数字化技术对沥青路面抗滑评价的应用

陈惠萍

（上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司，上海市200434）

数字化技术对沥青路面抗滑评价的应用

陈惠萍

（上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司，上海市200434）

模拟制备了道路不同使用阶段下的A C-13、SMA-13混合料试件，通过便携式手持3D扫描设备，扫描获取试件表面的纹理，运用G eo m a g ic软件进行数据的预处理、M a tl ab软件对纹理的统计学指标进行提取计算，并基于M u r a t E r g u n的研究理论，建立I S O规定的Ra、Rq、La、Lq以及M P D等断面统计指标与摩擦系数之间的数值关系模型。通过计算，发现数值模拟结果与实际试验结果具有良好的相关性，证明该数值计算方法可以有效地预估路面的抗滑性能。

沥青路面；纹理扫描；数字化技术

0 引言

路面的抗滑性能是评价道路运营安全的一个重要指标，而道路表面的纹理水平是决定其抗滑水平的主要因素。对于沥青混凝土路面来说，路表的纹理水平高低将直接影响到路面与轮胎的接触效果，继而对车辆在路面行驶时的制动特性、行车稳定性产生影响[1]。随着图像采集、成像技术的发展与进步，运用计算机平台进行数值计算因效率高、精度大、适用范围广的特点而逐渐被国内外学者采用[2-5]。本文通过便携式手持3D扫描设备获取试件表面的纹理，采用计算机平台建立抗滑性能评估模型，通过数字化技术实现沥青路面抗滑性能评价，这大大减少了试验的繁琐与误差，对提高工程施工效率具有重大的意义。

1 试件制备

目前，应用于沥青路面上面层的混合料类型主要有沥青混凝土混合料（A C）和沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）。这2种沥青混合料具有不同的工程性能与宏观构造，本次试验以A C-13、SMA-13为例，集料采用昊天路桥工程公司提供的玄武岩，沥青采用中国石化提供的70#基质沥青，通过添加T P S高模量剂改性。

为了证明模型的普适性，分别制备5块A C-13试件和5块SMA-13试件，除各保留1块试件作为初始状态评价之外，其余试件分别进行不同程度的磨光，用以模拟路面磨损后的情况。

为了评估数值计算结果的准确性，在10块试件制作处理完成后，均采用动摩擦系数仪进行摩擦系数的测定，以便与后期的数值计算结果进行对比。

2 沥青路面表面纹理数据获取

2.1 设备简介

本试验采用的便携式3D激光扫描仪H a ndy S C A N 3D（图1）由C R E AM F O R M公司设计研发，该设备最大的特点是小巧独立，无需外部定位系统，也无需使用测量臂、三角架或夹具，由于质量不到1 k g，所以能够装入随身携带的手提箱，带到各个地点，并且可以在内部或现场，甚至在狭小空间内轻松使用。

图1 HandySCAN手持式3D激光扫描仪

2.2 使用方法

使用H a ndy S C A N设备进行沥青路面纹理扫描的操作流程主要包括：光学反射靶的布置、仪器的连接、扫描仪校准、扫描、点云文件的导出。

扫描开始前，先根据待扫描试件的大小，在地上放置光学反射靶，大致包络出待扫描范围（图2）。该扫描仪使用光学反射靶来形成锁定至部件自身的参考系统，使扫描期间可以根据需要来移动物体（动态参考），而且周围环境的变化不会影响数据采集质量和精度。

图2 待扫描试件与光学反射靶

扫描时将扫描仪与笔记本电脑连接，打开V x ele m e n t s软件，首先按照所需的频率对扫描仪进行校准以确保其处于最佳工作状态，然后对光学反射靶进行扫描，以确定预扫描区域。接下来放置试件，开始对试件表面进行扫描。扫描采用7条激光十字线外加1条直线，通过三角测量法来实时确定自身与被扫描部件的相对位置，将扫描得到的试件模型实时呈现在V x ele m e n t s软件界面中（图3）。当试件所有部分扫描结束后，完成数据采集，可以在初步优化数据以后直接网格输出，保存为.s tl文件，稍后再作进一步处理。

