面向抗滑的路面多尺度特征识别方法研究

路面纹理是影响路面抗滑性能的本质性与关键性因素，继而影响胎-路之间的运行安全。项目主要研究了基于高精度激光测距仪的路面二维纹理采集技术、基于图像的路面三维纹理采集技术、基于多重分形理论的路面纹理多尺度特征表达方法、以及路面纹理多尺度特征与抗滑值的非线性关系等内容。研究结果表明：①激光测距仪与图像算法得到的路面纹理特征数据变化趋势一致，且相对误差较小，验证了基于图像分析技术采集路面三维纹理具有可行性。②路面局部纹理呈现出不同的奇异强度，具有多重分形特征；不同材料和级配组成的路面纹理具有不同的多重分形特征，若集料最大公称粒径越大、表面空隙越宽、结构越复杂，则分形谱宽度和最大、最小概率子集分形维数的差值越大，多重分形谱参数能够有效描述路面纹理的粗糙程度和尖锐程度；相同材料和级配组成的路面纹理具有相近的多重分形特征，多重分形谱形状及其参数能够稳定的识别这种聚类特征。③交互作用下的多重分形参数和垂直方向纹理参数与路面抗滑性能之间存在对数回归关系，其相关系数均超过0.8，拟合优度较高，当显著性水平为0.05时，t检验的回归系数均显著。本研究成果对于揭示路面纹理的抗滑机理、指导路面施工工艺、提升道路交通安全性具有科学意义。

路面纹理是影响路面抗滑性能的关键因素之一，以往的研究仅从垂直方向、水平方向或单重分形层面刻画路面纹理整体的几何形貌，未能揭示出路面纹理所蕴含的整体相似性、局部差异性、复杂性等关键特征，因而也未能有效估计路面抗滑性能。本项目创新性的提出采用多重分形技术识别不同尺度下的路面纹理特征，试图找到能全面反映具有抗滑差异性的路面纹理之间的奇异谱及其快速求解方法，探寻最能表述纹理丰富信息的新参数集，并通过大量的实验分析与理论推导阐明新参数集对路面抗滑性能产生显著影响的物理意义；尝试采用多元统计和人工神经网络技术构建基于纹理多重分形特征向量的路面抗滑性能非线性最优估计模型及其校验方法，该模型可用于指导路面纹理施工，为铺制具有不同抗滑性能的路面提供理论支撑。

提高沥青路面抗滑性能已成为保证交通安全的关键技术，轮胎与粗糙表面接触特性是提高路面抗滑能力的关键。以往研究将路面假设为摩擦系数一定的平滑界面，其接触状况与实际情况明显不符。本研究将深入研究细观尺度下集料表面纹理和宏观尺度下粗颗粒空间分布形态及其与轮胎啮合程度的多尺度界面接触特征。研发高精度（10μm）三维激光纹理测试方法，评价集料表面纹理特征，采用高精度工业CT扫描技术评价混合料级配组成及粗骨料形态与空间分布特性。采用高精度薄膜压力传感器探索轮胎与沥青路面间不同荷载和抗滑状态下的接触面积、接地压力分布规律，并设计轮胎与沥青路面不同接触状态下的抗滑试验，探索上述接触特征下的抗滑效果、规律及评价指标体系。本研究可显著改善抗滑材料设计和路面功能养护设计等依赖经验的落后现状，实现科学设计沥青路面抗滑性能，从而降低资源与造价浪费，提高路面安全性能。

为适应我国高等级公路快速发展及其安全出行等技术与社会需求，传统的轮胎与路面简单的摩擦接触模型已不适应，基于沥青路面多尺度界面结构，开展抗滑性能研究十分必要与迫切。基于此，本研究基于压力胶片测试技术，开展了轮胎与路面之间接触压力及分布特性的研究，并利用高精度激光扫描测量技术，从微细观尺度评价了集料颗粒棱角性和破碎面细观纹理结构；基于高精度工业CT技术，评价了沥青混合料微细观结构；基于路面轮廓仪及其扫描技术，从宏观尺度评价了沥青路面抗滑轮廓构造；利用压力胶片评价技术以及路面轮廓扫描技术及其试验结果，建立抗滑性能及其衰减特性的评价指标体系。 获得了如下主要研究成果： 首先，利用压力胶片测试技术，基本掌握了我国小货车轴载及其轮压（0.6-0.7Mpa）作用下，不同沥青路面的接触压力客观分布规律，建立了抗滑接触面积、接触应力场分布与集中程度等抗滑性能宏观评价指标体系。 其次，建立了沥青路面多尺度接触界面结构的评价技术，包括：采用激光微观构造检测仪评价骨料棱角与细观纹理、沥青胶浆（沥青与机制砂混合物）结构等微细观接触结构；利用工业CT技术评价抗滑层路表主骨料空间分布等细观接触结构；采用路面轮廓仪评价沥青路面抗滑轮廓构造等宏观接触结构。 最后，基于轮胎及其与不同路面的接触行为与路面抗滑性能之间的关联性研究，分别建立以分形维数为主的评价粗骨料和沥青胶浆抗滑性能的微细观尺度评价指标、以轮廓峰顶夹角为主要指标的沥青路面抗滑性能宏观尺度评价指标体系。并利用室内模拟轮胎荷载作用的搓揉试验技术，针对抗滑层沥青混合料材料设计阶段，建立以抗滑构造敏感区衰减率为指标的抗滑构造耐久性预测指标体系。 2100433B

路面抗滑性能与交通安全关系密切，然而目前还没有可靠的沥青路面抗滑性能设计方法，实践中沥青路面抗滑性能也存在巨大差异。本项目从粗集料颗粒三维形态的多尺度数字化方法入手，结合矿料的组成，构建矿料三维形态特征的多尺度描述指标体系；以路面表面三维宏微观纹理特征为桥梁，通过现场和室内试验，分别建立矿料三维形态特征与路面表面三维宏微观纹理特征以及路面表面三维宏微观纹理特征与抗滑性能之间的关系，进而建立基于矿料三维形态特征的沥青路面抗滑性能预估模型；结合对矿料各个三维形态特征指标阈值或分布范围的分析，研究绘制一套矿料三维形态特征指标体系与沥青路面抗滑性能关系的图表，进而确定抗滑设计流程，建立基于矿料三维形态特征的沥青路面抗滑设计方法，并对设计方法进行验证。依托本项目研究成果，将能实现沥青路面抗滑性能的定量设计，对沥青路面抗滑性能以及交通安全状况的改善具有重要意义。