道路路面的剖面曲线测量研究与实践.docx

1、振动与冲击JOURNALOhVIBRATIONANDSHOCK道路路面的剖面曲线测量研究与实践段虎明'Z3,石锋七赵永杰2,王红钢2,谢飞2(I.中国汽车工程研究院博上后科研工作站，敢庆400()39；2、中国汽车工程研究院币:庆400039；3.同济大学汽车学院上海2018()4)摘要：回顾了近年来道路路面测址各种方法的研究现状，介绍自主开发的高档度道路路面测核系统的测M原理和试验方法。在此基础上针对道路路面的真实剖面曲线测鼠方法进行探讨和分析.并通过在山区、平原、城市和(；PS遮挡严重地区等工矿环境下，与精准水准仪的一些对比分析试验中，对该方法的测址误差进行了讨论，得到r较好的分析

2、试验结果。最后针对道路路面的剖面曲线测量方法进行总结，对该方法的应用范围和优缺点进行了评价C关键词：道路路面;路面剖面曲线;道路路血帽;测依系统中图分类号：U416;U467；TH7文献标识码：AResearchandpracticeofroadsurfaceprofilemeasurementDUANSHIFeng2,ZHAOYong-jie2,WANGHong-gang2,XIEFei2(I.Post-DoctoralResearchCenterofChinaAutomobileEngineeringResearchInstitue,Chongqing400039,China；2.Chin

3、aAutomobileEngineeringResearchInstitue,Chongqing400039,China;3.CollegeofAutomotiveEngineeringofTcngjiUniversity,Shanghai201804,China)Abstract:Theresearchprogressesinmeasurementmethodsofroadsurfaceprofileinrecentyearswerercveiewed.Anewhighprecisionroadsurfaceprofilemeasurementsystemwaspresentedandits

4、measurementprincipleandtestingmethodwereintroduced.Onthisbasis,themethodsfc)rtrueprofilesmeasurementofroadsurfacewerediscussed.AnumberofcontrastivetestswerecarriedouttoanalysethemeasurementerrorofthemethodwithLevelandRulerinmountains,plains,citiesandtheareasofGPSsignalswereblocked.Finally,themeasure

5、mentmethodsoftheroadsurfaceprofilesweresummarized.Itsapplicationfieldwasdescribedandthemeritsanddrawbacksoftheroadsurfaceprofilemeasurementsystemwereevaluated.Keywords:roadsurface;roadsurfaceprofilesignals；roadsurfacespectrum；measurementsystem道路路面根据其设计的技术等级、铺装材料、使用年限、地貌环境等的不同，路面表面的起伏程度有非常大的差别。在公路行业通

6、常用国际路面平整度指数(InternationalRoughnessIndex,IRI)来评价和反映道路的路面状况，该参数是一个累积员，即反映一段距离内道路路面的一个整体的平整度水平指标。对于车辆工程中的应用，很多时候需要的是更为精细的真实路面剖面曲线数据而不是一个累积指标。道路路面的剖面曲线信号通常用来描述路面的其实起伏变化情况,该剖面曲线信号是车辆设计研发中的主要激励信号，影响车辆行驶的平顺性、乘坐舒适性、操纵稳定性、零部件疲劳寿命、运输效率、油耗等各个方面。道路路面谱是路面剖面曲线信号的功率谱密度曲线，是其在工程应用领域更为常见表现形式，所以对于从事汽车设基金项目：国家商技术发展(863

7、计划)项目(2006AAII0II6)；中国博士后科学基金资助项目收稿日期：2009-09-16修改稿收到日期：2009-12-25第一作者段虎明男，博上.高级工程师.1979年1月生通讯作者段虎明计开发的工程技术人员，测量和采集到高精度道路路面的剖面数据就具有重要的意义'-6：，01道路路面剖面曲线测量的研究历史早在20世纪的40-50年代,美国和欧洲一些国家就是用水平仪作为基准，对飞机场跑道的不平度进行了测量，我国的海南、定远、襄樊等汽车试验场以及一些国防专用试验场中的一些可靠性试验路段，特别是石块路路面，从构筑到验收无一例外都是用了水平仪和标杆的方法来测虽，测址方法如图1中左图所