图3 试件扫描与显示界面

3 沥青路面表面纹理数据预处理

扫描后的文件以三角网文件输出，由于选取的坐标系是在扫描仪内部就确定的，因此与大地坐标并不一致。为了方便之后对数据的处理与计算，先采用G eo m a g ic软件对扫描得到的模型进行预处理。

首先将需要处理的文件导入G eo m a g ic s t u di o，任意选取一个视图，在试件表面对角线处选取2个点作为参照，通过高级对象移动器，使1，2两点连线与水平轴线平行并重定向模型（图4）。改变视图，重复上述操作，经过2～3次变换，基本可以实现模型与大地坐标系达成一致。

图4 模型旋转实例

由于后期需要在极坐标系下对模型进行切割取值，为了便于计算，还需将坐标原点移动到模型中点，实现模型坐标系的最终转换，此时俯视图为一个矩形，主视图和左视图为一条几乎与坐标轴重合的直线（图5）。

图5 预处理后模型

将处理完成的模型保存成.a sc文件，便于后期处理。可以采用N ote pa d++打开读取点云数据（图6），其中，前3列分别代表x、y、z坐标，后3列表示激光强度，可以忽略不计。

图6 点云文件读取示例

4 路表纹理指标与摩擦系数关系

4.1 断面基本统计指标

路表纹理可以理解为波，那么在道路工程路面性能检测和研究中就可以通过一些基本的数值统计方法来定义路表纹理水平[6]。I S O组织针对物体表面形貌特征，开发了两套指标[7]，旨在考察垂直方向沥青路面的形貌变化和旨在考察水平方向沥青路面形貌的变化。

4.1.1 旨在考察垂直方向沥青路面形貌变化的指标

该套指标包含断面垂直方向的平均偏差（Ra）、断面深度均方根偏差（Rq）和平均断面深度（M P D）。

断面垂直方向的平均偏差（Ra）是指在取样长度内，轮廓偏距绝对值|yi|的算术平均值，在一定程度上表征了轮廓高度相对其中线的离散程度，由式（1）定义：

式中：n是所选取采样点总个数，为对应点的断面深度。断面深度均方根偏差（Rq）表示轮廓高度偏离中线的程度，由式（2）定义：

平均断面深度（M P D）是目前分析路面宏观纹理最常用到的指标，它是指将路面试件沿某一方向切开得到纵断面后（见图7），计算断面上所有高度的均值（h），然后沿水平方向将截面分成两段，分别计算每段最高点的高度（h1和h2），再按下式计算得到：

图7 平均断面深度计算示意图

4.1.2 旨在考察水平方向沥青路面形貌变化的指标

该套指标包含断面平均波长（La）和断面波长的均方根（Lq）。

定义这两个指标之前，首先要对断面的平均斜率Da和断面斜率的平方根进行定义，具体公式如下：

式中：Δy为断面中可计量点纵坐标yi和yi+1之间的差值，Δx为横坐标xi和xi+1之间的差值。

根据以上定义，于是La、Lq可分别由式（6）、式（7）定义：

4.2 路表纹理与摩擦系数的关系

根据前人研究成果，路表纹理深度水平与路面抗滑性能之间的关系需要通过纹理水平的数学指标与摩擦系数或车速衰减规律建立起来，但是大多数的联系都建立在摩擦系数和滑移速度之间，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模型以及国际摩阻系数I F I的表达中，给出的都是摩擦系数与滑移速度之间的关系[8]。

M u r a t E r g u n借助I S O规定的Ra、Rq、La、Lq以及M P D等断面统计指标[9]，建立了摩擦系数与路面纹理水平的数值关系模型，该模型采用的基本表达形式为：

式中：F0指滑移速度为0时的摩擦系数，它与宏观纹理维度的M P D和微观纹理维度的Rq之间存在如下关系：

-1/T指滑移速度与摩擦系数衰减曲线的斜率，它与宏观维度的M P D和微观维度的Rq之间存在如下关系：

通过式（8）～式（10），可以得到路面摩擦系数与路面宏观纹理、微观纹理之间的关系，那么通过对试件扫描结果的数据提取，就可以实现在数字平台上获取摩擦系数的目标。

针对前面H a ndy S C A N扫描得到的点云格式数据，希望通过数值计算软件，提取出针对不同沥青路面表面纹理数值模型的具体数据。由于模型数据量庞大，如果采用三维数据计算，会严重影响计算效率，因此选取试件的横断面，将三维数据转换成二维数据，再进行具体指标的计算。

