專利名稱：基于路面譜的量化路面特征參數(shù)提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于道路工程與車輛工程領(lǐng)域，尤其涉及用于車輛工程的一種基于路面譜 的量化路面評價參數(shù)提取方法。
背景技術(shù)：
隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界汽車工業(yè)生產(chǎn)大國，走過了仿制、技 術(shù)引進(jìn)及加工生產(chǎn)階段，已進(jìn)入自主研發(fā)、自主創(chuàng)新的新階段。在自主研發(fā)階段的汽車工程 領(lǐng)域中，路面數(shù)據(jù)作為車輛的主要外部激勵源，無論是室內(nèi)的各種試驗(yàn)臺性能試驗(yàn)還是在 計(jì)算機(jī)中的虛擬仿真分析都離不開基礎(chǔ)路面數(shù)據(jù)的支持。因此針對一條路面的質(zhì)量好壞和 等級評價就顯得非常重要，因?yàn)橹挥袦?zhǔn)確的評價一條路面的質(zhì)量，才能準(zhǔn)確的了解試驗(yàn)用 車輛的性能是否滿足在該路面實(shí)際行駛所需要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。目前的道路工程室內(nèi)仿真中，選擇路面主要依靠路面譜曲線，即功率譜密度PSD (Power Spectral Density)曲線。PSD是將道路斷面看成由不同特性的短波、中波及長波 組成，通過分析不同頻率下的高程、速度、加速度的方差來分析路面斷面的不平整性。經(jīng)過 濾波或車輛振動系統(tǒng)作用后的功率譜分析可以比較不同波長下輸入、輸出的變化，從而知 道平整度敏感的頻率范圍，什么頻率下經(jīng)過系統(tǒng)作用后被放大，什么頻率下經(jīng)過作用后振 動被減弱，有利于評價動力反應(yīng)類平整度的特征，也為車輛振動系統(tǒng)的優(yōu)化提供分析基礎(chǔ)， 故此在道路工程和車輛工程中被大量采用。上述方法存在的缺點(diǎn)是，只能通過路面譜曲線具體的單個的去定性說明一個路面 的質(zhì)量狀況。這在試驗(yàn)仿真需要針對大量的道路路面數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和對比研究，從而 確定應(yīng)選路面時，顯得特別繁瑣，效率低下。同時定性說明也不夠精確。

發(fā)明內(nèi)容
為了適應(yīng)大規(guī)模試驗(yàn)仿真的需要，提高效率，同時定量化的精確表征路面質(zhì)量，本 發(fā)明提供一種基于路面譜的量化路面特征參數(shù)提取方法，其關(guān)鍵在于包括以下步驟
SlOl路面數(shù)據(jù)采集通過路面數(shù)據(jù)采集儀器采集試驗(yàn)仿真路面數(shù)據(jù)并構(gòu)建路面數(shù)據(jù) 曲線；
S102 路面譜提取對SlOl中的路面數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行快速傅里葉變換，生成功率譜密度 曲線，即路面譜曲線；
S103:帶通濾波對S102中的路面譜曲線進(jìn)行帶通濾波，生成平滑路面譜曲線； S104:量化路面特征參數(shù)提取將S103中的平滑路面譜曲線繪制于雙對數(shù) 坐標(biāo)下的道路M級分級圖中，以平滑路面譜曲線與分級分界線的交點(diǎn)作為邊界， 分別計(jì)算各個等級中平滑路面譜曲線與橫坐標(biāo)軸所圍成的面積，最后求出第i等 級下曲線所圍面積占所有等級下曲線所圍的總面積的比例系數(shù)Si (i=l M,
M
Za =1)，所述比例系數(shù)Si即為量化路面特征參數(shù)。 1-1
所述的路面數(shù)據(jù)為剖面空間域數(shù)據(jù)，所述的路面數(shù)據(jù)曲線為剖面空間域曲線。所述的M 級分級，M=8。本發(fā)明的有益效果在于實(shí)現(xiàn)了道路路面特征參數(shù)的提取，生成精確表征了路面 的質(zhì)量的量化的特征參數(shù)，這些特征參數(shù)可以精確的反映道路路面的等級和質(zhì)量，便于用 戶在試驗(yàn)仿真中使用路面數(shù)據(jù)時參考和評定使用，特別是在針對大量的道路路面數(shù)據(jù)進(jìn)行 統(tǒng)計(jì)分析和對比研究時，有非常明顯的優(yōu)勢。


