一种摊铺机随机振动情况下路面摊铺横坡的测试方法

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，具体涉及一种摊铺机随机振动情况下路面摊铺横坡的测试方法。

背景技术

沥青路面设计时，为保证雨水能够顺路面横坡即时排出，路面横坡在直线段设计为2％的横坡，道路转弯处，在原横坡的基础上再增加超高高程，当降雨时，路面可在5分钟之内将表面积水全部排出，但路面施工过程中，横坡的重视程度较差，易出现直线段横坡为0的情况，严重影响了路面排水效果。路面横坡不足，易在路表形成地表径流，进而使高速行使的汽车轮胎与地面接触面积减少，易发生水漂或水滑，导致轮胎与路面的摩擦系数降低，车轮附着力变差，最终造成安全事故。因此，面对高速、一级公路项目快速、高效排水的建设需求，常采用具有快速排水、高抗滑及低噪音的排水沥青路面，并采用良好的排水横坡是各建设项目在排水方面主要重视焦点。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种摊铺机随机振动情况下路面摊铺横坡的测试方法，针对摊铺机摊铺过程存在不规律的抖动，采用行之有效的多阶梯加权滤波法，使摊铺机在抖动状态下路面摊铺横坡度的测试如静止测试一样稳定。

一种摊铺机随机振动情况下路面摊铺横坡的测试方法，将带减震的角度传感器固定支架安装于摊铺机上，采用静态角度测试精度达0～0.001°的角度传感器采集角度数据，将角度数据信号转换为数据，再进行计算、滤波，最后以百分率显示路面横坡度；

角度传感器的固定支架采用多层胶管气垫减震工艺，通过计算采集原始数据精密度与胶管硬度、胶管层数结果建立关系，以最小精密度为标准得出减震胶管的最佳硬度和层数，用于角度传感器固定支架与传感器的连接；

路面摊铺机在摊铺过程中产生40Hz振动，振捣幅度0-6mm，采用多阶梯加权滤波算法，依次进行：选择权重试算数组，转换权重百分比，原始测试值从大到小排序×权重百分比，数据聚类确定代表值所在区间计算代表值，最终实现摊铺机随机振幅振动状态下横坡数据采集、滤波，以保证横坡数据显示的稳定和准确。

进一步的，所述选择权重试算数组：

权重的取值规定服从正态分布，权重取值为正态分布图中X值均匀分布对应的Y值，对置信度为95％的正态分布区间内，当正态分布图中瘦高状态曲线逐渐向矮胖状态变化时，n个均匀分布的X值将产生n个正态分布Y值；当正态分布μ＝0，σ取不同值时，将会产生不同的权重试算数组。

所述转换权重百分比：

当正态分布μ＝0且σ取不同值时产生的权重试算数组以每列的形式，转换为各个值占整列之和的比率，依次对m列数据转换，

γ

A

n-表示μ＝O且σ取一个值时，采用正态分布函数产生权重值的个数；

m-表示μ＝0且σ取不同值时，产生的权重试算数组个数；

所述测试原始值从大到小排序×权重百分比：

角度传感器每次测试完成后，选择其中连续n个数值作为1组测试数据，测试间隔为1s；通过式2计算得到测试原始值从大到小排序×权重百分比，用β

Y

a

β

m-表示μ＝0且且σ取不同值时，产生的权重试算数组个数；

所述数据聚类确定代表值所在区间计算代表值：

对β

P

P

F

k-对β

S

P

P

F

本发明由静态角度测试精度达0～0.0001°的测试传感器，在摊铺机随机振动的情况下，采用多阶梯加权滤波算法，通过正态分布曲线产生的权重数组，以准确度综合最优的条件下，计算得最优代表值所在区间，取落人区间内加权值的算术平均值作为不同测试次数的代表值。动态测试结果绝对误差满足设定值的±0.025％内，完全可以满足随机振动摊铺机摊铺横坡的稳定测定。该设备每秒更新一次横坡值，以供施工人员可根据实测横坡值即时调整摊铺机的摊铺横坡度，保证摊铺过程横坡度相对准确。

附图说明

图1是横坡度断面监控仪数据采集构造俯视图；

图2是横坡度断面监控仪数据采集构造侧视图；

图3是表2数据的权重正态分布曲线图；

图4是第1次测试原始数据、代表值、平均值分布图；

图5是第2次测试原始数据、代表值、平均值分布图；

图6是第3次测试原始数据、代表值、平均值分布图；

图7是第4次测试原始数据、代表值、平均值分布图；

图8是第5次测试原始数据、代表值、平均值分布图；

图9是路面摊铺过程横坡全断面监控仪工作示意图；

图10数据1实测值、平均值、代表值结果分布图；

图11数据2实测值、平均值、代表值结果分布图；

图12数据3实测值、平均值、代表值结果分布图。

图中：

角度传感器1，传感器承载板2，传感器承载板固定螺丝孔(3，4)，传感器引出线5，螺杆6，减震胶管7，承载立板8，传感器固定夹持板(9，10，11)，固定螺丝12，LED显示屏13，摊铺机固定板14，摊铺机顶15，摊铺机机身16，摊铺臂17，摊铺后的混合料18，土路基19。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的一种摊铺机随机振动情况下路面摊铺横坡的测试方法做进一步的详细说明：

