一种适应低速及变速测量的平整度检测装置及方法与流程
本发明属于交通路面平整度评价技术领域，涉及一种路面平整度评价装置及方法，具体涉及一种适应低速及变速测量的平整度检测装置及方法。
背景技术：
路面平整度是路面评价的一个重要指标，不仅影响驾驶员及乘客行驶舒适度，而且还与车辆振动、运行速度、轮胎的磨损及车辆运营费用等有关，是一个涉及人、车、路3方面的指标。路面平整度也是路面使用性能指标之一，1960年AASHTO道路试验研究表明大约95％的路面服务性能来自于道路表面的平整度。路面长期使用性能(LTPP)的研究表明，路面平整度特别是初始路面平整度将严重影响路面使用寿命。
路面行驶质量指数与国际平整度指数IRI(International Roughness Index)直接相关，IRI是由世界银行1982年在巴西进行的国际平整度试验则完整而系统地提出了IRI的计算模型与计算方法。采用1/4车模型，以80km/h速度在已知断面上行驶，计算一定行驶距离内悬挂系统的累积位移为IRI。IRI综合了断面类与动态类平整度测定方法的优点而得到的一个评价指标，对静态断面高程数据经过数学模型计算后得到的动态变量。IRI具有与车辆振动的动态反应相关、结果具有时间稳定性、结果具有有效性、具有可转移性，是目前国际上广泛采用的平整度指标。
公路平整度检测方式主要有直接式和间接式两种。直接式方法是通过测量路面纵向轮廓获得路面平整度；间接式方法则通过测量路面凹凸引起的颠簸间接反映路面平整情况。本发明的平整度测量方法为直接式测量方式，常用的直接式平整度检测方法有3m直尺测量法、连续式八轮路面平整度仪法、连续平整度检测仪法。对与本发明近似的技术方案进行如下阐述：
(1)3m直尺法。3m直尺法将直尺基准面距离路表面的最大间隙定义为路面平整度，3m直尺法为传统人工测量方法；
3m直尺法直为传统人工测量方法，此种方法存在测量效率低、安全隐患大、影响交通、测量结果受人为因素干扰等问题，无法实现平整度的快速、准确测量；
(2)连续式八轮路面平整度仪。此种仪器有4轮、5轮、8轮、16轮式多种类别([文献1、2])，我国JTJ059-95《公路路基路面现场测试规程》规定的标准仪器仅仅限于3m的8轮平整度仪，它每隔10cm自动采集路面凹凸偏差值(相当用3米直尺中间位置的间隙值)，来评价该路段的平整度；
此方法的缺点是受测量轮的机械特性影响较大，测量车的牵引速度太低，无法实现平整度的快速测量；
(3)连续平整度检测仪。它利用传感器装置获取路面的真实轮廓，其实现方式为测距机与加速度计相结合，它通过测距机测量路面与测距机的相对距离，并通过加速度计直接积分获取检测车自身颠簸引起的上下震动位移，再从测距机数据中消除检测车自身颠簸引起的路面轮廓测量误差，进而获得路面平整情况。
现有的连续平整度检测仪往往由测量传感器(测距机、加速度计、编码器、GPS接收器等)、计算机、控制器、数据采集器等多个模块组成，模块之间存在耦合度高，系统整体复杂度高、集成度低、维护性和可靠性差等问题，有必要发明一种系统整体复杂度低、集成度高、维护性和可靠性强的平整度测量系统；且此种检测方法仅适用于在高速、匀速情况下进行连续检测；一方面，在非匀速、低速情况下，通过加速度计直接二积分获取检测车震动位移的方式将产生很大的误差，导致测量的路面轮廓与路面真实轮廓具有明显差异；另一方面，低速测量区间，由于加速度计数据一次积分获取的震动速度存在较大误差，此震动速度误差对后续正常测量区间的载车震动速度进行累积影响，通过震动速度一次积分获得的震动距离将存在很大测量误差，测量结果无法满足检查要求，随着交通日益繁忙拥堵，在检测过程中出现非匀速、低速情况将是普遍现象，为了更适应实际交通情况，必须解决适应于不同速度(非匀速、低速、高速、匀速)情况下的平整度测量问题。
[文献1]陈柏年.公路工程专业检测技术中测量不确定度评定讲座[J].计量检测与监测,2004(8):29-31.
