胡斯然，周博聞，惠 冰

（1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015； 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410008； 3.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

準(zhǔn)確的車(chē)轍嚴(yán)重程度評(píng)價(jià)是路面養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)與措施選擇的重要依據(jù)［1-7］。目前，非均布13點(diǎn)激光檢測(cè)車(chē)普遍應(yīng)用于中國(guó)國(guó)省干線車(chē)轍的快速檢測(cè)［8-9］，受道路線形和駕駛員人為因素的影響，檢測(cè)車(chē)在檢測(cè)過(guò)程中將不可避免的出現(xiàn)橫向偏移［10-17］，引發(fā)激光檢測(cè)設(shè)備的測(cè)點(diǎn)偏離正常位置（如圖1所示），難以采集完整的車(chē)轍橫斷面形態(tài)，進(jìn)而造成車(chē)轍深度偏移誤差的產(chǎn)生，甚至導(dǎo)致車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)的誤判，影響結(jié)果評(píng)價(jià)的可靠度［17］，進(jìn)而影響?zhàn)B護(hù)時(shí)機(jī)與措施的科學(xué)決策［18-21］。

圖1 檢測(cè)車(chē)橫向偏移圖示［7］Figure 1 Illustration of vehicle lateral offset

為掌握多點(diǎn)激光檢測(cè)設(shè)備橫向偏移對(duì)車(chē)轍深度測(cè)量的影響，SIMPSON［22-23］等研究表明3點(diǎn)和5點(diǎn)激光檢測(cè)車(chē)行駛過(guò)程中會(huì)在左、右兩側(cè)隨機(jī)產(chǎn)生50～250 mm的橫向偏移，激光點(diǎn)數(shù)量越多偏移誤差越??；BENNETT［24］對(duì)比了30點(diǎn)激光檢測(cè)設(shè)備右偏移50、100、150 mm的車(chē)轍深度，表明偏移誤差受車(chē)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(diǎn)激光檢測(cè)車(chē)橫向偏移距離實(shí)際可達(dá)500 mm；馬榮貴［26］基于正弦函數(shù)模擬的對(duì)稱(chēng)W型車(chē)轍，分析了橫向偏移對(duì)等間距di激光傳感器量測(cè)的車(chē)轍深度檢測(cè)結(jié)果的影響，表明偏移距離為di／2時(shí)偏移誤差最大；Tsai［27］對(duì)比了3點(diǎn)、5點(diǎn)激光和三維線激光的車(chē)轍深度檢測(cè)結(jié)果，認(rèn)為多點(diǎn)激光檢測(cè)設(shè)備的測(cè)點(diǎn)間距較大，發(fā)生橫向偏移后難以獲取車(chē)轍高程極值點(diǎn)，進(jìn)而造成檢測(cè)車(chē)轍深度的低估。上述研究表明，檢測(cè)車(chē)橫向偏移將影響車(chē)轍深度測(cè)量的精度。但研究局限于模擬或單一實(shí)測(cè)的車(chē)轍橫斷面，并未考慮不同的車(chē)轍橫斷面形態(tài)；另外檢測(cè)車(chē)偏移距離設(shè)置偏小，無(wú)法涵蓋實(shí)際的偏移范圍。

本文采用非均布13點(diǎn)激光車(chē)轍檢測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，針對(duì)有隆起和無(wú)隆起2類(lèi)典型車(chē)轍形態(tài)，研究了左、右2個(gè)偏移方向和3個(gè)偏移距離（100、300、500 mm）對(duì)車(chē)轍深度測(cè)量結(jié)果的影響，分析了偏移誤差的變化規(guī)律與原因及對(duì)車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)判定的影響。為車(chē)轍深度測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)估和偏移誤差的修正提供依據(jù)。

