ПЕРЕДВИЖНАЯ ДОРОЖНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ МОНИТОРИНГА УЛИЧНО-ДОРОЖНОЙ СЕТИ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области строительства и эксплуатации улично-дорожных сетей, а также к средствам и методам комплексной диагностики технико-эксплуатационных показателей объектов дорожного хозяйства и организации мониторинга за их организационно-техническим состоянием в режиме реального времени.
Из уровня техники известна передвижная дорожная лаборатория мониторинга улично-дорожной сети, включающая базовое транспортное средство с бортовым вычислительным комплексом, функционально являющимся средством обработки регистрируемой информации и передачи результатов обработки на центральную ЭВМ в режиме реального времени, а также стационарно установленную на базовом транспортном средстве контрольно-измерительную систему, включающую средство координатной привязки результатов измерений контролируемых параметров и функциональный комплекс, выполненный на основе, по меньшей мере, одной оптоэлектронной компоненты. При этом выходные каналы контрольно-измерительной системы коммутационно связаны с бортовым вычислительным комплексом, а, по меньшей мере, часть структурных элементов ее функционального комплекса смонтирована на базовом транспортном средстве посредством виброизолированной основы (RU, №2170298, С2, 2001 г.).
К недостаткам данного известного из уровня техники технического решения можно отнести следующее.
Ограниченные эксплуатационные возможности, вследствие:
- обеспечения контроля и регистрации исключительно одного
технико-эксплуатационного параметра дорожного объекта;
- ограниченной зоны контроля исследуемого параметра, регламентируемой шириной транспортного средства;
- ограниченной точности измерений исследуемого параметра дорожного объекта, вследствие дискретности расположения функциональных элементов оптико-электронной компоненты контрольно-измерительной системы относительно поверхности дорожного полотна и, как следствие, регистрации информации с его отдельных (дискретных) точек.
В основу заявленных технических решений была поставлена задача расширения функциональных возможностей передвижной дорожной лаборатории посредством обеспечения комплексного контроля и регистрации ряда основных технико-эксплуатационных параметров дорожных одежд (а также контроля и регистрации состояния элементов обустройства дорожного объекта) в режиме реального времени при повышении точности и достоверности измерения и привязки к относительной и абсолютной системам координат, а также повышении производительности процесса комплексного мониторинга улично-транспортной сети в целом посредством расширения номенклатуры функционально-технологических средств контроля и регистрации, синхронно работающих в процессе осуществления мониторинга.
Техническим результатом является упрощение конструкции и повышение точности контроля и достоверности результатов измерений подсистемы замера продольной ровности дорожного объекта (функционально являющейся средством объемного построения микропрофиля дорожного покрытия в продольном направлении), а также (в частном случае) подсистемы замера поперечной ровности дорожного объекта (функционально являющейся средством трехмерного построения микропрофиля поверхности дорожного покрытия в поперечном направлении), за счет:
- использования (в каждой из указанных подсистем) в качестве регистрирующих средств - трехмерных камер объемного сканирования, а
в качестве светодальномеров - лазерных реек (формирующих сплошные линии объемного сканирования заданной протяженности в пределах угла обзора объективов трехмерных камер сканирования);
- обеспечения возможности формирования подсистемы замера продольной ровности дорожного объекта на основе трехмерной камеры сканирования и лазерной рейки (формирующей сплошную линию объемного сканирования заданной протяженности в пределах угла обзора объектива трехмерной камеры сканирования), т.е. исключения из состава конструкции этой подсистемы таких функциональных средств, как датчики ускорений (акселерометры) оптической станины;
- совмещения функций обеих подсистем (т.е. подсистем замера продольной и поперечной ровности, по существу, в одной (интегральной) подсистеме, посредством обеспечения возможности использования одной (общей для двух подсистем) лазерной рейки и одной (общей для двух подсистем) объемной камеры сканирования (для первого из заявленных вариантов передвижной дорожной лаборатории).
Кроме того, еще одним техническим результатом (обеспечиваемым заявленным техническим решением) является обеспечение возможности функционирования с заданной точностью и разрешающей способностью таких подсистем, как подсистемы регистрации дефектов проезжей части и элементов обустройства дорожного полотна (функционально являющейся средством двухмерной оценки упомянутых дефектов дорожного покрытия) и подсистемы регистрации состояния обустройства дорожного объекта (функционально являющейся средством оценки состояния элементов обустройства справа, слева и сверху от траектории движения базового транспортного средства) в условиях освещенности элементов дорожного объекта не соответствующих заданным параметрам освещенности (регламентируемых свойствами оптоэлектронных каналов линейных камер сканирования соответствующей подсистемы), за счет использования в указанных подсистемах средств локальной подсветки исследуемых зон поверхностей элементов дорожного объекта без ухудшения условий повседневной регулярной эксплуатации дорожного
объекта иными транспортными средствами (т.е. исключается возможность создания на дорожном объекте аварийных ситуаций в процессе осуществления мониторинга).
Поставленная задача в отношении первого варианта заявленной полезной модели решается посредством того, что в передвижной дорожной лаборатории мониторинга улично-дорожной сети, включающей базовое транспортное средство с бортовым вычислительным комплексом, функционально являющимся средством обработки регистрируемой информации и передачи результатов обработки на центральную ЭВМ в режиме реального времени, а также стационарно установленную на базовом транспортном средстве контрольно-измерительную систему, включающую средство координатной привязки результатов измерений контролируемых параметров и функциональный комплекс, выполненный на основе, по меньшей мере, одной оптоэлектронной компоненты; при этом выходные каналы контрольно-измерительной системы коммутационно связаны с бортовым вычислительным комплексом, а, по меньшей мере, часть структурных элементов ее функционального комплекса смонтирована на базовом транспортном средстве посредством виброизолированной основы, согласно полезной модели, базовое транспортное средство оснащено бортовой электростанцией; виброизолированная основа выполнена в виде стационарно установленной над транспортным средством рамы с виброизолированной оптической станиной; контрольно-измерительная система выполнена многопрофильной; для чего в состав функционального комплекса в качестве оптоэлектронных компонент включены, по меньшей мере: подсистема замера поперечной ровности поверхности покрытия дорожной одежды, функционально являющейся средством трехмерного построения микропрофиля упомянутой поверхности в поперечном направлении, конструкция которого оснащена трехмерной камерой объемного сканирования и, по меньшей мере, одним лазерным генератором линии объемного сканирования, выполненным в виде лазерной рейки, конструктивно и пространственно организованной с возможностью
формирования упомянутой лазерной линии поперек дорожного полотна в пределах, по меньшей мере, одной полосы дорожного движения в области угла поля зрения объектива упомянутой камеры; подсистема замера продольной ровности поверхности покрытия дорожной одежды, функционально являющейся средством объемного построения микропрофиля упомянутой поверхности в продольном направлении, в состав которого включены трехмерная камера объемного сканирования и, по меньшей мере, два, пространственно разнесенных вдоль поверхности оптической станины в зоне упомянутой камеры, датчика ускорения оптической станины, которые функционально являются структурами, обеспечивающими возможность дифференциального исчисления исследуемых параметров продольного профиля поверхности покрытия дорожной одежды; при этом в качестве средства осуществления сканирования исследуемого объекта в области сформированной лазерной линии функционально используется одна, общая для обеих подсистем, камера объемного сканирования с заданной разрешающей способностью.
Оптимально, чтобы в качестве средства осуществления сканирования исследуемого объекта в области сформированной лазерной линии была использована камера объемного сканирования с разрешающей способностью, обеспечивающей регистрацию и построение микропрофиля поверхности дорожного покрытия в продольном направлении - с шагом в пределах 125 мм и точностью в пределах 0,1 мм, а в поперечном направлении - на ширине до 12 м с точностью в пределах 2 мм.
Целесообразно, чтобы конструкция функционального комплекса контрольно-измерительной системы содержала дополнительные оптоэлектронные компоненты, которые организованы, по меньшей мере, на основе:
- подсистемы регистрации дефектов проезжей части дорожного объекта и элементов ее обустройства, функционально являющейся средством двухмерной оценки упомянутых дефектов и элементов обустройства, включающим линейную камеру сканирования;
- подсистемы регистрации состояния обустройства дорожного объекта, функционально являющейся средством оценки состояния элементов обустройства справа, слева и сверху от траектории движения базового транспортного средства, включающим, по меньшей мере, две линейные камеры бокового и верхнего сканирования.