[文献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.
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适应低速及变速测量的平整度检测装置及方法。
本发明的装置所采用的技术方案是：一种适应低速及变速测量的平整度检测装置，其特征在于：包括信号接收单元、信号转换单元、数据处理单元、平整度输出单元；所述信号接收单元用于接收外界提供的测量传感器信号，所述信号转换单元将测量传感器的模拟信号转换为数字信号，所述数据处理单元用于平整度计算，所述平整度输出单元向外界提供平整度检测结果。
作为优选，所述测量传感器包括测距机、加速度计、编码器/GPS。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种适应低速及变速测量的平整度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：信号接收单元接收外界提供的测量传感器信号；
步骤2：信号转换单元将测量传感器的模拟信号转换为数字信号；
步骤3：数据处理单元进行平整度计算；
步骤4：平整度输出单元向外界提供平整度检测结果。
作为优选，步骤2的具体实现包括以下子步骤：
步骤2.1：信号接收单元将接收的模拟电压/电流信号传输给信号转换电路，信号转换电路将进入的信号1:P的转换为模拟电压信号；
步骤2.2：利用滤波电路对模拟电压信号进行滤波处理，进而抑止信号线上的共模干扰，同时衰减高频干扰信号；
步骤2.3：AD转换电路将滤波后的模拟电压信号转变为数字信号；
步骤2.4：将转变后的数字信号传输给数据处理单元。
作为优选，步骤3的具体实现包括以下子步骤：
步骤3.1：输入待计算区间原始数据；
根据平整度计算区间要求，向数据处理单元输入平整度待计算区间的原始信号数据，所述原始信号数据包括里程信号Sh、测距机信号SL、加速度计VvA信号；
步骤3.2：计算行车速度；
其中Vhi为第i个点采样时刻的行车速度，Shi+m、Shi-m分别为第i+m、i-m个点采样时刻的里程位置，Fsamp为模拟信号采集器的采样频率；
步骤3.3：选取有效测量数据；
依据里程信号及行车速度信息，选取部分有效数据，即剔除部分超低速冗余数据；数据选取方法为：当测量速度Vh≥Tv时，原始数据均为有效数据；当测量速度Vh＜Tv时，在原始采样数据中，依据采样点序号，按Vh/Tv比例均匀选取数据或按Vh/Tv比例截取数据作为当前有效数据，同时记录当前有效数据对应的行车速度；其中Tv为速度阈值；
步骤3.4：计算行车加速度；
对当前有效数据对应的行车速度{Vhi|i＝1,2,…,n}，其中n为当前有效数据点的总个数，先进行滤波，得到滤波后的行车速度{Vhi'|i＝1,2,…,n}，再计算初始行车加速度，计算公式如下：
VhAoi＝(Vh'i+1-Vh'i)·Fsamp (式2)；
其中VhAoi为当前第i个有效点采样时刻的初始行车加速度速度，再对初始行车加速度进行滤波，得到最终行车加速度{VhAi|i＝1,2,…,n}；
步骤3.5：基于行车加速度的数据自适应分段；
利用阈值Tpre，初步判断当前有效数据是否需要进行分段；
若需要分段，则Flag＝1，否则Flag＝0，式3中N＝{1,2,…,n}；
若当前有效数据需要进行分段，则利用阈值Tacc对数据进行精确分段，对任一数据段Segj，数据分段要求如下：
其中FlagAbj为第j个数据段是否为急加减速段的标记值，值为1表示为急加减速段，值为0表示为正常测量段，section为当前有效数据被分割的数据段总个数，其中Segj为第j个数据段数据对应的数据序号集合，SIDj为第j个数据段数据对应的数据起始序号，Cntj为第j个数据段对应数据点的总个数据；
步骤3.6：分段获取载车上下震动距离；
对任意第j段内的测量数据，通过加速度计数据一次积分，获取载车上下震动速度，通过载车上下震动速度一次积分，获取载车上下震动距离，计算公式如下：
