反應相關、結果具有時間穩定性、結果具有有效性、具有可轉移性，是目前國際上廣泛采用的平整度指標，因此，現行通用的快速測量技術測量結果都是直接計算得到IRI。
利用測量到道路的縱坡面信息，采用世界銀行提供的標準IRI計算方法，可以計算得到自定義間隔的IRI值，如20m、25m、50m、100m等。IRI計算公式為：
RS為指定路段區域的第i個測點的矯正斜率，u為待計算平整度值的路段區域(≥11m，測點間隔0.25m)內測點的個數。
本發明的平整度檢測裝置主要由信號接收單元、信號轉換單元、數據處理單元、平整度輸出單元組成，其中信號接收單元用于接收外界提供的測量傳感器(測距機、加速度計、編碼器)信號，信號轉換單元將測量傳感器的模擬信號轉換為數字信號，數據處理單元用于平整度計算，平整度輸出單元向外界提供平整度檢測結果。本發明所述平整度檢測裝置為一體化檢測裝置，它集成度高、維護性和可靠性強，便于組裝，只需接入測量傳感器(測距機、加速度計、編碼器)原始信號，即可完成平整度檢測工作。另外，本裝置解決了測量傳感器信號(測距機、加速度計、里程信號)的相互匹配問題，利用濾波電路對模擬電壓信號進行濾波處理，有效抑止信號噪聲；利用AD采樣電路實現了將模擬信號轉變為數字信號，從而保障了平整度計算的數據可靠性；
本發明在處理過程中，通過選取部分有效數據，即剔除部分超低速冗余數據，有效降低了低速測量區間的大量加速度計數據二次積分產生的位置偏移誤差；低速測量區間，由于加速度計數據一次積分獲取的震動速度存在較大誤差，對后續正常測量區間的載車震動距離(通過震動速度積分獲得)計算存在累積誤差影響，本發明利用基于行車加速度的數據自適應分段，大大降低了低速測量區間對后續正常測量區域的影響；本發明通過對分段路面縱斷面輪廓進行拼接，有效消除了數據分段處理造成的數據斷層現象，從而有效獲取了路面的相對真實輪廓，進而實現了不同速度(非勻速、低速、高速、勻速)情況下的平整度快速、準確測量。
應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬于現有技術。
應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，并不能因此而認為是對本發明專利保護范圍的限制，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明權利要求所保護的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發明的保護范圍之內，本發明的請求保護范圍應以所附權利要求為準。
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