面向抗滑的路面多尺度特征識(shí)別方法研究項(xiàng)目摘要

路面紋理是影響路面抗滑性能的關(guān)鍵因素之一，以往的研究?jī)H從垂直方向、水平方向或單重分形層面刻畫(huà)路面紋理整體的幾何形貌，未能揭示出路面紋理所蘊(yùn)含的整體相似性、局部差異性、復(fù)雜性等關(guān)鍵特征，因而也未能有效估計(jì)路面抗滑性能。本項(xiàng)目創(chuàng)新性的提出采用多重分形技術(shù)識(shí)別不同尺度下的路面紋理特征，試圖找到能全面反映具有抗滑差異性的路面紋理之間的奇異譜及其快速求解方法，探尋最能表述紋理豐富信息的新參數(shù)集，并通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)分析與理論推導(dǎo)闡明新參數(shù)集對(duì)路面抗滑性能產(chǎn)生顯著影響的物理意義；嘗試采用多元統(tǒng)計(jì)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建基于紋理多重分形特征向量的路面抗滑性能非線(xiàn)性最優(yōu)估計(jì)模型及其校驗(yàn)方法，該模型可用于指導(dǎo)路面紋理施工，為鋪制具有不同抗滑性能的路面提供理論支撐。

路面紋理是影響路面抗滑性能的本質(zhì)性與關(guān)鍵性因素，繼而影響胎-路之間的運(yùn)行安全。項(xiàng)目主要研究了基于高精度激光測(cè)距儀的路面二維紋理采集技術(shù)、基于圖像的路面三維紋理采集技術(shù)、基于多重分形理論的路面紋理多尺度特征表達(dá)方法、以及路面紋理多尺度特征與抗滑值的非線(xiàn)性關(guān)系等內(nèi)容。研究結(jié)果表明：①激光測(cè)距儀與圖像算法得到的路面紋理特征數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，且相對(duì)誤差較小，驗(yàn)證了基于圖像分析技術(shù)采集路面三維紋理具有可行性。②路面局部紋理呈現(xiàn)出不同的奇異強(qiáng)度，具有多重分形特征；不同材料和級(jí)配組成的路面紋理具有不同的多重分形特征，若集料最大公稱(chēng)粒徑越大、表面空隙越寬、結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則分形譜寬度和最大、最小概率子集分形維數(shù)的差值越大，多重分形譜參數(shù)能夠有效描述路面紋理的粗糙程度和尖銳程度；相同材料和級(jí)配組成的路面紋理具有相近的多重分形特征，多重分形譜形狀及其參數(shù)能夠穩(wěn)定的識(shí)別這種聚類(lèi)特征。③交互作用下的多重分形參數(shù)和垂直方向紋理參數(shù)與路面抗滑性能之間存在對(duì)數(shù)回歸關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.8，擬合優(yōu)度較高，當(dāng)顯著性水平為0.05時(shí)，t檢驗(yàn)的回歸系數(shù)均顯著。本研究成果對(duì)于揭示路面紋理的抗滑機(jī)理、指導(dǎo)路面施工工藝、提升道路交通安全性具有科學(xué)意義。

提高瀝青路面抗滑性能已成為保證交通安全的關(guān)鍵技術(shù)，輪胎與粗糙表面接觸特性是提高路面抗滑能力的關(guān)鍵。以往研究將路面假設(shè)為摩擦系數(shù)一定的平滑界面，其接觸狀況與實(shí)際情況明顯不符。本研究將深入研究細(xì)觀尺度下集料表面紋理和宏觀尺度下粗顆粒空間分布形態(tài)及其與輪胎嚙合程度的多尺度界面接觸特征。研發(fā)高精度（10μm）三維激光紋理測(cè)試方法，評(píng)價(jià)集料表面紋理特征，采用高精度工業(yè)CT掃描技術(shù)評(píng)價(jià)混合料級(jí)配組成及粗骨料形態(tài)與空間分布特性。采用高精度薄膜壓力傳感器探索輪胎與瀝青路面間不同荷載和抗滑狀態(tài)下的接觸面積、接地壓力分布規(guī)律，并設(shè)計(jì)輪胎與瀝青路面不同接觸狀態(tài)下的抗滑試驗(yàn)，探索上述接觸特征下的抗滑效果、規(guī)律及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。本研究可顯著改善抗滑材料設(shè)計(jì)和路面功能養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)等依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)的落后現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)科學(xué)設(shè)計(jì)瀝青路面抗滑性能，從而降低資源與造價(jià)浪費(fèi)，提高路面安全性能。