Данные подсистемы установлены на оптической станине с возможностью визуализации в их поле зрения упомянутых контролируемых элементов дорожного объекта. По меньшей мере, одна из упомянутых подсистем функционального комплекса контрольно-измерительной системы оснащена средством локальной подсветки исследуемых зон поверхностей элементов дорожного объекта в условиях их освещенности, не соответствующих заданным параметрам освещенности, регламентируемым свойствами оптоэлектронных каналов линейных камер сканирования соответствующей подсистемы. Данное средство локальной подсветки конструктивно и пространственно организовано с возможностью формирования в поле зрения объективов упомянутых линейных камер сканирования светового потока с геометрией поперечного сечения в виде полосы света с заданным распределением освещенности по длине и ширине формируемой полосы света, при этом ширина упомянутой полосы рассчитывается из условия обеспечения исключения ослепления участников движения в момент пересечения сформированной полосы света в процессе регулярного дорожного движения с законодательно разрешенной скоростью.
Оптимально средство двухмерной оценки дефектов и элементов обустройства дорожного покрытия, включающее линейную камеру сканирования, размещать, преимущественно, в области передней консольной части оптической станины, а структурные элементы этого средства конструктивно и пространственно организовывать с возможностью обеспечения регистрации соответствующих упомянутых дефектов на ширине дорожного покрытия до 12 м с точностью в поперечном и продольном направлениях до 10 мм.
Оптимально линейные камеры бокового и верхнего сканирования
средства оценки состояния объектов обустройства справа, слева и сверху от траектории движения базового транспортного средства размещать, например, в центральной части оптической станины по разные стороны от ее продольной оси, а структурные элементы этого средства конструктивно и пространственно организовывать с возможностью обеспечения регистрации состояния соответствующих контролируемых объектов справа, слева и сверху от траектории движения базового средства на расстоянии 6 м с точностью до 10 мм.
Разумно, чтобы средство координатной привязки результатов измерений контролируемых параметров, полученных при работе всех вышеуказанных подсистем, включало подсистемы относительного и абсолютного позиционирования, первая из которых функционально является средством линейной привязки результатов измерений, к относительной системе координат, в состав конструкции которого включен энкодер, а вторая - средством привязки результатов измерений к абсолютной системе координат, в состав конструкции которого включена спутниковая навигационная система.
Как правило, структурные элементы средства линейной привязки результатов измерений к относительной системе координат, включающего в себя энкодер, конструктивно и пространственно организованы с возможностью обеспечения линейной привязки результатов измерений к относительной системе координат с точностью не менее 0,15%, то есть - 1,5 м на 1 км трассы; а структурные элементы средства привязки результатов измерений к абсолютной системе координат, включающего в себя спутниковую навигационную систему, конструктивно и пространственно организованы с возможностью обеспечения привязки результатов измерений к абсолютной системе координат с законодательно разрешенной точностью.
Целесообразно, чтобы, по меньшей мере, часть оптических структур оптоэлектронных компонент функционального комплекса контрольно-измерительной системы были установлены на виброизолированной оптической станине посредством индивидуальных виброопор.
Поставленная задача в отношении второго варианта заявленной полезной модели решается посредством того, что в передвижной дорожной лаборатории мониторинга улично-дорожной сети, включающей базовое транспортное средство с бортовым вычислительным комплексом, функционально являющимся средством обработки регистрируемой информации и передачи результатов обработки на центральную ЭВМ в режиме реального времени, а также стационарно установленную на базовом транспортном средстве контрольно-измерительную систему, включающую средство координатной привязки результатов измерений контролируемых параметров и функциональный комплекс, выполненный на основе, по меньшей мере, одной оптоэлектронной компоненты; при этом выходные каналы контрольно-измерительной системы коммутационно связаны с бортовым вычислительным комплексом, а, по меньшей мере, часть структурных элементов ее функционального комплекса смонтирована на базовом транспортном средстве посредством виброизолированной основы, согласно полезной модели, базовое транспортное средство оснащено бортовой электростанцией; виброизолированная основа выполнена в виде стационарно установленной над транспортным средством рамы с виброизолированной оптической станиной;  функциональный комплекс в качестве, по меньшей мере, одной оптоэлектронной компоненты включает подсистему замера продольной ровности поверхности покрытия дорожной одежды, функционально являющуюся средством построения микропрофиля дорожного покрытия в продольном направлении, конструкция которого оснащена, по меньшей мере, одной трехмерной камерой объемного сканирования и, по меньшей мере, одним лазерным генератором линии объемного сканирования, выполненным в виде лазерной рейки; при этом, по меньшей мере, одна камера объемного сканирования и, по меньшей мере, один лазерный генератор линии объемного сканирования установлены на оптической станине и пространственно организованы с возможностью обеспечения сканирования посредством упомянутой
камеры одновременно всех точек на базовой длине сформированной вдоль, по меньшей мере, одной полосы дорожного движения лазерной линии в каждом кадре сканирования; при этом, в качестве камеры объемного сканирования используется камера с такой частотой кадров сканирования, которая способна обеспечить перекрытие формируемых в смежных кадрах изображений сканируемого объекта, применительно к заданной скорости перемещения базового транспортного средства, а конструктивное выполнение камеры объемного сканирования организовано с возможностью обеспечения в процессе сканирования сформированной лазерной линии осуществления прямого построения профилограммы продольного сечения поверхности дорожного покрытия посредством обработки результатов сканирования непосредственно в этой камере.
Целесообразно, чтобы контрольно-измерительная система была организована многопрофильной, для чего структура функционального комплекса может быть оснащена дополнительными оптоэлектронными компонентами, которые организованы, по меньшей мере, на основе:
- подсистемы регистрации дефектов проезжей части дорожного объекта и элементов ее обустройства, функционально являющейся средством двухмерной оценки упомянутых дефектов и элементов обустройства, включающим линейную камеру сканирования;
- подсистемы регистрации состояния обустройства дорожного объекта, функционально являющейся средством оценки состояния элементов обустройства справа, слева и сверху от траектории движения базового транспортного средства, включающим, по меньшей мере, две линейные камеры бокового и верхнего сканирования.
Данные подсистемы установлены на оптической станине с возможностью визуализации в их поле зрения упомянутых контролируемых элементов дорожного объекта. По меньшей мере, одна из упомянутых подсистем функционального комплекса контрольно-измерительной системы оснащена средством локальной подсветки исследуемых зон поверхностей элементов дорожного объекта в условиях
их освещенности, не соответствующих заданным параметрам освещенности, регламентируемым свойствами оптоэлектронных каналов линейных камер сканирования соответствующей подсистемы. Данное средство локальной подсветки конструктивно и пространственно организовано с возможностью формирования в поле зрения объективов упомянутых линейных камер сканирования светового потока с геометрией поперечного сечения в виде полосы света с заданным распределением освещенности по длине и ширине формируемой полосы света, при этом ширина упомянутой полосы рассчитывается из условия обеспечения исключения ослепления участников движения в момент пересечения сформированной полосы света в процессе регулярного дорожного движения с законодательно разрешенной скоростью.
Оптимально средство двухмерной оценки дефектов и элементов обустройства дорожного покрытия, включающее линейную камеру сканирования, было размещено, преимущественно, в области передней консольной части оптической станины, а структурные элементы этого средства были бы конструктивно и пространственно организованы с возможностью обеспечения регистрации соответствующих упомянутых дефектов на ширине дорожного покрытия до 12 м с точностью в поперечном и продольном направлениях до 10 мм.
Оптимально, чтобы линейные камеры бокового и верхнего сканирования средства оценки состояния объектов обустройства справа, слева и сверху от траектории движения базового транспортного средства были размещены, например, в центральной части оптической станины по разные стороны от ее продольной оси, а структурные элементы этого средства были бы конструктивно и пространственно организованы с возможностью обеспечения регистрации состояния соответствующих контролируемых объектов справа, слева и сверху от траектории движения базового средства на расстоянии 6 м с точностью до 10 мм.
Разумно, чтобы контрольно-измерительная система была организована многопрофильной, для чего структура функционального комплекса может быть оснащена дополнительной оптоэлектронной
компонентой, которая организована на основе подсистемы замера поперечной ровности поверхности покрытия дорожной одежды, функционально являющейся средством трехмерного построения микропрофиля дорожного покрытия в поперечном направлении, конструкция которого оснащена, по меньшей мере, одним лазерным генератором линии объемного сканирования и камерой объемного сканирования, которые установлены на оптической станине.
