СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СРОКА ЭКСПЛУАТАЦИИ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ
FORECASTING METHOD OF OPERATING LIFE OF ROAD PAVEMENT

Изобретение относится к строительству и эксплуатации дорог, в частности для определения качества ровности дорожного покрытия, и может быть использовано для прогнозирования срока службы покрытий в процессе эксплуатации.
Потребительские свойства дороги - это совокупность ее транспортно-эксплуатационных показателей (ровность, шероховатость, сцепные качества покрытия и др.), непосредственно влияющих на эффективность и безопасность работы автотранспорта. 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 качества дорожного покрытия, определяется действующими государственными стандартами в виде расстояния от базовой поверхности инструмента, именуемого рейкой, до поверхности дорожного покрытия. При этом указанное выше расстояние ограничивается диапазоном от 1 мм до 10 мм, разбитым на три ряда, содержащим характеристику величин просветов в процентном отношении, в зависимости от которых качество ровности определяется оценками "отлично", "хорошо" и "удовлетворительно". Например, оценки "отлично" заслуживает качество покрытия, у которого в результате проведенных измерений число просветов до 3 мм составляет 95%, более 5 мм - не превышает одного процента, при этом наибольший просвет ограничивается 7 мм. Естественно, что измерение ровности проводят на стадии строительства дороги, т.е. в период, когда возможно исправление части дефектов [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 являются большая сложность аппаратно-программного обеспечения, дороговизна измерений, зависимость измерений от времени суток, освещенности, погодных условий, недостаточная надежность излучающих устройств.
Из устройств, оценивающих ровность дорожного покрытия посредством измерения при движении автомобиля, известна передвижная дорожная лаборатория КП-514МП (сертификат об утверждении типа средств измерений, гос. реестр №15004-95). В этой лаборатории для оценки ровности используют прицепную установку типа ПКРС-2У, с помощью которой измеряют суммарное перемещение в вертикальной плоскости. Установка моделирует (имитирует) работу подвески легкового автомобиля. Перемещения колеса относительно рамы установки ПКРС-2У регистрируются цифровым датчиком, передаются на бортовой компьютер лаборатории, суммируются и записываются в привязке к местоположению на дороге. Измеряемый показатель ровности в см/км оценивается средней интенсивностью воздействия неровностей на колесо. Скорость движения при измерении коэффициента ровности 50 км/ч. Недостатками устройства являются неучет влияния собственных колебаний прицепной установки на измерения, зависимость измерений от продольных и поперечных уклонов профиля, от торможения или разгона автомобиля.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения неровностей покрытий автодорог с применением датчика колебаний, установленного на оси колеса транспортного средства (SU 1244228 Е01С 23/07, 1986). Электрический сигнал с датчиков поступает на вход электронного счетчика, показывающего интегральное значение сжатия автомобильных рессор, косвенно характеризующее ровность дорожного покрытия. Основной недостаток устройства, прежде всего, связан с низкой точностью измерений, зависимостью измеренных значений от профиля дороги и скорости движения и конечно от конструкции подвески автомобиля.
Технической задачей, решаемой изобретением, является создание такого способа прогнозирования срока эксплуатации дорожного покрытия, который позволил бы упростить сам процесс измерения, повысить его надежность и оперативность за счет использования современных аппаратно-программных средств лучше отвечающих реалиям дорожных условий.
Поставленная задача решена путем создания способа прогнозирования срока эксплуатации дорожного покрытия, в котором на этапе эксплуатации трассы периодически через определенные промежутки времени осуществляют контрольные записи параметров ровности дорожного покрытия, для чего осуществляется непрерывная запись амплитуд вибровоздействий неровностей дорожного покрытия с привязкой по месту измерений спутниковой системой позиционирования с помощью вибродатчиков, установленных на неподрессоренной части автомобиля по осям четырех колес; проводят анализ динамики изменения амплитуд вибровоздействий во времени, сравнивая амплитуды вибровоздействий в одноименных точках трассы с максимальными значениями амплитуд, соответствующих местам с дефектами дорожного покрытия, причем корректируют измеренные амплитуды вибровоздействия контрольной записи с учетом сравнения значения скорости движения при первой записи со скоростью движения при контрольной записи, соответственно пропорционально увеличивая амплитуду, если скорость прохождения места дефекта при контрольной записи была меньше скорости прохождения при первой записи, и соответственно пропорционально уменьшая амплитуду, если скорость прохождения места дефекта при контрольной записи была больше скорости прохождения при первой записи, для этих вышеуказанных точек формируют массив значений амплитуд вибровоздействий (временные ряды), в качестве которых выступают значения амплитуд вибровоздействий, приведенные к скорости первой записи в соответствующие периоды времени; создают модель прогнозирования срока эксплуатации дорожного покрытия, включающую в качестве независимых переменных значения амплитудных значений вибровоздействий, измеренные по результатам контрольных измерений, проведенные через определенные промежутки времени с начала эксплуатации, а в качестве зависимой, прогнозируемой переменной принимают рассчитанное значение амплитуды вибровоздействия в прогнозируемый период времени, в частности в качестве модели прогнозирования могут быть использованы регрессионные модели; по принятой регрессионной модели оценивают срок эксплуатации, при котором прогнозируемая величина амплитуды вибровоздействия превысит допустимое значение. Сопоставительный анализ предлагаемого способа с ближайшим аналогом показывает, что заявляемый способ имеет существенные признаки, отличные от аналога. Следовательно, предлагаемый способ соответствует критерию изобретения "новизна". Анализ источников информации, использованных для определения уровня техники, показал отсутствие источников, в которых была описана совокупность заявляемых отличительных от прототипа признаков. При этом совокупность отличительных признаков не является очевидной, так как не следует непосредственно из уровня техники. Следовательно, предлагаемый способ соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень".
