СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ РОВНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ
DIAGNOSTICS METHOD OF ROAD CARPET SURFACE EVENNESS

Изобретение относится к строительству и эксплуатации дорог, в частности к измерительной технике, используемой для определения показателей ровности поверхности дорожного покрытия, и может быть использовано для мониторинга качества дорожного покрытия в процессе эксплуатации и прогнозирования срока службы покрытий.
После прокладки участка дороги и его обустройства согласно требованиям ГОСТ 30412-96 осуществляется его паспортизация, при этом осуществляется измерение микропрофиля дорожного покрытия с использованием геодезических инструментов (нивелир или тахеометр) или трехметровой рейки. Ровность дороги, как параметр, определяется действующими государственными стандартами в виде расстояния от базовой поверхности инструмента, именуемого рейкой, до поверхности дорожного покрытия [1, 2].
Известны способы измерения геометрических параметров профиля дороги, включающие подачу на поверхность дорожного покрытия световых, лазерных излучений, ультразвуковых сигналов, прием отраженных сигналов и их преобразование в аналоговые сигналы, передачу преобразованных сигналов и определение по заданным программам геометрических параметров профиля и шероховатости дорожного покрытия (RU №2397286 от 20.08.2010, Е01С 23/07, G01C 7/04, RU №2400594 от 27.09.2010, Е01С 23/07, G01B 5/28). Недостатками указанных способов является большая сложность аппаратно-программного обеспечения, дороговизна измерений, зависимость измерений от времени суток, освещенности, погодных условий, недостаточная надежность излучающих устройств.
Задачей изобретения является создание такого способа диагностики ровности поверхности дорожного покрытия, который позволил бы упростить сам процесс измерения, повысить его надежность и оперативность за счет использования более простых современных аппаратно-программных средств, лучше приспособленных к реальным дорожным условиям.
Поставленная задача решена путем создания способа диагностики ровности поверхности дорожного покрытия посредством анализа вибровоздействий неровностей дорожного покрытия при движении автомобиля, в котором непрерывно измеряют вибрации при движении посредством вибродатчиков, установленных на неподрессоренной части автомобиля по осям четырех колес; на этапе паспортизации дороги, перед вводом в эксплуатацию, создают эталонную базу параметров ровности дорожного покрытия, для чего осуществляется непрерывная запись амплитуд вибровоздействий неровностей дорожного покрытия с привязкой по месту измерений спутниковой системой позиционирования; данные измерений записывают на жесткий диск компьютера; в процессе эксплуатации дороги осуществляют диагностику состояния дорожного покрытия, записывая амплитуды вибровоздействий неровностей дорожного покрытия также с привязкой по месту измерений спутниковой системой позиционирования; данные измерений амплитуд вибровоздействий контрольной записи сравнивают с соответствующими элементами измерений амплитуд вибровоздействий, имеющимися в эталонной базе параметров ровности дорожного покрытия, на одноименных точках трассы, причем корректируют измеренные амплитуды вибровоздействия контрольной записи с учетом сравнения значения скорости движения при эталонной записи со скоростью движения при контрольной записи, соответственно пропорционально увеличивая амплитуду, если скорость прохождения места дефекта при контрольной записи была меньше скорости прохождения при эталонной записи, и соответственно пропорционально уменьшая амплитуду, если скорость прохождения места дефекта при контрольной записи была больше скорости прохождения при эталонной записи; по величине нарастающей разности значений амплитуд вибровоздействий эталонной записи измерений и контрольной записи измерений принимают решение о продолжении эксплуатации дороги, или о ремонте дорожного покрытия, или ограничении скорости движения на проблемных участках дороги.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показаны:
на фиг.1 представлены этапы реализации способа, на фиг.2 - принципиальная схема приборного состава, реализующая заявляемый способ.
В процессе реализации способа осуществляют диагностику дорожной трассы посредством мобильного виброизмерительного комплекса, включающего базовое транспортное средство, вычислительный комплекс, рабочее место оператора, средства электропитания, виброизмерительный комплекс и спутниковую систему позиционирования. Вычислительный комплекс функционально является средством обработки полученной информации и передачи результатов обработки на центральную ЭВМ в режиме реального времени. Виброизмерительный комплекс является средством измерения и анализа вибрационного воздействия неровностей дорожного покрытия. Его оснащают типовой виброизмерительной аппаратурой. Вибродатчики монтируются на неподрессоренной части автомобиля к элементам подвески автомобиля в местах прикрепления амортизаторов, по осям всех четырех колес, например как в техническом решении [3].
Спутниковая система позиционирования предназначена для геодезической привязки исследуемой дорожной трассы к электронному проекту дороги и результатов измерения вибровоздействий к географическим координатам и скорости движения мобильного виброизмерительного комплекса. Для этого комплекс оснащают спутниковой системой позиционирования, позволяющей производить привязку измеряемых данных вибровоздействий к географическим координатам и скорости движения и референсной станцией, которая используется совместно с системой навигации для геодезической привязки мобильного виброизмерительного комплекса к реперным точкам проекта дороги. Оборудование для приема и обработки спутниковых сигналов системы содержит антенну, приемник спутниковых сигналов, модем и контроллер GPS/ГЛОНАСС.
