本發(fā)明涉及道路線形質量評價技術領域，尤其涉及一種三維空間下的道路線形質量評估方法。

背景技術：

傳統(tǒng)道路線形設計包括平曲線設計階段和豎曲線設計。在道路線形設計完以后，設計者根據經驗將平縱線形(平曲線和豎曲線)進行組合形成道路三維線形。這種組合設計的方法，在組合線形節(jié)點處會出現(xiàn)線形幾何突變，從而使得組合線形節(jié)點處的曲率和撓率發(fā)生突變。

現(xiàn)今，道路線形的評價方法有很多，如視距評價方法、可視化評價方法以及基于Adams/car仿真的動力學評價方法。這些線形評價方法在道路線形評價領域應用得相對成熟和廣泛。

然而，道路線形的本質是一條連續(xù)的三維空間曲線，當前線形評價方法忽略了道路線形三維本質特性，均對道路的三維線形進行平縱分離，并對平縱分離得到的二維設計幾何指標來分析評價道路線形質量，從而其對道路組合設計的缺陷并未作出相應的評價和分析。

技術實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術問題

本發(fā)明的目的是：提供一種三維空間下的道路線形質量評估方法，解決現(xiàn)有技術無法準確評價道路組合設計存在的缺陷的問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種三維空間下的道路線形質量評估方法，包括以下步驟：

S1、建立道路三維線形幾何指標與車輛的動力學、運動學之間的關系模型；

S2、進行車路仿真并輸出車輛的動力學指標曲線圖和車輛的運動學指標曲線圖；

動力學指標曲線圖和運動學指標曲線圖輸入到S1中的關系模型中，運用關系運算得到用于衡量道路線形質量的道路三維線形幾何指標。

優(yōu)選地，所述S1包括：

S101、假設車輛以恒定速度v_d沿著道路中心線縱向移動，得到車輛的縱向加速度為零；

S102、根據弗萊納公式計算得到三維線形幾何指標與車輛的動力學、運動學之間的關系如下：

其中，a_N為沿道路中心線行駛時車輛沿法向量的加速度；κ為道路三維線形的曲率；v_d為車輛的行駛速度；J_T為沿道路中心線行駛時車輛沿切向量的加加速度；J_N為沿道路中心線行駛時車輛沿主法向量的加加速度；J_B為沿道路中心線行駛時車輛沿副主法向量的加加速度；τ為道路三維線形的撓率。

優(yōu)選地，所述S2中包括：

S201、建立道路三維模型；

S202、選擇車輛模型并建立駕駛員模型；

S203、基于S201中的道路模型，以及S202中的車輛模型和駕駛員模型進行車路仿真，并輸出車輛的動力學指標曲線圖和車輛的運動學指標曲線圖。

優(yōu)選地，所述S201中：

將道路的平曲線設計參數(shù)和豎曲線設計參數(shù)輸入到緯地道路設計軟件中，輸出道路中心線的逐樁坐標表和路基高程表；

取逐樁坐標表中的坐標(X，Y)作為道路中心線的三維坐標中的(X，Y)，并將路基高程表中的高程作為道路中心線的三維坐標中的Z，得到道路中心線的三維坐標(X，Y，Z)；

將三維坐標(X，Y，Z)，道路的路面寬度、橫坡、路面摩擦系數(shù)均輸入到Adams/car的道路三維建模模塊中，并建立得到與實際道路相符的道路三維模型。

優(yōu)選地，所述S201中選取的道路的初始段為直線且方位角度設為90度，道路起點坐標設置為(0，0，0)。

優(yōu)選地，所述S202中：車輛模型采用Adams/car數(shù)據庫自帶的樣本小汽車；并且，通過Adams/car中事件構造器創(chuàng)建和修改駕駛員驅動控制文件，使得小汽車預瞄跟蹤道路中心線行駛。

優(yōu)選地，小汽車與道路中心線的橫向偏距控制在0.4m以內。

優(yōu)選地，所述S203中：車路仿真的結束以時間為限制。

優(yōu)選地，所述S203中：在驅動控制文件仿真界面下，分別選取指定的路面文件和驅動駕駛文件進行車路仿真模擬；所述路面文件中存儲有所述S201中建立的道路三維模型，所述驅動駕駛文件中存儲有所述S202中建立的車輛模型和駕駛員模型。