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1, 2 представлены этапы реализации способа, на фиг.1 приведен сравнительный анализ амплитуд вибровоздействий в фиксированной точке трассы, ось ординат Y - амплитуды вертикальной составляющей ускорений, ось абсцисс Х - время; на фиг.2 приведены этапы прогнозирования, по оси ординат Y - амплитуды вертикальной составляющей ускорений, по оси абсцисс - периоды мониторинга; на фиг.3 - принципиальная схема приборного состава, реализующая заявляемый способ.
В процессе реализации способа осуществляют диагностику дорожной трассы посредством мобильного виброизмерительного комплекса 1 (фиг.3), включающей базовое транспортное средство (на фиг.3 не показано), вычислительный комплекс 2, виброизмерительный комплекс 3 и спутниковую систему позиционирования 4. Вычислительный комплекс 2, включающий персональный компьютер (ПК) 5, средства электропитания, функционально является средством обработки полученной информации и передачи результатов обработки на центральную ЭВМ в режиме реального времени. Виброизмерительный комплекс 3 является средством измерения и анализа вибрационного воздействия неровностей дорожного покрытия. Его оснащают типовой виброизмерительной аппаратурой, включающей вибродатчики 6, усилители и анализатор спектра 7. Вибродатчики 6 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 4 предназначена для геодезической привязки исследуемой дорожной трассы к электронному проекту 8 дороги и результатов измерения вибровоздействий к географическим координатам и скорости движения мобильного виброизмерительного комплекса. Для этого комплекс 1 оснащают спутниковой системой позиционирования 4, позволяющей производить привязку измеряемых данных вибровоздействий к географическим координатам и скорости движения и референсной станцией 9, 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 10, приемник 11 спутниковых сигналов, модемы 12, 13 и контроллер 14 GPS/ГЛОНАСС.
Предлагаемый способ состоит из трех этапов: этапа создания исходных данных ровностей дороги (эталонных параметров неровностей дорожного покрытия перед вводом трассы в эксплуатацию), этапа диагностики дорожного покрытия (записи и обработки параметров ровностей дороги) в процессе эксплуатации дороги, проводимого через определенные промежутки времени, и этапа прогнозирования, на котором определяется срок эксплуатации. Указанные этапы показаны на фиг.1, 2. 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 2 заносятся исходные данные - электронная модель 8 проекта - план положения дорожной магистрали с реперными точками. Мобильный комплекс 1 посредством совместной работы спутниковой системы позиционирования 4 и референсной станции 9 устанавливается в исходную точку с известными географическими 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 (амплитудно-временная характеристика) сигнала четырех вибродатчиков 6, установленных вертикально на неподрессоренной части автомобиля, в местах прикрепления амортизаторов, по осям четырех колес. Вибродатчики 6 выступают как регистраторы колебаний колес из-за неровностей дороги. При этом оценивается энергия колебаний в разных диапазонах частот. Поскольку вибродатчики 6 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 6 преобразуют механическое воздействие неровностей дороги в электрический сигнал. В анализаторе спектра 7 осуществляется преобразование аналогового сигнала в цифровой формат. Данные измерений передаются в вычислительный комплекс 2 и записываются на жесткий диск ПК 5 вместе с данными о скорости и координатах спутниковой системы позиционирования 4. 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 2 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 1 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 (фиг.1, 2) с привязкой по месту испытаний вместе с данными о скорости и координатах спутниковой системы позиционирования 4. 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 прогнозирования процедура виброиспытаний повторяется через определенные промежутки времени (не обязательно равные) с соблюдением всех вышеперечисленных условий. Естественно, что виброиспытания трассы должны проводиться при одинаковых условиях. Как показывают дорожные реалии осадки, снег, лед скрывают дефекты покрытия, а поэтому условия контрольных испытаний должны быть близки к начальному испытанию, которое принимается за исходное (первое, эталонное). Данные спектрального анализа в виде амплитудно-временных характеристик используются для анализа вибровоздействий неровностей дорожного покрытия. Для чего проводят сравнения амплитуд вибровоздействия эталонной и контрольных записей на одноименных точках трассы (фиг.1). Данные сравнений для фиксированной k-точки трассы можно представить в виде следующей таблицы:
Номер датчика
Данные измерений
Прогнозируемое значение
1
2
j
n
1
<img file="00000001.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="8" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
2
<img file="00000006.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000007.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000008.tif" he="8" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000009.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000010.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
3
<img file="00000011.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000012.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000013.tif" he="8" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000014.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000015.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
4
<img file="00000016.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000017.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000018.tif" he="8" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000019.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000020.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
В таблице: <img file="00000021.tif" he="8" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" /> - значение амплитуды вибровоздействия i - вибродатчика в j - период эксплуатации дороги в k - точке трассы;
<img file="00000022.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" /> - прогнозируемое значение амплитуды на текущий (n+1) период эксплуатации трассы.
