СПОСОБ ОЦЕНКИ НЕРОВНОСТЕЙ Российский патент 1997 года по МПК G01C5/00 

Изобретение относится к аэродромному и дорожному строительству, эксплуатационному содержанию аэродромов и дорог, в частности к способам контроля и оценки неровностей с целью определения эксплуатационного состояния покрытия и его пригодности.

Известен способ контроля ровности поверхности покрытия [1] при котором на основе визуального осмотра покрытия вибрируют захватки для детального измерения ровности. На выбранных захватках измеряют: поперечные уклоны, просветы под трехмерной рейкой с помощью клина в пяти контрольных точках, расположенных на расстоянии 0,5 м от концов рейки и друг от друга, выполняют нивелирование профиля по оси каждого ряда с дискретностью (интервалом) 5 м. По результатам измерений вычисляют:
поперечные уклоны,
распределение просветов под трехметровой рейкой в заданных нормируемых диапазонах,
алгебраические разности высотных отметок точек по формуле:

где H_i, H_i+1, H_i+2 отметки смежных точек.

Указанный способ имеет недостатки. Во-первых, выбор участков для оценки неровностей путем визуального осмотра плит с помощью приборов типа ПКРС, которые рекомендуются СНиП, требует высокой квалификации и большого опыта работы исполнителя. Во-вторых, как показывает опыт, оценка неровностей по алгебраическим разностям отметки на базе 5 м (точнее, по их распределению и заданных диапазонах) может оказаться ошибочной из-за большого интервала измерений и малой информативности параметра δh В-третьих, распределение просветов под трехметровой рейкой свидетельствует больше о законе распределения неровностей и практическое их использование при оценке шероховатости или прогнозировании вибраций детального аппарата крайне ограничено.

Известен (аналог) способ количественной характеристики рельефа с использованием аппарата теории случайного поля [2] в котором для получения характеристик рельефа прокладывается система профилей, точки местности на которых выбираются в характерных местах, через равный интервал или случайно. Профиль местности, представленный в виде ряда отметок, подвергается ряду преобразований (исключению тренда, центрированию и т.п.), конечной целью которых является представление профиля местности в виде стационарной случайной функции, одной из характеристик которой является корреляционная функция, указывающая степень зависимости между разноудаленными друг от друга точками местности и функция спектральной плотности, показывающая распределение мощности рельефа по частотам. Вычисленная в результате обработки ряда преобразованных отметок корреляционная функция аппроксимируется аналитическим выражением типа

в котором
σ2н

дисперсия отметок,
α величина, характеризующая периодичность форм рельефа,
b частота повторения форм рельефа.

Величины s_н, α, β случат в качестве количественных характеристик рельефа, причем σ_н характеризует вертикальную расчлененность рельефа, а α и b - горизонтальную. Наряду с корреляционной функцией горизонтальная расчлененность может характеризоваться спектральной плоскостью G(ω) связанной с корреляционной функцией

Указанный способ также имеет недостатки. Во-первых, приведение (преобразование) ряда отметок, профиля местности к стационарной случайной функции, для которой применим аппарат корреляционного и спектрального анализа не всегда выполнимо в полной мере (в частности, при наличии нелинейного тренда). Иными словами, количественные характеристики рельефа в сильной степени зависят от процедуры преобразования. Во-вторых, математический аппарат корреляционного и спектрального анализа сложен и реализуем практически, лишь с помощью ЭВМ.

Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является способ оценки характеристик неровностей [3] путем измерения отклонений от прямой линии, когда поверхность взлетно-посадочной полосы характеризуется профилем, построенным по отклонениям рельефа ВПП от средней прямой линии. Площадь, ограниченная кривой спектральной плотности, построенной по отклонениям точек профиля от средней прямой линии, равна среднему квадрату высот неровности ВПП, измеренных относительно средней линии. Площадь, ограниченная той же кривой, на участке Ω=Ω₁, Ω= ∞ дает средний квадрат неровностей σ2н

на участке ВПП длиной

Кривая спектральной плоскости аппроксимируется выражением

Тогда

Максимальное значение высот неровностей на участке длиной

принято за критерий неровности поверхности покрытия.