1 檢測(cè)設(shè)備與方法

1.1 車(chē)轍檢測(cè)設(shè)備與深度計(jì)算方法

非均布13點(diǎn)激光車(chē)轍檢測(cè)設(shè)備廣泛應(yīng)用于中國(guó)國(guó)省干線車(chē)轍的快速檢測(cè)，設(shè)備基于離散點(diǎn)的相對(duì)高度測(cè)量原理，布置了13個(gè)距路面300 mm的激光傳感器，其中9個(gè)垂直激光傳感器按照中間稀疏兩側(cè)密集的規(guī)律分布在檢測(cè)斷面上，4個(gè)傾斜激光傳感器布置在垂直激光傳感器的兩側(cè)以實(shí)現(xiàn)3 500 mm的最大檢測(cè)寬度，激光器布設(shè)如圖2所示。

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

非均布13點(diǎn)激光檢測(cè)車(chē)所采集的車(chē)轍橫斷面相對(duì)高程原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，第1行G代表國(guó)道，108表示道路編號(hào)；A代表上行線 （B代表下行線），1235代表檢測(cè)點(diǎn)的樁號(hào)，112和082分別代表左、右轍槽的車(chē)轍深度，單位為0.1 mm；第2行為激光傳感器距路面各點(diǎn)的相對(duì)高程，單位為0.1 mm；第3行為激光測(cè)點(diǎn)在檢測(cè)斷面上的橫向坐標(biāo)，單位為1 mm。

車(chē)轍深度計(jì)算時(shí)需將檢測(cè)斷面中13個(gè)測(cè)點(diǎn)的橫向分布坐標(biāo) （表1中第3行）及其量測(cè)的相對(duì)高程數(shù)據(jù) （表1中第2行）還原成近似連續(xù)的車(chē)轍形態(tài)，再按照 《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTG E60-2008）［28］中 “T 0973-3”規(guī)定的包絡(luò)線法計(jì)算得出兩側(cè)輪跡處橫斷面包絡(luò)線與道路表面間的最大垂直距離，即為車(chē)轍深度，見(jiàn)圖3。

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

圖3 包絡(luò)線法測(cè)量車(chē)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(jì)算方法

本文采用2015年G108現(xiàn)場(chǎng)的共110組車(chē)轍檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)車(chē)轍橫斷面形態(tài)分析選擇了典型的無(wú)隆起車(chē)轍52組數(shù)據(jù)，有隆起車(chē)轍58組數(shù)據(jù)，車(chē)轍深度計(jì)算分別采用圖3（a）和 （b）方法；未偏移時(shí)2類(lèi)車(chē)轍形態(tài)及深度計(jì)算實(shí)例如圖4所示。

本文基于MATLAB軟件開(kāi)發(fā)了車(chē)轍橫向偏移誤差計(jì)算程序，首先利用未偏移的13個(gè)激光點(diǎn)橫向坐標(biāo)和相對(duì)高程建立近似連續(xù)車(chē)轍橫斷面，并計(jì)算偏移前的車(chē)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(diǎn)激光現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建偏移后的車(chē)轍橫斷面形態(tài)并計(jì)算車(chē)轍最大深度D；偏移前后車(chē)轍深度的絕對(duì)誤差即為偏移誤差。無(wú)隆起車(chē)轍分別向左、右兩側(cè)偏移距離d＝100、300、500 mm時(shí)，前后的橫斷面對(duì)比結(jié)果如圖5所示，圖5中虛線表示偏移前車(chē)轍，實(shí)線則表示偏移后車(chē)轍。

從圖5可以看出，隨著檢測(cè)車(chē)橫向偏移距離的增大，非均布13點(diǎn)激光難以獲取完整的轍槽形狀，導(dǎo)致在此基礎(chǔ)上計(jì)算的車(chē)轍深度偏移誤差產(chǎn)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(chē)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(lèi)車(chē)轍形態(tài)及深度計(jì)算實(shí)例Figure 4 Two types of rutting patterns and depth calculation examples

圖5 偏移前后車(chē)轍橫斷面對(duì)比圖Figure 5 Simulated results of different offset magnitude

