汽車行駛路況識(shí)別與劃分方法研究

劉志軍，蘇亮，吳道俊

摘? 要：為調(diào)研汽車使用路況，真正了解現(xiàn)場路面信息，研究了基于國際平整度指數(shù)（IRI）的路面等級(jí)便捷識(shí)別與劃分方法。建立IRI識(shí)別路面等級(jí)的數(shù)學(xué)模型，通過道路模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有效性驗(yàn)證，構(gòu)建通過樣車簡配傳感器方案及等里程分割方法識(shí)別路面等級(jí)及其里程分布，結(jié)果表明，基于IRI識(shí)別路面等級(jí)結(jié)果與功率譜密度數(shù)據(jù)吻合良好，所有的技術(shù)方法能夠快速獲取路況及其分布的信息，具有良好的可操作性、有效性。

關(guān)鍵詞：載荷譜；路面；等級(jí)；國際平整度指數(shù)

中圖分類號(hào)：U467.1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2023）03-0010-06

Study on Identification Method of Automobile Road Classification

LIU Zhi-jun， SU Liang， WU Dao-jun

（Xiamen King Long United Automotive Industry Co.， Ltd.， Xiamen 361023， China）

Abstract： In order to investigate the road conditions of automobile and truly understand the road information， a convenient identification method of road class based on IRI is studied. The mathematical model of IRI to identify the road class is established， and the effectiveness is verified by the road simulation test results. The method of identifying the road class and its mileage distribution through the simple sensor scheme of the sample vehicle is constructed. The results show that the technology and method studied in this paper is operable and effective.

Key Words： Load Spectrum; Road; Class; IRI

高耐久的汽車結(jié)構(gòu)是衡量汽車是否可靠的重要標(biāo)準(zhǔn)。在汽車結(jié)構(gòu)輕量化的研究中，需要在汽車使用情況調(diào)查工作中，獲取和識(shí)別現(xiàn)場的路況以了解汽車使用工況。充分了解汽車使用工況可以更好地制定汽車設(shè)計(jì)目標(biāo)，也是計(jì)算汽車結(jié)構(gòu)疲勞損傷的重要基礎(chǔ)。

由于路面情況復(fù)雜多變，以往的研究常采用問卷調(diào)查的方式獲取路面情況[1-7]。但這種獲取道路信息的方法不能全面的反映真實(shí)的路面情況。在實(shí)際調(diào)查中，由于被調(diào)查人員對(duì)問題（特別是道路類型）的理解程度以及看待問題的角度不一致，導(dǎo)致被調(diào)查人員無法客觀地回答提出的問題，最終影響調(diào)查結(jié)果。此外，現(xiàn)實(shí)中的道路類型情況復(fù)雜，往往是多種路況復(fù)合交替出現(xiàn)，而不只包含單一路況。例如，目前大多數(shù)的城市道路經(jīng)過多年的使用，由于各路段通行車輛不同，實(shí)際的路況也有所差別；即使是城市道路，局部路段也可能存在惡劣的損壞道路?；谝陨蟽牲c(diǎn)，僅按照路面大類分類的方法難以精確地了解汽車使用工況，不利于研究汽車結(jié)構(gòu)和道路工況間的關(guān)系。因此，迫切需要一種能夠更加細(xì)化地調(diào)查路段類型和分布的方法，從而更加具體和精確地描述汽車使用工況。

本文研究路面不平度等級(jí)及其里程的識(shí)別與獲取方法，利用IRI的定義建立路面不平度等級(jí)的計(jì)算數(shù)學(xué)模型，通過多組數(shù)據(jù)驗(yàn)證其正確性，利用通道配置采集載荷譜并采用分割數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車使用路線路況的細(xì)化和精確的獲取。