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分别为当前第i个采样点的载车上下震动速度、载车上下震动加速度、载车上下震动距离；其中Vvi-1、Svi-1分别为当前第i-1个采样点时的载车上下震动速度、载车上下震动距离，i∈Segj，另外，当i＝SIDj，Vvi＝0,Svi＝0；
步骤3.7：分段获取路面纵断面轮廓；
结合测距机数据和载车上下震动距离，计算各段内的路面纵断面轮廓，计算公式如下：
Profilei＝SetV-SLi-Svi (式7)；
其中Profilei、SLi分别为当前第i个采样点的断面相对高程、测距机测量的距离，SetV为测距机安装高度；
步骤3.8：路面纵断面轮廓拼接；
将各段的纵断面轮廓进行拼接，其中对第j段内的路面纵断面轮廓拼接公式如下：
Profile'i＝Profile'p+Profilei (式8)；
其中j∈{2,…,section}，Profile'i、Profile'p分别为断面拼接后第i、p个采样点的断面相对高程，其中p＝SIDj，i∈Segj；
对拼接后的断面，进行滤波处理，得到最终的路面纵断面高程Profile”i，i＝1,2,…,n；
步骤3.9：计算国际平整度指数；
基于最终的路面纵断面高程Profile”i，i＝1,2,…,n，采用世界银行提供的标准IRI计算方法，计算并输出国际平整度IRI。
本发明的有益效果为：
(1)平整度检测装置及其工作模式。现有的连续平整度检测仪往往由测量传感器(测距机、加速度计、编码器、GPS接收器等)、计算机、控制器、数据采集器等多个模块组成，模块之间存在耦合度高，系统整体复杂度高、集成度低、维护性和可靠性差等问题，本平整度检测装置将信号接收、信号转换、数据处理、数据输出功能高度集成，为一体化检测装置，本装置只需接入测量传感器(测距机、加速度计、编码器)原始信号，即可完成平整度检测工作，它具备维护性和可靠性强，便于组装等优点；
(2)由于测距机、加速度计均为内触发工作模式，即传感器本身均独立工作，其测量信号无法直接与其他信号进行匹配，为了满足测量要求，数据之间的对应关系需进行匹配，本发明利用模拟信号采集器解决了测距机、加速度计、里程信号的相互匹配问题；本装置解决了测量传感器信号(测距机、加速度计、里程信号)的相互匹配问题，利用滤波电路对模拟电压信号进行滤波处理，有效抑止信号噪声；利用AD采样电路实现了将模拟信号转变为数字信号，从而保障了平整度计算的数据可靠性；
(3)基于数据自适应分段的路面平整度计算方法。本发明在处理过程中，通过选取部分有效数据，即剔除部分超低速冗余数据，有效降低了低速测量区间的大量加速度计数据二次积分产生的位置偏移误差；低速测量区间，由于加速度计数据一次积分获取的震动速度存在较大误差，在数据未分段情况下，连续对后续正常测量区间的载车震动速度进行累积影响，通过震动速度一次积分获得的震动距离将存在很大累积误差，本发明利用行车加速度信息，对数据进行自适应分段，大大降低了低速测量区间对后续正常测量区域的影响；本发明通过对分段路面纵断面轮廓进行拼接，有效消除了数据分段处理造成的数据断层现象，从而有效获取了路面的相对真实轮廓，进而实现了不同速度(非匀速、低速、高速、匀速)情况下的平整度快速、准确测量，满足实际交通测量要求。
附图说明
图1：本发明实施例的装置原理图；
图2：本发明实施例的模拟信号转换为数字信号流程图；
图3：本发明实施例的平整度计算流程图；
图4：本发明实施例的原始采样数据示例；
图5：本发明实施例的选取的有效测量数据示例；
图6：本发明实施例的基于行车加速度的自适应分段示例；
图7：本发明实施例的路面纵断面高程获取示例；
图8：本发明实施例的相同路段不同测量速度情况下路面纵断面高程获取示例。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种适应低速及变速测量的平整度检测装置，主要由信号接收单元、信号转换单元、数据处理单元、平整度输出单元组成，其中信号接收单元用于接收外界提供的测量传感器(测距机、加速度计、编码器)信号，信号转换单元将测量传感器的模拟信号转换为数字信号，数据处理单元用于平整度计算，平整度输出单元向外界提供平整度检测结果。本发明所述平整度检测装置为一体化检测装置，它集成度高、维护性和可靠性强，便于组装，只需接入测量传感器(测距机、加速度计、编码器)原始信号，即可完成平整度检测工作。