Предлагаемый способ состоит из трех этапов: этапа паспортизации - этапа создания базы данных параметров ровностей дороги (эталонной записи параметров вибровоздействий неровностей дорожного покрытия), этапа диагностики дорожного покрытия (контрольной записи и обработки параметров ровностей дороги) в процессе эксплуатации дороги и этапа принятия решения (этапа сравнения параметров эталонной и контрольной записей на той же трассе), на котором по изменению параметров вибровоздействий судят об изменении параметров ровности дорожного покрытия. Указанные этапы показаны на фиг.1. На первом этапе предполагается создание эталонной базы параметров ровностей дороги перед вводом дороги в эксплуатацию, для этого проводятся следующие действия. Перед началом работы в блок памяти вычислительного комплекса заносятся исходные данные - электронная модель проекта - план положения дорожной магистрали с реперными точками. Мобильный комплекс посредством совместной работы спутниковой системы позиционирования и референсной станции устанавливается в исходную точку с известными координатами, используемую при подготовке проекта дороги в качестве реперной. С этой начальной точки дистанции производятся измерения ровностей поверхности по каждой полосе дорожной магистрали, при этом ровность дорожного покрытия оценивается средней интенсивностью вибровоздействия неровностей дороги на колеса автомобильного средства. В качестве критерия оценки ровности дорожного покрытия в предлагаемом изобретении используется энергетический спектр вибровоздействий неровностей дорожного покрытия (спектральная плотность или мощность) сигнала четырех вибродатчиков, установленных вертикально на неподрессоренной части автомобиля в местах прикрепления амортизаторов, по осям четырех колес. Вибродатчик выступает как регистратор колебаний колес из-за неровностей дороги. При этом оценивается энергия колебаний в разных диапазонах частот. Поскольку вибродатчики закреплены на неподрессоренной части автомобиля, то профиль всех неровностей, обкатываемых колесами, фиксируется этими датчиками, при этом сигнал о действующих вертикальных составляющих ускорений зависит от профиля неровности дорожного покрытия. В силу упругости колес автомобиля на точность оценки практически не влияет шероховатость дорожного покрытия. Вертикально установленные вибродатчики как регистраторы колебаний колес из-за неровности дороги фиксируют ускорения в достаточно широкой полосе частот:
- низкочастотные от сотых до десятых долей Гц колебания, вызванные неровностями дороги в виде ложбинок и возвышений;
- колебания с более высокой частотой (от десятых долей до единиц Гц), вызванные неровностями типа "волна";
- колебания, вызванные всевозможными повреждениями дороги, которые в силу большой массы автомобиля не будут превышать первого десятка Гц.
Колебания, вызванные повреждением полотна дороги, близки к ударным нагрузкам. Они проявляются в виде "всплеска" сигнала, величина которого зависит от глубины (высоты) неровности. Частота этих "всплесков" и их амплитуда оценивается непосредственно путем их выделения из выходного сигнала вибродатчика с последующей привязкой по координатам к дороге. Вибродатчики преобразуют механическое воздействие неровностей дороги в электрический сигнал. В анализаторе спектра осуществляется преобразование аналогового сигнала в цифровой формат. Данные измерений передаются в вычислительный комплекс и записываются на жесткий диск вместе с данными о скорости и координатах спутниковой системы позиционирования. При обработке параметров вибровоздействий анализ информации может быть проведен по всем четырем вибродатчикам, а для обобщенного анализа данные всех датчиков усредняются. Данные вибровоздействий считываются и сохраняются в базе данных вычислительного комплекса для построения характеристик вибрационного воздействия неровностей дороги. При обработке информации используют известные методы цифровой обработки сигналов при виброиспытаниях.
На втором этапе - этапе диагностики состояния качества дорожного покрытия в процессе эксплуатации записывают и обрабатывают информацию последующих проходов вышеупомянутого мобильного виброизмерительного комплекса по проверяемому участку дороги, при котором записываются параметры вибровоздействий, вызванные разрушением дорожного покрытия, определенные по вибрационным характеристикам движущегося автомобильного средства, а именно по амплитудно-временным характеристикам контрольной записи с привязкой по месту испытаний вместе с данными о скорости и координатах спутниковой системы позиционирования.
Поскольку движение мобильного виброизмерительного комплекса по проверяемому участку дороги со строго постоянной скоростью затруднительно, то возникает разность скоростей прохождения одноименных точек трассы при эталонной записи и при контрольной записи при проведении мониторинга. Естественно, что анализу и сравнению, в первую очередь, подлежат максимальные значения амплитуд контрольной записи, «всплески» сигнала, вызванные разрушением покрытия. Величины этих амплитудных значений корректируют в предположении пропорциональной зависимости амплитуды вибровоздействия от скорости прохождения дефекта дорожного покрытия, соответственно увеличивая амплитуду, если скорость прохождения места дефекта при контрольной записи была меньше скорости прохождения при эталонной записи, и соответственно пропорционально уменьшая амплитуду, если скорость прохождения места дефекта при контрольной записи была больше скорости прохождения при эталонной записи.