2 檢測(cè)結(jié)果與分析

2.1 車(chē)轍深度檢測(cè)結(jié)果

2.1.1 無(wú)隆起車(chē)轍

將52組無(wú)隆起車(chē)轍的左偏移數(shù)據(jù)按深度由小到大排列，對(duì)比偏移100、300、500 mm前后車(chē)轍深度測(cè)量結(jié)果，如圖6所示。

從圖6可知，當(dāng)檢測(cè)車(chē)輛橫向偏移時(shí)，無(wú)隆起車(chē)轍的深度檢測(cè)結(jié)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(shí)，最大偏移誤差分別為2.4、4.4、6.6 mm。無(wú)隆起車(chē)轍檢測(cè)偏移誤差的產(chǎn)生將導(dǎo)致車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)被低估。

圖6 無(wú)隆起車(chē)轍偏移前后深度檢測(cè)結(jié)果Figure 6 None upheaval rut depth detection results before and after lateral offset

2.1.2 有隆起車(chē)轍

有隆起車(chē)轍58組數(shù)據(jù)左偏移前后的車(chē)轍深度測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

圖7 有隆起車(chē)轍偏移前后深度檢測(cè)結(jié)果Figure 7 Upheaval rut depth detection results before and after lateral offset

從圖7可以看出，有隆起車(chē)轍隨著偏移距離增大，深度檢測(cè)結(jié)果先減小后增大。當(dāng)檢測(cè)車(chē)橫向偏移100 mm時(shí)，49組車(chē)轍橫斷面測(cè)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(shí)，31組數(shù)據(jù)的車(chē)轍測(cè)量深度減小，27組數(shù)據(jù)的車(chē)轍測(cè)量深度增大，最大偏移誤差為2.8 mm；當(dāng)偏移距離達(dá)到500 mm時(shí)，40組斷面的車(chē)轍深度測(cè)量結(jié)果高估，最大偏移誤差為4.1 mm。有隆起車(chē)轍檢測(cè)偏移誤差的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)的高估或低估。

2.2 車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)判定

目前中國(guó) 《公路技術(shù)狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》 （JTG H20-2007）［3］以10、15 mm為輕、重度車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)判定閾值，準(zhǔn)確的車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)評(píng)價(jià)是進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)與措施選擇的重要依據(jù)［29］。上述可知，檢測(cè)車(chē)橫向偏移會(huì)產(chǎn)生車(chē)轍深度檢測(cè)偏移誤差，進(jìn)而造成車(chē)轍深度檢測(cè)結(jié)果被高估或低估，可能導(dǎo)致車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)的誤判，影響車(chē)轍嚴(yán)重程度的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

為分析偏移誤差對(duì)車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性的影響，針對(duì)有、無(wú)隆起車(chē)轍形態(tài)的左、右2個(gè)偏移方向和3個(gè)偏移距離 （100、300、500 mm）對(duì)車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)評(píng)定的影響，將車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)未產(chǎn)生改變的視為正常，分別計(jì)算了等級(jí)正常、低估和高估3種情況比例。無(wú)隆起和有隆起車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)判定結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 橫向偏移對(duì)無(wú)隆起車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)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(duì)有隆起車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)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(cè)車(chē)橫向偏移會(huì)導(dǎo)致無(wú)隆起車(chē)轍形態(tài)嚴(yán)重等級(jí)被低估，隨著偏移距離不斷增大，低估比例逐漸增加；當(dāng)偏移距離為100 mm時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)中最多有3.8%的車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)被低估；當(dāng)偏移距離為300 mm時(shí)，最多有59.6%被低估；當(dāng)偏移距離達(dá)到500 mm，最多有73.4%被低估。嚴(yán)重等級(jí)被低估的車(chē)轍可能會(huì)導(dǎo)致最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)的錯(cuò)失，甚至影響車(chē)輛行駛安全性。

