Создание установки для измерения продольной ровности покрытий по методике IRI.

Инженер ООО «Титул-2005»
Бакаев В.А.

В 2006 году было принято решение о проведении диагностики федеральной сети дорог по показателям сцепления, прочности и продольной ровности. Причём продольная ровность впервые должна была оцениваться не в привычной размерности «см/км», а по европейской методике IRI (International Roughness Index – международный индекс ровности). Индекс IRI рассчитывается на основе 4 переменных величин, являющихся функцией измеряемого профиля дороги. Эти переменные отражают динамический ответ справочной математической модели автомобиля (просчитывается только кузов и 1 колесо, на западе известна как SQY), двигающегося по измеряемому профилю. Уравнения 4 переменных величин дают решения по всем замерам, за исключением первой отметки. Эти переменные рассчитываются с использованием высотных отметок микропрофиля дороги с помощью специальных коэффициентов, приведенных в методике для различных шагов и скоростей измерений. По полученным коэффициентам рассчитывается «среднескорректированный уклон» для каждой точки дороги. Далее и рассчитывается индекс IRI, который о сути дела является средней статистической переменной «среднескорректированного уклона» отрезка измеряемой дороги. Средний уклон на первых 11м служит для определения первоначальных величин к переменным. Показатель IRI оценивает ровность в диапазоне частотных характеристик от 0,033 ц/м до 0,76 ц/м (в полосе длин волн неровностей от 1,3м до 30м). Размерностью его является «мм/м», «см/км», «дюймов/милю».

Данная методика разрабатывалась на западе уже более 20 лет, и в ряде европейских стран применяется как основная для оценки ровности дорог. В различных странах применяются различные нормативные требования к ровности различных категорий дорог по IRI, но единого общего для всех стан норматива для различных категорий дорог не существует. В ниже приведенной таблице (табл.1) показан ряд используемых и рекомендуемых за рубежом нормативов.

№ п/п Страна, место использования показателя IRI Характеристика ровности Значение IRI, м/км
1 Бельгия, 1984 г. Класс А. Очень хорошая ровность До 2
Класс В. Хорошая ровность от 2 до 4
Класс C. Хорошая ровность от 4 до 6
Класс D. Плохая ровность от 6 до 8
Класс E. Очень плохая ровность более 8
Порог вмешательства более 6
2 Швеция, 1988 г. Очень хорошая ровность до 1,5
Хорошая ровность 1,5 - 2,5
Средняя ровность 2,5 - 3,5
Удовлетворительная ровность 3,5 - 4,5
Неудовлетворительная ровность > 4,5
3 Финляндия, 2000 г.* Автомагистрали до 1,7
Прочие 2 полосные государственные и национальные дороги до 1,9
Прочие дороги общего пользования до 2,1
4 Международный эксперимент (Мировой банк, Бразилия, 1982 г.) Взлетно-посадочные полосы в аэропортах и высокоскоростные автомобильные дороги 0,8 - 1,3
Новые дорожные покрытия 1,3 - 3,3
Эксплуатируемые автомобильные дороги 2,3 - 5,5
5 Международный эксперимент FILTER (PIARC, Нидерланды, Германия, 1998 г.) Хорошая ровность до 1,5
Средняя ровность от 1,5 до 3,5
Плохая ровность более 3,5

* - Требования по ровности нового покрытия

Сами методы измерения IRI делятся на 4 категории исходя из применяемого оборудования и технологии проведения измерений.

В I и II класс точности входят измерения профилометрами в движении со скоростями до 100км/ч и различаются только по величине разбросов показаний на контрольных участках (до 5% для I класса точности и до 7% для II). К данному типу приборов относятся анализатор статистического профиля TRRL, «Dipstick» (приборы для ручных измерений), инерционный измеритель ровности APL(измерение уклонов покрытия относительно базы автомобиля), информационный анализатор продольного профиля K.J LAW (регистрация вертикальных перемещений подвески с помощью акселерометров с дальнейшим расчётом по математической модели SQY), множество появившихся в последнее время приборов, построенных на получении микропрофиля с помощью бесконтактных датчиков (в РФ к ним относятся лаборатории МАДИ, РосдорНИИ, НПО «Регион»), а так же методы ручного нивелирования участков. Как базовая принята методика измерения высотных отметок микропрофиля дороги со скоростями 40 либо 80км/ч и с шагом 0,25м. По результатам измерений строиться микропрофиль (не все профилометры дают непосредственно высотные отметки микропрофиля, некоторые приходят к нему через обработку измерений других параметров или же сразу выдают индекс IRI на основе своих измерений) из которого и рассчитывается индекс IRI.