本发明提及的信号接收单元通过模拟信号接口接收外界提供的测量传感器(测距机、加速度计、编码器)信号。
本发明提及的信号转换单元工作原理如图2所示，其工作逻辑如下：
(1)信号接收单元将接收的模拟电压/电流信号传输给信号转换电路，信号转换电路将进入的信号1:1的转换为模拟电压信号；
(2)信号转换后，利用滤波电路对模拟电压信号进行二阶巴特沃斯滤波处理，进而抑止信号线上的共模干扰，同时衰减高频干扰信号；
(3)AD转换电路将滤波后的模拟电压信号转变为数字信号；
(4)将转变后的数字信号传输给数据处理单元。
本发明提及的数据处理单元采用基于数据自适应分段的路面平整度算法进行数据处理，其数据处理流程如图3所示。基于数据自适应分段的路面平整度算法步骤如下：
(1)输入待计算区间原始数据。根据平整度计算区间要求，对数据处理单元输入平整度待计算区间(数据区间长度为100m；也可以取：100m、50m、25m、20m等)的原始信号数据(里程信号Sh、测距机信号SL、加速度计VvA信号，如图4所示)。
(2)计算行车速度。依据里程信息，计算行车速度，计算公式如下所示：
其中Vhi为第i个点采样时刻的行车速度，m＝4000，Shi+m、Shi-m分别为第i+m、i-m个点采样时刻的里程位置，Fsamp＝16000(Hz)为模拟信号采集器的采样频率。
(3)选取有效测量数据。依据里程及行车速度信息，选取部分有效数据，即剔除部分超低速冗余数据，数据选取方法为：设置超低速阈值Tv＝7.2km/h，当测量速度Vh≥Tv时，原始数据均为有效数据；当测量速度Vh＜Tv时，在原始采样数据中，依据采样点序号，按Vh/Tv比例均匀选取数据或按Vh/Tv比例截取数据作为当前有效数据，假设里程信息的测量精度为5mm，则在采样数据中相同里程值的有效点个数最多为40个(16000*(5/2000))，同时记录当前有效数据对应的行车速度，有效测量数据效果如图5所示；
(4)计算行车加速度。对当前有效数据对应的行车速度{Vhi|i＝1,2,…,n}，其中n为当前有效数据点的总个数，先进行滤波半径为100的低通滤波(如均值滤波、低通滤波等)，得到滤波后的行车速度{Vhi'|i＝1,2,…,n}，再计算初始行车加速度，计算公式如下：
VhAoi＝(Vh'i+1-Vh'i)·Fsamp (式2)
其中VhAoi为当前第i个有效点采样时刻的初始行车加速度速度，再对初始行车加速度进行滤波半径为1000的均值滤波(如均值滤波、低通滤波等)，得到最终行车加速度{VhAi|i＝1,2,…,n}，有效测量数据效果如图6中行车加速度所示。
(5)基于行车加速度的数据自适应分段。利用阈值Tpre(Tpre＝1.6)初步判断当前有效数据是否需要进行分段。
若需要分段，则Flag＝1，否则Flag＝0，式3中N＝{1,2,…,n}。
若当前有效数据需要进行分段，则利用阈值Tacc(Tacc＝0.6)对数据进行精确分段，对任一数据段Segj，数据分段要求如下：
其中FlagAbj为第j个数据段是否为急加减速段的标记值，值为1表示为急加减速段(区域)，值为0表示为正常测量段(区域)，section为当前有效数据被分割的数据段总个数，其中Segj为第j个数据段数据对应的数据序号集合，SIDj为第j个数据段数据对应的数据起始序号，Cntj为第j个数据段对应数据点的总个数据，数据分段效果如图6所示。
(6)分段获取载车上下震动距离。对任意第j(j∈{1,2,…,section})段内的测量数据，通过加速度计数据一次积分，获取载车上下震动速度，通过载车上下震动速度一次积分，获取载车上下震动距离，计算公式如下：
