专利名称：基于路面谱的量化路面特征参数提取方法
技术领域：
本发明属于道路工程与车辆工程领域，尤其涉及用于车辆工程的一种基于路面谱 的量化路面评价参数提取方法。
背景技术：
随着汽车行业的迅速发展，我国已经成为世界汽车工业生产大国，走过了仿制、技 术引进及加工生产阶段，已进入自主研发、自主创新的新阶段。在自主研发阶段的汽车工程 领域中，路面数据作为车辆的主要外部激励源，无论是室内的各种试验台性能试验还是在 计算机中的虚拟仿真分析都离不开基础路面数据的支持。因此针对一条路面的质量好坏和 等级评价就显得非常重要，因为只有准确的评价一条路面的质量，才能准确的了解试验用 车辆的性能是否满足在该路面实际行驶所需要达到的标准。目前的道路工程室内仿真中，选择路面主要依靠路面谱曲线，即功率谱密度PSD (Power Spectral Density)曲线。PSD是将道路断面看成由不同特性的短波、中波及长波 组成，通过分析不同频率下的高程、速度、加速度的方差来分析路面断面的不平整性。经过 滤波或车辆振动系统作用后的功率谱分析可以比较不同波长下输入、输出的变化，从而知 道平整度敏感的频率范围，什么频率下经过系统作用后被放大，什么频率下经过作用后振 动被减弱，有利于评价动力反应类平整度的特征，也为车辆振动系统的优化提供分析基础， 故此在道路工程和车辆工程中被大量采用。上述方法存在的缺点是，只能通过路面谱曲线具体的单个的去定性说明一个路面 的质量状况。这在试验仿真需要针对大量的道路路面数据进行统计分析和对比研究，从而 确定应选路面时，显得特别繁琐，效率低下。同时定性说明也不够精确。
发明内容
为了适应大规模试验仿真的需要，提高效率，同时定量化的精确表征路面质量，本 发明提供一种基于路面谱的量化路面特征参数提取方法，其关键在于包括以下步骤
SlOl路面数据采集通过路面数据采集仪器采集试验仿真路面数据并构建路面数据 曲线；
S102 路面谱提取对SlOl中的路面数据曲线进行快速傅里叶变换，生成功率谱密度 曲线，即路面谱曲线；
S103:带通滤波对S102中的路面谱曲线进行带通滤波，生成平滑路面谱曲线； S104:量化路面特征参数提取将S103中的平滑路面谱曲线绘制于双对数 坐标下的道路M级分级图中，以平滑路面谱曲线与分级分界线的交点作为边界， 分别计算各个等级中平滑路面谱曲线与横坐标轴所围成的面积，最后求出第i等 级下曲线所围面积占所有等级下曲线所围的总面积的比例系数Si (i=l M,
M
Za =1)，所述比例系数Si即为量化路面特征参数。 1-1
所述的路面数据为剖面空间域数据，所述的路面数据曲线为剖面空间域曲线。所述的M 级分级，M=8。本发明的有益效果在于实现了道路路面特征参数的提取，生成精确表征了路面 的质量的量化的特征参数，这些特征参数可以精确的反映道路路面的等级和质量，便于用 户在试验仿真中使用路面数据时参考和评定使用，特别是在针对大量的道路路面数据进行 统计分析和对比研究时，有非常明显的优势。
图1是基于路面谱的量化路面特征参数提取方法的逻辑流程图2是基于路面谱的量化路面特征参数提取方法的道路路面剖面空间域曲线示意图； 图3是基于路面谱的量化路面特征参数提取方法的道路路面数据的功率谱密度曲线 示意图4是基于路面谱的量化路面特征参数提取方法的滤波以后的路面谱曲线示意图； 图5是基于路面谱的量化路面特征参数提取方法的路面谱曲线分级面积比例计算示 意图6是基于路面谱的量化路面特征参数提取方法的路面特征参数提取结果参数表。
具体实施例方式下面结合实施例参照附图进行详细说明，以便对本发明的目的，特征及优点进行 更深入的理解。为了计算和阐述方便随机选取测量路面中的一小部分路面数据为例进行介绍。如图1所示
一种基于路面谱的量化路面特征参数提取方法的具体实施例，有如下步骤
5101路面数据采集通过路面数据采集仪器采集试验仿真路面剖面空间域数据并构 建路面剖面空间域曲线；
5102路面谱提取对SlOl中的剖面空间域曲线进行快速傅里叶变换，生成功率谱密 度曲线，即路面谱曲线；
S103:带通滤波对S102中路面谱曲线进行倍频程、1/3倍频程和1/12倍频程组合滤 波，生成平滑路面谱曲线；
S104:量化路面特征参数提取将S103中的平滑路面谱曲线绘制于双对数坐标下的道 路8级分级图中，以平滑路面谱曲线与分级分界线的交点作为边界，分别计算各个等级中 平滑路面谱曲线与横坐标轴所围成的面积，最后求出第i等级下曲线所围面积占所有等级
M
下曲线所围的总面积的比例系数Si(i=l μ，Σ& =1)，所述比例系数Si即为量化路面特
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征参数。如图2、图3、图4所示