实施例：

横坡全断面监控仪数据采集构造见图1、图2，其主要包括角度传感器1，传感器承载板2，传感器承载板固定螺丝孔(3，4)，传感器引出线5，螺杆6，减震胶管7，承载立板8，传感器固定夹持板(9，10，11)，固定螺丝12，LED显示屏13，内置滤波电路板，供电由摊铺机24V电瓶供电，摊铺机固定板14。

横坡全断面监控仪，由24V车载直流电源驱动采集电路板，按照每秒5～50次的频率采集高精度角度传感器的测试值，再通过多阶梯加权滤波法，计算得稳定、流畅的角度数字，转换为坡度数字，最终在LED显示屏中实时显示。

该结构的组装包括传感器承载板上部部分与夹持部分。传感器承载板上部部分为承载立板8以上部分，夹持部分为承载立板8及以下部分。

传感器承载板2上装角度传感器1，按照角度传感器孔位开孔，孔直径大于角度传感器孔径2mm，如图1中孔，孔中穿2.5mm直径螺杆6，将减震胶管71-5层上下叠放，将角度传感器1、螺杆6、减震胶管7连接并紧固，连接后见图2，由于螺杆6的直径远小于传感器承载板2上固定孔的内径，仪器运行过程中，摊铺机的激震力完全由减震胶管7传递给角度传感器1，减震胶管7将会起到强有力的减震效果。安装完毕后，通过调整4颗螺杆6的松紧程度，标定横坡仪显示值与实际测试值保持一致。

夹持部分采用承载板立板8、传感器固定夹持板(9，10，11)、固定螺丝12，首先将固定螺丝12松开，将传感器固定夹持板固定于摊铺机固定板14上，保证传感器固定夹持板与摊铺机刚性连接。

LED显示屏13由摊铺机24V车载直流电驱动，内置驱动、运算电路板，将LED显示屏13信号线与角度传感器1连接，实现实时角度即时采集、滤波、运算、坡度百分数显示。

为保证路面摊铺时初始状态有一定的压实度，摊铺机会产生约40Hz振动，摊铺机振捣机构幅度默认为0-6mm，即每秒会产生约40次0-6mm随机幅度的振动，此振动明显降低了角度传感器采集准确程度。

最后，将LED显示屏固定于摊铺机顶15，角度传感器装于摊铺臂17上，即可开始测试。

角度传感器在振动工作环境下，采集数据具有很强的不稳定性，测试结果会产生随机误差、系统误差、偶然误差，但总体会在真值附近波动。为了快速寻找具有可代表真值的测试数据，原始测试结果需进行滤波、特殊运算，得出的结果才可用于实际使用。本发明采用多阶梯加权滤波算法，首先采用不同权重试算，分析每组测试数据中每个单值用于代表真值的可靠度，采用数据聚类法在不同权重滤波算法下，得出各单值聚类产生的真值最大可能落入区间，最后以此区间计算落入该区间的加权测试数据算术平均值，以此平均值作为此次测试真值的代表值。

多阶梯加权滤波算法智能地将对代表值计算贡献率大的单值汇聚一起，具有自动分析数据、智能舍弃数据的能力，最终实现数据的智能滤波。该算法大幅度提升了滤波结果的准确度，相对直接算术平均法来讲，滤波结果的准确度具有明显的优越性。

路面横坡设计值为2％±0.3％，可知横坡测定绝对误差要求不大于0.1％。采用不同角度计算得横坡结果见表1，由表1可知，假设实际坡度为2.0％时，如将坡度值稳定显示为2.0％，则采集数据角度波动范围为1.12°～1.17°，即相对于角度中值，角度误差不超±0.025°时，坡度测试可稳定显示2.0％。所以在振动环境下传感器滤波后测试准确度小于等于0.025°时，方可实现该仪器对坡度的稳定采集。所以，本仪器高精度角度传感器采用静态角度测试精度达0～0.001°的角度传感器试验，但在动态使用时，仍需要数据滤波后方可使用。横坡值计算公式见式1。