В качестве модели прогнозирования по результатам мониторинга развития ситуации по времени, в условиях растущей разности амплитуд эталонной и контрольной записей вибровоздействий могут использоваться, например, регрессионные алгоритмы (фиг.2).
Модель множественной регрессии в общем случае описывается выражением
В более простом варианте линейной регрессионной модели зависимость прогнозируемой (зависимой) переменной от независимых переменных, каковыми являются данные контрольных измерений амплитуд вибровоздействий неровностей, имеет вид:
,
0
1
n
Здесь β, β,…, β - рассчитываемые (подбираемые) коэффициенты регрессии,
ε - компонента ошибки.
Предполагается, что все ошибки независимы и нормально распределены. С помощью вышеприведенной таблицы значений прошлых наблюдений (данных мониторинга) можно подобрать (например, методом наименьших квадратов) коэффициенты регрессии, настроив тем самым модель. При работе с регрессионной моделью необходимо обязательно проверить на адекватность найденную модель, например, с помощью теста Дарбина-Уотсона. Полученное прогнозируемое значение сравнивается с допустимым значением и на основании этого принимается решение о продолжении эксплуатации трассы или о проведении ремонта проблемного участка трассы, или об ограничении скорости движения. Повторные контрольные испытания по одной и той же трассе, проведенные через известные промежутки времени, позволяют прогнозировать срок эксплуатации дорожного покрытия. Предполагая закон изменения дефектов дорожного покрытия нормальным законом распределения, и задаваясь пороговым значением принятия решения в виде вероятности можно определить сроки эксплуатации трассы в целом.
Для реализации заявляемого способа в составе мобильного виброизмерительного комплекса 1 предлагается использовать следующий приборный состав (фиг.3). Виброизмерительный комплекс 3 включает пьезокерамические вибродатчики 6 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 6 без использования промежуточных усилителей [4]. Каждый вибродатчик 6 индивидуально отслеживает вибровоздействие дорожного покрытия под соответствующим колесом транспортного средства. Каждая пара вибродатчиков 6 (по направлению движения или поперек) дополнительно позволяет определить составляющую вертикального ускорения, вызванную уклоном профиля дороги в соответствующем направлении. Анализатор спектра 7 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 7 имеет возможность автономной работы (без компьютера) в режиме регистрации сигналов на встроенный накопитель объемом до 32 Гб [5]. Связь с компьютером 5 вычислительного комплекса 2 осуществляется по шине USB 2.0. Оборудование для приема и обработки спутниковых сигналов системы содержит антенну 10, приемник 11 спутниковых сигналов, модемы 12, 13 и контроллер 14 GPS/ГЛОНАСС, например как в [6]. В качестве референсной станции 9 в комплексе используется Stonex RSNET4 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 9 и приемником 11 спутниковой системы позиционирования 4 осуществляется по радиоканалу посредством модемов 12, 13. 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 возможность обоснованно рекомендовать сроки эксплуатации дорожного покрытия. Таким образом, на основании предлагаемого способа отслеживается изменение амплитуд вибрационного воздействия неровностей дороги при движении автомобильного средства, косвенно характеризующих показатели ровности - проводится мониторинг состояния дорожного покрытия. По результатам неоднократного (многократного) мониторинга, проводимого на одной и той же трассе, через определенные промежутки времени, получаем массив данных, который методами регрессионного анализа позволяет определить срок эксплуатации дорожного покрытия.
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 1996 №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 ICP. 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).