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分别为当前第i个采样点的载车上下震动速度、载车上下震动加速度、载车上下震动距离；其中Vvi-1、Svi-1分别为当前第i-1个采样点时的载车上下震动速度、载车上下震动距离，i∈Segj，另外，当i＝SIDj，Vvi＝0,Svi＝0，若当前区域为急加减速区，则对当前区域的载车上下震动距离进行滤波半径为10低通滤波，载车上下震动距离如图7所示。
(7)分段获取路面纵断面轮廓。结合测距机数据和载车上下震动距离，计算各段内的路面纵断面轮廓，计算公式如下：
Profilei＝SetV-SLi-Svi (式7)
Profilei、SLi分别为当前第i个采样点的断面相对高程、测距机测量的距离，SetV(SetV＝290mm)为测距机安装高度。
(8)路面纵断面轮廓拼接。将各段的纵断面轮廓进行拼接，其中对第j(j∈{2,…,section})段内的路面纵断面轮廓拼接公式如下：
Profile'i＝Profile'p+Profilei (式8)
Profile'i、Profile'p分别为断面拼接后第i、p个采样点的断面相对高程，其中p＝SIDj-1，i∈Segj，另外，对拼接后的断面，需进行滤波处理(如均值滤波、低通滤波等)，得到最终的路面纵断面高程Profile”i，i＝1,2,…,n，获取的路面纵断面轮廓如图8所示。
(9)计算国际平整度指数。基于最终的路面纵断面高程Profile”i，i＝1,2,…,n，采用世界银行提供的标准IRI计算方法，计算并输出国际平整度IRI。
路面行驶质量指数与国际平整度指数IRI(International Roughness Index)直接相关，IRI是由世界银行1982年在巴西进行的国际平整度试验则完整而系统地提出了IRI的计算模型与计算方法。采用1/4车模型，以80km/h速度在已知断面上行驶，计算一定行驶距离内悬挂系统的累积位移为IRI。IRI综合了断面类与动态类平整度测定方法的优点而得到的一个评价指标，对静态断面高程数据经过数学模型计算后得到的动态变量。IRI具有与车辆振动的动态反应相关、结果具有时间稳定性、结果具有有效性、具有可转移性，是目前国际上广泛采用的平整度指标，因此，现行通用的快速测量技术测量结果都是直接计算得到IRI。
利用测量到道路的纵坡面信息，采用世界银行提供的标准IRI计算方法，可以计算得到自定义间隔的IRI值，如20m、25m、50m、100m等。IRI计算公式为：
RS为指定路段区域的第i个测点的矫正斜率，u为待计算平整度值的路段区域(≥11m，测点间隔0.25m)内测点的个数。
本发明的平整度检测装置主要由信号接收单元、信号转换单元、数据处理单元、平整度输出单元组成，其中信号接收单元用于接收外界提供的测量传感器(测距机、加速度计、编码器)信号，信号转换单元将测量传感器的模拟信号转换为数字信号，数据处理单元用于平整度计算，平整度输出单元向外界提供平整度检测结果。本发明所述平整度检测装置为一体化检测装置，它集成度高、维护性和可靠性强，便于组装，只需接入测量传感器(测距机、加速度计、编码器)原始信号，即可完成平整度检测工作。另外，本装置解决了测量传感器信号(测距机、加速度计、里程信号)的相互匹配问题，利用滤波电路对模拟电压信号进行滤波处理，有效抑止信号噪声；利用AD采样电路实现了将模拟信号转变为数字信号，从而保障了平整度计算的数据可靠性；
本发明在处理过程中，通过选取部分有效数据，即剔除部分超低速冗余数据，有效降低了低速测量区间的大量加速度计数据二次积分产生的位置偏移误差；低速测量区间，由于加速度计数据一次积分获取的震动速度存在较大误差，对后续正常测量区间的载车震动距离(通过震动速度积分获得)计算存在累积误差影响，本发明利用基于行车加速度的数据自适应分段，大大降低了低速测量区间对后续正常测量区域的影响；本发明通过对分段路面纵断面轮廓进行拼接，有效消除了数据分段处理造成的数据断层现象，从而有效获取了路面的相对真实轮廓，进而实现了不同速度(非匀速、低速、高速、匀速)情况下的平整度快速、准确测量。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
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