從圖9可以看出，有隆起車(chē)轍隨著偏移距離的不斷增大，嚴(yán)重等級(jí)判定呈現(xiàn)先低估后高估的趨勢(shì)；當(dāng)偏移距離為100 mm時(shí)，最多有25.9%的車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)被低估；當(dāng)偏移距離為300 mm時(shí)，最多有94.9%的車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)正常；當(dāng)偏移距離為500 mm時(shí)，有隆起車(chē)轍最多有31.0%的嚴(yán)重等級(jí)被高估，可能導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)周期縮短，造成養(yǎng)護(hù)資源浪費(fèi)。

2.3 偏移誤差原因分析

通過(guò)上述分析，檢測(cè)車(chē)橫向偏移對(duì)有、無(wú)隆起車(chē)轍的嚴(yán)重等級(jí)判定準(zhǔn)確性存在顯著影響。圖10為無(wú)隆起車(chē)轍偏移誤差示意圖。當(dāng)檢測(cè)車(chē)向一側(cè)偏移時(shí)，另一測(cè)的邊緣激光傳感器測(cè)點(diǎn)將沿轍槽坡壁明顯下滑，13點(diǎn)激光測(cè)量將無(wú)法獲取車(chē)轍完整橫斷面形態(tài)。偏移后包絡(luò)線的變化，導(dǎo)致車(chē)轍深度結(jié)果減小，引起嚴(yán)重等級(jí)被低估。

圖11為有隆起車(chē)轍偏移誤差示意圖，車(chē)轍的隆起高于道路平面。因此，采用包絡(luò)線法分別計(jì)算左右轍槽深度時(shí)，非均布13點(diǎn)激光檢測(cè)設(shè)備受檢測(cè)寬度限制，無(wú)法獲取車(chē)轍邊緣隆起最高點(diǎn)。而偏移后包絡(luò)線的變化，使得車(chē)轍深度結(jié)果增大，引起嚴(yán)重等級(jí)的高估。另外，有隆起車(chē)轍在小于300 mm的低估則是由于車(chē)轍中部隆起高度較兩側(cè)隆起大，稀疏分布的激光傳感器測(cè)點(diǎn)在偏移產(chǎn)生時(shí)無(wú)法獲取中部隆起最高點(diǎn)，同時(shí)邊緣測(cè)點(diǎn)高程增長(zhǎng)較小，造成車(chē)轍深度結(jié)果降低，引起車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)的低估。

圖10 無(wú)隆起車(chē)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(chē)轍偏移誤差示意圖Figure 11 The effect of upheaval rut characteristics to lateral offset

3 結(jié)論

a.無(wú)隆起車(chē)轍深度檢測(cè)結(jié)果隨偏移距離增加而不斷減小，有隆起車(chē)轍先減小后增大。檢測(cè)車(chē)橫向偏移會(huì)造成車(chē)轍偏移誤差產(chǎn)生，當(dāng)偏移距離分別為100、300、500 mm時(shí)，無(wú)隆起車(chē)轍的最大偏移誤差為-2.4、-4.4、-6.6 mm，有隆起車(chē)轍的最大偏移誤差為-4.6、2.8、4.1 mm。

b.偏移誤差會(huì)導(dǎo)致車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)誤判，無(wú)隆起車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)被低估，隨著偏移距離不斷增大，嚴(yán)重等級(jí)被低估比例由3.8%增加至73.4%，車(chē)轍嚴(yán)重等級(jí)被低估可能會(huì)導(dǎo)致最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)的錯(cuò)失，甚至影響車(chē)輛行駛安全性；有隆起車(chē)轍不同偏移距離時(shí)，分別存在高估和低估現(xiàn)象，最多有31.0%的車(chē)轍被高估，可能導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)周期縮短，造成養(yǎng)護(hù)資源浪費(fèi)。

c.無(wú)隆起車(chē)轍偏移誤差受最深轍槽位置和槽壁坡度影響；有隆起車(chē)轍分別受13點(diǎn)激光檢測(cè)設(shè)備受有效檢測(cè)寬度限制和激光器布設(shè)間距影響，導(dǎo)致偏移誤差產(chǎn)生。結(jié)論為車(chē)轍深度檢測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估與偏移誤差修正提供參考。