ارزیابی ناهمواری سطح روسازی بر اساس تحلیل ارتعاشات ناشی از سامانه پایش سلامت راه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مهندسی عمران (راه و ترابری) - دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست - داتشگاه صنعتی امیرکبیر - تهران - ایران

2 آدرس: تهران, خیابان حافظ, دانشگاه صنعتی امیرکبیر, دانشکده عمران و محیط زیست, اتاق 820

3 مهندسی برق (گرایش مخابرات)، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

4 دانشکده برق، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

5 استادیار، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

پیاده سازی یک سیستم مدیریت روسازی کارآمد مشروط به برداشت مطلوب اطلاعات از وضعیت روسازی هر شبکه راه‌ی است. برداشت اطلاعات به وسیله سامانه های مکانیزه باوجود دقت و سرعت برداشت داده کافی، مورد استقبال است. دراین راستا سامانه های متنوعی ارائه شده اند که هزینه های راه اندازی و کاربری بالایی دارند. لذا توسعه دستگاه های نوین مجهز به ابزار دقیق مقرون به صرفه مستقل از ارتعاشات خودرو با وجود ارائه روند ارزیابی ساده و محاسبات دقیق ناهمواری روسازی نیاز است. دراین پژوهش، سامانه هوشمند پایش سلامت روسازی به عنوان سامانه اندازه گیری نیمرخ طولی و ناهمواری راه بر پایه پاسخ وسیله نقلیه با بهره‌گیری از حسگرهای شتاب سنج، فاصله سنج طولی و ردیاب مسیر توسعه داده می شود. با برداشت پاسخ ارتعاشی وسیله نقلیه و سامانه ناشی از ناهمواری سطح روسازی، اقدام به پیرایش داده‌ها و فرآیندهای فیلتراسیون سیگنال ها به‌وسیله روش‌های پردازش سیگنال دیجیتال می شوند. معادلات دینامیکی حاکم بر رفتار سامانه با عملکرد یک درجه آزادی و پارامترهای دینامیکی سامانه بر اساس رویکرد بهینه‌سازی از طریق الگوریتم‌های بهینه‌سازی ژنتیک و ازدحام ذرات استخراج می شوند. سپس نیمرخ طولی راه استخراج شده از روی پاسخ های ارتعاشی، با اتکا به الگوریتم رابطه سرعت و فرکانس برداشت اطلاعات، به نیمرخ طولی راه به ازای سرعت ثابت و معین تبدیل می‌شود. پس از محاسبه شاخص بین‌المللی ناهمواری از روی نیمرخ طولی مسیر مورد مطالعه به‌وسیله نرم افزار پروول، صحت نتایج سامانه پایش سلامت با محاسبه روش دستی درصد خطای میانگین و میانگین مجذور مربعات خطای نرمال شده بین خروجی سامانه و دستگاه نیمرخ‌یاب سطح روسازی به ترتیب با مقادیر 19/72 و 9/68 درصد ارزیابی می شود. در نهایت ارزیابی تکرارپذیری خروجی سامانه و نتایج به دست آمده از صحت سنجی حاکی از دقت و سطح کیفیت قابل توجه سامانه پایش سلامت راه است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Evaluating Pavement Roughness Based on Vibration Analysis Due to Road Health Monitoring System

نویسندگان [English]

  • Mohammad Arbabpour Bidgoli 1
  • Amir Golroo 2
  • Ali Ghelmani Rashidabad 3
  • Amir Abolfazl Suratgar 4
  • Mohammad Azam Khosravi 5
1 School of Civil and Environmental Engineering, Road and Transportation Engineering, AmirKabir University of Technology, Tehran, Iran
2 Transportation group, Civil dept, AUT
3 MSc Student, Department of Electrical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
4 Electrical Eng Faculty, amirkabir University of Technology
5 Assistant Professor, Department of Electrical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

The implementation of an efficient pavement management system is dependent on the acquiring desired information from the pavement condition. The automatic data collection is welcomed by mechanized systems due to adequate precision and speed. However, the various systems are developed that have high construction and operation costs. Therefore, the development of cost-effective devices that is independent from the vehicle vibrations and equipped with instrumentation is necessary. In this study, the health monitoring system is developed as a system of longitudinal profile measurement and road roughness evaluation based on response-type vehicle with applying the accelerometers, distance meter, geographical positioning system. Upon harvesting of the vibration response of the health monitoring system and the vehicle, data preparation and signal filtration are performed through the digital signal processing techniques. Therefore, the dynamic equations governing on the behavior of the health monitoring system are derived based on one degree of freedom. The dynamic parameters of system are extracted based on optimization approach using the genetic algorithm and the particle swarm optimization algorithm. Afterwards, the extracted longitudinal profile based on the vibration responses is became to the longitudinal profile with the specific speed by the developed algorithm which is set by the relationship between speed and frequency of harvested data. Then, the International Roughness Index is calculated from the longitudinal profile of the studied pathway by ProVal software. Accuracy of the health monitoring system results is validated by manual method with measuring of the error percentage average and the root mean square error normalized between the outputs of the system and the Road Surface Profiler with values of 19.72% and 9.68% respectively. Finally, evaluation of the repeatability and the obtained results from the validation output indicates accuracy and significant quality of the road health monitoring system.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Pavement Management System
  • Road Longitudinal Profile
  • International Roughness Index
  • Digital Signal Processing
  • Accelerometer

