软土地区路面行驶质量评价方法

摘要

本发明公开了一种软土地区路面行驶质量评价方法，本发明利用车载激光仪检测发生沉降后的公路路面高程数据，计算竖向的加权加速度均方根值，统计每一公里内加权加速度均方根值在各舒适程度范围的道路长度比例，依此比例计算行车舒适性指数DCI和行驶质量指数RQI，根据RQI的大小评价行驶质量。本发明具有适用范围广，评价结果可靠性高、精度高的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及公路路面行驶质量评价技术领域，尤其是涉及一种适应性好的软土地区路面行驶质量评价方法。

背景技术

道路用户对不同等级的公路(行驶速度)有不同的行驶质量要求或行驶舒适性期望。一般地，行驶质量或行驶舒适性与路面的平整度紧密相关，现行《公路技术状况评定标准》(JTG H20-2007)即采用国际平整度指数IRI换算为路面行驶质量指数RQI的方法对路面行驶质量进行评价和划分等级，该评价是公路养护决策的重要参考依据。

我国东南沿海等地区分布着大量软土，由于软土地基的固结和次固结特性等原因，建造于软土地区的公路，通车运营后往往发生较大的沉降和不均匀沉降。过大的沉降和不均匀沉降，使道路纵面线形变差，严重影响行驶质量或行车舒适性。但受检测车辆、设备标定、操作误差等限制，国际平整度指数检测可反应较小范围内的路面局部凹凸，对于较大范围内的沉降造成的起伏、波动适应性较差，往往实际行驶感受很差的道路的国际平整度检测结果却是好的，说明上述标准评价软土地区道路行驶质量的适应性较差。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的国际平整度检测方法的适应性差的不足，提供了一种适应性好的软土地区路面行驶质量评价方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种软土地区路面行驶质量评价方法，包括如下步骤：

(1)利用车载激光仪检测发生沉降后的公路车行轨迹线路面高程数据，采用三次样条插值方法拟合纵面线形；

(2)假设车辆左右对称、匀速行驶和轮胎不脱离路面，求解车辆以一定速度通过评价路段的振动平衡微分方程组；

(3)通过傅立叶变换将人和座椅的振动加速度时间历程转换为频域频率历程通过频率权函数W(f)的滤波网络得到加权加速度，计算加权加速度均方根值a_w；

(4)设定人体舒适程度与加权加速度均方根值的对应关系，其中，“保持舒适”对应的比例为n₁％，“稍不舒适”对应的比例为n₂％，“有些不舒适”对应的比例为n₃％，“不舒适”对应的比例为n₄％，“非常不舒适”对应的比例为n₅％，“特别不舒适”对应的比例为n₆％；

(5)计算行车舒适性指数DCI；

(6)计算行驶质量指数RQI；

(7)以行驶质量指数RQI为评价指标，根据行驶质量等级划分标准表，确定单位长度里程的行驶质量评价技术等级。

本发明利用车载激光仪检测发生沉降后的公路路面高程数据，提取车辆行驶轨迹线位置(一般为车道中行车轮迹带)的路面连续高程；计算代表车辆以一定速度(一般为道路设计速度)在评价公路上匀速行驶过程中由于不均匀沉降引起的竖向的加权加速度均方根值；统计评价路段(一般为每公里)内加权加速度均方根值在各舒适程度范围的道路长度比例，依此比例计算行车舒适性指数DCI和行驶质量指数RQI，根据RQI的大小评价行驶质量。

本发明考虑了软土地区公路运营后产生过大的沉降和不均匀沉降引起的纵面线形起伏变化，从行车舒适性的角度对公路行驶质量进行评价，可灵活进行不同等级的公路、多车道公路的不同车道、同一公路不同速度情况下的行驶质量评价，为养护决策、运营速度管理等提供技术支撑。

本发明考虑了现有行驶质量评价中受检测车辆、设备标定、公路等级、操作误差等方面的影响，代之以理论计算结果进行评价的方法，避开了实际检测中的干扰因素，评价结果可靠性高、精度高。