本实施例所用数据来自于由路面数据采集仪器采集的北京-S32高丽营六元桥一段长 为1000米的路面的剖面空间域数据。如图2所示为该段路面剖面空间域曲线局部放大以 后的曲线示意图；横坐标为水平距离，单位为m;纵坐标为表示垂直波动程度的高程，单位为mm0直接的空间域数据不利于车辆动力反应测试，故需要将空间域数据转换为频率域数据。对图2中的空间域曲线进行快速傅里叶变换，并进一步计算得到图3所示的道路路 面数据的功率谱密度曲线，即路面谱曲线；横坐标为空间频率，单位为m1 ；纵坐标为表示路 面垂直功率谱密度的幅值，单位为l(T6m3。由于过分强调由真实功率谱分布或者统计噪声引起的功率谱密度的起伏变化，故 用定带宽分析的方法来计算功率谱密度时，对数坐标图的高频区会出现丰富的频率分量， 不利于分析和处理。因此原始的路面谱曲线应当进行带通滤波，用得到的相对平滑的路面 谱曲线来进行分析和处理。作为一种优选的方法，本实施例使用GB/T 7031-2005中推荐使 用的多倍频程滤波方法，即使用倍频程、1/3倍频程和1/12倍频程组合滤波的方法针对路 面谱曲线进行平滑滤波，得到图4所示的滤波以后的平滑的路面谱曲线。其中，倍频程滤波 过滤从最低计算频率(0除外)到中心频率为0.0312 πΓ1的频率带宽；1/3倍频程滤波过滤从 中心频率为0. 0496 πΓ1到0. 25 πΓ1的频率带宽；1/12倍频程滤波过滤从中心频率为0. 2806 πΓ1直到最高计算频率。如图5所示
为了更好的评价道路质量，按照GB/T 7031-2005中所推荐的将道路分为八级，该八级 分界线在如图4所示的双对数坐标中的位置按照GB/T 7031-2005中的方法计算得到。将 平滑的路面谱曲线绘制于双对数坐标下的道路八级分级图中后，以路面谱曲线与八级分级 的分界线的交点作为边界，能够分别统计和计算各个等级中路面谱曲线下方与横坐标轴围 成的面积。如图5所示，SA区域表示路面谱曲线在A级区间与横坐标轴围成的面积，占曲线 围成的总面积的63. 18% ；SB区域表示路面谱曲线在B级区间与横坐标轴围成的面积，占曲 线围成的总面积的21. 51% ；SC区域表示路面谱曲线在C级区间与横坐标轴围成的面积，占 曲线围成的总面积的12. 19% ；SD区域表示路面谱曲线在D级区间与横坐标轴围成的面积， 占曲线围成的总面积的3. 12% ；E级以后的等级面积为零。如图6所示
量化路面特征参数是各个等级下曲线所围面积占所有等级下曲线所围的总面积的比 例系数。本实施例中所得的量化路面特征参数如图6所示，结果是S1=O. 6318，S2=O. 2151，S 3=0. 1219，S4=O. 0312，S5=S6=S7=S8=O0量化路面特征参数共8个比例系数，它们可以准确的 表明该试验路面在八级分级中每个等级所占的比例，定量的表征了路面的质量，便于工程 师们评价和选择适当的路面使用，特别是在针对大量的道路路面数据进行统计分析和批量 的对比研究中有非常明显的优势。
权利要求
1.一种基于路面谱的量化路面特征参数提取方法，其特征在于包括以下步骤5101路面数据采集通过路面数据采集仪器采集试验仿真路面数据并构建路面数据 曲线；5102路面谱提取对SlOl中的路面数据曲线进行快速傅里叶变换，生成功率谱密度 曲线，即路面谱曲线；S103:带通滤波对S102中的路面谱曲线进行带通滤波，生成平滑路面谱曲线； S104:量化路面特征参数提取将S103中的平滑路面谱曲线绘制于双对数 坐标下的道路M级分级图中，以平滑路面谱曲线与分级分界线的交点作为边界， 分别计算各个等级中平滑路面谱曲线与横坐标轴所围成的面积，最后求出第i等 级下曲线所围面积占所有等级下曲线所围的总面积的比例系数Si (i=l M,MESl =1)，所述比例系数Si即为量化路面特征参数。 “1
2.根据权利要求1所述的一种基于路面谱的量化路面特征参数提取方法，其特征在 于所述的带通滤波为倍频程、1/3倍频程和1/12倍频程组合滤波。
3.根据权利要求1所述的一种基于路面谱的量化路面特征参数提取方法，其特征在 于所述的路面数据为剖面空间域数据，所述的路面数据曲线为剖面空间域曲线。
4.根据权利要求1所述的一种基于路面谱的量化路面特征参数提取方法，其特征在 于所述的M级分级，M=8。
全文摘要
本发明提供一种基于路面谱的量化路面特征参数提取方法，包括路面数据采集步骤、路面谱提取步骤、带通滤波步骤、量化路面特征参数提取步骤。本发明的有益效果在于实现了道路路面特征参数的提取，生成精确表征了路面的质量的量化的特征参数，这些特征参数可以精确的反映道路路面的等级和质量，便于用户在试验仿真中使用路面数据时参考和评定使用，特别是在针对大量的道路路面数据进行统计分析和对比研究时，有非常明显的优势。
文档编号G01B21/30GK102095399SQ20101058857
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者张开斌, 段虎明, 石锋, 谢飞, 马颖 申请人:中国汽车工程研究院股份有限公司