Данный способ оценки неровностей имеет недостатки, во-первых, численное значение максимально допустимого отклонения σ_max получают через величины c и n спектральной плотности рельефа, которая в сильной степени зависит от принятой процедуры преобразования исходных данных приведение исходной функции рельефа к квазистационарной. Во-вторых, аппроксимация функции спектральной плотности аналитическим выражением [4] которое носит обобщенный характер, также вносит погрешности в определение σ_max В-третьих, математический аппарат вычисления спектральной плотности достаточно сложен и связан с большим объемом вычислений.

Целью предполагаемого изобретения является повышение информативности, объективности и достоверности, а также упрощение процедуры оценки неровностей путем измерения высот точек профиля с оптимальными интервалом и погрешностью с последующим определением параметров вертикальной и горизонтальной расчлененности рельефа.

Поставленная цель достигается путем измерения высот точек профиля или превышений между ними с максимальным интервалом Δl в котором изменения высот точек профиля не превышают погрешности измерений с последующей аппроксимацией профиля отрезками прямых линий длиной от 3 Δl до l_k, равного не менее удвоенного значения шага проектирования, проведенными по методу наименьших квадратов (МНК), и вычислением для каждого l_i среднего среднеквадратического отклонения (ССКО) σ(l_i)_ср точек профиля от аппрокисимирующих прямых, по которым вычисляют значения параметров неровностей σ_o, μ_o, ν в соответствии с выражением:
σ(l_i)_ср= σ_oμ_olνi

, (7)
где σ_o параметр вертикальной расчлененности, равный продельному значению ССКО в исследуемом линейном диапазоне, соответствующий максимальному значению
μ_o параметр горизонтальной расчлененности, характеризующий периодичность (частоту) и размеры форм рельефа,
ν параметр горизонтальной расчлененности, характеризующий корреляцию между высотами разноудаленных точек профиля.

В частности, при нормировании неровностей и сравнительном анализе неровностей нескольких поверхностей принимают n=0,5 и

Предполагаемое изобретения поясняется описанием. Оценку неровностей производят в следующей последовательности. На поверхности покрытия измеряют, например методом геометрического нивелирования, высоты точек продольного профиля или превышения между ними. Дискретность съемки Δl (минимальное расстояние между точками съемки интервал) выбирают таким образом, чтобы изменения высот точек местности внутри интервала съемки не превышала погрешности измерений, которая определяется применяемыми приборами (нивелирами, в частности) и принятой методикой нивелирования, т.е. его классом. Практика показывает, что для целей оценки неровностей достаточным является нивелирование III класса или техническое с дискретностью (интервалом) 0,5 1,0 м. Полученный ряд отметок (высот) точек местности преобразуют следующим образом.

Профиль последовательно разбивают на равные участки протяженностью от минимального, равного устроенному интервалу съемки (т.е. три точки), до максимального равного не менее удвоенного значения шага проектирования (шаг проектирования прямая длиной, обычно 20 или 40 м), т.е. 80 м. Далее каждый участок профиля при каждом интервале разбиения аппроксимируют прямой линией по методу наименьших квадратов (МНК) и вычисляют среднее квадратическое отклонение (СКО) точек профиля от этой прямой для каждого участка профиля (отрезка прямой). Из полученных значений СКО вычисляют среднее среднеквадратическое отклонение ССКО σ(l_i)_ср.

Таким образом, каждому интервалу разбиения профиля соответствует вычисленное значение ССКО σ(l_i)_ср. Между ССКО и длиной l_i аппроксимирующей по МНК прямой существует аналитическая зависимость:
σ(l_i)= σ_oμ_olνi

(9)
где
σ_o параметр вертикальной расчлененности рельефа, равный предельному (максимальному) значению σ(l_к)_ср исследуемого линейного диапазона неровностей,
μ_o параметр горизонтальной расчлененности рельефа, характеризующий периодичность и размеры форм рельефа, равный
ν параметр горизонтальной расчлененности рельефа, характеризующий корреляцию между высотами точек и расстоянием между ними, равный