圖1是基于路面譜的量化路面特征參數(shù)提取方法的邏輯流程圖2是基于路面譜的量化路面特征參數(shù)提取方法的道路路面剖面空間域曲線示意圖； 圖3是基于路面譜的量化路面特征參數(shù)提取方法的道路路面數(shù)據(jù)的功率譜密度曲線 示意圖4是基于路面譜的量化路面特征參數(shù)提取方法的濾波以后的路面譜曲線示意圖； 圖5是基于路面譜的量化路面特征參數(shù)提取方法的路面譜曲線分級面積比例計(jì)算示 意圖6是基于路面譜的量化路面特征參數(shù)提取方法的路面特征參數(shù)提取結(jié)果參數(shù)表。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例參照附圖進(jìn)行詳細(xì)說明，以便對本發(fā)明的目的，特征及優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行 更深入的理解。為了計(jì)算和闡述方便隨機(jī)選取測量路面中的一小部分路面數(shù)據(jù)為例進(jìn)行介紹。如圖1所示
一種基于路面譜的量化路面特征參數(shù)提取方法的具體實(shí)施例，有如下步驟
5101路面數(shù)據(jù)采集通過路面數(shù)據(jù)采集儀器采集試驗(yàn)仿真路面剖面空間域數(shù)據(jù)并構(gòu) 建路面剖面空間域曲線；
5102路面譜提取對SlOl中的剖面空間域曲線進(jìn)行快速傅里葉變換，生成功率譜密 度曲線，即路面譜曲線；
S103:帶通濾波對S102中路面譜曲線進(jìn)行倍頻程、1/3倍頻程和1/12倍頻程組合濾 波，生成平滑路面譜曲線；
S104:量化路面特征參數(shù)提取將S103中的平滑路面譜曲線繪制于雙對數(shù)坐標(biāo)下的道 路8級分級圖中，以平滑路面譜曲線與分級分界線的交點(diǎn)作為邊界，分別計(jì)算各個等級中 平滑路面譜曲線與橫坐標(biāo)軸所圍成的面積，最后求出第i等級下曲線所圍面積占所有等級
M
下曲線所圍的總面積的比例系數(shù)Si(i=l μ，Σ& =1)，所述比例系數(shù)Si即為量化路面特
i-1
征參數(shù)。如圖2、圖3、圖4所示
本實(shí)施例所用數(shù)據(jù)來自于由路面數(shù)據(jù)采集儀器采集的北京-S32高麗營六元橋一段長 為1000米的路面的剖面空間域數(shù)據(jù)。如圖2所示為該段路面剖面空間域曲線局部放大以 后的曲線示意圖；橫坐標(biāo)為水平距離，單位為m;縱坐標(biāo)為表示垂直波動程度的高程，單位為mm0直接的空間域數(shù)據(jù)不利于車輛動力反應(yīng)測試，故需要將空間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻率域數(shù)據(jù)。對圖2中的空間域曲線進(jìn)行快速傅里葉變換，并進(jìn)一步計(jì)算得到圖3所示的道路路 面數(shù)據(jù)的功率譜密度曲線，即路面譜曲線；橫坐標(biāo)為空間頻率，單位為m1 ；縱坐標(biāo)為表示路 面垂直功率譜密度的幅值，單位為l(T6m3。由于過分強(qiáng)調(diào)由真實(shí)功率譜分布或者統(tǒng)計(jì)噪聲引起的功率譜密度的起伏變化，故 用定帶寬分析的方法來計(jì)算功率譜密度時，對數(shù)坐標(biāo)圖的高頻區(qū)會出現(xiàn)豐富的頻率分量， 不利于分析和處理。因此原始的路面譜曲線應(yīng)當(dāng)進(jìn)行帶通濾波，用得到的相對平滑的路面 譜曲線來進(jìn)行分析和處理。作為一種優(yōu)選的方法，本實(shí)施例使用GB/T 7031-2005中推薦使 用的多倍頻程濾波方法，即使用倍頻程、1/3倍頻程和1/12倍頻程組合濾波的方法針對路 面譜曲線進(jìn)行平滑濾波，得到圖4所示的濾波以后的平滑的路面譜曲線。其中，倍頻程濾波 過濾從最低計(jì)算頻率(0除外)到中心頻率為0.0312 πΓ1的頻率帶寬；1/3倍頻程濾波過濾從 中心頻率為0. 0496 πΓ1到0. 25 πΓ1的頻率帶寬；1/12倍頻程濾波過濾從中心頻率為0. 2806 πΓ1直到最高計(jì)算頻率。如圖5所示