優(yōu)選地，所述S2中，動力學指標曲線圖和運動學指標曲線圖包括：縱向速度-位移圖、側向速度-位移圖、縱向加加速度-時間圖、側向加加速度-時間圖、豎向加加速度-時間圖、轉向角-位移圖、轉向角速度-時間圖。

(三)有益效果

本發(fā)明的技術方案具有以下優(yōu)點：本發(fā)明的三維空間下的道路線形質量評估方法，包括以下步驟：S1、建立道路三維線形幾何指標與車輛的動力學、運動學之間的關系模型；S2、進行車路仿真并輸出車輛的動力學指標曲線圖和車輛的運動學指標曲線圖；S3、將S2中的動力學指標曲線圖和運動學指標曲線圖輸入到S1中的關系模型中，運用關系運算得到用于衡量道路線形質量的道路三維線形幾何指標。該方案中，通過車輛的動力學指標曲線圖和運動學指標曲線圖可以求得道路三維線形幾何指標，進而基于道路三維線形幾何指標判斷包括道路線形幾何突變在內的整體質量。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是根據實際道路在Adams/car中建立的道路三維模型；

圖2是車輛在道路上行駛時的縱向速度-位移圖；

圖3是車輛在道路上行駛時的側向速度-位移圖；

圖4是車輛在道路上行駛時的側向加速度-位移圖；

圖5是車輛在道路上行駛時的縱向加加速度-時間圖；

圖6是車輛在道路上行駛時的側向加加速度-時間圖；

圖7是車輛在道路上行駛時的豎向加加速度-時間圖；

圖8是車輛在道路上行駛時的方向盤轉向角-時間圖；

圖9是車輛在道路上行駛時的方向盤轉動角速度-時間圖；

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。

本實施例的三維空間下的道路線形質量評估方法，包括以下步驟：

S1、建立道路三維線形幾何指標與車輛的動力學、運動學之間的關系模型；

S2、進行車路仿真并輸出車輛的動力學指標曲線圖和車輛的運動學指標曲線圖；

S3、將S2中的動力學指標曲線圖和運動學指標曲線圖輸入到S1中的關系模型中，運用關系運算得到用于衡量道路線形質量的道路三維線形幾何指標。

其中，S1中，道路的中心線本質是一條連續(xù)的空間三維曲線，并可以看做車輛在空間行駛時隨時間變化的軌跡。此處將車輛看成是一個空間中的質點。將道路的中心線用空間曲線r(s)＝((x(s),y(s),z(s))表示，其中s為汽車沿公路中心線行駛的里程，x、y和z為三維坐標。

車輛沿道路中心線行駛實質可以看成質點的空間運動，并且車輛有六個自由度。參照道路上每個位置處的Frenet框架(弗萊納框架)，車輛運動時會產生沿T，N，B三個向量方向的平動，同時伴隨著以上述三個方向為軸的轉動。也即車輛會產生沿T方向的縱向運動，沿N方向的側向運動，沿B方向的豎向運動，以及繞T方向的側傾運動，繞N方向的俯仰運動，繞B方的向橫擺運動。其中，T為單位切向量，N為單位正法向量，B為單位副法向量。

當車輛以一定的速度行駛時，所行駛的里程s會隨時間t不斷增加，所以里程s可以看作關于時間t的函數(shù)s(t)，道路的中心線表達式可以轉換成關于時間的曲線表達式，結合Frenet-Serret公式(弗萊納公式)，得到T、N、B三向量關于時間的導數(shù)可以由下式表示：

T'(t)＝κv·N

N'(t)＝-κv·T+τv·B

B'(t)＝-τv·N；

其中，T、N、B和t在上文已經給出定義；此外，v為車輛的行駛速度；κ為道路三維線形的曲率；τ為道路三維線形的撓率。

從數(shù)學角度出發(fā)，空間曲線r(s)相對于弧長(對應里程s)的導數(shù)，一階對應著速度，二階對應著加速度，三階對應著加加速度。結合Frenet框架，將道路中心線r(s)對時間t求導，建立車輛運動學和動力學指標(速度v，加速度a，加加速度J)與道路三維線形幾何指標(曲率κ，撓率τ)以及Frenet框架(T，N，B)之間的關系模型。