1? ? 國際平整度指數(shù)（IRI）的計(jì)算方法

汽車在行駛過程中會(huì)承受不平整的路面引起的激勵(lì)，這種激勵(lì)對(duì)汽車零部件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)載荷，從而容易形成疲勞損傷[8-10]。路面不平度等級(jí)是影響計(jì)算汽車結(jié)構(gòu)耐久可靠性結(jié)果的重要因素。國際平整度指數(shù)（IRI）用于評(píng)估道路、機(jī)場跑道、鐵路等路面平整度，主要應(yīng)用于路面維護(hù)和改進(jìn)、設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制、交通管理和安全、以及數(shù)據(jù)分析和比較等方面[11-13]。IRI可以幫助道路管理部門確定需要進(jìn)行維護(hù)和改進(jìn)的路段，指導(dǎo)交通安全措施的制定，以及為交通規(guī)劃和政策制定提供參考。

以國際平整度指數(shù)（IRI）作為評(píng)價(jià)路面不平度水平指標(biāo)，它可四分之一汽車振動(dòng)簡化模型[14-16]，如圖1，計(jì)算行駛距離內(nèi)懸架系統(tǒng)的簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)累積統(tǒng)計(jì)量，從而得到與行駛距離的比值[17-18]?；谒姆种黄嚹Ｐ停诓黄秸访婕?lì)下，相應(yīng)的振動(dòng)平衡方程如式（1）（2）。IRI計(jì)算方法如式（3）所示。

由于汽車是一個(gè)復(fù)雜的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，直接使用整車模型計(jì)算IRI較為復(fù)雜，研究表明，采用四分之一汽車振動(dòng)簡化模型[14-16]，在計(jì)算方便的同時(shí)也能保證足夠的精度。此外，IRI能夠?qū)⒙访娴燃?jí)表達(dá)為具體的數(shù)值[19]，這種計(jì)算方法比已有的功率譜密度（PSD）曲線度量的方法更為方便。

（2）

式中，m1、m2分別為簧下、簧上質(zhì)量，K、Kt分別為懸架彈簧、輪胎剛度，C為懸架阻尼系數(shù)，z1、z2分別為簧下質(zhì)量、簧上質(zhì)量對(duì)地的絕對(duì)位移。

（3）

式中，、分別為簧下質(zhì)量與簧上質(zhì)量的速度；L為測量的路段長度。

2? ? IRI識(shí)別路面等級(jí)的數(shù)學(xué)模型

國際平整度指數(shù)IRI和路面功率譜密度PSD與路面不平度指數(shù)Gq（n0）具有密切的關(guān)系，結(jié)合以往的研究[18，20，21]，可確定IRI等級(jí)數(shù)值存在如式（4）關(guān)系：

（4）

令，

（5）

式中，Gq（n0）為路面不平度系數(shù)，m為系數(shù)。

為確定m值，利用標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)時(shí)域信號(hào)輸入，獲取IRI，以實(shí)車多組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和合理修正。

在汽車1/4汽車數(shù)學(xué)模型中，取分級(jí)路面譜的頻率指數(shù)為2，路面激勵(lì)信號(hào)可由式（6）表達(dá)[22]，在道路模擬試驗(yàn)臺(tái)可構(gòu)建和生成各標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)、各種車速下對(duì)應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)。

（6）

式中，Gq（f）為路面激勵(lì)時(shí)間頻率功率譜密度（PSD），m2/Hz；Gq（n0）為路面不平度系數(shù)；n0為參考空間頻率，0.1m-1；u為車速，m/s；f為時(shí)間頻率，Hz。其中，路面不平度系數(shù)如表1。

以A級(jí)為例，在車速25km/h下，有：

從而得到25km/h下A級(jí)路面激勵(lì)的PSD曲線。然后在道路模擬試驗(yàn)臺(tái)將頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換得到時(shí)域激勵(lì)信號(hào)。

在道路模擬試驗(yàn)臺(tái)模擬在A，B，C三個(gè)等級(jí)路面車輛以不同車速（25-70km/h）行駛時(shí)路面對(duì)車輛產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)，并通過車載傳感器同步采集簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量之間的位移信號(hào)，計(jì)算IRI，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示：