مراجع

[1]    G. Loprencipe, G. Cantisani, Unified Analysis of Road Pavement Profiles for Evaluation of Surface Characteristics, Modern Applied Science, 7(8) (2013).
[2]    G.P. Ong, S. Noureldin, K. Sinha, Automated Pavement Condition Data Collection Quality Control, Quality Assurance, and Reliability, Purdue University, (2011).
[3]    K. reza kashyzadeh, M.J. Ostad Ahmad Ghorabi, A. Arghavan, Airstrip Roughness Simulation to Dynamic and Vibration Analysis For Take off and Land on, International Journal of Engineering Science and Technology, 3 (2013) 245.
[4]    CR. Bennett and PE. Salt, Evaluation of the ARAN high speed profilometer, N.D. Lea International Ltd. V6G 2T3, Canada, (1994).
[5]    G. Cantisani, G. Loprencipe, Road Roughness and Whole Body Vibration: Evaluation Tools and Comfort Limits, Journal of Transportation Engineering, 136(9) (2010) 818-826.
[6]    O. Kavianipour, M. Montazeri-Gh, M. Moazamizadeh, Road profile measurement using the two degrees of freedom response-type mechanism, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 229(6) (2014) 1074-1087.
[7]    P. Múčka, Road Roughness Limit Values Based on Measured Vehicle Vibration, Journal of Infrastructure Systems, 23(2) (2017) 04016029.
[8]    D.M. Vines-Cavanaugh, M.L. Wang, J.G. McDaniel, Real-world application and validation of vehicle-mounted pavement inspection system, in:  Nondestructive Characterization for Composite Materials, Aerospace Engineering, Civil Infrastructure, and Homeland Security 2013, SPIE, (2013).
[9]    M. Gdula, J.A. Brache, N.D. Angelini, C. Shevlin, Mapping City Potholes, Worcester Polytechnic Institute, 2006.
[10] N. Abulizi, A. Kawamura, K. Tomiyama, S. Fujita, Measuring and evaluating of road roughness conditions with a compact road profiler and ArcGIS, Journal of Traffic and Transportation Engineering (English Edition), 3(5) (2016) 398-411.
[11] S.-Y. Chen, A. Shih, C.-Y. Hsiao, Road conditions detection using Arduino based sensing module and smartphone, in:  2015 IEEE International Conference on Consumer Electronics - Taiwan, IEEE, (2015) 254-255.
[12] A.R. Maurya, A. Yadav, P. Arote, A. Baviskar, J. Baviskar, Real Time Arduino Based Depth Sensing for Road Condition Monitoring, 4(4) (2016) 947–952.
[13] O. Rajmane, V. Rane, A. Bhosale, Road Condition Detection Using Arduino Based Sensing Module And Android Smartphone-IJAERD, in, (2017) 52–57.
[14] V. Douangphachanh, H. Oneyama, A study on the use of smartphones under realistic settings to estimate road roughness condition, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2014(1) (2014).
[15] A. González, E.J. O'Brien, Y.Y. Li, K. Cashell, The use of vehicle acceleration measurements to estimate road roughness, Vehicle System Dynamics, 46(6) (2008) 483-499.
[16] M. Ahmad, W. Raza, Z. Omer, M. Asif, A Participatory System to Sense the Road Conditions, International Journal of Engineering and Manufacturing, 7(3) (2017) 31-40.
[17] Misc, National Instrument Company, On the WWW, May. URL http://www.ni.com/en-us/shop/labview.
[18] Misc, ARDUINO Software, On the WWW, May. URL http://www.arduino.cc\en\Main Software.
[19] M.M. Gh, S.Y.J. M, M. Soleymani, Vehicle ride evaluation based on a time-domain variable speed driving pattern, International Journal of Vehicle Design, 47(1/2/3/4) (2008) 81.
[20] W.T. Thomson, Theory of Vibration  with Applications, in, CRC Press, (2018).
[21] Practice for Computing International Roughness Index of Roads from Longitudinal Profile Measurements, in, ASTM International E.1926, 14 (1999) 1-18.
[22] M. Sayers, S. Karamihas, The little book of profiling: basic information about measuring and interpreting road profiles, in, 9 (1998) 100.
[23] Misc, ProVAL (Profile Viewing and Analysis) software, On the WWW, May. URL http://www. roadprofile.com\proval-software.
[24] Test Method for Measuring the Longitudinal Profile of Traveled Surfaces with an Accelerometer Established Inertial Profiling Reference, in, ASTM International E950/950M-09,9 (2009) 1135-1140.
نشریه مهندسی عمران امیرکبیر
دوره 51، شماره 6
بهمن و اسفند 1398
صفحه 1277-1296

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار