В этой статье будет рассмотрен процесс оценки поперечной ровности покрытия автомобильной дороги по облаку точек.
Проблема оценки поперечной ровности
В ныне действующем ОДМ нет единого и количественно выраженного показателя транспортно-эксплуатационного состояния. В рамках плановой диагностики состояния автомобильных дорог проводится мониторинг показателей, отвечающих за эффективность и безопасность работы автомобильного транспорта. Эксплуатационное состояние автомобильной дороги оценивается по показателям (продольной и поперечной ровности, сцепных характеристик, прочности дорожной одежды). Со временем данные показатели ухудшаются, и дорога перестает отвечать требованиям. Одним из быстро ухудшающихся эксплуатационных показателей, особенно на дорогах с интенсивным движением, является поперечная ровность, иными словами колея. Колея сдвиговой природы может характеризоваться гребнями выпора, но также причиной ее образования могут служить износ и истирание покрытия колесами, разрушение каменных материалов слоев основания и их доуплотнение в процессе эксплуатации, нарушения технологии и прочие факторы. Независимо от причин колеобразования требуется диагностика и оценка состояния дороги, и приведение её эксплуатационного состояния в соответствие с требованиями норм. В данной статье будет описано проведение диагностики и оценки показателя поперечной ровности с помощью результатов лазерного сканирования.
Методы измерения глубины колеи
На данный момент, согласно [ГОСТ Р 56925-2016 Дороги автомобильные и аэродромы. Методы измерения неровностей оснований и покрытий. – Введ. 23.05.2016. - М.: Стандартинформ, 2019.] существует три основных способа измерения поперечной ровности покрытия: упрощенный метод, метод вертикальных отметок и считывание микропрофиля покрытия с помощью профилометра. Первые два метода основаны на измерении с помощью двухметровой рейки и предполагают собой перекрытие полос движения, что является небезопасным для бригады специалистов и движения в целом. Несмотря на то, что измерение по упрощенной методике считаются наиболее точными, измерения проводятся при непосредственном участии специалистов, что сохраняет за собой наличие человеческого фактора. Так же существует третий метод определения поперечной ровности – это анализ микропрофиля покрытия с помощью профилометра. В [ГОСТ 33101-2014 Дороги автомобильные общего пользования. Покрытия дорожные. Методы измерения ровности. – Введ. 01.08.2016 - М.: Стандартинформ, 2016] отображены требования к точности воспроизведения высотных отметок и указаны в таблице Б.2 стандарта.
В данной работе будет выполнен анализ эксплуатационного состояния автомобильной дороги по показателю поперечной ровности альтернативным методом – с помощью компьютерного моделирования. Исходными данными для анализа являлся результат проведения лазерного сканирования автомобильной дороги – облако точек. На основе облака точек моделируется подробная цифровая модель автомобильной дороги. Полученная модель является аналогом микропрофиля и на ней подробно отображены геометрические параметры покрытия с точностью до миллиметра. Данные материалы были предоставлены компанией «ВТМ дорпроект». Съемка сделана с помощью лазерного сканера RD-M1. Во время движения сканер RD-M1 постоянно регистрирует данные и предоставляет точные сведения о состоянии дорожного покрытия. Данный сканер снимает с интервалом 3,1 мм, считывая до 28500 точек в секунду, что обеспечивает превосходную детализацию о текущем состоянии дорожного покрытия с точностью до миллиметра. Таким образом можно сделать вывод, что данная система соответствует требованиям к точности высотных отметок. В результате импульсного прецизионного сканирования, мы получаем достаточно данные облака точек для моделирования микропрофиля покрытия автомобильной дороги. Для получения всей ситуации с помощью беспилотного летающего аппарата Topcon GLS-2000 была выполнена съемка методом лазерного сканирования. Лазерное сканирование является очень качественным методом съемки, позволяющей создавать трехмерные модели с высокой точностью и за короткое время. С помощью фотограмметрии, используя структуру характера движения было получено облако точек (рисунок ниже)
Работы выполнены в системах: координат – МСК-50-02, высот – Балтийская 1977 г.
Обработка облака точек производилась в программе IndorCloud от компании «ИндорСофт» (Россия, г. Томск). Система IndorCloud предназначена для просмотра, анализа и обработки облаков точек, полученных в результате лазерного сканирования или с применением других технологий. Обработанные и оптимизированные в IndorCloud облака точек можно интегрировать в проекты САПР IndorCAD для визуальной оценки в 3D-виде и профилях и дальнейшего использования в качестве исходных данных при формировании ЦММ. Обработанные облака точек могут быть экспортированы в текстовый формат, что позволяет подгружать их в другие программные продукты. Съемка была передана в формате «LAS» и импортирована в программу IndorCloud. В параметрах импорта облака отражены основные характеристики ориентации в системе координат и атрибуты фильтрации точек.
В данном программном продукте есть инструменты классификации точек. Все точки можно разделить на классы: земля, растительность, здания, вода, перекрытия сканов и др. Также программа позволяет задать режим раскраски по классам, интенсивности, цвету, облакам точек и высоте. В целях оценки поперечной ровности автомобильной дороги для оптимального визуального восприятия было задано отображение цветов точек по высоте с минимальным шагом высот.
Адаптировав отображения результатов съемки лазерного сканирования, можно выявить участки автомобильной дороги с образованием колеи.
Следующим этапом мониторинга состояния автомобильной дороги является очистка облака от точек, не формирующих в дальнейшем цифровую модель рельефа покрытия с выявленными полосами наката. После обработки облака точек, итоговый файл формата «LAS» импортируется в систему автоматизированного проектирования «IndorCAD Road» для анализа поперечного профиля дороги. В данном программном продукте есть функция создания ЦМР на основе импортированных точек. После создания ЦМР необходимо создать проектную поверхность автомобильной дороги, совпадающую по геометрическим параметрам с существующей. Для этой операции необходимо наметить ось трассы по тангенциальному ходу. После построения оси выполняется разбивка трассы с шагом 0,10 м для более детализированного анализа и после данной операции в режиме просмотра окна поперечного профиля мы можем наблюдать гребни выпора и саму колею.
Измерение глубины колеи и назначение ремонтных мероприятий
На сегодняшний день существуют требования для допустимой глубины колеи и сроков ее устранения. Данные требования отражены в ГОСТ Р 50597-2017 «Дороги автомобильные и улицы. Требования к эксплуатационному состоянию, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения. Методы контроля.» и приведены в таблице.
Исследуемая автомобильная дорога относится к категории магистральной транспортно-пешеходной улице (группа Б). Расчетная скорость на данной автомобильной дороге составляет 70 км/ч. Согласно требованиям размеров дефектов глубина колеи является недопустимой от 30 до 90 мм. При наличии колеи с такими параметрами следует назначать ремонтные мероприятия.
Далее будет описано моделирование процесса определения расчетной глубины, по наиболее часто используемой, упрощенной методике. Принцип измерения колеи по упрощенной методике заключается в измерении просвета под двухметровой рейкой, уложенной на гребни выпора. С помощью измерительного щупа определяется глубина колеи. Количество створов измерения и расстояния между створами принимают в зависимости от длины самостоятельного и измерительного участков. Самостоятельным считается участок, на котором, по визуальной оценке, параметры колеи примерно одинаковы. Протяжённость такого участка может колебаться от 20 м до нескольких километров. При визуальном анализе поперечных профилей смоделированной автомобильной дороги в САПР «IndorCAD Road» был выявлен пикетаж участков, где параметры колеи имеют закономерность в проявлении и сходство. Данный участок имеет длину 102 метра.
Самостоятельный участок разбивается на измерительные. В нашем случае самостоятельный участок был разбит на два измерительных участка длиной 50 метров и 52 метра. Каждый измерительный участок был разбит на створы измерения. Измерительный участок длиной 50 метров был разбит на 5 створов длиной 10 метров каждый, а измерительной участок длиной 52 метра был разбит на 6 створов измерения, 5 из которых имеют длину 10 метров, а створ №6 2 метра.
Глубина колеи измеряется в наиболее глубоком месте каждого створа. Измерения проводят по внешней колее как в прямом, так и в обратном направлениях. Для определения расчетной глубины колеи на данном участке дороги нам необходимо выполнить измерение ее глубины в наиболее глубоком месте каждого створа. Так как самостоятельный участок дороги разбит на поперечные профили через каждые 0,10 метра, мы сможем детально проанализировать и выявить самое глубокое место в каждом створе и занести эти данные в ведомость. Используя эти данные, мы назначаем параметры экспорта чертежей поперечных профилей в программу «IndorDraw». Данная система является простым графическим редактором, включающим в свой интерфейс все необходимые функции и параметры для редактирования, преобразования и экспорта чертежей. Параметры экспорта настраиваются из условий более наглядного представления геометрических характеристик колеи. Это необходимо не только для оценки расчетной глубины, но и для определения возможных причин деформаций покрытия. В нашем случае был задан масштаб по вертикали и горизонтали 1:20. В качестве отображаемой была задана только существующая поверхность с выбором сплошного толстого типа линий.
После импорта поперечных профилей в систему «IndorDraw» начинается измерение глубины колеи в каждом намеченном створе. Стоит отметить удобную навигацию поиска поперечных профилей, согласно пикетажа самостоятельного участка, для этого в интерфейсе данной программы устроено динамичное меню выбора чертежа поперечного профиля.
При измерении глубины колеи необходимо определить вершины гребней выпора. Так как чертежи профилей были экспортированы в крупном масштабе, мы легко можем анализировать геометрию колеи и с помощью Z-отметок определить вершинные точки гребней выпора. По этим точкам строится отрезок, имитируя приложение двухметровой рейки. Благодаря Z-отметкам мы так же определяем самую низкую точку в просвете под линией. Для измерения глубины колеи в данном створе нужно параметризировать отображение утилиты «размерная линия» в части цвета, единиц измерения и их округлений. Для наглядного отображения был выбран синий цвет, а в качестве единиц измерения миллиметры.
Таким образом для каждого створа была выявлена максимальная глубина колеи. Все данные заносятся в ведомость (таблица 2.3-2.5) и рассчитывается глубина колеи для всего самостоятельного участка.
Таким образом было выполнена оценка поперечной ровности покрытия автомобильной дороги. Стоит отметить, что плюсом является более точное определение показателя, отсутствие на участках оценки инженера на проезжей части, что подвергается несомненно опасности. Нет необходимости перекрывать движение. В результате существует возможность назначения ремонтных мероприятий в соответствии с актуальной нормативной документацией.
