CN114662193B - 基于多源数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法 - Google Patents

基于多源数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多源数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法，该方法包含如下步骤：1)归纳具有振动能量回收功能的减速带性能评价影响因素；2)定义具有振动能量回收功能的减速带性能评价指标；3)标准归一化；4)基于多源指标数据融合方法进行熵值法处理，获得指标权重；5)线性加权法确定各方案综合评价值。本发明提供了一种基于多源数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法，为具有振动能量回收功能减速带的结构设计与性能评价提供方法指导。

Description

基于多源数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法
技术领域
本发明属于减速带领域，尤其是对于具有振动能量回收功能的减速带性能评价。本发明涉及一种多源指标数据融合技术，特指一种基于多源指标数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法。
背景技术
减速带是一种常见的交通减速装置，其利用车辆的垂直位移引起驾驶员不舒适来减慢其速度，以提高交通安全，减少交通安全事故的发生。针对汽车通过减速装置时振动能量被大量浪费的情况，具有振动振动能量回收功能的减速带***被提出，在起到为车辆减速的作用同时，把车辆通过减速带浪费掉的能量加以回收和再利用。
近年来，具有振动能量回收功能的减速带成为减速带研究领域的焦点。中国专利CN202111362487.4公开了一种钢板弹簧拉绳式发电减速带，通过减速组件和发电组件在实现减速作用的同时做到了电能回收，符合现代交通道路低碳环保、能源节约循环利用的理念。但是目前对于减速带振动能量回收***的设计研究更多停留在理论分析阶段，没有形成完善的评价标准，无法更好地指导减速带***的设计，减速带振动能量回收***性能有待进一步提高。
多源指标数据融合是通过对多来源、多形式的指标数据采取熵值法进行处理，以实现对综合信息的充分利用。采用多源指标数据融合技术可以使理论研究数据与现场试验数据相结合，扩大数据量，有利于实现更高的设计方法可信度。多源指标数据融合可以结合前期收集的减速带相关理论数据和少量现场试验数据进行统计和总结，从而提高设计的验证精度，实现理论与实际的结合与统一。
发明内容
基于上述原因，本发明提供了基于多源数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法，归纳并定义了具有振动能量回收功能减速带的评价影响因素和指标，确定不同评价指标权重与归一化处理方法，建立具有振动能量回收功能减速带的评价体系。
为达成上述目的，本方案所采用的技术方案为：基于多源数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法，包括以下步骤：步骤1)：归纳具有振动能量回收功能的减速带性能评价影响因素；步骤2)：定义具有振动能量回收功能的减速带性能评价指标；步骤3)：标准归一化；步骤4)：基于多源指标数据融合方法进行熵值法处理，获得指标权重；步骤5)：利用线性加权法确定综合评价值。
进一步地，其中步骤1)具体为：从控速效果、行驶安全性、环保效果、集能效率和经济性五个指标评价具有振动能量回收功能的减速带性能；
其中，控速效果指减速带对车辆速度的限制效果，行驶安全性指避免车辆通过减速带时因车轮与减速带表面接触力过小而发生失控的性能，环保效果指防止车辆通过减速带时发生跳车导致车轮强烈冲击地面而引发噪声等环境问题的性能，集能效率指汽车驶过减速带时，其振动能量转换为电能的效率；经济性指减速带投入道路使用后可以带来经济回报的能力。
进一步地，其中步骤2)具体为：定义具有振动能量回收功能的减速带性能评价指标，包括：
步骤2.1)：选取车身垂直方向急动度(加加速度)峰值Pj作为减速带控速效果的评价指标；
车身垂直方向急动度j为：
j＝-ω3Acos(ωt-φ)
其中，A为车辆车轮轴荷振幅，w为***频率；ω3A为车身垂直方向急动度峰值Pj；
车身垂直方向急动度峰值Pj由减速带的高度、频率比、阻尼比决定，急动度峰值Pj越大，驾驶员舒适性越差，减速带控速效果越好。
步骤2.2)：选取轮荷冲击系数kL作为减速带行驶安全性的评价指标；
轮荷冲击系数kL为车轮最大动载荷Fd max与静载荷Fj之比；
当车辆前轮通过减速带时，此时的前轮最大动载荷为：
Fd max＝mfqaf+mhqah
其中，mfq为非簧载质量分配到前轮的质量，af为车辆非簧载质量的加速度，mgq为簧载质量分配到前轮的质量，ah为车辆簧载质量的加速度；
轮荷冲击系数kL大小取决于车轮最大动载荷，车轮最大动载荷越大，轮荷冲击系数kL越大，减速带的行驶安全性越差；另外，kL一般取值小于2，以防车辆失控。