试件的俯视图见图8，其中黑色方形为整块车辙板，蓝色阴影为磨光区域，采用调取M a tl ab内部函数的方法直接读取a sc文件中的数据，建立3个矩阵，分别存放x、y、z的坐标值。为了保证分析结果的可靠性，减少随机性带来的误差，界面切割时以圆心为中心点，保证每隔45°选取1个截面，总共选取8个截面（图中截面①～⑧），分别计算指标，筛掉异常点后，再以平均值代表该阶段的最终指标。

图8 分析截面选取示例

由于前期是由人工调节使模型与大地坐标对齐的，人眼误差的存在使宏观上产生一个斜面，从而导致各点不在同一基准面上，因此截面选取完成后，要首先对数据进行处理，将各点转换至同一基准面。以截面①为例，读取点云数据，得到横截面，首先将高度数据点拟合成一条趋势线，再用原始数据值减去趋势线上的值，就可以得到消除斜面以后在同一基准线上的数据。图9显示了斜面消除前后的对比效果。

图9 斜面消除前后对比

接下来根据式（2）、式（3）、式（6）、式（9）、式（10）对调整后的数据进行计算，由于在国际摩阻指数中，选取60 km/h作为标准速度[10]，因此本文也选取速度为60 km/h进行计算，所得结果与试验结果进行对照，如图10所示。

从图10可以发现，对于不同的路面使用阶段，无论是A C试件还是SMA试件，试验结果与数值计算结果整体具有很高的线性相关性，相关系数达到0.9。因此该数值计算结果具有可靠性，在没有条件进行实地试验的情况下，可以根据路面纹理数据，通过数值计算直接得到路面摩擦系数。

图10 计算摩擦系数与实测摩擦系数对比图

5 结语

（1）对于不同的路面使用阶段，无论是A C试件还是SMA试件，试验结果与数值计算结果整体具有很高的线性相关性，相关系数达到0.9。

（2）当受现场条件限制，测量路面摩擦系数有困难时，可以采取数值计算方法，通过非接触式扫描，得到路面表面纹理，直接在计算机中处理计算并得到对应的路面摩擦系数。

[1]文静.数字化技术评价沥青路面构造深度研究[D].西安：长安大学，2009.

[2]周兴林，张云，蒋难得.基于聚焦深度的沥青路面微观纹理三维图像重构方法研究[J].公路交通科技，2014，31（9）：6-12.

[3]孙朝云.基于线结构光的沥青路面三维数据采集系统[J].长安大学学报，2016，36（4）：9-16.

[4]李伟.基于激光3D数据的沥青路面构造深度检测方法[J].中外公路，2016，36（5）：9-12.

[5]侯青.沥青路面激光三维构造深度检测技术研究[D].西安：长安大学，2013.

[6]张淑文.基于界面接触特性的多尺度沥青路面抗滑性能评价及应用研究[D].广州：华南理工大学，2015.

[7]SERIGOS P A，SMIT A D F，PROZZI J A. Incorporating surfacemicro-texture in the prediction of skid resistance of flexiblepavements [J]. Transportation Research Record：Journal of theTransportation Research Board，2014（2457）：105-113.

[8]D’APUZZO M，EVANGELISTI A，NICOLOSI V. Preliminaryfindings for a prediction model of road surface macrotexture [J].Procedia - Social and Behavioral Sciences，2012（53）：1109-1118.

[9]邱志雄.基于宏观轮廓的沥青路面抗滑性能试验研究[D].广州：华南理工大学，2014.

[10]MIAO Yinghao，CHEN Guanghui ，WANG Wentao, et al.Application of gray- tone difference matrix-based features ofpavement macrotexture in skid resistance evaluation [J]. Journalof Southeast University（English Edition），2015，31（3）：389-395.

U416.217

A

1009-7716（2017）06-0266-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.079

2017-03-21

陈惠萍（1965-），女，上海人，工程师，从事道路工程设计工作。