На этапе принятия решений выводы о состоянии отдельных элементов дорожного покрытия производят исходя из доказанных представлений о зависимости между параметрами ровности дорожного покрытия и амплитудами вибрационного воздействия неровностей дороги, регистрируемыми мобильным виброизмерительным комплексом, проводя сравнения амплитуд вибровоздействия эталонной и контрольной записей на одноименных точках трассы. Таким образом, на основании предлагаемого способа отслеживается изменение амплитуд вибрационного воздействия неровностей дороги при движении автомобильного средства, косвенно характеризующих показатели ровности - проводится диагностика состояния дорожного покрытия. Решение о продолжении эксплуатации может быть принято, если разность амплитуд вибровоздействий эталонной и контрольной записей в целом по всему исследуемому участку не выходит за пределы допустимых отклонений. Как только значение этого параметра выходит за пределы допустимых отклонений, принимается решение о проведении ремонтных работ всего участка или его отдельных частей. Также дается рекомендация о снижении скоростного режима. При этом, так как значения амплитуд эталонной и контрольной записей вибровоздействий привязаны к координатам местности, то может быть дополнительно проведен инструментальный осмотр проблемного участка для уточнения объема ремонтных работ. Так как на проверяемой трассе проходят одну и ту же трассу, то сравнивая предыдущие показания вибровоздействий с последующими, всегда можно оценить эксплуатационное состояние автомобильной дороги, прогнозировать ее дальнейшее состояние.
Для реализации заявляемого способа можно использовать следующий приборный состав (фиг.2). Виброизмерительный комплекс включает пьезокерамические вибродатчики типа ВС 112 со встроенной электроникой чувствительностью 100 мВ/д с частотным диапазоном 0.5-5000 Гц. Встроенный усилитель для датчиков со встроенной электроникой позволяет подключать вибродатчики без использования промежуточных усилителей [4]. Анализатор спектра низкочастотного диапазона типа ZET 017-U8 используется для длительной непрерывной регистрации сигналов вибродатчиков. Он позволяет проводить одновременный опрос всех каналов системы в реальном масштабе времени, а также обработки записанных временных реализаций. Анализатор спектра имеет возможность автономной работы (без компьютера) в режиме регистрации сигналов на встроенный накопитель объемом до 32 Гб [5]. Связь с компьютером вычислительного комплекса осуществляется по шине USB 2.0. Оборудование для приема и обработки спутниковых сигналов системы содержит антенну, приемник спутниковых сигналов, модем и контроллер GPS/ГЛОНАСС, например как в [6]. В качестве референсной станции в комплексе используется Stonex RSNFT4 GNSS, основанный на технологии CORS, вместе с технологией сверхдлинных дистанций в режиме RTK, который может принимать сигналы ГЛОНАСС, поддерживает частоту L5 третьего поколения GPS и новые сигналы L2 С/А. Высокая точность и эффективность позволяют производить геодезическую съемку в режиме реального времени. Шесть режимов передачи данных, большой объем памяти для хранения данных, удобная загрузка и передача. Связь между референсной станцией и приемником спутниковой системы позиционирования осуществляется по радиоканалу посредством модемов. Совокупность используемых программно-аппаратных средств показывает, что предлагаемый способ осуществим в промышленных условиях и, следовательно, является промышленно применимым.
Заявляемым изобретением достигается технический результат, которым является повышение точности и оперативности определения параметров ровности дорожного покрытия при движении транспортного средства и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения автоматической дистанционной выдачи параметров ровности и оценки состояния дорожного полотна в процессе эксплуатации. Помимо этого новыми функциями изобретения является возможность обоснованно рекомендовать сроки эксплуатации дорожного покрытия и рекомендованные скорости движения транспортных средств.
Использованные источники
1. ГОСТ 30412-96. Дороги автомобильные и аэродромы. Методы измерений неровностей оснований и покрытий. Введен 1.01.1997 г. постановлением Минстроя России от 5 августа 1990 №18-60, п.6. Измерения с применением автомобильной установки ПКРС-2.
2. СНиП 3.06.03 - 85 «Автомобильные дороги». М.: ГОССТРОЙ СССР, 1989, п.14. Приемка выполненных работ.
3. Установка для испытания амортизатора транспортного средства (RU №112422, G01M 17/04, 10.01.2012).
4. Акселерометры со встроенной электроникой стандарта IСР. http://www.zetms.ru/catalog/vibrodats/vibro.php.
5. Анализатор спектра низкочастотного диапазона ZET 017 - U8. http://www.zetms.ru/catalog/vibrodats/vibro.php.
6. Бортовое устройство контроля параметров движения транспортного средства (RU №113230, B62D 41/00, G07C 5/08, 10.02.2012).