在模擬實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可建立IRI和關(guān)系式。將設(shè)IRI為y，為x，將各種工況兩者的數(shù)據(jù)歸納，采用最小二乘法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和擬合，使數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合線之間距離的平方和最小[23]，從而獲得如圖2所示的擬合曲線。通過擬合優(yōu)度來評(píng)價(jià)擬合曲線與樣本數(shù)據(jù)的總體接近程度，度量擬合優(yōu)度的關(guān)鍵指標(biāo)為判定系數(shù)，如式（7），判定系數(shù)取值范圍[0，1]，越接近1，表明擬合程度越高[23]。該擬合曲線計(jì)算得到擬合優(yōu)度的判定系數(shù)R2為0.9，從而判斷擬合效果良好。

（7）

式中，R2為擬合優(yōu)度的判定系數(shù)，yi為系列IRI值，yi為擬合得到的IRI值，y為系列IRI的平均值。

最終由擬合曲線確定IRI等級(jí)數(shù)值的修正系數(shù)m為0.4。即IRI與路面等級(jí)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式：

（8）

3? ? IRI等級(jí)限值的建立

由上文分析，參照[22]中各個(gè)路面等級(jí)之間的關(guān)系，從而規(guī)定等級(jí)上限值為：

（9）

匯總相應(yīng)的IRI等級(jí)中心值和上限值IRI+，如表3，其中，下一級(jí)的上限值是上一級(jí)的下限值，即相鄰兩個(gè)上限值構(gòu)成一個(gè)等級(jí)范圍。

4? ? IRI評(píng)定等級(jí)方法試驗(yàn)驗(yàn)證

抽取汽車多路段載荷譜，計(jì)算相應(yīng)的路面等級(jí)IRI，參照汽車1/4數(shù)學(xué)模型，可利用道路模擬試驗(yàn)臺(tái)對(duì)路段載荷譜進(jìn)行道路模擬，獲得車輪激勵(lì)的PSD并評(píng)判等級(jí)，通過對(duì)比從而實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，兩者對(duì)應(yīng)情況，如表4：

列舉表4中的三個(gè)路段（序號(hào)1、2、3），IRI識(shí)別的等級(jí)分別為A、B、C，其對(duì)應(yīng)的道路模擬結(jié)果的垂直位移激勵(lì)PSD曲線，總體上都分布在頻域A、B、C級(jí)相應(yīng)的區(qū)域范圍內(nèi)，并呈現(xiàn)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的線性趨勢，等級(jí)越高，對(duì)應(yīng)的曲線越高，如圖3、4、5，對(duì)照結(jié)果表明三個(gè)路段兩種等級(jí)結(jié)果的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；并說明了IRI識(shí)別路面等級(jí)結(jié)果的正確性。圖中的虛線為等級(jí)限線，按式（10）進(jìn)行繪制，得到相應(yīng)等級(jí)的上限，相鄰兩條限線之間構(gòu)成相應(yīng)的等級(jí)范圍。

（10）

同理，如表4匯總的所有路段，其IRI識(shí)別的等級(jí)與道路模擬垂直位移激勵(lì)PSD所確定的等級(jí)，吻合良好，從而驗(yàn)證了IRI識(shí)別路面等級(jí)方法的有效性。

5? ? 某路線路面等級(jí)及里程識(shí)別和獲取

通過樣車的精簡配置通道（GPS、簧上簧下加速度、位移傳感器），采集汽車在某段城市路線行駛一段時(shí)間內(nèi)的載荷譜。對(duì)從GPS獲得的車速積分可以得到里程與行駛時(shí)間的關(guān)系，如圖6，該路線共20km。

在里程的時(shí)間歷程中，確定每個(gè)1km對(duì)應(yīng)的時(shí)間區(qū)間，分割獲得系列的等里程（1km）載荷譜片段，具體如表5。利用各個(gè)載荷譜片段的位移信號(hào)和GPS車速信號(hào)，計(jì)算IRI值，結(jié)果如表5：

對(duì)表5的IRI樣本點(diǎn)，匯總并繪制散點(diǎn)分布圖，如圖7。計(jì)數(shù)獲得各個(gè)等級(jí)劃分區(qū)間的點(diǎn)數(shù)。由于每個(gè)點(diǎn)都代表1km，該方法也可以通過點(diǎn)數(shù)確定公里數(shù)，點(diǎn)數(shù)比例就是對(duì)應(yīng)各個(gè)區(qū)間的里程比例，具體如表6。