其中，速度v：

加速度a：

加加速度J：

傳統(tǒng)道路的三維線形幾何設計時，通常用設計速度來確定道路的幾何指標，即認為中等駕駛技術的駕駛員能以該車速沿道路中心線安全順適地行駛，故此處分析時假定車輛沿著道路中心線縱向移動(縱向移動也即沿T方向的縱向運動)，且速度為恒定速度v_d，則相應的縱向加速度為0，其它相關運動學指標與空間曲線幾何特征指標之間的關系如下式所示：

其中，a_N為沿道路中心線行駛時車輛沿法向量的加速度；κ為道路三維線形的曲率；v_d為車輛的行駛速度；J_T為沿道路中心線行駛時車輛沿切向量的加加速度；J_N為沿道路中心線行駛時車輛沿主法向量的加加速度；J_B為沿道路中心線行駛時車輛沿副主法向量的加加速度；τ為道路三維線形的撓率。

進一步地，S2包括：

S201、建立道路三維模型；

S202、選擇車輛模型并建立駕駛員模型；

S203、基于S201中的道路模型，以及S202中的車輛模型和駕駛員模型進行車路仿真，并輸出車輛的動力學指標曲線圖和車輛的運動學指標曲線圖。

S201中：

首先，將道路的平曲線設計參數(shù)和豎曲線設計參數(shù)輸入到緯地道路設計軟件中，輸出道路中心線的逐樁坐標表和路基高程表；其中，逐樁間隔越小，Adams/car中建立的道路三維模型線形精度越高。其中，Adams的意思是機械系統(tǒng)動力學自動分析。為方便在Adams/car中建模，所選實驗道路的初始段應為直線，且初始段方位角度設為90度，道路起點坐標設置為(0，0，0)。

然后，取逐樁坐標表中的坐標(X，Y)作為道路中心線的三維坐標中的(X，Y)，并將路基高程表中的高程作為道路中心線的三維坐標中的Z，得到道路中心線的三維坐標(X，Y，Z)。

在此基礎上，將三維坐標(X，Y，Z)，道路的路面寬度、橫坡、路面摩擦系數(shù)等指標均輸入到Adams/car的道路三維建模模塊中，并建立得到與實際道路相符的道路三維模型。

其中，Adams/car中設置有三維建模模塊roadbuilder。

S202中：

車輛模型采用Adams/car數(shù)據庫自帶的樣本小汽車；并且，通過Adams/car中事件構造器創(chuàng)建和修改駕駛員驅動控制文件，使得小汽車預瞄跟蹤道路中心線行駛。

其中，小汽車是道路設計中必須考慮的車輛，且在交通流中占比較大的比重，因此優(yōu)選選擇小汽車模型作為本申請中的仿真車輛模型。Adams/car數(shù)據庫自帶的樣本小汽車是經過多家汽車廠商進行參數(shù)優(yōu)化的，具有最大程度上的普遍性和代表性，用于仿真研究穩(wěn)定可靠。

此外，Adams/car中Eventbuilder(事件構造器)可以創(chuàng)建和修改駕駛員驅動控制文件，使用該文件可以通過設置控制實驗小汽車在道路上行駛時的速度、轉向、油門、離合、剎車等，使得實驗小汽車可以按用戶的實驗需求行駛。本方法對于實驗小汽車的控制主要在方向和速度方面?？刂撇呗赃x取小汽車預瞄跟蹤道路中心線行駛，并使得小汽車與道路中心線的橫向偏距控制在0.4m以內。

在此基礎上，速度控制指定小汽車以恒定的速度通過整個道路的實驗路段，并且以實驗路段的設計速度作為目標速度。仿真結束以時間為限制。

S203中：

基于上述S201中的道路模型，以及S202中的車輛模型和駕駛員模型進行車路仿真。通過車路仿真輸出動力學指標曲線圖和車輛的運動學指標曲線圖。

具體地，道路模型、車輛模型和駕駛員模型建立好后，在驅動控制文件(File Drive Events)仿真界面下，分別選取指定的路面文件，驅動駕駛文件進行車路藕荷仿真模擬。其中，所述路面文件中存儲有所述S201中建立的道路三維模型，所述驅動駕駛文件中存儲有所述S202中建立的車輛模型和駕駛員模型。