8、示。其优点比较明显，就是测址比较准确真实、幅频特性好、测量重复性好,但是缺点也很明显就是速度太慢，效率低图I水平仪和标杆、宜梁基准的测枇方法Fig.1Levelandrulerandkohler-fusezstraightlx?am后来为了提高测量效率，人们研制了基于直梁基准的测量设备（如图1中右图所示），并在此基础上不断改进，有公路部门使用较多的3m直尺、多轮测平车、颠簸累积仪、递推式的路面计等，如图2所示为3m直尺和多轮仪。图23m直尺和多轮仪Fig.2Three-metermlerandmulti-roundrollingstraightedge接触式道路谱或路面不平度的测量检测方法，它

9、们的优点是结构都比较简单、成本低、测量精度相对较高、重复性好、误差来源较少；缺点是操作冗繁、速度慢、效率低、影响正常的交通秩序，正是因为这些缺点,它们没有很好地普及起来，因此人们开始研究可以快速测量的非接触式测量方法，并开发了一系列相应的仪器设备。非接触式（响应式）的道路谱测量检测方法有很多，大部分都是近些年发展起来的。由于这类仪器测量方便快捷、测量速度快而得到了普遍推广和发展。主要有车载式颠簸累积仪、基于惯性基准的轴头加速度测量方法、基于惯性基准的激光位移传感器与加速度传感器配合使用的激光断面仪、沿车辆纵向一列分布多个加速度传感器的惯性测量方法等如图3所示。其中推广使用较多的是激光断面仪测量

10、方法。图3四种路面测敏方法Fig.3Fourmeasurementmethodsofroadsurface非接触式测量仪器的最大优点是速度快、精度高,缺点也很明显就是使用的是惯性基准，随着车辆的行驶在不断的变化，误差源比较多,测量精度难以控制。2真实路面剖面曲线的测量分析2.1传统测量方法的局限性随着传感器技术、计算机技术和信号处理技术的飞速发展,人们对道路路面数据的精确性和准确性也提出了更高的要求。前面介绍了很多的道路路面数据测量方法,非接触式的测量设备和测量方法较接触式测量方法有很大的提高，特别是在近十多年来有了很大的进步。但还存在不少缺陷和不足，特别是这类设备仅能测量波长较小的信号，针对

11、波长大于车辆长度的信号成分测量误差很大，测量结果中忽略了大波长信号（图4中B信号），即没有了坡度的概念，将道路简化成了一条平直的道路（图4中的C信号），而真正的道路路面是如图4所示的A信号。图4真实道路路面信号构成的示意图Fig.4Thecomponentsoftrueroadprofilesignals如文献10中杨殿阁等提出的道路路面剖面曲线信号的波长应该在0.01m100m的范围才有较好的适应性和应用前景。因此针对该类测量方法有待于提高设备的测虽精度和测量范围，提高试验的准确性和精确性。2.2真实的路面剖面测量研究随着汽车行业的迅速发展，我国已经进入了自主研发阶段,作为车辆的主要振动激励

12、源的道路路面数据，对汽车的各种性能都起着至关重要的作用，提高汽车设计开发中的这些性能，都离不开准确的、基础性的道路路面数据支持。因此精确的采集和测量用于汽车设计开发中使用的道路路面数据势在必行。正是这种背景下，我们在基于惯性测量的激光断面仪基础上进行改进，研制了一套高精度、宽频段的道路谱测量设备”，如图5所示。图5测试试验样车Fig.5Thetestingvehicles该测最系统的构成见图6所示，主要有激光断面仪（内置激光位移传感器、高频和低频加速度传感器等测量多路激光信号和加速度信号）、精密陀螺仪（测量车身姿态变化信息参数）、GPS测量设备（实时测量道路的经纬海拔高等信息）、高速摄像机（测

13、量试验路段的视频信息）、车速及距离传感器（测地试验路段的距离脉冲信息）以及一些辅助的测量设备（采集控制箱、控制用的工控机、UPS不间断电源、存储海量数据使用的磁盘阵列等）。离速数字式抵像机帽密陀螺仪车速及距GPS定UPS、工控凯.磁盘显示器、俄离传感器位系统阵列及采集控制器标及键盘图6道路谱测最系统构成Fig.6Instrumentintegrationoftestvehicleonroadspectrum该测量系统将道路路面的信号测量频段分为两段,即大波形信号（图4中的B信号）和小波形信号（图4中的C信号）。针对高于0.1Hz的小波形信号又分为两部分处理，波长大于3Hz的信号使用高频加速度传

14、感器测量车身的振动来修正激光位移信号，对于大于0.1Hz同时小于3Hz的信号成分使用低频加速度传感器测量车身振动来修正激光位移信号，最后将两个频段的信号登加即可得到小波形的路形信号，主要的计算流程如图7所示。其中对于加速度采样信号进行了二次积分，然后再与滤波以后的激光信号进行叠加修正，并且计算中多次用到了低通和带通滤波算法。图8真实路面剖面信号算法流程图Fig.8Thecalculationflowchartoftrueroadprofiles可见该系统的测量信号实际上是在小波形数据的基础上添加一个趋势项，即道路路面的坡度走势，这样即可得到真实的道路路面曲线c该测量:系统不但测量速度快（按照正

15、常的行驶车速测量，不需要交通管制），而且测量精度比较高，测量频段范围宽，较好的弥补了现有测量方法和测量设备的不足，得到了较高精度的道路路面数据和道路路面谱曲线，为汽车的设计研发提供了真实的基础道路路面信号。3路面测量试验分析针对该道路路面测量系统进行了一系列的道路实测试验，来检验其测量效果和精度。根据测鼻系统的测试原理从大、小波形测量两个方面试验。3.1小波形信号数据测量试验图7小波形算法流程图Fig.7Thecalculationflowchartofsmallwavelengthsignals针对频率低于0.1Hz的大波形信号成分,使用实时GPS接收信号中的海拔高度信号进行测量，并且考虑到

16、卫星信号被遮挡而引入较大误差，使用车载精密陀螺仪和GPS信号进行卡尔曼融合计算来修正I9J0J2：,得到实时的大波形信号曲线。在得到大、小波形曲线数据以后，由于它们的采样频率不同，大波形信号计算出的采样间隔是每1m一个采样点，而小波形数据的计算采样间隔是1mm一个采样点，因此不能直接叠加组合，首先需要对大波形信号进行三次样条插值，变成和小波形相同的抽样频率以后，再进行有机的叠加结合，即可得到真实的道路剖面曲线信号，算法流程图如图8所示°图9某汽车试验场的凸块路、搓板路和正弦波路Fig.9Rectangularbumproadwashboardroadandsinewaveroadin

17、anautomobileprovingground由于小波形信号的测量，即是传统意义上的道路路面的测量范围，相对比较成熟，采用类似于文献5、6、】0、11中提到的方法，即在平直的道路上布置若干不同截面形状的木板，或者直接在试验场测量特殊的道路路面，例如凸块路、正弦波路、搓板路等进行误差分析，如图9所示为某汽车试验场三种特殊路面的测量曲线。从试验数据结果分析,发现数据相关性很好，多次测量数据稳定，误差在±5mm内。可看出该测量系统的测量小波形数据精度较高，测量结果较好地符合了实际路面的状况，因此该小波形测蛟方法可用于测量短距离、相对平坦的各种道路路面剖面曲线的测量。3.2大波形信号数据

18、测量试验文章前面提到水准仪标杆测量法虽然效率极低,但是由于误差源最少，因此精度很高，这里选择其作为基准测量设备，在相同试验条件下，作对比分析试验。也采用每Im一个测也:点进行人工测量，然后进行对比分析，考虑到使用的不同环境，这里选择了山区、平原、城市地区和GPS信号不良地区分别进行试验。如图10所示为水准仪测量现场和山区、平原坡道、城市地区和CPS信号有遮挡的林荫道的试验现场图。图10不同环境地区的试验现场图Fig.5Measurementindifferentareas3.1.1山区地形比较复杂的山区路段测量选择的是北京昌平区崔村镇至西峪村的中间位置，大约200m长的一个坡道,两端落差大约为

19、15m左右。选择多次试验中的三次来分析，车速分别是10km/h,20km/h.40km/h的结果进行比较，曲线如图11所示，其中蓝色曲线为水准仪测量曲线,绿色曲线为试验测员系统的测量和图II山区道路试验对比曲线Fig.7Measurementofroadteslinmountainsbycompared计算曲线。该试验路段的这三次试验误差统计结果如表1所示，单位为m。表1山区道路试验误差分析结果(m)Tab.1Erroranalysisresultofroadtestinmountains(m)车速i0(km*h-')20(kmh")40(kmh'*)平均值平均误差0

20、.31804890.17984190.11204990.203314最大误差0.60385190.3175442O.3863O780.435901最小i吴差0.00144850.00294250.00179110.002061方差0.03162450.00737430.00626200.015087标准差0.17783290.08587410.07913310.114280相关系数0.99975750.99964910.99982590.999744通过以上分析町见，在该路段测最中，试验车测最数据与水准仪测绘数据的相关度比较高，相关性基本可达99%,平均误差为0.203314m,即20cm左右

21、，起伏程度为15m。从试验结果看,GPS信号良好的情况下，误差基本在二十儿厘米的范围内，数据相关性高。如果是测量3m5m以上的坡度起伏，系统精度可以满足5%的相对精度,整体测量效果较好。3.1.2平原坡道平原地区的试验选择在某汽车试验场内的标准坡道路面上，测虽曲线如图12所示。(b)由10%至6%的坡路图12某试验场标准坡道试验曲线Fig.12Thetestofstandardramps:(a)Th。rampfrom18%to20%；(b)Therampfrom10%to6%.该平原坡道路面测量从6%到10%、从18%到20%两条路面，来回各测两次，即每个坡面测最4次,根据采集数据计算,统计结

22、果如表2所示。表2某试验场坡道试验数据误差分析Tab.2ErroranalysisoftestdatainProvingGroundramp次数6%10%18%20%I0.0554380.1029930.1790710.19042820.0638110.1753040.2019563一0.1010230.1903350.19070340.1854030.189322均值0.0596250.1020030.1814600.193720误差0.0003750.0020030.0014600.006280由这两组试验可看出,4种坡道测量中，最大误差为0.006280,最小误差为0.(XX)375,可

23、见测量误差不会超过1%的坡度值，结果较好地符合实际情况。说明在平原开阔地区,GPS信号良好的情况下，设备测量大路形可以获得很好的精度。3.1.3城市地区选择北京清华大学东北门外左侧的市内公路，约有400m长的路段，期间路面形状有较大起伏，高差约2.5m左右，首先利用水准仪沿该公路边沿间隔1m进行r测量，然后使用路谱测量设备用不同车速(3。km/h、35km/h、40km/h)的三次试验来进行比较.试验车测量试验数据和水准仪测量数据对比结果如图13所示。图13城市道路试验对比曲线Fig.13Measurementofroadtestincitybycompared该试验路段的这三次试验误差统计结

24、果如表3所示,单位为m。表3城市道路试验误差分析结果(400m路段)(m)Tab.3Erroranalysisresultofroadtestincity(m)车速30(kmh")35(km-h-1)40(kmh平均值平均误差0.20046700.21083580.22254230.211282最大误差0.37685230.42242410.25793450.352404最小误差0.00404100.01178290.00376810.006531方差0.01003960.00801720.00416400.007407标准差0.10019790.08953890.06452940.

25、084755相关系数0.99009930.97907990.98982920.986336通过以上分析可见，在该路段测量中，试验车测星数据与水准仪测绘数据的相关性基本可以达到97%以上，相关性较好，平均误差为0.2H282m,即21cm左右，由于部分地区有卫星遮挡，相对试验场道路数据,误差有所增大。这样在测危3m左右高度的路形起伏时,系统测量误差可在5%以内。3.1.4卫星遮挡严重地区卫星遮挡严重的道路测量是最为复杂和困难的道路情况，针对环境比较恶劣的情况(卫星遮挡比较严重)，在清华大学校内选择的一条典型的试验路段，汽军研究所I'J口的路段长度大约700m左右,高差为3m左右，该路段前

26、面部分比较开阔，后面部分属于典型的林荫道,GPS信号遮挡非常严重，信号在段时间内也无法稳定下来。针对该路段做了多次测量试验，对该路段选择三次不同车速(20km/h、30kin/h,40km/h)的测量结果进行对比，曲线如图14所示。清华大学汽车研究所'J曰的卫星遮挡严重路段的这三次试验误差统计结果如表4所示。图14卫星遮挡严重地区对比试验曲线Fig.14Measurementofroadtestwhereisshelteredaboutsatellitesignalbycompared表4卫星遮挡严重地区试验误差分析结果(m)Tab.4Erroranalysisresultofroad