由表6可見，該城市道路大部分為A級(jí)路段，但其中也夾雜著部分B級(jí)路段以及少數(shù)的C級(jí)路段，即并非城市道路整條路線都為較好的同一種路面等級(jí)，從而證明本文的研究方法具有細(xì)化路況分布分析結(jié)果、提升汽車路況調(diào)查精確性的優(yōu)點(diǎn)。有利于規(guī)避籠統(tǒng)的按路面類型分類的方法可能導(dǎo)致的信息偏差甚至誤導(dǎo)。

對(duì)于用戶目標(biāo)城市或者目標(biāo)區(qū)域，多條路線的路段細(xì)分和等級(jí)識(shí)別，并得到具體的分布，獲取用戶路況等級(jí)比例，為描繪用戶目標(biāo)使用路況建立了前提條件，為產(chǎn)品研發(fā)確定結(jié)構(gòu)目標(biāo)損傷和設(shè)計(jì)目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。

另外，基于本文研究的方法，在權(quán)衡精度、效率、成本等多維因素后，對(duì)于更高精度的需求，可對(duì)路線分段長度進(jìn)一步縮短，從而實(shí)現(xiàn)更加細(xì)化和高精度的用戶路況識(shí)別和分布結(jié)果。

6? ? 結(jié)論

構(gòu)建了IRI識(shí)別路面等級(jí)的數(shù)學(xué)模型及限值，基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法驗(yàn)證其正確性；并通過實(shí)際路段對(duì)比，結(jié)果表明IRI識(shí)別路面等級(jí)的數(shù)字化結(jié)果與PSD曲線識(shí)別的吻合性高，且所研究的IRI方法更方便、有效。

僅需簡配傳感器方案，采集汽車在某城市路線載荷譜并完成路段的細(xì)致分級(jí)和里程統(tǒng)計(jì)，大大降低成本。形成一整套基于IRI的獲取路面等級(jí)劃分及其里程分布的便捷技術(shù)方法和流程。與問卷調(diào)查的方法相比，實(shí)現(xiàn)了顯著的精度。

路線載荷譜的等里程分割方案，載荷譜分段數(shù)與里程數(shù)直接建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，在路線總損傷計(jì)算過程中，簡單計(jì)數(shù)樣本點(diǎn)數(shù)即可獲得相應(yīng)的里程數(shù)。該方法可操作性強(qiáng)、效率高。

快速獲取路線路況等級(jí)及其分布，對(duì)掌握區(qū)域內(nèi)汽車使用工況、提高路況分布調(diào)查的精確性、制定汽車結(jié)構(gòu)耐久性目標(biāo)損傷和設(shè)計(jì)目標(biāo)，提供了有力的技術(shù)保障和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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劉志軍

畢業(yè)于南京經(jīng)濟(jì)學(xué)院，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，任產(chǎn)品與技術(shù)創(chuàng)新委員會(huì)主任，長期從事汽車產(chǎn)品及技術(shù)的規(guī)劃、研究及評(píng)審等工作。曾獲廈門市“十三五”規(guī)劃社會(huì)公開征集課題成果二等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。

專家推薦語

陳孟春

國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（湖北）

副總工程師? 研究員級(jí)高級(jí)工程師

論文利用道路模擬試驗(yàn)臺(tái)模擬在不同等級(jí)路面情況下，車輛以不同車速行駛時(shí)路面對(duì)車輛產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)，并采集懸架系統(tǒng)簧上和簧下的位移信號(hào)，有效性驗(yàn)證IRI識(shí)別路面等級(jí)的數(shù)學(xué)模型； 通過實(shí)際道路行駛狀態(tài)下的載荷譜，完成路段的細(xì)致分級(jí)和里程統(tǒng)計(jì)，形成基于IRI的獲取路面等級(jí)劃分及其里程分布的便捷技術(shù)方法和流程，具有很好的創(chuàng)新性和實(shí)用性。