В III класс точности входят так называемые «приборы типовых ответов» («типоответчики»). К данному типу приборов относятся Opala – Maysmeter №2, Caravan – NAASRA, Remorque BI, Rugosimetre BPR, а так же установка ПКРС-2У. Принцип измерения IRI данными приборами основан на тарировке их показаний, отражающих воздействие неровностей на подвеску автомобиля, на контрольных участках по всему спектру неровностей.

В IV класс точности входит экспертная (субъективная) оценка ровности дороги в соответствии с имеющейся шкалой. Данная методика даёт приблизительное представление о состоянии дороги, а так же знакомит специалистов со шкалой IRI и состоянием соответствующих дорог.

В вышедший в Москве в 2006 году СТО РосНИО-8.6.001-2006 «Дороги автомобильные общего пользования. Диагностика. Определение продольного микропрофиля дорожной поверхности и международного показателя ровности IRI. Общие требования и порядок проведения» вошли только профилометрические установки I и II класса точности, причём все расчёты привязаны к высотным отметкам микропрофиля. Данный подход не совсем верен, так как при измерении индекса IRI по другим, нежели получение высотных отметок точек, принципам будут вынуждены сперва приводить свои показания к данному виду, что внесет дополнительные погрешности.

В связи с отсутствием в России серийно выпускающихся установок для измерения ровности по методике IRI, а так же весьма малым количеством данных установок импортного производства встала задача создания дешёвой измерительной установки, производство которой можно было бы начать в кратчайшие сроки.

В ходе работ были проанализированы все применяемые в мировой практике системы измерения продольной ровности дорожных покрытий по методике IRI, изучены их сильные и слабые стороны. В частности, профилометрические установки на бесконтактных датчиках отличаются сложностью создания и эксплуатации, дороговизной. Установки типа APL (Франция) мало приспособлены для наших дорог с их далеким от идеального качеством покрытия. Установки «типоответчик» отличаются низкой точностью измерений, сложностью методики тарировки (а тарировать их необходимо довольно часто).

На основе всего вышеизложенного нами было принято решение не копировать полностью какую-либо установку и не создавать новую установку с нуля. Решено было использовать принцип, применяемый в профилометрах фирмы K.J LAW (США) - так как подвеска автомобиля неразрывно связана с дорогой, то и для получения индекса IRI достаточно как входную информацию для расчёта использовать данные о состоянии подвески автомобиля в различные моменты времени (по сути дела тот же самый микропрофиль). При движении данной установки в режиме измерения каркас, нагруженный и выставленный перед началом измерений в горизонтальное состояние, сохраняет горизонтальное положение и за счёт своей инерционности играет роль некоего искусственного горизонта, перемещение колеса установки относительно которого фиксируются датчиками. Далее полученная информация обрабатывается по алгоритмам, аналогичным применяемым при обработке микропрофиля.

 

Общий вид установки ПКРС
Рис. 1. Общий вид установки ПКРС

В ходе работ по модернизации было выполнено:

  • изменён и ускорен механизм опроса датчика ровности на установке (новые программы и переработка управляющей электроники);
  • в связи с необходимостью измерять пройденный путь с высокой дискретностью был применён новый датчик измерения пройденного пути (японский датчик вращения с разрешающей способностью 200 имп/об), устанавливаемый на ось колеса ПКРС, что дало дискретность измерения пройденного пути менее 0,01м;
  • разработаны новые методики тарировки;
  • написаны новые программы измерения и обработки результатов измерений.

Всё это вылилось в новый комплекс измерения ровности дорожных покрытий на базе установки ПКРС-2У, который позволяет получать информацию о продольной ровности как в используемой сейчас системе «см/км» так и в системе IRI за 1 проезд. Измерения выполняются по 1 колее. Время получения информации о ровности на участке – в течении 5 минут после окончания проезда. Частота получаемых значений IRI – от 1 значения на 0,25м пути. Скорость движения при проведении измерений – 50км/ч. Максимальная погрешность определения показателя IRI на контрольных участках длиной 50-100м составляет 7-9% (в основном из-за колейности покрытий) для всего диапазона неровностей.

Результаты измерения ровности установкой ПКРС-2У

На основании проведенных экспериментов и практических работ по измерению ровности в системе IRI предлагается следующая таблица нормативов:

Категория дороги I II III IV V
Предельно допустимое значение IRI 3 4 6 8 10

Выбранная схема модернизации установки показала себя с хорошей стороны как по точности получаемых результатов, так и по своим технико-экономическим показателям. Модернизация серийной установки занимает минимум времени и требует весьма незначительных материальных затрат.