作为优选，步骤(1-2)包括如下具体步骤：

①任意时刻车辆-道路相互作用分析模型的振动平衡微分方程组如下：

式中：

ξ₁、ξ₂为前后轮路面高程；

②设定

式中，γ和β是控制分析精度和稳定性的参数，假定在t到t+Δt时间内加速度为常数

③根据(2-2)式可得用Y_t、Y_t+Δt、表示的和

式中：a₆＝(1-γ)Δt，a₇＝γΔt；

④将(2-3)式代入到t+Δt时刻的振动平衡方程得

式中，

⑤根据(2-4)式可求得Y_t+Δt，代入到(2-3)式可求得和获得各个时刻人和座椅的加速度

作为优选，利用如下公式计算加权加速度均方根值

式中：频域加权函数W(f)可以用下式表示：

作为优选，利用公式

DCI＝ω₁·n₁+ω₂·n₂+ω₃·n₃+ω₄·n₄+ω₅·n₅+ω₆·n₆计算行车舒适性指数DCI；

式中，ω_i(i＝1，2，…，6)为相应的权重系数。

作为优选，利用公式计算行驶质量指数RQI；

式中，a₀、a₁为系数。

作为优选，实测路面高程数据的纵向间距≤3m。

本发明的有益效果是：

本发明考虑了软土地区公路运营后产生过大的沉降和不均匀沉降引起的纵面线形起伏变化，从行车舒适性的角度对公路行驶质量进行评价，可灵活进行不同等级的公路、多车道公路的不同车道、同一公路不同速度情况下的行驶质量评价，为养护决策、运营速度管理等提供技术支撑。

本发明考虑了现有行驶质量评价中受检测车辆、设备标定、公路等级、操作误差等方面的影响，代之以理论计算结果进行评价的方法，避开了实际检测中的干扰因素，评价结果可靠性高、精度高。

附图说明

图1是本发明的车辆-道路相互作用模型分析图；

图2是本发明的一种流程图。

图：人和座椅1、车架2、前轮胎3、后轮胎4、路面5。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1的实施例是一种软土地区路面行驶质量评价方法，图1中包括人和座椅1、车架2、前轮胎3、后轮胎4和路面5；包括如下步骤：

如图2所示，步骤100，采集公路车行轨迹线路面高程数据，拟合纵面线形；

利用车载激光仪检测发生沉降后的公路车行轨迹线路面高程数据，采用三次样条插值方法拟合纵面线形；

利用车载激光仪检测评价路段车行轨迹线(单个方向超车道右侧轮迹带，距右侧车道分隔线0.9m)的路面高程数据(x_k，y_k)(k＝0，1，...，n)，其中，x_k为里程桩号，y_k为路面高程。数据的纵向间距h_k＝x_k+1-x_k，h_k＝1m，采用三次样条插值方法对发生沉降后的公路纵面线形进行拟合，具体步骤如下：

①三次样条插值函数I^s(x)是二阶导数连续的分段插值函数，在每个小区间上是三次多项式，在所有插值节点x_k满足I^s(x_k)＝y_k，在中间节点x_j(j＝1，2，…，n-1)满足连续性条件I_s(x_j-0)＝I_s(x_j+0)、I_s′(x_j-0)＝I_s′(x_j+0)和I_s″(x_j-0)＝I_s″(x_j+0)；

②I_s(x)在区间[x_j，x_j+1]上为三次多项式，所以I_s″(x)在[x_j，x_j+1]上是一次函数，可表示为

式中：h_j＝x_j+1-x_j；M_j＝I_s″(x_j)，即插值节点上的二阶导数值；

③对I_s″(x)进行两次积分，并根据I_s(x_k)＝y_k和I_s(x_k+1)＝y_k+1确定积分常数，可得三次样条插值函数的表达式：

④为确定M_j(j＝0，1，…，n)，再对上式求导：

利用连续性条件I_s′(x_j-0)＝I_s′(x_j+0)可得：

(1-λ_j)M_j-1+2M_j+λ_jM_j+1＝d_j(j＝1，2，…，n-1)>

式中：

⑤在评价路段的起点x0和终点xn补充边界条件I_s″(x₀)＝I_s″(x_n)＝0，与(1-4)式组成方程组可以解得M_j(j＝0，1，…，n)，由此建立三次样条插值函数在每个子区间的表达式，获得三次样条插值的拟合线形；