Оптимально, чтобы в состав конструкции средства трехмерного построения микропрофиля дорожного покрытия в поперечном направлении были включены два лазерных генератора линии объемного сканирования, которые могут быть установлены, например, в передней части консоли оптической станины с возможностью формирования линии объемного сканирования впереди базового транспортного средства, а камера объемного сканирования этого средства была бы размещена на упомянутой станине с возможностью расположения линии объемного сканирования в области угла поля зрения ее объектива. При этом структурные элементы этого средства в оптимальном варианте должны быть конструктивно и пространственно организованы с возможностью обеспечения регистрации и построения микропрофиля дорожного покрытия в поперечном направлении на ширине до 12 м с точностью 2 мм.
Как правило, средство координатной привязки результатов измерений контролируемых параметров, полученных при работе всех вышеуказанных подсистем, включает подсистемы относительного и абсолютного позиционирования, первая из которых функционально является средством линейной привязки результатов измерений, к относительной системе координат, в состав конструкции которого включен энкодер, а вторая - средством привязки результатов измерений к абсолютной системе координат, в состав конструкции которого включена спутниковая навигационная система.
Оптимально, чтобы структурные элементы средства линейной привязки результатов измерений к относительной системе координат, включающего в себя энкодер, конструктивно и пространственно были бы
организованы с возможностью обеспечения линейной привязки результатов измерений к относительной системе координат с точностью не менее 0,15%, то есть - 1,5 м на 1 км трассы; а структурные элементы средства привязки результатов измерений к абсолютной системе координат, включающего в себя спутниковую навигационную систему, были бы конструктивно и пространственно организованы с возможностью обеспечения привязки результатов измерений к абсолютной системе координат с законодательно разрешенной точностью.
Допустимо, чтобы, по меньшей мере, часть оптических структур оптоэлектронных компонент функционального комплекса контрольно-измерительной системы была установлена на виброизолированной оптической станине посредством индивидуальных виброопор.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленных полезных моделей, позволил установить, что не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками и связями между ними, идентичными всем существенным признакам заявленных технических решений, а выбранный из выявленных аналогов прототип, как наиболее близкий по совокупности признаков аналог, позволил выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявленных объектах, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленные технические решения соответствуют условию патентоспособности «новизна» по действующему законодательству.
Полезные модели иллюстрируются графическими материалами.
Фиг.1 - схема компоновки подсистем контрольно-измерительной системы (далее - АДС-МАДИ) на базовом транспортном средстве (вид сбоку, вариант по п.п.1-8 формулы изобретения).
Фиг.2 - схема компоновки подсистем АДС-МАДИ на базовом транспортном средстве (вид спереди, вариант по п.п.1 - 8 формулы
изобретения).
Фиг.3 - общая схема средства локальной подсветки (продольный разрез).
Фиг.4 - сечение А-А по фиг.3.
Фиг.5 - общий вид электронной лампы средства локальной подсветки (штриховкой обозначена зеркальная отражающая часть внешней колбы лампы).
Фиг.6 и Фиг.7 - ход падающих и отраженных лучей в электронной лампе при различных вариантах геометрии профиля поперечного сечения внешней колбы.
Фиг.8 и Фиг.9 - фотоснимки общего вида АДС-МАДИ в эксплуатационной компоновке функционального комплекса контрольно -измерительной системы на базовом транспортном средстве в различных ракурсах.
Фиг.10 - фотоснимок АДС-МАДИ в процессе использования лазерного генератора линии объемного сканирования (сформированной поперек дорожного полотна) и средства локальной подсветки (линия объемного сканирования и полоса света, формируемая средством локальной подсветки посредством трансформации исходного светового потока четко просматриваются даже в черно-белом изображении).
Фиг.11 - схема компоновки подсистем контрольно-измерительной системы (далее - АДС-МАДИ) на базовом транспортном средстве (вид сбоку, вариант по п.п.9-17 формулы изобретения).
Фиг.12 - схема компоновки подсистем АДС-МАДИ на базовом транспортном средстве (вид спереди, вариант по п.п.9-17 формулы изобретения).
Фиг.13 - схема сканирования посредством объемной камеры сформированной вдоль дорожного полотна лазерной линии в двух последовательных кадрах (зона взаимного перекрытия изображений в смежных кадрах показана жирной линией, вариант по п.п.9-17 формулы изобретения).
Агрегаты, блоки, подсистемы контрольно-измерительной системы и
их структурные элементы в графических материалах обозначены следующими позициями:
1 - средство (базовое транспортное);
2 - комплекс (бортовой вычислительный);
3 - место (рабочее оператора);
4 - электростанция (бортовая);
5 - рама (для монтажа, по меньшей мере, части функциональных средств контрольно-измерительной системы);
6 - станина (оптическая);
7 - датчик ускорения (подсистемы измерения продольной ровности дорожного объекта, функционально связанный с камерой объемного сканирования 16 подсистемы замера поперечной ровности, вариант по п.п.1-8 формулы изобретения);
8 - камера трехмерная объемного сканирования (подсистемы замера продольной ровности дорожного объекта по п.п.9-17 формулы изобретения);
9 - датчик ускорения (подсистемы измерения продольной ровности дорожного объекта, функционально связанный с камерой объемного сканирования 16 подсистемы замера поперечной ровности, вариант по п.п.1-8 формулы изобретения);
10 - камера линейная (подсистемы регистрации дефектов проезжей части и элементов обустройства дорожного полотна);
11 - генератор лазерный линии объемного сканирования (подсистемы замера продольной ровности дорожного объекта по п.п.9-17 формулы изобретения);
12 - камера линейная бокового сканирования (подсистемы регистрации состояния обустройства дорожного объекта справа, слева и сверху);
13 - камера линейная бокового сканирования (подсистемы регистрации состояния обустройства дорожного объекта справа, слева и сверху);
14 - генератор лазерный линии объемного сканирования
(подсистемы замера поперечной ровности дорожного объекта, вариант по п.п.1-8 формулы изобретения);
15 - генератор лазерный линии объемного сканирования (подсистемы замера поперечной ровности дорожного объекта, вариант по п.п.1-8 формулы изобретения);
16 - камера объемного сканирования (подсистемы замера поперечной ровности дорожного объекта, вариант по п.п.1-8 формулы изобретения);
17 - георадар (коротковолновый с диапазоном зондирования - 0,05-1,0м);
18 - георадар (длинноволновый с диапазоном зондирования - 0,5-10,0 м);
19 - система (спутниковая навигационная);
20 - средство (локальной подсветки исследуемых зон поверхностей элементов дорожного объекта);
21 - поток световой (генерируемый средством 20 локальной подсветки);
22 - сечение (поперечное светового потока 21 на поверхности исследуемой зоны элемента дорожного объекта, например, дорожного полотна);
23 - полоса (формируемая световым потоком 21 на поверхности исследуемой зоны элемента дорожного объекта, например, дорожного полотна);
24 - источник света (электронный);
25 - корпус полый (электронного источника 24 света);
26 - окно (полого корпуса 25 для распространения светового потока 21, генерируемого источником 24 света);
27 - лампа высокого давления (электронного источника 24 света);
28 - горелка (лампы 27 высокого давления);
29 - токоподводы (к горелке 28);
30 - колба (внешняя лампы 27 высокого давления);
31 - ножка (внешней колбы 30 лампы 27 высокого давления);
32 - цоколь (лампы 27 высокого давления);
33 - слой зеркальный (нанесенный на часть внутренней поверхности колбы 30 лампы 27 высокого давления);
34 - ось (продольная горелки 28 лампы 27 высокого давления);
35 - коллиматор (например, щелевой средства 20 локальной подсветки исследуемых зон поверхностей элементов дорожного объекта);
36 - набор (пластин коллиматора 35);
37 - пластины (набора 36 коллиматора 35);
38 - поверхность (отражающая или поглощающая /зачерненная/ пластины 37);
39 - амортизаторы (приборные для вертикальной подвески средства 20 локальной подсветки).
