基于加速度的路面平顺性评价方法
2022-08-06周浩张桂霞赵兴驰朱伟杰
周浩,张桂霞,赵兴驰,朱伟杰
（1.山东建筑大学交通工程学院，山东 济南 250101；2.山东公路技师学院，山东 济南 250103）
公路是重要的交通基础设施，路面行驶平顺性是路面基本服务性能。路面上的病害和变形会影响平顺性，并导致行驶汽车发生振动，即在竖直方向的加速度，对行驶舒适性、安全性、汽车和路面的使用寿命都会产生直接影响。道路学者对路面平顺性进行了大量研究，包括三米直尺法，连续式平整度仪法，车载式颠簸累积仪，国际平整度指数法等。其中，三米直尺法工具简单，但需要耗费大量人力，且测试速度极低；国际平整度指数法等方法可实现动态测试，极大提高了平整度检测的效率和可靠性，但只能表示每10 或20m 步长内的平整度平均值，无法精确表征路面全线各点的具体情况，且仅适于平稳随机状态的测试无法表征脉冲条件下的平顺性。
汽车所产生的振动脉冲是由路面变形和车速决定的，基于研究振动脉冲-车速-变形的耦合，可以通过测量车速、振动脉冲信号来反应路面变形情况。本文通过竖向加速度信号反映汽车在平稳路面的状态，确定路面是否为平整路段，并通过加速度和速度信号耦合计算双轮障碍（减速带）高度，并可以记录这些变形的精确经纬度位置，可以为路面养护精细化提供支持。
1 典型路面加速度信号
图1为典型路面实测加速度信号，其中I 处的加速度为车辆碾压减速带产生的脉冲振动，其特点是振动强度高，一般超过1.2g，可达1.6g 甚至更高，并且持续时间很短，同时波峰偶然出现；而II 段为平整沥青路面振动，其特点是波峰值较小，一般不超过1.05g，由于地球引力产生1g 加速度，故此时竖向加速度约为0.05g，并且临近时段的波峰值几乎都是一致的；在粗糙路段，车身竖向加速度一般超过1.05g，可以达到约1.1g，且相邻峰值较为一致。所以可以通过车身加速度判断路面平顺性状态，如表1所示。
图1 路面实测加速度信号
表1 路面平顺性判别标准
2 双轮脉冲振动障碍分析
当车辆产生加速度脉冲值（一般大于0.2g）且在x轴方向无旋转角度，Y 轴方向有旋转角度（定性）时，通过为经过减速等贯穿路面宽度的变形。
车辆经过减速带时产生的振动加速度是减速带高度和车速耦合的结果，可以通过车-路耦合作用模型进行分析。通过建立合适的车辆-路面耦合模型，将车辆简化成弹簧-质量-阻尼元件组成的有限自由度的力学系统，从而计算车辆的响应等参数。从而对汽车-路面相互作用关系进行理论和系统的研究。如半车或整车的，四自由度，七自由度模型。通过耦合模型可以模拟计算在不同车速和减速带高度，以及不同汽车机械参数条件下的，汽车车身竖向加速度，以及车轮，乘客等的振动状态。
王亮通过建立多自由度的车辆-减速带互相作用模型，对减速带高度-车速-车身加速度关系进行了较为系统的研究，其结果如图2所示。从图2中可以看出，车身加速度随减速带高度的提高而提高，基本呈线性；随车速的提高，加速度提高，然后稳定。
图2 不同车速条件下车身加速度-减速带高度关系
为获得具体的减速带高度的计算方法，本文建立以减速带高度为目标函数，以车速和加速度为自变量建立回归拟合模型。多元回归可以分析更多因变量同时影响下的指标变化规律，并得到具体的数学模型；且多项式回归比线性回归更灵活，可以模拟非线性的、较为复杂的关系，但次数选择不当容易过拟合。根据车身加速度-减速带高度-车速数据具体情况，本文选择完全多元二次回归分析法，其拟合公式如式（1）所示：
将图2中的汽车加速度振动模拟奉献结果，带入式（1）进行拟合分析，最终建立高度模型如式1，以及关系分析结果图3所示：
图3 车速-加速度-减速带高度耦合关系
其中H 为减速带高度，单位cm；CS 为车速，单位km/h；SJS 为竖向加速度，单位1m/s=0.1g。
从图3中可以看出，车身加速度随车速的提高开始降低，但超过一定阈值后基本稳定；在减速带高度为4.5cm 时，这个加速度停止增长的速度阈值为40km/h；大量数据分析表明，当减速带高度提高时，这个阈值也会提高，且加速度-车速曲线形状变化相对较大。加速度随减速带高度的提高而单调提高，基本接近线性。
高填方路基-桥台过渡段产生的错台结构也能导致路面脉冲加速度，也可以照此方法进行计算。此外水泥路面不同面板的高度差也会产生脉冲加速度，但其数值一般较小，约0.1g 左右，对路面平顺性影响一般不大。
本文所搭建的系统可以自动记录加速度脉冲值出现的经纬度位置，通过导航软件可以自动确定病害的地理位置并导航，极大方便道路变形的复检和养护。
3 结论
（1）本文建立了基于加速度的路面平顺性检测系统，可以高密度地反应路面平顺性情况，并确定了光滑路面，粗糙路面，脉冲变形路面的判别标准；
（2）通过完全二元二次回归法，完全建立了路面脉冲变形（减速带）模型，可以通过汽车车速和加速度的实测值来计算路面脉冲变形（减速带）高度，并自动记录其经纬度位置；
（3）分析了车速和减速带高度对车身加速度的影响规律。