為適應(yīng)我國(guó)高等級(jí)公路快速發(fā)展及其安全出行等技術(shù)與社會(huì)需求，傳統(tǒng)的輪胎與路面簡(jiǎn)單的摩擦接觸模型已不適應(yīng)，基于瀝青路面多尺度界面結(jié)構(gòu)，開(kāi)展抗滑性能研究十分必要與迫切?；诖耍狙芯炕趬毫δz片測(cè)試技術(shù)，開(kāi)展了輪胎與路面之間接觸壓力及分布特性的研究，并利用高精度激光掃描測(cè)量技術(shù)，從微細(xì)觀尺度評(píng)價(jià)了集料顆粒棱角性和破碎面細(xì)觀紋理結(jié)構(gòu)；基于高精度工業(yè)CT技術(shù)，評(píng)價(jià)了瀝青混合料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)；基于路面輪廓儀及其掃描技術(shù)，從宏觀尺度評(píng)價(jià)了瀝青路面抗滑輪廓構(gòu)造；利用壓力膠片評(píng)價(jià)技術(shù)以及路面輪廓掃描技術(shù)及其試驗(yàn)結(jié)果，建立抗滑性能及其衰減特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。 獲得了如下主要研究成果： 首先，利用壓力膠片測(cè)試技術(shù)，基本掌握了我國(guó)小貨車(chē)軸載及其輪壓（0.6-0.7Mpa）作用下，不同瀝青路面的接觸壓力客觀分布規(guī)律，建立了抗滑接觸面積、接觸應(yīng)力場(chǎng)分布與集中程度等抗滑性能宏觀評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。 其次，建立了瀝青路面多尺度接觸界面結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)技術(shù)，包括：采用激光微觀構(gòu)造檢測(cè)儀評(píng)價(jià)骨料棱角與細(xì)觀紋理、瀝青膠漿（瀝青與機(jī)制砂混合物）結(jié)構(gòu)等微細(xì)觀接觸結(jié)構(gòu)；利用工業(yè)CT技術(shù)評(píng)價(jià)抗滑層路表主骨料空間分布等細(xì)觀接觸結(jié)構(gòu)；采用路面輪廓儀評(píng)價(jià)瀝青路面抗滑輪廓構(gòu)造等宏觀接觸結(jié)構(gòu)。 最后，基于輪胎及其與不同路面的接觸行為與路面抗滑性能之間的關(guān)聯(lián)性研究，分別建立以分形維數(shù)為主的評(píng)價(jià)粗骨料和瀝青膠漿抗滑性能的微細(xì)觀尺度評(píng)價(jià)指標(biāo)、以輪廓峰頂夾角為主要指標(biāo)的瀝青路面抗滑性能宏觀尺度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。并利用室內(nèi)模擬輪胎荷載作用的搓揉試驗(yàn)技術(shù)，針對(duì)抗滑層瀝青混合料材料設(shè)計(jì)階段，建立以抗滑構(gòu)造敏感區(qū)衰減率為指標(biāo)的抗滑構(gòu)造耐久性預(yù)測(cè)指標(biāo)體系。 2100433B

路面抗滑性能與交通安全關(guān)系密切，然而目前還沒(méi)有可靠的瀝青路面抗滑性能設(shè)計(jì)方法，實(shí)踐中瀝青路面抗滑性能也存在巨大差異。本項(xiàng)目從粗集料顆粒三維形態(tài)的多尺度數(shù)字化方法入手，結(jié)合礦料的組成，構(gòu)建礦料三維形態(tài)特征的多尺度描述指標(biāo)體系；以路面表面三維宏微觀紋理特征為橋梁，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)，分別建立礦料三維形態(tài)特征與路面表面三維宏微觀紋理特征以及路面表面三維宏微觀紋理特征與抗滑性能之間的關(guān)系，進(jìn)而建立基于礦料三維形態(tài)特征的瀝青路面抗滑性能預(yù)估模型；結(jié)合對(duì)礦料各個(gè)三維形態(tài)特征指標(biāo)閾值或分布范圍的分析，研究繪制一套礦料三維形態(tài)特征指標(biāo)體系與瀝青路面抗滑性能關(guān)系的圖表，進(jìn)而確定抗滑設(shè)計(jì)流程，建立基于礦料三維形態(tài)特征的瀝青路面抗滑設(shè)計(jì)方法，并對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證。依托本項(xiàng)目研究成果，將能實(shí)現(xiàn)瀝青路面抗滑性能的定量設(shè)計(jì)，對(duì)瀝青路面抗滑性能以及交通安全狀況的改善具有重要意義。