Передвижная дорожная лаборатория мониторинга улично-дорожной сети согласно первому варианту исполнения (вариант по п.п.1-8 формулы изобретения) включает базовое транспортное средство 1 с бортовым вычислительным комплексом 2 (функционально являющимся средством обработки регистрируемой информации и передачи результатов обработки на центральную ЭВМ в режиме реального времени), а также стационарно установленную на базовом транспортном средстве 1 контрольно-измерительную систему, включающую средство координатной привязки результатов измерений контролируемых параметров и функциональный комплекс, выполненный на основе, по меньшей мере, одной оптоэлектронной компоненты. При этом выходные каналы контрольно-измерительной системы коммутационно связаны с бортовым вычислительным комплексом 2, а, по меньшей мере, часть структурных элементов ее функционального комплекса смонтирована на базовом транспортном средстве 1 посредством виброизолированной основы. Базовое транспортное средство оснащено рабочим местом 3 оператора и бортовой электростанцией 4. Виброизолированная основа выполнена в виде стационарно установленной над транспортным средством 1 рамы 5 с виброизолированной оптической станиной 6. Контрольно-измерительная система выполнена многопрофильной. Для
чего в состав функционального комплекса в качестве оптоэлектронных компонент включены, по меньшей мере:
- подсистема замера поперечной ровности поверхности покрытия дорожной одежды, функционально являющейся средством трехмерного построения микропрофиля упомянутой поверхности в поперечном направлении, конструкция которого оснащена трехмерной камерой объемного 16 сканирования и, по меньшей мере, одним лазерным генератором 14 или 15 линии объемного сканирования, выполненным в виде лазерной рейки, конструктивно и пространственно организованной с возможностью формирования упомянутой лазерной линии поперек дорожного полотна в пределах, по меньшей мере, одной полосы дорожного движения в области угла поля зрения объектива упомянутой камеры 16;
- подсистема замера продольной ровности поверхности покрытия  дорожной одежды, функционально являющейся средством объемного построения микропрофиля упомянутой поверхности в продольном направлении, в состав которого включены трехмерная камера 16 объемного сканирования и, по меньшей мере, два, пространственно разнесенных вдоль поверхности оптической станины 6 в зоне упомянутой камеры 16, датчика 7 и 9 ускорения оптической станины 6, которые функционально являются структурами, обеспечивающими возможность дифференциального исчисления исследуемых параметров продольного профиля поверхности покрытия дорожной одежды.
При этом в качестве средства осуществления сканирования исследуемого объекта в области сформированной лазерной линии функционально используется одна, общая для обеих подсистем, камера 16 объемного сканирования с заданной разрешающей способностью.
Оптимально, чтобы в качестве средства осуществления сканирования исследуемого объекта в области сформированной лазерной линии была использована камера 16 объемного сканирования с разрешающей способностью, обеспечивающей регистрацию и построение микропрофиля поверхности дорожного покрытия в продольном
направлении - с шагом в пределах 125 мм и точностью в пределах 0,1 мм, а в поперечном направлении - на ширине до 12 м с точностью в пределах 2 мм.
Установка на оптической станине 6, по меньшей мере, двух датчиков 7 и 9 ускорений (акселерометров) оптической станины 6 позволяет с высокой точностью интерпретировать результаты измерения геометрических параметров продольного профиля дорожного полотна 8 (в соответствующей полосе /колее/ движения транспортных средств, в том числе и в колее базового транспортного средства 1) относительно реальной траектории перемещения оптической станины 6, которая вычисляется по данным, полученным посредством датчиков 7 и 9 ускорений (акселерометров).
Учитывая то, что одновременно одними и теми же средствами (т.е. посредством камеры объемного сканирования 16 и лазерных генераторов 14 и 15 световой линии, без учета датчиков 7 и 9 ускорений) осуществляется также измерение и регистрация поперечной ровности (поперечного профиля) дорожного полотна 8, имеется возможность визуализировать картинку продольного профиля дорожного полотна 8 в конкретно рассматриваемой колее (полосе движения транспортных средств).
Датчики 7 и 9 ускорений значительно дешевле камеры 16 объемного сканирования. В связи с чем рассматриваемый вариант измерения и регистрации продольной ровности дорожного полотна 8 (в совокупности с измерением поперечной ровности при использовании одной общей камеры 16 объемного сканирования) относительно дешев, поскольку он предполагает использование одних и тех же камеры 16 объемного сканирования и лазерных генераторов 14 и 15 световой линии подсистемы замера поперечной ровности (поперечного профиля) дорожного покрытия одновременно и в подсистеме замера продольной ровности, посредством дополнительного оснащения последней двумя датчиками 7 и 9 ускорений.
То есть, заявленные технические решения позволяют осуществить интеграцию двух функционально различных подсистем контрольно-измерительной
системы путем использования одних и тех же функциональных элементов для решения различных задач, т.е. без количественного увеличения дорогостоящих лазерных генераторов 14 и 15 и объемной камеры 16 сканирования сформированной лазерной линии.
Применение безынерционных оптических средств измерения позволяет производить скоростной контроль рассматриваемых технико-эксплуатационных показателей поверхности дорожного полотна.
Для повышения точности измерений и расширения диапазона длин волн измеряемых продольных неровностей без ограничения скорости движения базового транспортного средства 1 осуществляют непрерывное измерение вертикального ускорения оптической станины 6 с помощью датчиков ускорения 7 и 9 (акселерометров).
Дополнительно непрерывно измеряют высоту расположения оптической станины 6 над поверхностью дорожного полотна 8 посредством оптического (бесконтактного) высотомера (в качестве которого используются генераторы 14 и 15 лазерной линии, выполненные в виде лазерных реек). Выходные сигналы акселерометра и высотомера преобразуют в электронном блоке бортового вычислительного комплекса 2 так, чтобы получить сигнал, пропорциональный высоте и/или скорости изменения высоты вертикального продольного профиля поверхности дорожного полотна относительно поверхности оптической станины 6, функционально являющейся относительной системой отсчета, которая адаптирована с базовой системой отсчета бортового вычислительного комплекса 2.
Двойное интегрирование по времени переменной части вертикального ускорения, регистрируемого акселерометрами, дает вертикальное перемещение. Постоянную часть вертикального ускорения необходимо отфильтровывать, поскольку она является ускорением свободного падения, формируемым Землей. Поэтому с помощью акселерометров получают вертикальный профиль линии, описываемой точкой размещения акселерометра на оптической станине 6, т.е. непосредственно оптической станины 6. Эта линия не совпадает по
высоте (ординате) с продольным профилем поверхности дорожного полотна, по которому движется базовое транспортное средство 1, на величину h, переменная часть Δh которой является ошибкой измерения. Данная ошибка появляется вследствие неполного обкатывания колесом базового транспортного средства 1 всех неровностей поверхности дорожного полотна, особенно, мелких, с длинами волн, соизмеримыми с размерами колеса.
Величину Δh можно измерять непосредственно с помощью бесконтактного высотомера. Сигналом с высотомера исправляют измерения, полученные посредством акселерометров, в результате чего, кроме указанных достоинств, появляется возможность разместить приборы на надрессорной части базового транспортного средства 1, т.е. на оптической станине 6, установленной над базовым транспортным средством 1 на раме 5.
Сигналы с двух приборов - акселерометра и высотомера, можно обрабатывать в электронном блоке бортового вычислительного комплекса 2 двумя способами.
Согласно первому способу переменную часть измеренного акселерометром ускорения дважды интегрируют по времени и затем суммируют в нужной пропорции с сигналом высотомера. Таким образом, получают сигнал пропорциональный высоте вертикального профиля покрытия относительно базовой поверхности отсчета.
Во втором способе переменную часть измеренного ускорения интегрируют один раз и складывают с производной по времени сигнала с высотомера. Таким образом получают сигнал, пропорциональный скорости изменения высоты вертикального профиля поверхности дорожного полотна 8. По высоте или скорости изменения высоты вертикального профиля поверхности дорожного полотна 8 получают необходимые показатели продольной неровности исследуемой поверхности дорожного покрытия (в частности - его профилограмму), визуализируемую на экране монитора бортового вычислительного
комплекса 2 и записываемую в его память в процессе осуществления мониторинга в реальном режиме времени.