Adams/car仿真模擬完成后，進入后處理模塊Adams/Postprocessor進行數(shù)據處理，生成仿真過程中的縱向速度-位移圖、側向速度-位移圖、縱向加加速度-時間圖、側向加加速度-時間圖、豎向加加速度-時間圖、轉向角-位移圖、轉向角速度-時間圖。

S3中，通過動力學指標曲線圖和運動學指標曲線圖分析道路的三維線形整體質量和突變位置。具體地，結合S1中的三維線形幾何指標與車輛的動力學、運動學之間的關系模型，通過車輛的動力學指標曲線圖和運動學指標曲線圖可以求得道路三維線形幾何指標，進而基于道路三維線形幾何指標判斷包括道路線形幾何突變在內的整體質量。

其中，直接根據動力學指標曲線圖中動力學指標隨時間和位移的增減趨勢及分布狀況，以及運動學指標曲線圖中運動學指標隨時間和位移的增減趨勢及分布狀況，就可以得到道路線形的整體質量；例如可以得到道路的曲線路段長度設置是否合理，整條道路的所有曲線路段分布是否合理等。在此基礎上，根據動力學指標曲線圖和運動學指標曲線圖的突變位置，并結合三維線形幾何指標與車輛的動力學、運動學之間的關系模型，就可以根據動力學指標和運動學指標的突變大小測量出道路組合設計線形的幾何突變位置，例如可以測出曲線與直線連接處。并且，還可以反過來根據動力學指標的突變大小，分析道路線形幾何指標對道路動力學和運動學變化的影響。

當S3中輸出的曲線的橫坐標為位移時，突變位置里程根據突變位置所對應的位移加上道路起始點里程得到。當S3中輸出的曲線的橫坐標為時間時，突變里程位置根據對應的時間乘以指定的速度，最后加上起始點里程得到。

本實施例從道路三維線形的本質出發(fā)，采用空間曲線的幾何基本不變量曲率κ和撓率τ兩個指標，建立起三維框架下道路線形幾何指標與車輛動力學和運動學之間的關系模型。利用Adams/car進行仿真模擬，輸出速度、加速度、加加速度等動力學指標曲線圖和運動學指標曲線圖。在此基礎上，基于動力學指標曲線圖和運動學指標曲線圖對道路的質量進行分析。

下面本實施例選取某二級公路K5+429.3～K7+739.15段為實驗路段，包括以下步驟：

A、將道路的平曲線設計參數(shù)和豎曲線設計參數(shù)輸入到緯地道路設計軟件中，輸出道路中心線的逐樁坐標表和路基高程表；

取逐樁表中NS坐標(X，Y)作為道路中心線的三維坐標中的(X，Y)，并將路基高程表中的高程作為道路中心線的三維坐標中的Z，得到道路中心線的三維坐標(X，Y，Z)；

B、在Adams/car中roadbuilder(也即上文提到的道路三維建模模塊，又稱為道路構建器)輸入實驗路段的中心線的三維坐標(X，Y，Z)，并設置路面寬度12、橫坡2％、摩擦系數(shù)0.6，建立Adams/car中的道路三維模型，得到該道路1的三維模型如圖1所示。

C、在Adams/car中Eventbuilder(事件構造器)中構建駕駛員模型，速度選取實驗路段的設計速度80km/h，檔位定為5。轉向和油門使用環(huán)控制，轉向使用路面文件控制跟蹤道路中心線，離合和剎車采用開環(huán)控制，車路仿真的結束以時間為限制。

D、在Adams/car中的驅動控制文件仿真界面下打開file Drive events(驅動控制文件)，并選取a步驟中構建的路面文件和c步驟中構建的驅動駕駛文件進行車路藕荷仿真模擬。

E、仿真結束后進入Adams/Postprocessor(后處理模塊)中，根據需要生成縱向速度-位移圖如圖2，側向速度-位移圖如圖3，側向加速度-位移圖如圖4，縱向加加速度-時間圖如圖5，側向加加速度-時間圖如圖6，豎向加加速度-時間圖如圖7，轉向角-位移圖如圖8，轉向角速度-時間圖如圖9。其中，加加速度-時間圖由加速度-時間圖求微分得到。

F、根據公式：

對實驗路段的線形進行評價分析。

以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。