為了更好的評價道路質(zhì)量，按照GB/T 7031-2005中所推薦的將道路分為八級，該八級 分界線在如圖4所示的雙對數(shù)坐標(biāo)中的位置按照GB/T 7031-2005中的方法計(jì)算得到。將 平滑的路面譜曲線繪制于雙對數(shù)坐標(biāo)下的道路八級分級圖中后，以路面譜曲線與八級分級 的分界線的交點(diǎn)作為邊界，能夠分別統(tǒng)計(jì)和計(jì)算各個等級中路面譜曲線下方與橫坐標(biāo)軸圍 成的面積。如圖5所示，SA區(qū)域表示路面譜曲線在A級區(qū)間與橫坐標(biāo)軸圍成的面積，占曲線 圍成的總面積的63. 18% ；SB區(qū)域表示路面譜曲線在B級區(qū)間與橫坐標(biāo)軸圍成的面積，占曲 線圍成的總面積的21. 51% ；SC區(qū)域表示路面譜曲線在C級區(qū)間與橫坐標(biāo)軸圍成的面積，占 曲線圍成的總面積的12. 19% ；SD區(qū)域表示路面譜曲線在D級區(qū)間與橫坐標(biāo)軸圍成的面積， 占曲線圍成的總面積的3. 12% ；E級以后的等級面積為零。如圖6所示
量化路面特征參數(shù)是各個等級下曲線所圍面積占所有等級下曲線所圍的總面積的比 例系數(shù)。本實(shí)施例中所得的量化路面特征參數(shù)如圖6所示，結(jié)果是S1=O. 6318，S2=O. 2151，S 3=0. 1219，S4=O. 0312，S5=S6=S7=S8=O0量化路面特征參數(shù)共8個比例系數(shù)，它們可以準(zhǔn)確的 表明該試驗(yàn)路面在八級分級中每個等級所占的比例，定量的表征了路面的質(zhì)量，便于工程 師們評價和選擇適當(dāng)?shù)穆访媸褂?，特別是在針對大量的道路路面數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和批量 的對比研究中有非常明顯的優(yōu)勢。
權(quán)利要求
1.一種基于路面譜的量化路面特征參數(shù)提取方法，其特征在于包括以下步驟5101路面數(shù)據(jù)采集通過路面數(shù)據(jù)采集儀器采集試驗(yàn)仿真路面數(shù)據(jù)并構(gòu)建路面數(shù)據(jù) 曲線；5102路面譜提取對SlOl中的路面數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行快速傅里葉變換，生成功率譜密度 曲線，即路面譜曲線；S103:帶通濾波對S102中的路面譜曲線進(jìn)行帶通濾波，生成平滑路面譜曲線； S104:量化路面特征參數(shù)提取將S103中的平滑路面譜曲線繪制于雙對數(shù) 坐標(biāo)下的道路M級分級圖中，以平滑路面譜曲線與分級分界線的交點(diǎn)作為邊界， 分別計(jì)算各個等級中平滑路面譜曲線與橫坐標(biāo)軸所圍成的面積，最后求出第i等 級下曲線所圍面積占所有等級下曲線所圍的總面積的比例系數(shù)Si (i=l M,MESl =1)，所述比例系數(shù)Si即為量化路面特征參數(shù)。 “1
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于路面譜的量化路面特征參數(shù)提取方法，其特征在 于所述的帶通濾波為倍頻程、1/3倍頻程和1/12倍頻程組合濾波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于路面譜的量化路面特征參數(shù)提取方法，其特征在 于所述的路面數(shù)據(jù)為剖面空間域數(shù)據(jù)，所述的路面數(shù)據(jù)曲線為剖面空間域曲線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于路面譜的量化路面特征參數(shù)提取方法，其特征在 于所述的M級分級，M=8。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于路面譜的量化路面特征參數(shù)提取方法，包括路面數(shù)據(jù)采集步驟、路面譜提取步驟、帶通濾波步驟、量化路面特征參數(shù)提取步驟。本發(fā)明的有益效果在于實(shí)現(xiàn)了道路路面特征參數(shù)的提取，生成精確表征了路面的質(zhì)量的量化的特征參數(shù)，這些特征參數(shù)可以精確的反映道路路面的等級和質(zhì)量，便于用戶在試驗(yàn)仿真中使用路面數(shù)據(jù)時參考和評定使用，特別是在針對大量的道路路面數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和對比研究時，有非常明顯的優(yōu)勢。
文檔編號G01B21/30GK102095399SQ20101058857
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者張開斌, 段虎明, 石鋒, 謝飛, 馬穎 申請人:中國汽車工程研究院股份有限公司