Целесообразно, чтобы конструкция функционального комплекса контрольно-измерительной системы содержала дополнительные оптоэлектронные компоненты, которые организованы, по меньшей мере, на основе:
- подсистемы регистрации дефектов проезжей части дорожного объекта и элементов ее обустройства, функционально являющейся средством двухмерной оценки упомянутых дефектов и элементов обустройства, включающим линейную камеру 10 сканирования;
- подсистемы регистрации состояния обустройства дорожного объекта, функционально являющейся средством оценки состояния элементов обустройства справа, слева и сверху от траектории движения базового транспортного средства, включающим, по меньшей мере, две линейные камеры 12 и 13 бокового и верхнего сканирования.
Данные подсистемы установлены на оптической станине с возможностью визуализации в их поле зрения упомянутых контролируемых элементов дорожного объекта. По меньшей мере, одна из упомянутых подсистем функционального комплекса контрольно-измерительной системы оснащена средством 20 локальной подсветки исследуемых зон поверхностей элементов дорожного объекта в условиях их освещенности, не соответствующих заданным параметрам освещенности, регламентируемым свойствами оптоэлектронных каналов линейных камер сканирования соответствующей подсистемы. Данное средство 20 локальной подсветки конструктивно и пространственно организовано с возможностью формирования в поле зрения объективов упомянутых линейных камер 10, 12 и 13 сканирования светового потока с геометрией поперечного сечения в виде полосы света с заданным распределением освещенности по длине и ширине формируемой полосы света. При этом ширина упомянутой полосы рассчитывается из условия обеспечения исключения ослепления участников движения в момент пересечения сформированной полосы света в процессе регулярного
дорожного движения с законодательно разрешенной скоростью.
Оптимально средство двухмерной оценки дефектов и элементов обустройства дорожного покрытия, включающее линейную камеру 10 сканирования, размещать, преимущественно, в области передней консольной части оптической станины 6, а структурные элементы этого средства конструктивно и пространственно организовывать с возможностью обеспечения регистрации соответствующих упомянутых дефектов на ширине дорожного покрытия до 12 м с точностью в поперечном и продольном направлениях до 10 мм.
Оптимально линейные камеры 12 и 13 бокового и верхнего сканирования средства оценки состояния объектов обустройства справа, слева и сверху от траектории движения базового транспортного средства 1 размещать, например, в центральной части оптической станины 6 по разные стороны от ее продольной оси, а структурные элементы этого средства конструктивно и пространственно организовывать с возможностью обеспечения регистрации состояния соответствующих контролируемых объектов справа, слева и сверху от траектории движения базового средства на расстоянии 6 м с точностью до 10 мм.
Оснащение вышерассмотренных подсистем средством 20 локальной подсветки сканируемого участка дорожного полотна позволяет получать информацию о состоянии поверхности исследуемых элементов дорожного объекта как в условиях недостаточной освещенности, так и в условиях избыточной (солнечной) освещенности. В последнем случае средство 20 функционально является средством снижения контрастности в условиях избыточной (солнечной) освещенности, при определенном расположении солнца относительно исследуемой поверхности соответствующего элемента дорожного объекта.
Используемое для реализации вышерассмотренного способа осуществления мониторинга улично-дорожной сети средство 20 локальной подсветки включает: источник 24 света; полый корпус 25 с окном для выхода светового потока 21, генерируемого источником 24 света, расположенным в полости корпуса 25; по меньшей мере, одно
средство трансформации геометрии генерируемого источником 24 светового потока.
0
φ
Упомянутый источник 24 света выполнен электронного типа, при этом он должен содержать, по меньшей мере, одну газоразрядную лампу 27 высокого давления, оснащенную горелкой 28, смонтированной на токоподводах 29, заваренных в ножку 31 внешней колбы 30. По меньшей мере, половина площади внутренней поверхности колбы 30 покрыто отражающим зеркальным слоем 33 таким образом, что плоскость, проходящая через крайние участки этого слоя 33, ориентирована вдоль продольной оси 34 горелки 28. Форма сформированной отражающей части слоя 33 внешней колбы 30 выбрана такой, что для любого поперечного сечения отношение расстояния r от оси 34 горелки 28 до зеркального слоя 33 в продольной плоскости симметрии к соответствующему расстоянию r в плоскости (повернутой вокруг оси 34 горелки 28 на угол φ) непрерывно изменяется с изменением угла φ и лежит, преимущественно, в пределах 0,7-1,1.
По меньшей мере, одно средство трансформации геометрии генерируемого источником светового потока 21 выполнено в виде щелевого коллиматора 35 генерируемого светового потока 21, который (т.е. коллиматор 35) размещен поперек последнего (светового потока 21) с возможностью перекрытия генерируемого источником 24 светового потока 21 и выполнен в виде набора 36 параллельных пластин 37, установленных с зазорами между их взаимообращенными поверхностями 38 (отражающими или поглощающими, т.е. зачерненными).
При этом, корпус 25 средства 20 локальной подсветки оснащен приборными амортизаторами 39 (преимущественно, резиновыми), функционально являющимися элементами подвески средства 20 локальной подсветки на раме для монтажа функциональных средств оптической компоненты регистрационно-измерительной системы (или на оптической станине) с возможностью обеспечения освещения исследуемых участков поверхности элементов дорожного объекта.
Геометрия щелевого коллиматора 35 рассчитывается из условия
обеспечения формирования полосы 23 света такой ширины, которая исключает проявление эффекта ослепления участников движения в момент пересечения сформированной полосы 23 света в процессе регулярного дорожного движения с законодательно разрешенной скоростью.
Подвеска корпуса 25 средства 20 на приборных амортизаторах 39 позволяет отсечь высокочастотные вибрации (генерируемые транспортным средством 1). А это повышает срок службы используемых в светильнике ламп 27 высокого давления, которые расположены горизонтально относительно дорожного полотна, и собственный вес колбы 30 лампы 27 при восприятии высокочастотных вибраций может спровоцировать ее разрушение (излом) в зоне соединения колбы 30 с цоколем 32 лампы 27.
Пластины 37 в наборе 36 щелевого коллиматора 35 могут быть выполнены как с зеркальными (отражающими) поверхностями 38, так и с зачерненными (поглощающими) поверхностями 38. В первом случае обеспечивается увеличение энергетических параметров формируемого коллиматором 35 светового потока 21, однако, с точки зрения технологии изготовления пластин 37 процесс изготовления полированных поверхностей 38 более трудоемок. Технология изготовления зачерненных поверхностей 38 пластин 37 не представляет каких-либо трудностей с технологической точки зрения, однако, в этом случае проявляется эффект снижения энергетических параметров светового потока 21, формируемого коллиматором 35 (что компенсируется посредством использования в конструкции средства 20 ламп 27 высокого давления вышеописанной конструкции, т.е., с зеркальным отражающим слоем 33 на внутренней поверхности колбы 30 лампы 27. Кроме того, использование в средстве 20 локальной подсветки ламп 27 указанной конструкции позволяет исключить из конструкции средства 20 дополнительных отражателей (рефлекторов) с высокими массогабаритными показателями.
Можно также отметить, что использование в конструкции средства 20 локальной подсветки пластинчатых коллиматоров 35 повышает
безопасность процесса мониторинга в условиях регулярного дорожного движения на автотрассе, поскольку в случае аварийного скола колбы 30 лампы 27 от цоколя 32 колба разбивается на пластинах коллиматора 35 и попадает на дорожное полотно в виде мелкой россыпи, не вызывая аварийной ситуации.
Использование в конструкции источника 24 света электронных преобразователей частоты напряжения позволяет отказаться от электрических трансформаторов, обладающих высокими массогабаритными показателями и необходимыми для осуществления работы ламп 27 рассматриваемой конструкции от источника напряжения 220 В.
Ширина полосы 23 света (формируемой коллиматором 35) вдоль дорожного полотна 8, как правило, составляет 0,5-0,6 м, что позволяет проходить попутному и встречному потокам автотранспорта эту зону возможного ослепления за сотые доли секунды, что исключает создание аварийной ситуации на дороге.
Средство 20 локальной подсветки функционирует следующим образом.