δ＝tanα×100式1

α－横坡角度，单位为°，

δ－横坡值，单位为％。

表1横坡精度计算表

/>

滤波芯片滤波采用多阶梯加权滤波法。首先在1s内快速采集n个值，对采集数据从大到小排序，对排序后的数据采用表2权重算法(表2试算权重百分比来源于表6-表8)，实现数据的第1次阶梯加权试算，以此类推，完成表6-表8中所有试算权重百分比的试算，随后对中间m个加权后的数值求和，可得35个试算值，对35个试算值以一定间隔聚类，选出落入聚类区间最多和次多的区间，再对原始测试数据落入以上区间的加权数据计算算术平均值，最后将该算术平均值作为本次采集数据的代表值。表2中，假设m＝11，其中K+0～k+10为该算法中的m个值。

具体流程为：选择权重试算数组→转换权重百分比→原始测试值从大到小排序×权重百分比→数据聚类确定代表值所在区间，计算代表值。

表2权重计算表

注：权重取值为某组权重，非固定。

(1)选择权重试算数组

表2中权重的取值规定服从正态分布，如图3，权重取值为正态分布图中X值均匀分布对应的Y值。对置信度为95％的正态分布区间内，当正态分布图中“瘦高”状态曲线逐渐向“矮胖”状态变化时，n个均匀分布的X值将产生n个正态分布Y值。

对于本算法的权重选择，采用正态分布公式作为权重数值的发生器，当从正态分布图谱的“瘦高”状态逐渐向“矮胖”状态变化过程中，μ＝0，σ＝0.1、0.2、0.3…，生成数据见表3、表4、表5。本次选用正态分布Y值中，数值保留3位有效数字，以Y值为中心，采用X1、X2…值等间距的方法，产生11个Y值，列于表3、表4、表5中每列。表3中,当σ＝0.1时，无法产生11个3位有效数字的值，所以舍弃σ＝0.1的数组。另外，本方法中σ的间隔采用0.1、1、5，为本研究人员设定，此值的选定由研究人员自行选定。

表3权重试算数组1

表4权重试算数组2

表5权重试算数组3

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(2)转换权重百分比

将表3-表5的权重试算数组以每列的形式，转换为各个值占整列之和的比率，此时，n＝11，依次对35列数据转换，结果见表6-表8。权重百分比计算见式2。

Y

n-表示μ＝0且σ取一个值时，采用正态分布函数产生权重值的个数。

表6权重百分比数组1

表7权重百分比数组2

表8权重百分比数组3

/>

(3)测试原始值从大到小排序×权重百分比

表9为传感器在振动状态下角度原始测试值，由于传感器横坡原始测试值产生量巨大，此处只列出5组原始测试值。每次测试时，选择11个连续数值作为1组测试数据，测试间隔为1s，此时，n＝11，m＝35。计算公式见式3。通过式3计算，每组测试值计算可得β

Y

a

β

m-表示μ＝0且σ取不同值时，产生的权重试算数组个数。

表9横坡传感器原始测试值/°

首先对每行原始测试值从大到小排序，再乘以权重百分比，每个原始测试值×权重百分比结果见表10-表12。

表10排序后测试原始值×权重百分比数据结果

表11排序后测试原始值×权重百分比数据表2

表12排序后测试原始值×权重百分比数据表3

(4)数据聚类确定代表值所在区间，计算代表值

对表10～12中每次测试结果(非5次一起算)从最小值到最大值以0.005为间隔进行数据聚类，选出落人各个区间中数据最多的区间、次多的区间，计算见式4、式5，以该两区间为标准，对β

P

P

F

k-对β

S

P

P

F

表13数据聚类计算代表值结果

/>

表14数据聚类计算代表值准确度表

实施时，现场机械部置、混合料、路基见图9，其中摊铺机顶15，摊铺机机身16，摊铺臂17，摊铺后的混合料18，土路基19。

预先在程序中输入本摊铺机计算权重。测试过程中，首先测试刚刚摊铺后的沥青路面横坡度，再通过调整横坡仪角度传感器的紧固螺丝，将LED显示屏显示横坡值与实测值对应，即可实现代表值的准确计算。坡度绝对误差不超0.1％。

表15本摊铺机权重计算表

表16摊铺横坡度测试结果

采用本发明研发的路面摊铺过程横坡全断面监控仪，将其安装于摊铺机顶部，同时将高精度角度传感器装于摊铺臂上，电源由摊铺机车载24伏直流电源供电。

由静态角度测试精度达0～0.0001°的测试传感器，在摊铺机随机振动的情况下，采用多阶梯加权滤波算法，通过正态分布曲线产生的权重数组，以准确度综合最优的条件下，计算得最优代表值所在区间，取落入区间内加权值的算术平均值作为不同测试次数的代表值(程序自算)，见表14。由表14可知，动态测试结果绝对误差满足设定值的±0.025％内，完全可以满足随机振动摊铺机摊铺横坡的稳定测定。该设备每秒更新一次横坡值，以供施工人员可根据实测横坡值即时调整摊铺机的摊铺横坡度，保证摊铺过程横坡度相对准确。

上面结合实施例对本发明的实例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出的各种变化，也应视为本发明的保护范围。