CN110487713B - 基于摩擦系数的纹理特征波长范围确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于摩擦系数的纹理特征波长范围确定方法，首先依据某一步长设置不同的纹理能量变化量，计算相应能量变化比例对应的构造水平变化量。然后以一定波长下构造水平变化量为自变量，以摩擦系数为因变量，求解构造水平与摩擦系数之间的相关系数，依次增加步长，取不同的能量变化比例，得到对应的相关系数。相关系数中的最大值所对应的能量变化比例或构造水平变化量，即可确定纹理的特征波长范围。由此使得预测精度高，与路面实际情况相符。

Description

基于摩擦系数的纹理特征波长范围确定方法
技术领域
本发明属于道路工程领域，特别涉及一种道路的路面摩擦系数和路面抗滑性能检测技术。
背景技术
在道路路面检测过程中，路面不平度指的是道路表面对于理想平面的偏离，它具有影响车辆动力性、行驶质量和路面动力载荷三者的数值特征。路面不平度曲线的纵坐标是路面的纵向位移变化值，横坐标表示道路的长度，是时间域的一种，在应用上称为长度域或空间域。
路面不平度根据波长可分为长波、短波和粗糙纹理三种类型。其中长波引起车辆的低频振动，短波引起车辆的高频振动，而粗糙纹理则引起轮胎的行驶噪音。
同种状况(同一类型、相同服役时间)的路面构造水平谱在某一确定水平波长范围内呈现较为明显的峰值，整体表现出一定的聚集性；而不同状况的路面纹理构造水平谱峰值却不尽相同，并且峰值出现的波长范围也有所差异。路面纹理的构造水平谱峰值出现的波长范围与路面状况和路面类型有关，可间接反映路面的使用状况，而构造水平谱峰值对应的波长值定义为特征波长，有必要提取出构造水平谱中的特征参数——特征波长，来反映路面的使用状况。
一般确定特征波水平首先需要确定代表波长范围，“以特征波长所具有的能量下降50％以内”为标准向特征波长前后搜索，对应的构造水平Ltx降低约3dB。将峰值降低3dB，在此基础上计算的构造水平之和即为“特征波水平”。但是采用此法确定的特征波长范围在进行摩擦系数的预测时预测精度低，无法满足实际路面抗滑性能研究需要。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明要解决的技术问题在于提供一种基于摩擦系数的纹理特征波长范围确定方法，更准确预测路面摩擦系数和路面抗滑性能，提高摩擦系数的预测精度。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于摩擦系数的纹理特征波长范围确定方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1：测试多个不同路段的表面纹理轮廓，取多次表面纹理轮廓测量的均值；
步骤S2：测试上述多个不同路段的摩擦系数，取每个路段的多次摩擦系数均值；摩擦系数测量时各路段起点与终点与表面纹理轮廓的各路段起点终点一致；
步骤S3：对经步骤S1测得的表面纹理在设定范围进行频谱分析，计算各路段的构造水平，并对不同路段的构造水平峰值进行对比分析；频谱分析包括防混淆滤波、数字化采样、弃点处理、斜率与偏斜校正、加窗、离散傅里叶变换、功率谱密度分析、恒定百分比带宽转换；其中恒定百分比带宽转换过程中分数倍频带m的纹理能量记作Zp,m；
步骤S4：根据步骤S3计算过程中的纹理能量Zp,m，设定步长和能量变化比例梯度，依次增加步长，设置不同的纹理能量变化量，计算相应能量变化比例对应的构造水平变化量；
步骤S5：以步骤S4中的构造水平变化量为自变量，以步骤S2中测得的摩擦系数为因变量进行相关性分析，求解自变量与因变量的相关系数；
步骤S6：取步骤S5相关系数中的最大值所对应的能量变化比例来确定纹理的特征波长范围。
进一步的，步骤S1测量m个不同路段的表面纹理轮廓，m为自然数，每个路段路面纹理测量2次，计算时选取左轮迹带处测量的表面纹理轮廓数据，取2次测量结果的平均值作为该测量路段的测量结果。
进一步的，步骤S2测量m个不同路段的摩擦系数；每个路段测量3次，取3次的平均值作为该测量路段的摩擦系数。
进一步的，步骤S3中计算经步骤S1测得的表面纹理轮廓在2.5—1000mm范围内的构造水平谱，对不同路段的构造水平峰值进行对比分析。
进一步的，步骤S4：根据步骤S2计算过程中的纹理能量Zp,m，以0.05为步长，能量变化比例梯度为0.1～1，依次增加步长。
进一步的，步骤S5中以能量变化比例为横坐标，以相关系数为纵坐标，绘制二者的关系图。
进一步的，步骤S6根据步骤S5所得的表征构造水平能量变化情况与摩擦系数相关性的关系图，取相关系数中的最大值所对应的能量变化比例来确定纹理的特征波长范围。
进一步的，步骤S6中，当能量变化比例为0.3左右时，对应构造水平变化量减少5dB，相关系数能达到最大，即纹理构造水平下降5dB的路面纹理特征构造水平Ltx,5dB作为摩擦系数的预测指标，下标tx,5dB表示表面轮廓线的分数倍频带5dB的值。
进一步的，在步骤S6后的增加验证步骤S7：建立经步骤S6确定的特征构造水平范围参数与步骤S2测得摩擦系数的线性关系，当两者的拟合优度达到设定拟合优度值时表明相关性成立，能够使用该纹理特征波长范围作为参数指标对摩擦系数进行预测。
进一步的，步骤S7中建立经步骤S6确定的特征构造水平范围指标与步骤S2测得摩擦系数的线性关系，两者的拟合优度达到0.6019时具有线性相关性，说明能够使用该纹理特征波长范围作为参数指标对摩擦系数进行预测。
由此，本发明基于特征波长范围进行摩擦系数的预测，首先依据某一步长设置不同的纹理能量变化量，计算相应能量变化比例对应的构造水平变化量。然后以一定波长下构造水平变化量为自变量，以摩擦系数为因变量，求解构造水平与摩擦系数之间的相关系数，依次增加步长，取不同的能量变化比例，得到对应的相关系数。相关系数中的最大值所对应的能量变化比例或构造水平变化量，即可确定纹理的特征波长范围。此法建立了摩擦系数与该指标的线性关系，两者的拟合优度达到设定值，具有一定的线性相关性，可以根据纹理特征波长范围作为评价指标对摩擦系数进行预测。由此使得预测精度高，与路面实际情况相符。
附图说明
图1为各测量路段的构造水平曲线图；
图2为本发明确定特征波长范围流程图；
图3为构造水平能量变化比例与摩擦系数的相关性关系图；
图4为路面纹理特征构造水平Ltx,5dB与摩擦系数的相关性关系图。
具体实施方式
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图1-4做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实例提供了一种基于摩擦系数的纹理特征波长范围确定方法，包括如下步骤：
步骤S1：测试多个不同路段的表面纹理轮廓，取多次表面纹理轮廓测量的均值。采用路面纹理测量***(如瑞典国家道路与运输研究所(VTI)的路面纹理测试车、加拿大Roadware公司的ARAN多功能道路测试车)实地测量22个不同路段的表面纹理轮廓，测量速度为50km/h，测量的精度为1mm。测试时每个路段路面纹理测量2次，计算时选取左轮迹带处测量的纹理数据，取2次测量结果的平均值。
步骤S2：测试多个不同路段的摩擦系数，取每个路段的多次摩擦系数均值。摩擦系数测量时起点与终点与表面纹理轮廓的起点终点一致。采用道路摩擦系数测试车(如瑞典国家道路与运输研究所拥有的Saab摩擦系数测试车)分别测量上述22个路段的摩擦系数。摩擦系数测量时，测量速度为70km/h，每个路段测量3次，取3次的平均值作为该测量路段的摩擦系数。测量路面信息摘取部分记录在表格1中。
步骤S3：对经步骤S1测得的表面纹理在2.5—1000mm范围进行频谱分析，包括防混淆滤波、数字化采样、弃点处理、斜率与偏斜校正、加窗、离散傅里叶变换、功率谱密度分析、恒定百分比带宽转换，其中恒定百分比带宽转换过程中分数倍频带m的能量记作Zp,m，计算各测量路段的构造水平见附图1，，其中(a)SMA4-16N、(b)SMA4-16S、(c)SMA3-16W、(d)SMA3-16E、(e)SMA5-13N、(f)SMA5-13S、(g)SMA6-13W、(h)SMA6-13E等分别代表不同的测试路段(参见表1)，图中横坐标表示波长，纵坐标表示路面构造水平；图中所示表示曲线点形状的1、2、3、4、5数字代表某一测量路段内根据摩擦系数分成的不同段，对不同路段的构造水平峰值分析，路面构造水平谱在某一确定水平波长范围内呈现较为明显的峰值，整体表现出一定的聚集性。图1(a)表示编号为SMA4路段N方向的测量结果，测量长度290-307m，路面使用年限2个月，SMA16是路面类型的一种，属于中粒式沥青玛蹄脂碎石混凝土路面；图1(b)对应表格1测量路面信息中SMA4编号路段S方向，图1(c)、(d)对应表格1中SMA3编号路段W、E方向，路面类型为SMA13细粒式沥青玛蹄脂碎石混凝土路面；图1(e)、(f)分别对应表1中SMA5编号路段的N、S方向，图1(g)、(h)分别对应表1中SMA6编号路段的W、E方向，图中1、2、3、4、5数字代表该测量路段内根据摩擦系数分成的不同段。
表1测量路面信息
Figure BDA0002188562790000061
步骤S4：根据步骤S3计算过程中的纹理能量Zp,m，以0.05为步长，能量变化比例梯度为0.1—1，依次增加步长，设置不同的纹理能量变化量，计算相应能量变化比例对应的构造水平变化量。
步骤S5：以步骤S4中的构造水平变化量为自变量，以步骤S2中测得的摩擦系数为因变量，求解自变量与因变量的相关系数，以能量变化比例为横坐标，以相关系数为纵坐标，绘制二者的相关性关系图如图3所示。
步骤S6：根据步骤S5所得的表征构造水平能量变化情况与摩擦系数相关性关系图图3，取相关系数中的最大值所对应的能量变化比例来确定纹理的特征波长范围。由图3的相关曲线可知，当能量变化比例为0.3左右时(30％的能量减少量，对应构造水平减少5dB)，相关系数能达到最大。故推荐使用纹理构造水平下降5dB的特征构造水平范围用Ltx,5dB作为摩擦系数的预测指标。
可选择的在步骤S6后可以利用步骤S7进行验证。
步骤S7：建立经步骤S6确定的特征构造水平范围指标与步骤S2测得摩擦系数的线性关系，如图4所示，横坐标为特征构造水平范围，纵坐标为摩擦系数，两者的拟合优度达到0.6019，具有一定的线性相关性，说明可以根据纹理特征波长范围作为评价指标对摩擦系数进行预测。

Claims (8)

1.一种基于摩擦系数的纹理特征波长范围确定方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1：测试多个不同路段的表面纹理轮廓，取多次表面纹理轮廓测量的均值；
步骤S2：测试上述多个不同路段的摩擦系数，取每个路段的多次摩擦系数均值；摩擦系数测量时各路段起点与终点与表面纹理轮廓的各路段起点终点一致；
步骤S3：对经步骤S1测得的表面纹理在设定范围进行频谱分析，计算各路段的构造水平，并对不同路段的构造水平峰值进行对比分析；频谱分析包括防混淆滤波、数字化采样、弃点处理、斜率与偏斜校正、加窗、离散傅里叶变换、功率谱密度分析、恒定百分比带宽转换；其中恒定百分比带宽转换过程中分数倍频带m的纹理能量记作Zp,m；
步骤S4：根据步骤S3计算过程中的纹理能量Zp,m，设定步长和能量变化比例梯度，依次增加步长，设置不同的纹理能量变化量，计算相应能量变化比例对应的构造水平变化量；
步骤S5：以步骤S4中的构造水平变化量为自变量，以步骤S2中测得的摩擦系数为因变量进行相关性分析，求解自变量与因变量的相关系数；以能量变化比例为横坐标，以相关系数为纵坐标，绘制二者的关系图；
步骤S6：取步骤S5相关系数中的最大值所对应的能量变化比例来确定纹理的特征波长范围：根据步骤S5所得的表征构造水平能量变化情况与摩擦系数相关性的关系图，取相关系数中的最大值所对应的能量变化比例来确定纹理的特征波长范围。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦系数的纹理特征波长范围确定方法，其特征在于步骤S1测量m个不同路段的表面纹理轮廓，m为自然数，每个路段路面纹理测量2次，计算时选取左轮迹带处测量的表面纹理轮廓数据，取2次测量结果的平均值作为该测量路段的测量结果。
3.根据权利要求1所述的基于摩擦系数的纹理特征波长范围确定方法，其特征在于步骤S2测量m个不同路段的摩擦系数；每个路段测量3次，取3次的平均值作为该测量路段的摩擦系数。
4.根据权利要求1所述的基于摩擦系数的纹理特征波长范围确定方法，其特征在于步骤S3中计算经步骤S1测得的表面纹理轮廓在2.5—1000mm范围内的构造水平谱，对不同路段的构造水平峰值进行对比分析。
5.根据权利要求1所述的基于摩擦系数的纹理特征波长范围确定方法，其特征在于步骤S4：根据步骤S2计算过程中的纹理能量Zp,m，以0.05为步长，能量变化比例梯度为0.1～1，依次增加步长。
6.根据权利要求1所述的基于摩擦系数的纹理特征波长范围确定方法，其特征在于步骤S6中，当能量变化比例为0.3左右时，对应构造水平变化量减少5dB，相关系数能达到最大，即纹理构造水平下降5dB的路面纹理特征构造水平Ltx,5dB作为摩擦系数的预测指标，下标tx,5dB表示表面轮廓线的分数倍频带5dB的值。
7.根据权利要求1所述的基于摩擦系数的纹理特征波长范围确定方法，其特征在于在步骤S6后的增加验证步骤S7：建立经步骤S6确定的特征构造水平范围参数与步骤S2测得摩擦系数的线性关系，当两者的拟合优度达到设定拟合优度值时表明相关性成立，能够使用该纹理特征波长范围作为参数指标对摩擦系数进行预测。
8.根据权利要求7所述的基于摩擦系数的纹理特征波长范围确定方法，其特征在于步骤S7中建立经步骤S6确定的特征构造水平范围指标与步骤S2测得摩擦系数的线性关系，两者的拟合优度达到0.6019时具有线性相关性，说明能够使用该纹理特征波长范围作为参数指标对摩擦系数进行预测。
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