0
φ
Луч света, выходящий из центра горелки 28 в направлении зеркальной отражающей части (зеркального слоя 33) внешней колбы 30, падает на зеркальный слой 33. Так как отношение r/r, постоянно изменяется с изменением φ, то нормаль к зеркальной поверхности слоя 33 в точке падения луча будет направлена не на продольную ось 34 горелки, а мимо нее. Благодаря этому отраженный от зеркальной поверхности слоя 33 луч проходит вне зоны расположения горелки 28 и не ослабляется в ней (т.е. выходит из колбы 30 лампы 27 с минимальной потерей генерируемой источником 24 световой энергии.). Лучи света, выходящие из горелки 28 в направлении  выходного окна 26, выходят из колбы 30 лампы 27 без отражения, т.е., также практически без потерь генерируемой источником 24 световой энергии. Таким образом, световая отдача такой лампы 27 выше световой отдачи лампы с круглосимметричной колбой. Кроме того, формируя лампы 27 с различной геометрией профиля
0
φ
(φ)
зеркального слоя 33 (т.е., с различными соотношениями зависимости r/r=f), можно получить источники 24 света с различным светораспределением по сечению генерируемого светового потока 21.
0
φ
(φ)
max
max
В случае, если отношение r/r=f принимает значения как больше, так и меньше единицы и с ростом модуля угла φ как возрастает, так и убывает, то геометрия профиля отражающей поверхности зеркального слоя 33 имеет, как правило, выпукло-вогнутую форму (см. фиг.6). Если упомянутое отношение постоянно убывает с ростом модуля угла φ, то геометрия профиля отражающей поверхности зеркального слоя 33 имеет исключительно выпуклую форму (см. фиг.7). Увеличение модуля угла |φ|>90° расширяет технологические возможности при создании ламп 27 с различным светораспределением. Однако, при |φ|>115° существенно увеличивается доля излучения, выходящего после многократных отражений, вследствие чего снижается энергетическая отдача источника 24 света (электронной газоразрядной лампы 27).
0
φmах
mах
mах
В частности, используемая в настоящем изобретении лампа 27 с горелкой от лампы ДНаТ мощностью 100 Вт, профилем отражающей поверхности зеркального слоя 33 внешней колбы 30, соответствующим фиг.7 (r/r=0,82), и углом охвата |φ|=105° имеет световую отдачу (световую эффективность) 75,3 лм/Вт, в то время, как аналогичная лампа с круглосимметричной колбой и |φ|=105° имеет световую отдачу (световую эффективность) 69,8 лм/Вт.
Разумно, чтобы средство координатной привязки результатов измерений контролируемых параметров, полученных при работе всех вышеуказанных подсистем, включало подсистемы относительного и абсолютного позиционирования, первая из которых функционально является средством линейной привязки результатов измерений, к относительной системе координат, в состав конструкции которого включен энкодер, а вторая - средством привязки результатов измерений к абсолютной системе координат, в состав конструкции которого включена спутниковая навигационная система 19.
Оптимально, чтобы:
- структурные элементы средства линейной привязки результатов измерений, полученных при работе всех вышеуказанных подсистем к относительной системе координат, включающего в себя энкодер (в графических материалах условно не показан), были бы конструктивно и пространственно организованы с возможностью обеспечения линейной привязки результатов измерений к относительной системе координат с точностью не менее 0,15%, то есть - 1,5 м на 1 км трассы;
- структурные элементы средства привязки результатов контроля, полученных при работе всех вышеуказанных подсистем к абсолютной системе координат, включающего в себя спутниковую навигационную систему 19 (например, систему GPS), были бы конструктивно и пространственно организованы с возможностью обеспечения привязки результатов измерений к абсолютной системе координат с законодательно разрешенной точностью.
Целесообразно, по меньшей мере, часть структурных элементов оптоэлектронных компонент функционального комплекса контрольно-измерительной системы виброизолировать относительно оптической станины 6 посредством индивидуальных виброопор.
Допустимо в состав контрольно-измерительной системы дополнительно включать, по меньшей мере, двухуровневую подсистему георадарного зондирования.
Один из уровней этой подсистемы функционально является средством оценки диэлектрической проницаемости конструктивных слоев дорожной одежды и подстилающих грунтов для регистрации толщины конструктивных слоев. Конструкцию этого уровня оснащают, по меньшей мере, одним георадаром 17 коротковолнового диапазона зондирования.
Другой уровень этой подсистемы функционально является средством регистрации инженерных сетей, пересекающих проезжую часть дорожного объекта, а также различных неоднородностей в грунте. Конструкцию этого уровня оснащают, по меньшей мере, одним георадаром 18 длинноволнового диапазона зондирования.
Оптимально:
- в состав конструкции средства оценки диэлектрической проницаемости конструктивных слоев дорожной одежды и подстилающих грунтов включать два георадара 17 с линейным диапазоном зондирования 0,05-1,0 м, которые размещают в передней части рамы 5 базового транспортного средства 1 поперек ее продольной оси, при этом структурные элементы этого средства конструктивно и пространственно организуют с возможностью обеспечения регистрации толщины конструктивных слоев с точностью до 1 см при глубине до 0,5 м и с точностью до 3 см при глубине от 0,5 м до 1 м;
- в состав средства регистрации инженерных сетей, пересекающих проезжую часть дорожного объекта, а также различных неоднородностей, также включать два георадара 18 с линейным диапазоном зондирования 0,5-10,0 м, которые размещают в задней части рамы 5 базового транспортного средства 1 поперек ее продольной оси, при этом структурные элементы этого средства конструктивно и пространственно организуют с возможностью обеспечения регистрации инженерных сетей, пересекающих проезжую часть с глубиной заложения до 10 м от поверхности дорожного покрытия, а также различных неоднородностей с точностью до 0,5 м.
Передвижная дорожная лаборатория мониторинга улично-дорожной сети согласно второму варианту исполнения (вариант по п.п.9-17 формулы изобретения) включает базовое транспортное средство 1 с бортовым вычислительным комплексом 2 (функционально являющимся средством обработки регистрируемой информации и передачи результатов обработки на центральную ЭВМ в режиме реального времени), а также стационарно установленную на базовом транспортном средстве 1 контрольно-измерительную систему, включающую средство координатной привязки результатов измерений контролируемых параметров и функциональный комплекс, выполненный на основе, по меньшей мере, одной оптоэлектронной компоненты. При этом выходные каналы контрольно-измерительной системы коммутационно связаны с бортовым вычислительным комплексом 2, а, по меньшей мере, часть
структурных элементов ее функционального комплекса смонтирована на базовом транспортном средстве 1 посредством виброизолированной основы. Базовое транспортное средство оснащено рабочим местом 3 оператора и бортовой электростанцией 4. Виброизолированная основа выполнена в виде стационарно установленной над транспортным средством 1 рамы 5 с виброизолированной оптической станиной 6. Функциональный комплекс в качестве, по меньшей мере, одной оптоэлектронной компоненты включает подсистему замера продольной ровности поверхности покрытия дорожной одежды, функционально являющуюся средством построения микропрофиля дорожного покрытия в продольном направлении. Конструкция этой подсистемы оснащена, по меньшей мере, одной трехмерной камерой 8 объемного сканирования и, по меньшей мере, одним лазерным генератором 11 линии объемного сканирования, выполненным в виде лазерной рейки. При этом, по меньшей мере, одна камера 8 объемного сканирования и, по меньшей мере, один лазерный генератор 11 линии объемного сканирования установлены на оптической станине 6 и пространственно организованы с возможностью обеспечения сканирования посредством упомянутой камеры 8 одновременно всех точек на базовой длине сформированной вдоль, по меньшей мере, одной полосы дорожного движения лазерной линии в каждом кадре сканирования. При этом, в качестве камеры 8 объемного сканирования используется камера 8 с такой частотой кадров сканирования, которая способна обеспечить перекрытие формируемых в смежных кадрах изображений сканируемого объекта, применительно к заданной скорости перемещения базового транспортного средства 1. Конструктивное выполнение камеры объемного сканирования организовано с возможностью обеспечения в процессе сканирования сформированной лазерной линии осуществления прямого построения профилограммы продольного сечения поверхности дорожного покрытия посредством обработки результатов сканирования непосредственно в этой камере.
В настоящее время продольную ровность дорожного полотна измеряют, преимущественно, путем сочетания лазерного дальномера и датчика ускорения.
Согласно настоящему техническому решению предлагается принципиально иная оптическая схема измерения продольной ровности.
Продольная ровность измеряется с помощью прямого построения продольного профиля посредством, по меньшей мере, одной цифровой камеры 8 объемного (трехмерного) сканирования и, по меньшей мере, одного лазерного генератора 11 (в виде лазерной рейки) световой линии, которая формируется вдоль дорожного полотна, т.е., вдоль направления движения базового транспортного средства 1.
При использовании базового транспортного средства 1 с базой 4,1 м длина лазерной рейки (генератора 11) может быть до 6 м, а при использовании упомянутого транспортного средства 1 с базой, соизмеримой с базой автобуса, длина лазерной рейки (генератора 11) может быть увеличена до 20 м.
Физический принцип осуществления рассматриваемого способа измерения и регистрации продольной ровности заключается в том, что посредством трехмерной камеры 8 объемного сканирования сформированной лазерной линии в процессе сканирования измеряются и фиксируются не поперечные, а продольные неровности дорожного полотна.
Световая (лазерная) линия (в зависимости от компоновки оптической системы в целом) может формироваться как в собственной колее базового транспортного средства 1 (наиболее безопасный вариант с точки зрения безопасности дорожного движения для участников этого движения, поскольку полностью исключается эффект ослепления, т.е. воздействия на хрусталик и сетчатку глаза, участников дорожного движения посредством лазерного излучения, например, невидимого инфракрасного лазерного пучка), так и в, по меньшей мере, одной соседней колее. В последнем случае необходимы определенные меры предосторожности, предотвращающие вышеуказанный эффект
ослепления. Например, лазерная линия должна формироваться сбоку базового транспортного средства 1 на расстоянии, не превышающем минимально допустимое расстояние между параллельными потоками транспортных средств (например, в пределах разметки ограничения ширины соответствующих транспортных полос дорожного полотна, при ее наличии, или за счет использования для формирования световой линии лазерного излучения с безопасной для глаза человека длиной волны).
Не исключается и комбинированный вариант формирования продольной лазерной линии, т.е. как в колее базового транспортного средства, так и в соседних с ним колеях (полосах дорожного полотна).
В качестве цифровой камеры 8 объемного сканирования может быть использована, например, камера фирмы «SICK». Особенностью камер объемного (трехмерного) сканирования является то, что одновременно со сканированием исследуемого участка объекта сканирования осуществляется обработка профилей непосредственно на матрицу, для чего в ее состав вводятся специальные средства обработки, например, в виде транзисторов. В результате чего в процессе обработки из камеры выпадает координата самого яркого пикселя. На выходе мы имеем готовую линию профиля сканируемого участка поверхности дорожного полотна.
Преимуществом данного варианта измерения и регистрации продольной ровности является обеспечение возможности исключения из оптической регистрационно-измерительной системы датчиков ускорений, что упрощает процесс обработки полученной в результате сканирования информации и значительно повышает скорость обработки и точность (достоверность) информации о состоянии продольной ровности дорожного полотна.
При использовании в рассматриваемой оптической системе одной камеры 8 объемного сканирования обеспечивается одновременное сканирование не менее 1500 точек формируемой лазерной линии. Количественное увеличение упомянутых камер 8 в рассматриваемой оптической системе регистрации продольной ровности дорожного полотна
8 пропорционально увеличивает количество одновременно сканируемых точек соответствующего участка поверхности дорожного полотна, что в значительной мере повышает точность измерений и достоверность конечных результатов оценки состояния дорожного полотна.
Кроме того, реально продольные неровности дорожного полотна с длиной волн неровностей, превышающей базу измерения используемой оптической системы, могут быть вычислены математическим методом. Объясняется это тем, что сканирование осуществляется с определенной частотой кадров таким образом, что между последовательными во времени кадрами отсутствуют пробелы, т.е. обеспечивается взаимное перекрытие /взаимное наложение/) смежных кадров. Например, при частоте сканирования 10 кадров в секунду и скорости движения базового транспортного средства 30 км/час сдвиг между последовательными кадрами (вдоль световой /лазерной/ линии) будет составлять 1 м, что значительно меньше длины участка сканирования, регламентированного углом обзора (сканирования) объективом трехмерной камеры 8. Следовательно, величина перекрытия смежных кадров сканирования исследуемой поверхности может регламентироваться в зависимости от скорости движения, частоты сканирования и угла обзора объектива непосредственно камеры 8 объемного сканирования.
Лазерный генератор 11 линии объемного сканирования можно использовать (в целях повышения безопасности предлагаемого метода) в импульсном режиме, т.е. формировать лазерные импульсы с частотой, синхронизированной с частотой кадров съемки сканирующей камеры 8.
Целесообразно контрольно-измерительную систему формировать многопрофильной, для чего в составе ее функционального комплекса используют дополнительные оптоэлектронные компоненты, которые функционально являются:
- подсистемой регистрации дефектов проезжей части дорожного объекта и элементов ее обустройства, посредством которой осуществляют двухмерную оценку упомянутых дефектов и элементов обустройства, для чего данную подсистему конструктивно организуют на
основе линейной камеры 10 сканирования;
- подсистемой регистрации состояния обустройства дорожного объекта, посредством которой осуществляют оценку состояния элементов обустройства справа, слева и сверху от траектории движения базового транспортного средства, для чего данную подсистему конструктивно организуют на основе, по меньшей мере, двух линейных камер 12 и 13 бокового и верхнего сканирования.
Данные подсистемы пространственно организуют на оптической станине 6 с возможностью визуализации в их поле зрения упомянутых контролируемых элементов дорожного объекта. По меньшей мере, одну из упомянутых подсистем функционального комплекса контрольно-измерительной системы оснащают средством 20 локальной подсветки исследуемых зон поверхностей элементов дорожного объекта в условиях их освещенности, не соответствующих заданным параметрам освещенности, регламентируемым свойствами оптоэлектронных каналов линейных камер 10, 12 и 13 сканирования соответствующей подсистемы. Данное средство 20 локальной подсветки конструктивно и пространственно организуют на оптической станине 6 с возможностью формирования в поле зрения объективов упомянутых линейных камер 10, 12 и 13 сканирования светового потока с геометрией поперечного сечения в виде полосы света с заданным распределением освещенности по длине и ширине этой полосы. При этом ширину упомянутой полосы рассчитывают из условия обеспечения исключения ослепления участников движения в момент пересечения сформированной полосы света в процессе регулярного дорожного движения с законодательно разрешенной скоростью.
Линейную камеру 10 сканирования подсистемы регистрации дефектов проезжей части дорожного объекта и элементов ее обустройства размещают, преимущественно, в области передней консольной части оптической станины 6. При этом используют камеру 10 с  техническими характеристиками, обеспечивающими возможность регистрации упомянутых дефектов на ширине дорожного покрытия до 12 м
с точностью в поперечном и продольном направлениях 10 мм.
Линейные камеры 12 и 13 бокового и верхнего сканирования подсистемы регистрации состояния обустройства дорожного объекта, функционально являющейся средством оценки состояния объектов обустройства справа, слева и сверху от траектории движения базового транспортного средства 1, размещают, в центральной части оптической станины 6 по разные стороны от ее продольной оси. А структурные элементы этого средства конструктивно и пространственно организуют с возможностью обеспечения регистрации состояния соответствующих контролируемых объектов справа, слева и сверху от траектории движения базового средства 1 на расстоянии 6 м с точностью до 10 мм.
Разумно, чтобы контрольно-измерительная система была организована многопрофильной, для чего структура функционального комплекса может быть оснащена дополнительной оптоэлектронной компонентой, которая организована на основе подсистемы замера поперечной ровности поверхности покрытия дорожной одежды, функционально являющейся средством трехмерного построения микропрофиля дорожного покрытия в поперечном направлении, конструкция которого оснащена, по меньшей мере, одним лазерным генератором 14 или 15 линии объемного сканирования и камерой 16 объемного сканирования, которые установлены на оптической станине 6.
Оптимально, чтобы в состав конструкции средства трехмерного построения микропрофиля дорожного покрытия в поперечном направлении были включены два лазерных генератора 14 и 15 линии объемного сканирования, которые могут быть установлены, например, в передней части консоли оптической станины 6 с возможностью формирования линии объемного сканирования впереди базового транспортного средства 1, а камера 16 объемного сканирования этого средства была бы размещена на упомянутой станине 6 с возможностью расположения линии объемного сканирования в области угла поля зрения ее объектива. При этом структурные элементы этого средства в оптимальном варианте должны быть конструктивно и пространственно
организованы с возможностью обеспечения регистрации и построения микропрофиля дорожного покрытия в поперечном направлении на ширине до 12 м с точностью 2 мм.