步骤200，求解振动平衡微分方程组

假设车辆左右对称、匀速行驶和轮胎不脱离路面，求解车辆以120km/h的速度通过评价路段的振动平衡微分方程组；具体求解过程如下：

①任意时刻车辆-道路相互作用分析模型的振动平衡微分方程组如下：

式中：

其中前后轮路面高程ξ₁、ξ₂根据步骤100中线形拟合函数I_s(x)计算获得；

②设定

式中：γ和β是控制分析精度和稳定性的参数，取γ＝0.5，β＝0.25，假定在t到t+Δt时间内加速度为常数

③根据(2-2)式可得用Y_t、Y_t+Δt、表示的和

式中：a₆＝(1-γ)Δt，a₇＝γΔt；

④将(2-3)式代入到t+Δt时刻的振动平衡方程得

式中：

⑤根据(2-4)式可求得Y_t+Δt，代入到(2-3)式可求得和由此可获得各个时刻人和座椅的加速度

步骤300，计算加权加速度均方根值

由于人体对不同频率范围内的振动加速度的敏感程度不同，通过傅立叶变换将人和座椅的振动加速度时间历程转换为频域频率历程通过频率权函数W(f)的滤波网络得到加权加速度，计算加权加速度均方根值aw；

式中，频域加权函数W(f)可以用下式表示：

步骤400，设定人体舒适程度与加权加速度均方根值的对应关系

如表2所示，设定人体舒适程度与加权加速度均方根值的对应关系，其中，“保持舒适”对应的比例为n₁％，“稍不舒适”对应的比例为n₂％，“有些不舒适”对应的比例为n₃％，“不舒适”对应的比例为n₄％，“非常不舒适”对应的比例为n5％，“特别不舒适”对应的比例为n6％；

n₁的取值范围为“＜0.315m/s²”，n₂的取值范围为“0.315～0.565m/s²”，n₃的取值范围为“0.565～0.900m/s²”，n₄的取值范围为“0.900～1.425m/s²”，n₅的取值范围为“1.425～2.250m/s²”，n₆的取值范围为“＞2.250m/s²”。需要指出的是，ISO>

步骤500，计算行车舒适性指数

按照下式计算行车舒适性指数DCI：

DCI＝ω₁·n₁+ω₂·n₂+ω₃·n₃+ω₄·n₄+ω₅·n₅+ω₆·n₆

式中：ω_i(i＝1，2，…，6)为相应的权重系数，按加权加速度均方根值大小分别取值0、0.315、0.565、0.9、1.425、2.25；

步骤600，计算行驶质量指数

根据行车舒适性指数DCI，按照下式计算行驶质量指数RQI：

式中：a₀、a₁为系数，对于高速公路，建议a₀取0.026、a₁取0.050；

步骤700，确定单位长度里程的行驶质量评价技术等级

如表3所示，以行驶质量指数RQI为评价指标，根据行驶质量等级划分标准确定单位长度里程的行驶质量评价技术等级。

表1参数说明

参数名称参数取值座椅刚度系数k₁10500N/m人和座椅质量m₁50kg前悬挂系统刚度系数k₂14985N/m前轮质量m₂26kg前轮胎刚度系数k₃116919N/m后轮质量m₃65kg后悬挂系统刚度系数k₄35739N/m车架质量m638.4kg后轮胎刚度系数k₅162863N/m车架绕质心转动惯量J62226kg·m²座椅阻尼系数c₁240N·s/m车辆前后轴轴距L1.840m前减震器等效阻尼系数c₂1082N·s/m前轴至车架质心距离d0.883m前轮胎阻尼系数c₃0后轴至车架质心距离b1.083m后减震器等效阻尼系数c₄1730N·s/m座椅至车架质心距离a0.757m后轮胎阻尼系数c₅0

表2

表3

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。