Среднее среднеквадратическое отклонение ССКО σ(l_i)_ср является универсальной характеристикой (оценкой) неровностей, поскольку:
значения σ(l_i)_ср прямо и непосредственно характеризуют вертикальную расчлененность рельефа чем больше σ(l_i)_ср, тем менее ровная поверхность. В частности, для всего профиля или отдельных исследуемых участков с целью сравнительной оценки неровностей могут быть вычислены значения среднеквадратических отклонений СКО для каждой аппроксимирующей по МНК прямой. В результате получают при заданном интервале аппроксимации последовательный ряд значений СКО, характеризующий уровень неровностей на конкретных участках покрытия,
нормируемые в настоящее время характеристики рельефа, превышения, уклоны, разности уклонов или превышений и т.п. т.е. в конечном счете, уклонения точек профиля от отрезков прямых связаны между собой и σ(l_i)_ср (в соответствии с теоремой о дисперсиях независимых случайных величин) очевидными соотношениями:

т.е. σ(l_i)_ср включает в себя и применяемые оценки,
ССКО связано со спектральной плотностью рельефа, принятой в качестве сигнальной оценки, соотношением:

позволяющим, в случае необходимости, вычислять спектральную плотность по ССКО или параметрам

Качественная оценка неровностей разных по характеру рельефа покрытий с целью сравнения или определения соответствия их нормативным требованиям, предполагает возможность обобщения. Например, в действующих нормативных документах с этой целью введены характеристики: "общий уклон", "средний уклон", "обобщенная спектральная плотность" и т.д. Обобщенное ССКО, предназначенное для нормирования неровностей и сравнительной качественной оценки получают, задаваясь средним значением параметра n равным 0,5 (диапазон изменения n от 0, когда рельеф представляет собой стационарную случайную функцию, аналогичную "белому шуму" до 1, когда превышения возрастают пропорционально расстоянию), т.е.

Переход в случае необходимости к оценке неровностей по обобщенной функции спектральной плотности осуществляется в соответствии с выражением:

Таким образом, оценка неровностей поверхности покрытий автодорог и аэродромов способом ССКО отличается от существующих или применяемых способов большей универсальностью и обобщенными характером при существенно более простой процедуре математической обработки.

Использование предлагаемого способа оценки неровностей по сравнению с прототипом позволит унифицировать нормативные требования к поверхности, упростить процедуру обработки и преобразований результатов измерений за счет применения более объективного универсального и простого показателя среднего среднеквадартического отклонения ССКО точек профиля от аппоксимирующей по МНК прямой линии.

Использование предлагаемого способа оценки неровностей позволит свести к минимуму количество показателей и параметров рельефа, по которым оценивают неровности.

Использование: при строительстве автомобильных дорог и автодромов, а также при определении их эксплуатационного состояния. Сущность изобретения: в качестве характеристики неровностей применено среднее среднеквадратичное отклонение (CCEO) точек профиля, полученного, например в результате нивелирования с оптимальными дискретностью и точностью, от отрезков прямых, проведенных по методу наименьших квадратов, при аппраксимации ими профиля. CCKO связано с величиной расстояния Li между точками профиля аналитическим выражением: σ(l_i)_ср= σ_oμ_olνi

, где σ_o, μ_o, ν -параметры неровностей. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ оценки неровностей, включающий измерение высот или превышений, вычисление параметров неровностей, отличающийся тем, что высоты точек профиля или превышения между ними измеряют с максимальным интервалом Δl, в котором изменения высот точек профиля не превышают погрешности или заданной точности измерений, затем профиль последовательно разбивают на равные участки протяженностью от 3Δl до l_к, равного не менее удвоенному шагу проектирования, которые аппроксимируют прямыми линиями по методу наименьших квадратов, и для каждого значения l_i вычисляют среднее значение среднеквадратических отклонений σ(l_i)_cp точек профиля от аппроксимирующих прямых, по которым определяют значения параметров неровностей σ_o,μ_o,ν в соответствии с выражением
σ(l_i)_cp= σ_oμ_olνi

,
где σ_o- параметр вертикальной расчлененности рельефа;
μ_o- параметр горизонтальной расчлененности рельефа;
ν - параметр, характеризующий корреляцию между высотами точек и расстояниями между ними. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нормативные значения средних значений среднеквадратичных отклонений для участков профиля различной протяженности принимают в соответствии с выражением

где μ_н- нормативный параметр неровностей.