Как правило, средство координатной привязки результатов измерений контролируемых параметров, полученных при работе всех вышеуказанных подсистем, включает подсистемы относительного и абсолютного позиционирования, первая из которых функционально является средством линейной привязки результатов измерений, к относительной системе координат, в состав конструкции которого включен энкодер, а вторая - средством привязки результатов измерений к абсолютной системе координат, в состав конструкции которого включена спутниковая навигационная система.
Оптимально, чтобы структурные элементы средства линейной привязки результатов измерений к относительной системе координат, включающего в себя энкодер, конструктивно и пространственно были бы организованы с возможностью обеспечения линейной привязки результатов измерений к относительной системе координат с точностью не менее 0,15%, то есть - 1,5 м на 1 км трассы; а структурные элементы средства привязки результатов измерений к абсолютной системе координат, включающего в себя спутниковую навигационную систему 19, были бы конструктивно и пространственно организованы с возможностью обеспечения привязки результатов измерений к абсолютной системе координат с законодательно разрешенной точностью.
Допустимо, чтобы, по меньшей мере, часть оптических структур оптоэлектронных компонент функционального комплекса контрольно-измерительной системы была установлена на виброизолированной оптической станине посредством индивидуальных виброопор.
Допустимо в состав контрольно-измерительной системы дополнительно включать, по меньшей мере, двухуровневую подсистему георадарного зондирования.
Один из уровней этой подсистемы функционально является средством оценки диэлектрической проницаемости конструктивных слоев
дорожной одежды и подстилающих грунтов для регистрации толщины конструктивных слоев. Конструкцию этого уровня оснащают, по меньшей мере, одним георадаром 17 коротковолнового диапазона зондирования.
Другой уровень этой подсистемы функционально является средством регистрации инженерных сетей, пересекающих проезжую часть дорожного объекта, а также различных неоднородностей в грунте. Конструкцию этого уровня оснащают, по меньшей мере, одним георадаром 18 длинноволнового диапазона зондирования.
Оптимально:
- в состав конструкции средства оценки диэлектрической проницаемости конструктивных слоев дорожной одежды и подстилающих грунтов включать два георадара 17 с линейным диапазоном зондирования 0,05-1,0 м, которые размещают в передней части рамы 5 базового транспортного средства 1 поперек ее продольной оси, при этом структурные элементы этого средства конструктивно и пространственно организуют с возможностью обеспечения регистрации толщины конструктивных слоев с точностью до 1 см при глубине до 0,5 м и с точностью до 3 см при глубине от 0,5 м до 1 м;
- в состав средства регистрации инженерных сетей, пересекающих проезжую часть дорожного объекта, а также различных неоднородностей, также включать два георадара 18 с линейным диапазоном зондирования 0,5-10,0 м, которые размещают в задней части рамы 5 базового транспортного средства 1 поперек ее продольной оси, при этом структурные элементы этого средства конструктивно и пространственно организуют с возможностью обеспечения регистрации инженерных сетей, пересекающих проезжую часть с глубиной заложения до 10 м от поверхности дорожного покрытия, а также различных неоднородностей с точностью до 0,5 м.
С физической точки зрения работа регистрационно-измерительной системы комплекса АДС-МАДИ, в частности, ее оптической компоненты, организованной на базе вышеперечисленных оптических структур и подсистем (общеизвестных из «уровня техники», т.е., лазерных
генераторов, камер линейного и объемного сканирования на основе светочувствительных линеек) основана на принципах и законах геометрической оптики, а также оптоэлектроники и, следовательно, дополнительных пояснений не требует.
Преимущества используемых в заявленных технических решениях метода сканирования посредством цифровых оптических камер на основе светочувствительных линеек (по отношению к используемым для аналогичных целей телевизионным камерам) заключаются в следующем:
- отсутствие в памяти бортового компьютера лишней информации об исследуемой поверхности объекта сканирования, т.к. каждая точка сканируемой поверхности регистрируется в запоминающем устройстве только один раз;
- автоматическое совмещение начала последующего кадра с концом предыдущего в процессе съемки без какого-либо наложения кадров один на другой;
- возможность использования системы автоматизированного распознавания образов в процессе обработки и исследования отснятой визуальной информации об исследуемом объекте в связи с минимизацией объема визуальной информации об объекте, необходимой для его качественной оценки по стандартной бальной системе и соответствующим параметрам качества;
- значительное увеличение скорости обработки и передачи данных на расстояние в связи с многократным уменьшением объема информационного потока, необходимого для получения конечной информации об объекте (в частности, его визуализации с заданным разрешением);
- объективность оценки качественных параметров сканируемых объектов исследования, ввиду обеспечения возможности многократной визуальной оценки полученной об объекте информации независимыми экспертами и оперативного решения спорных вопросов путем повторного совместного анализа информации с участием третьих лиц (специалистов);
- регулярный 100% (а не выборочный) мониторинг автомагистралей и иных объектов дорожного обустройства с целью их качественной оценки и выявления первоочередных участков, требующих ремонта, что резко увеличивает безопасность дорожного движения, в особенности, на оживленных городских магистралях мегаполисов;
- возможность определения скорости износа (старения) исследуемых объектов путем наложения полной последующей картинки объекта на предыдущую в автоматическом режиме (то есть, возможность оценки динамики разрушения исследуемых объектов во времени с целью формирования прогнозируемого графика обеспечения плановых ремонтно-строительных работ);
- отсчет времени дискретизации кадров съемки осуществляется инкодером (расположенным на пятом колесе базового транспортного средства или в коробке скоростей) с привязкой к километражу дороги (т.е. пройденному транспортным средством, несущим сканирующее устройство, расстоянию), а не ко времени, что исключает дублирование одной и той же информации;
- синхронная комплексная (по нескольким параметрам) оценка дорожных покрытий и иных элементов обустройства дорог в привязке к километражу дороги посредством спутниковой навигационной системы (например, системы GРS), т.е. привязка к абсолютной системе координат.
Комплексная регистрация технико-эксплуатационных показателей исследуемых объектов, в частности, включает в себя:
- двухмерное сканирование;
- трехмерное сканирование;
- зондирование георадарами;
- замеры верхних габаритов систем и элементов обустройства дорог;
- замеры расстояний и габаритов элементов обустройства по бокам;
- привязка результатов сканирования к километражу дороги. Привязка в широком смысле означает привязку результатов сканирования к углам домов, километровым столбам, дорожным знакам,
существенным элементам обустройства дорог, например, путепроводам (начало моста - конец моста), к освещению.
Если известна точная длина марки машины, то по снимку, полученному посредством бокового сканера, можно определить (путем пересчета) ее скорость за счет эффекта «укорачивания ее длины» в период времени сканирования (чем длиннее изображение машины, тем меньше ее относительная скорость).
Данный эффект сглаживает эффект закрытия дорожного полотна 8 встречным потоком автотранспорта, а при небольшой скорости автолаборатории (порядка 30 км/ч) - и попутного потока.
Если соответствующим образом подобрать базу АДС-МАДИ и расположить две идентичных по функциональному назначению сканирующих подсистемы в начале базового транспортного средства АДС-МАДИ и в его конце, то попадание одного и того же автомобиля одновременно на два сканера практически исключено.
Эти два эффекта позволяют при сканировании видеть дорогу практически «пустой», т.е. как будто бы встречный и попутный потоки автотранспорта в процессе сканирования отсутствуют.
Увеличение количество осей базового транспортного средства АДС-МАДИ снижает частотные характеристики вибрации и, тем самым, повышает качество съемки.
Таким образом, заявленные технические решения могут быть широко использованы в области строительства и эксплуатации улично-дорожных сетей в качестве средств и методов комплексной диагностики эксплуатационных показателей объектов дорожного хозяйства и организации мониторинга за их технико-эксплуатационным состоянием в режиме реального времени.
Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленных технических решений следующей совокупности условий:
- объекты, воплощающие заявленные технические решения, при их осуществлении предназначены для использования в области
строительства и эксплуатации улично-дорожных сетей в качестве средств и методов комплексной диагностики эксплуатационных показателей объектов дорожного хозяйства и организации мониторинга за их технико-эксплуатационным состоянием в режиме реального времени;
- для заявленных объектов в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах нижеизложенной формулы, подтверждена возможность их осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объекты, воплощающие заявленные технические решения, при их осуществлении способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленные объекты соответствуют требованию условия патентоспособности «промышленная применимость» по действующему законодательству.