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(chē)輛工程領(lǐng)域，尤其涉及用于車(chē)輛工程的一種基于路面譜 的量化路面評(píng)價(jià)參數(shù)提取方法。
背景技術(shù)：
隨著汽車(chē)行業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為世界汽車(chē)工業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，走過(guò)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(chē)工程 領(lǐng)域中，路面數(shù)據(jù)作為車(chē)輛的主要外部激勵(lì)源，無(wú)論是室內(nèi)的各種試驗(yàn)臺(tái)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(kāi)基礎(chǔ)路面數(shù)據(jù)的支持。因此針對(duì)一條路面的質(zhì)量好壞和 等級(jí)評(píng)價(jià)就顯得非常重要，因?yàn)橹挥袦?zhǔn)確的評(píng)價(jià)一條路面的質(zhì)量，才能準(zhǔn)確的了解試驗(yàn)用 車(chē)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(zhǎng)波 組成，通過(guò)分析不同頻率下的高程、速度、加速度的方差來(lái)分析路面斷面的不平整性。經(jīng)過(guò) 濾波或車(chē)輛振動(dòng)系統(tǒng)作用后的功率譜分析可以比較不同波長(zhǎng)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(guò)系統(tǒng)作用后被放大，什么頻率下經(jīng)過(guò)作用后振 動(dòng)被減弱，有利于評(píng)價(jià)動(dòng)力反應(yīng)類(lèi)平整度的特征，也為車(chē)輛振動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化提供分析基礎(chǔ)， 故此在道路工程和車(chē)輛工程中被大量采用。上述方法存在的缺點(diǎn)是，只能通過(guò)路面譜曲線具體的單個(gè)的去定性說(shuō)明一個(gè)路面 的質(zhì)量狀況。這在試驗(yàn)仿真需要針對(duì)大量的道路路面數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和對(duì)比研究，從而 確定應(yīng)選路面時(shí)，顯得特別繁瑣，效率低下。同時(shí)定性說(shuō)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(shí)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)數(shù) 坐標(biāo)下的道路M級(jí)分級(jí)圖中，以平滑路面譜曲線與分級(jí)分界線的交點(diǎn)作為邊界， 分別計(jì)算各個(gè)等級(jí)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(jí)下曲線所圍面積占所有等級(jí)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(jí)分級(jí)，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(jí)和質(zhì)量，便于用 戶在試驗(yàn)仿真中使用路面數(shù)據(jù)時(shí)參考和評(píng)定使用，特別是在針對(duì)大量的道路路面數(shù)據(jù)進(jìn)行 統(tǒng)計(jì)分析和對(duì)比研究時(shí)，有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。


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(jí)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(shuō)明，以便對(duì)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(cè)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)數(shù)坐標(biāo)下的道 路8級(jí)分級(jí)圖中，以平滑路面譜曲線與分級(jí)分界線的交點(diǎn)作為邊界，分別計(jì)算各個(gè)等級(jí)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(jí)下曲線所圍面積占所有等級(jí)
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(lái)自于由路面數(shù)據(jù)采集儀器采集的北京-S32高麗營(yíng)六元橋一段長(zhǎng) 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(dòng)程度的高程，單位為mm0直接的空間域數(shù)據(jù)不利于車(chē)輛動(dòng)力反應(yīng)測(cè)試，故需要將空間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻率域數(shù)據(jù)。對(duì)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(guò)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(lái)計(jì)算功率譜密度時(shí)，對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖的高頻區(qū)會(huì)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(duì)平滑的路面 譜曲線來(lái)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(píng)價(jià)道路質(zhì)量，按照GB/T 7031-2005中所推薦的將道路分為八級(jí)，該八級(jí) 分界線在如圖4所示的雙對(duì)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(duì)數(shù)坐標(biāo)下的道路八級(jí)分級(jí)圖中后，以路面譜曲線與八級(jí)分級(jí) 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(gè)等級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)以后的等級(jí)面積為零。如圖6所示
量化路面特征參數(shù)是各個(gè)等級(jí)下曲線所圍面積占所有等級(jí)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(gè)比例系數(shù)，它們可以準(zhǔn)確的 表明該試驗(yàn)路面在八級(jí)分級(jí)中每個(gè)等級(jí)所占的比例，定量的表征了路面的質(zhì)量，便于工程 師們?cè)u(píng)價(jià)和選擇適當(dāng)?shù)穆访媸褂?，特別是在針對(duì)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(duì)比研究中有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。
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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)數(shù) 坐標(biāo)下的道路M級(jí)分級(jí)圖中，以平滑路面譜曲線與分級(jí)分界線的交點(diǎn)作為邊界， 分別計(jì)算各個(gè)等級(jí)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(jí)下曲線所圍面積占所有等級(jí)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(jí)分級(jí)，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(jí)和質(zhì)量，便于用戶在試驗(yàn)仿真中使用路面數(shù)據(jù)時(shí)參考和評(píng)定使用，特別是在針對(duì)大量的道路路面數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和對(duì)比研究時(shí)，有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)G01B21/30GK102095399SQ20101058857
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)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(kāi)斌, 段虎明, 石鋒, 謝飛, 馬穎 申請(qǐng)人:中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司