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）的路面等級便捷識別與劃分方法。建立IRI識別路面等級的數(shù)學(xué)模型，通過道路模擬試驗結(jié)果進(jìn)行有效性驗證，構(gòu)建通過樣車簡配傳感器方案及等里程分割方法識別路面等級及其里程分布，結(jié)果表明，基于IRI識別路面等級結(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；國際平整度指數(shù)

中圖分類號：U467.1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：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)計目標(biāo)，也是計算汽車結(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的路面情況。在實際調(diào)查中，由于被調(diào)查人員對問題（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，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及其里程的識別與獲取方法，利用IRI的定義建立路面不平度等級的計算數(shù)學(xué)模型，通過多組數(shù)據(jù)驗證其正確性，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，實現(xiàn)對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）的計算方法

汽車在行駛過程中會承受不平整的路面引起的激勵，這種激勵對汽車零部件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動態(tài)載荷，從而容易形成疲勞損傷[8-10]。路面不平度等級是影響計算汽車結(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）作為評價路面不平度水平指標(biāo)，它可四分之一汽車振動簡化模型[14-16]，如圖1，計算行駛距離內(nèi)懸架系統(tǒng)的簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量的動態(tài)響應(yīng)累積統(tǒng)計量，從而得到與行駛距離的比值[17-18]?；谒姆种黄嚹Ｐ?，在不平整路面激勵下，相應(yīng)的振動平衡方程如式（1）（2）。IRI計算方法如式（3）所示。

由于汽車是一個復(fù)雜的多自由度振動系統(tǒng)，直接使用整車模型計算IRI較為復(fù)雜，研究表明，采用四分之一汽車振動簡化模型[14-16]，在計算方便的同時也能保證足夠的精度。此外，IRI能夠?qū)⒙访娴燃壉磉_(dá)為具體的數(shù)值[19]，這種計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)量對地的絕對位移。

（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識別路面等級的數(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)等級時域信號輸入，獲取IRI，以實車多組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證和合理修正。

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

（6）

式中，Gq（f）為路面激勵時間頻率功率譜密度（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為時間頻率，Hz。其中，路面不平度系數(shù)如表1。

以A級為例，在車速25km/h下，有：

從而得到25km/h下A級路面激勵的PSD曲線。然后在道路模擬試驗臺將頻域信號轉(zhuǎn)換得到時域激勵信號。

在道路模擬試驗臺模擬在A，B，C三個等級路面車輛以不同車速（25-70km/h）行駛時路面對車輛產(chǎn)生的激勵信號，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，計算IRI，實驗數(shù)據(jù)如表2所示：

在模擬實驗得出的實驗數(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)計和擬合，使數(shù)據(jù)點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)度來評價擬合曲線與樣本數(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等級數(shù)值的修正系數(shù)m為0.4。即IRI與路面等級的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式：

（8）

3? ? IRI等級限值的建立

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

（9）

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

4? ? IRI評定等級方法試驗驗證

抽取汽車多路段載荷譜，計算相應(yīng)的路面等級IRI，參照汽車1/4數(shù)學(xué)模型，可利用道路模擬試驗臺對路段載荷譜進(jìn)行道路模擬，獲得車輪激勵的PSD并評判等級，通過對比從而實現(xiàn)驗證，兩者對應(yīng)情況，如表4：

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

（10）

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

5? ? 某路線路面等級及里程識別和獲取

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間內(nèi)的載荷譜。對從GPS獲得的車速積分可以得到里程與行駛時間的關(guān)系，如圖6，該路線共20km。

在里程的時間歷程中，確定每個1km對應(yīng)的時間區(qū)間，分割獲得系列的等里程（1km）載荷譜片段，具體如表5。利用各個載荷譜片段的位移信號和GPS車速信號，計算IRI值，結(jié)果如表5：

對表5的IRI樣本點，匯總并繪制散點分布圖，如圖7。計數(shù)獲得各個等級劃分區(qū)間的點數(shù)。由于每個點都代表1km，該方法也可以通過點數(shù)確定公里數(shù)，點數(shù)比例就是對應(yīng)各個區(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級路段，但其中也夾雜著部分B級路段以及少數(shù)的C級路段，即并非城市道路整條路線都為較好的同一種路面等級，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。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)分和等級識別，并得到具體的分布，獲取用戶路況等級比例，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，對于更高精度的需求，可對路線分段長度進(jìn)一步縮短，從而實現(xiàn)更加細(xì)化和高精度的用戶路況識別和分布結(jié)果。

6? ? 結(jié)論

構(gòu)建了IRI識別路面等級的數(shù)學(xué)模型及限值，基于數(shù)理統(tǒng)計方法驗證其正確性；并通過實際路段對比，結(jié)果表明IRI識別路面等級的數(shù)字化結(jié)果與PSD曲線識別的吻合性高，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)致分級和里程統(tǒng)計，大大降低成本。形成一整套基于IRI的獲取路面等級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，在路線總損傷計算過程中，簡單計數(shù)樣本點數(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及其分布，對掌握區(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)計目標(biāo)，提供了有力的技術(shù)保障和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]石慧奇.基于用戶使用目標(biāo)的汽車試驗場試驗規(guī)程研究[D].西安：長安大學(xué)，2015.

[2]于海波.汽車承載系試驗場用戶關(guān)聯(lián)可靠性試驗方法研究[D].長春：吉林大學(xué)，2008.

[3]張祿.大型營運(yùn)客車用戶關(guān)聯(lián)試驗場可靠性理論分析及試驗研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[4]Mattetti M， Molari G， Enrico S. Methodology for the realization of accelerated structure tests on tractors[J]. Biosystems Engineering， 2012，113（2）：266 -271.

[5]Bemhard G，Michael S，Mark P. Design of durability sequence based on rainflow matrix optimization[C]. SAE paper 680690， 1998.

[6]吳澄. 汽車可靠性問卷評價新方法[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2018，56（10）： 37-41.

[7]柴保明，靳德誠，李偉，等. 汽車用戶關(guān)聯(lián)目標(biāo)載荷譜的確定[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（29）：47-49.

[8]高云凱，徐成民，方劍光. 車身臺架疲勞試驗程序載荷譜研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報，2014 50（4）：92-98.

[9]吳道俊，錢立軍，祝安定，等. 基于疲勞壽命的車架支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]，2013，35（10）：863-867，872.

[10]駱傳輝. 基于虛擬路面的車門疲勞壽命研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2020.

[11]張獻(xiàn)民，陳新春， 李少波. 基于國際平整度指數(shù)IRI的飛機(jī)動載系數(shù)分析[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2016，48（1）：136-142.

[12]馬穎，段虎明，石鋒. 基于國際平整度指數(shù)的華北地區(qū)路面不平度統(tǒng)計分析研究[J].公路，2012（9）：218-223.

[13]段虎明，馬穎，石鋒，等. 道路路面測量數(shù)據(jù)的特征參數(shù)提取與統(tǒng)計分析[J]. 振動與沖擊，2013.32（1）：30-34，42.

[14]周曉青，孫立軍，顏利. 路面不平度評價發(fā)展及趨勢[J].公路交通科技，2005，22（10）：18-22.

[15]夏鵬飛. 車載式路面不平度采集系統(tǒng)設(shè)計[D].鎮(zhèn)江： 江蘇科技大學(xué)，2014.

[16]楊文臣，胡澄宇，田畢江，等. 國際平整度指數(shù)建模與影響因素綜合分析[J].公路交通科技，2017，34（12）：23-29.

[17]Kaiyue Zang， Jie Shen， Haosheng Huang ， et al. Assessing and Mapping of Road Surface Roughness based on GPS and Accelerometer Sensors on Bicycle-Mounted Smartphones[J]. Sensors， 2018，18， 1-17.

[18]Prashant R PawarF， Dr Arun Tom Mathew and M R Saraf. IRI （International Roughness Index）： An Indicator Of Vehicle Response[J]. Materials Today： Proceedings. 2018， 5， 11738–11750.

[19]凌建明，劉詩福，袁捷，等.采用IRI評價機(jī)場道面平整度的適用性[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2017，17（1）：20-27.

[20]吳慶雄，陳寶春，奚靈智.路面平整度PSD和 IRI評價方法比較[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2008，8（1）：36-41.

[21]陳洪興，何兆益.基于國際平整度指數(shù)IRI的路面不平度仿真研究[J]. 公路，2008（11）：155-160.

[22]余志生. 汽車?yán)碚摚ǖ谖灏妫M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2017： 206-210.

[23]胡春春. 統(tǒng)計學(xué)[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2017： 139-145.

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)新委員會主任，長期從事汽車產(chǎn)品及技術(shù)的規(guī)劃、研究及評審等工作。曾獲廈門市“十三五”規(guī)劃社會公開征集課題成果二等獎等榮譽(yù)。

專家推薦語

陳孟春

國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（湖北）

副總工程師? 研究員級高級工程師

論文利用道路模擬試驗臺模擬在不同等級路面情況下，車輛以不同車速行駛時路面對車輛產(chǎn)生的激勵信號，并采集懸架系統(tǒng)簧上和簧下的位移信號，有效性驗證IRI識別路面等級的數(shù)學(xué)模型； 通過實際道路行駛狀態(tài)下的載荷譜，完成路段的細(xì)致分級和里程統(tǒng)計，形成基于IRI的獲取路面等級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)新性和實用性。