27、testwhereisshelteredaboutsatellitesignal(m)车速20(kmh-')30(kmh”)40(kmh')平均值平均误差0.22461870.29084410.72413170.413198M大误差i.05568541.47091091.54097431.355857最小误差0.00028860.00759950.00357190.003820方差0.05287290.05350350.09186260.066080标准差0.22994120.23130840.30308850.254779相关系数0.93601430.89825870.765

28、43740.866570从数据分析结果看，在GPS信号遮挡非常严重的路段，系统测虽的平均误差较大，平均误差为0.413198m,即大约40cm左右的平均误差，最大误差都达到1m以I：,而旦相关系统不到90%0与上述的其它试验相比,相关性和误差都明显变差。综上所述,小波形的测威在较平稳的车速下，精度很好，可控制在5mm范围内。大波形的测量:，在GPS信号良好的悄况下测量精度较好，测量误差可以控制在0.2m范围内，相对误差在5%,而在卫星信号有遮挡的情况下精度会有所下降，误差可以达到0.4m左右;如果卫星遮挡严重，系统的测品就大部分要考陀螺仪的积分来完成，这样距离稍K累积误差就会明显增大，导致产生

29、较大的测量误差，相对误差会超过1。以上。4结论通过大量的道路路面测量分析试验，表明了该道路路面测量方法和测量:系统的适用性和可行性。大波形的测量数据可以用于反应路段和地区的大范围地形地貌的变化趋势；小波形数据可以用于研究道路路面的不平度和路面构造等研究；权实的道路路面剖血曲线信号可以用于汽车试验，作为振动分析的真实输入信号。在测量中也发现如果使用差分GPS测虽方法，会明显地提高和改善试验数据的测量精度，在车速较快、数据精度要求较高的道路路面测量中，测试人员可以考虑采用固定基站和移动站配合使用的差分GPS设备测量，这样可以获得更加真实的道路路面的剖面数据曲线。参考文献1SayersMW,etal

30、.GuidelinesforconductingandcalibratingroadroughnessmeasurementsR.WorldBankTechnicalPaperNumber46,1986.21赵继海.王哲人，等.路面不平度的测量:分析与应用M.北京：北京理T.大学出版社，20CX).(上接第154页)6结论本文提出用PVDF压电智能材料作为水卜主动吸声系统中的吸声材料，开发了一套数字时延控制系统，由于该系统采用时域操作，比传统的相移补偿方式具有更好的宽频响应特性，更适用于在较宽的频带范围内对噪声进行控制，并进行了单频随机脉冲声和复合脉冲声主运有源吸声实验验证。通过在脉冲声管中进

31、行的对低频脉冲声的主动吸声控制实验表明，应用压电智能材料进行自适应主动有源吸声控制是解决传统吸声材料对低频声无能为力的有效途径。参考文献1Lueg.ProcessofsilencingsoundoscillationsfJ.USPatent,1936,2043:416.2EghtesadiK,LeventhallHG.Activeattenuationofnoise-ThemonopolesystemJ.JournaloftheAcousticalSocietyofAmerica.1982,71；608-611.3SwinbanksMA.Theactivecontrolofsoundpropa

32、gationinlongductsJ.JournaloftheSonudandVibration,1973,27(3):411-436.4TrinderMCJ,NelsonPA.ActivenoisecontrolinfinitelengthductsJ.JournaloftheSonudandVibration,1983,89(1)：95-105.5赵东升.PVDF压电薄膜制作传感器的理论研究J.计算机测曜与控制.2005.3(7)：748-750.6具典淑，周智，欧进萍.PVDF压电薄膜的应变传感特性研究J1.功能材料.2004.35(4):450-453.3GB7031-86.车辆振动输

33、入一路面平度表示方法S,1986.4-Kropae0,MuckaP.BecarefulwhenusingtheInternationalRoughnessIndexasanindicatorofroadunevennessJ.JournalofSoundandVibration,2005,287:989-1003.f5马荣贵，宋宏勋，等.激光路面平整度检测系统J.长安大学学报,2006,26(2)：38-41.6MimuroT,MacmuraT,etal.DevelopmentandapplicationoftheroadprofilemeasuringsystemC.SAEInternationalCongressandExposition,1993,102:291-297.7段虎明，石锋，谢飞，等.路面不平度研究综述J.振动与冲击.2009,28(9)：95-101.8段虎明，石锋，谢飞，等.道路谱测址检测技术研究综述J.