基于加速度的路面平順性評價(jià)方法

周浩,張桂霞,趙興馳,朱偉杰

（1.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東公路技師學(xué)院，山東 濟(jì)南 250103）

公路是重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，路面行駛平順性是路面基本服務(wù)性能。路面上的病害和變形會影響平順性，并導(dǎo)致行駛汽車發(fā)生振動，即在豎直方向的加速度，對行駛舒適性、安全性、汽車和路面的使用壽命都會產(chǎn)生直接影響。道路學(xué)者對路面平順性進(jìn)行了大量研究，包括三米直尺法，連續(xù)式平整度儀法，車載式顛簸累積儀，國際平整度指數(shù)法等。其中，三米直尺法工具簡單，但需要耗費(fèi)大量人力，且測試速度極低；國際平整度指數(shù)法等方法可實(shí)現(xiàn)動態(tài)測試，極大提高了平整度檢測的效率和可靠性，但只能表示每10 或20m 步長內(nèi)的平整度平均值，無法精確表征路面全線各點(diǎn)的具體情況，且僅適于平穩(wěn)隨機(jī)狀態(tài)的測試無法表征脈沖條件下的平順性。

汽車所產(chǎn)生的振動脈沖是由路面變形和車速決定的，基于研究振動脈沖-車速-變形的耦合，可以通過測量車速、振動脈沖信號來反應(yīng)路面變形情況。本文通過豎向加速度信號反映汽車在平穩(wěn)路面的狀態(tài)，確定路面是否為平整路段，并通過加速度和速度信號耦合計(jì)算雙輪障礙（減速帶）高度，并可以記錄這些變形的精確經(jīng)緯度位置，可以為路面養(yǎng)護(hù)精細(xì)化提供支持。

1 典型路面加速度信號

圖1為典型路面實(shí)測加速度信號，其中I 處的加速度為車輛碾壓減速帶產(chǎn)生的脈沖振動，其特點(diǎn)是振動強(qiáng)度高，一般超過1.2g，可達(dá)1.6g 甚至更高，并且持續(xù)時間很短，同時波峰偶然出現(xiàn)；而II 段為平整瀝青路面振動，其特點(diǎn)是波峰值較小，一般不超過1.05g，由于地球引力產(chǎn)生1g 加速度，故此時豎向加速度約為0.05g，并且臨近時段的波峰值幾乎都是一致的；在粗糙路段，車身豎向加速度一般超過1.05g，可以達(dá)到約1.1g，且相鄰峰值較為一致。所以可以通過車身加速度判斷路面平順性狀態(tài)，如表1所示。

圖1 路面實(shí)測加速度信號

表1 路面平順性判別標(biāo)準(zhǔn)

2 雙輪脈沖振動障礙分析

當(dāng)車輛產(chǎn)生加速度脈沖值（一般大于0.2g）且在x軸方向無旋轉(zhuǎn)角度，Y 軸方向有旋轉(zhuǎn)角度（定性）時，通過為經(jīng)過減速等貫穿路面寬度的變形。

車輛經(jīng)過減速帶時產(chǎn)生的振動加速度是減速帶高度和車速耦合的結(jié)果，可以通過車-路耦合作用模型進(jìn)行分析。通過建立合適的車輛-路面耦合模型，將車輛簡化成彈簧-質(zhì)量-阻尼元件組成的有限自由度的力學(xué)系統(tǒng)，從而計(jì)算車輛的響應(yīng)等參數(shù)。從而對汽車-路面相互作用關(guān)系進(jìn)行理論和系統(tǒng)的研究。如半車或整車的，四自由度，七自由度模型。通過耦合模型可以模擬計(jì)算在不同車速和減速帶高度，以及不同汽車機(jī)械參數(shù)條件下的，汽車車身豎向加速度，以及車輪，乘客等的振動狀態(tài)。

王亮通過建立多自由度的車輛-減速帶互相作用模型，對減速帶高度-車速-車身加速度關(guān)系進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，其結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，車身加速度隨減速帶高度的提高而提高，基本呈線性；隨車速的提高，加速度提高，然后穩(wěn)定。

圖2 不同車速條件下車身加速度-減速帶高度關(guān)系

為獲得具體的減速帶高度的計(jì)算方法，本文建立以減速帶高度為目標(biāo)函數(shù)，以車速和加速度為自變量建立回歸擬合模型。多元回歸可以分析更多因變量同時影響下的指標(biāo)變化規(guī)律，并得到具體的數(shù)學(xué)模型；且多項(xiàng)式回歸比線性回歸更靈活，可以模擬非線性的、較為復(fù)雜的關(guān)系，但次數(shù)選擇不當(dāng)容易過擬合。根據(jù)車身加速度-減速帶高度-車速數(shù)據(jù)具體情況，本文選擇完全多元二次回歸分析法，其擬合公式如式（1）所示：

將圖2中的汽車加速度振動模擬奉獻(xiàn)結(jié)果，帶入式（1）進(jìn)行擬合分析，最終建立高度模型如式1，以及關(guān)系分析結(jié)果圖3所示：

圖3 車速-加速度-減速帶高度耦合關(guān)系

其中H 為減速帶高度，單位cm；CS 為車速，單位km/h；SJS 為豎向加速度，單位1m/s=0.1g。

從圖3中可以看出，車身加速度隨車速的提高開始降低，但超過一定閾值后基本穩(wěn)定；在減速帶高度為4.5cm 時，這個加速度停止增長的速度閾值為40km/h；大量數(shù)據(jù)分析表明，當(dāng)減速帶高度提高時，這個閾值也會提高，且加速度-車速曲線形狀變化相對較大。加速度隨減速帶高度的提高而單調(diào)提高，基本接近線性。

高填方路基-橋臺過渡段產(chǎn)生的錯臺結(jié)構(gòu)也能導(dǎo)致路面脈沖加速度，也可以照此方法進(jìn)行計(jì)算。此外水泥路面不同面板的高度差也會產(chǎn)生脈沖加速度，但其數(shù)值一般較小，約0.1g 左右，對路面平順性影響一般不大。

本文所搭建的系統(tǒng)可以自動記錄加速度脈沖值出現(xiàn)的經(jīng)緯度位置，通過導(dǎo)航軟件可以自動確定病害的地理位置并導(dǎo)航，極大方便道路變形的復(fù)檢和養(yǎng)護(hù)。

3 結(jié)論

（1）本文建立了基于加速度的路面平順性檢測系統(tǒng)，可以高密度地反應(yīng)路面平順性情況，并確定了光滑路面，粗糙路面，脈沖變形路面的判別標(biāo)準(zhǔn)；

（2）通過完全二元二次回歸法，完全建立了路面脈沖變形（減速帶）模型，可以通過汽車車速和加速度的實(shí)測值來計(jì)算路面脈沖變形（減速帶）高度，并自動記錄其經(jīng)緯度位置；

（3）分析了車速和減速帶高度對車身加速度的影響規(guī)律。