步骤2.3)：选取减速带限速期望值v0作为减速带环保效果的评价指标；
减速带限速期望值v0为：
其中，s为减速带宽度，h为减速带高度。
步骤2.4)：选取振动能量回收效能ηt作为减速带集能效率的评价指标；
减速带***的振动能量回收效能ηt为：
ηt＝ηhηzηd
其中，ηh为换能器的能量转化效率；ηz为换能器收集得到的能量转化成机械能的转化效率；ηd为发电机的效率；
振动能量回收效能越大，减速带***回收的振动能量越多，减速带集能效率越好。
步骤2.5)：选取投资回收期Ty作为减速带经济性的评价指标；
投资回收期Ty为：
其中，S为减速带***的成本即购置以及加工减速带***各元件的费用之和，Cj为减速带全年回收的电能源价值，Sn为减速带***各元件购入与加工价格，pt为电能源单价，Pout为减速带振动能量回收***的发电机在时间区间[t1,t2]内的输出功率；
投资回收期Ty值越小，减速带投资回收期越短，其经济性越好。
进一步地，其中步骤3)具体为对各评价指标数据进行标准归一化处理，即将数据转化成量纲为一、同级的标准数据，包括：
极大型指标数据转换：
极小型指标数据转换：
点型指标数据转换：
其中，i为方案序号，j为方案中的指标序号，dij为原始数据，μij为标准数据，Mj、mj分别为第j项指标的最大值和最小值，l为理想数据点的值；极大型指标为数值越大越优，极小型指标为数值越小越佳；
车身垂直方向急动度峰值Pj、振动振动能量回收效能ηt进行极大型指标数据转换；轮荷冲击系数kL、投资回收期Ty进行极小型指标数据转换；限速期望值v0在确定当前道路目标限速后进行点型指标数据转换。
进一步地，其中步骤4)具体为：基于多源指标数据融合方法进行熵值法处理，获得指标权重，包括：
步骤4.1)：将标准数据μij转化为比重Pij：
其中，a为方案个数，b为指标个数，μij为a×b矩阵；
步骤4.2)：计算各指标的熵值ej：
其中，常数k与样本数有关，k＝1/lna，0≤ej≤1。
步骤4.3)：推算权重Wj：
W′j＝1-ej
进一步地，其中步骤5)具体为：利用线性加权法确定各方案综合评价值Ei：
其中，Wj为指标j的权重，μij为标准数据，Ei为第i种方案的综合评价值，综合评价值越大，则基于此方案设计的具有振动能量回收功能减速带性能越好。
本发明的有益效果是：本发明基于多源指标数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法，归纳具有振动能量回收功能的减速带性能评价影响因素，定义振动能量回收减速带性能评价指标，进行指标数据的标准归一化，通过熵值法获得指标权重，利用线性加权法确定各方案综合评价值。本发明基于多源指标数据融合建立具有振动能量回收功能减速带的先进性能评价体系，为具有振动能量回收功能减速带的结构设计与性能评价提供方法指导，更好地指导减速带***的设计，进一步完善道路减速带的功能，提升公共基础设施的能量回收水平，为振动能量回收减速带的实际应用提供理论基础。
附图说明
图1为基于多源数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法流程图；
图2为车辆前轮通过减速带简图；
图3为车辆通过减速带最高点简图；
图4为基于多源指标数据融合方法的具有振动能量回收功能的减速带性能评价步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实例对本发明作进一步地说明，但本发明的保护范围不限于此。
图1为基于多源数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法流程图；图2为车辆前轮通过减速带简图；图3为车辆通过减速带最高点简图；图4为基于多源指标数据融合方法的具有振动能量回收功能的减速带性能评价步骤流程图。
如图1所示，本发明的基于多源指标数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法包括以下步骤：
步骤1)：归纳具有振动能量回收功能的减速带性能评价影响因素；
步骤2)：定义具有振动能量回收功能的减速带性能评价指标；
步骤3)：标准归一化；
步骤4)：基于多源指标数据融合方法进行熵值法处理，获得指标权重；
步骤5)：利用线性加权法确定综合评价值；
其中，步骤1)中从控速效果、行驶安全性、环保效果、集能效率和经济性五个指标评价具有振动能量回收功能的减速带性能；
其中，控速效果指减速带对车辆速度的限制效果，行驶安全性指避免车辆通过减速带时因车轮与减速带表面接触力过小而发生失控的性能，环保效果指防止车辆通过减速带时发生跳车导致车轮强烈冲击地面而引发噪声等环境问题的性能，集能效率指汽车驶过减速带时，其振动能量转换为电能的效率；经济性指减速带投入道路使用后可以带来经济回报的能力。
其中，步骤2)具体为：定义具有振动能量回收功能的减速带性能评价指标，包括：
步骤2.1)：选取车身垂直方向急动度(加加速度)峰值Pj作为减速带控速效果的评价指标；
如图2所示，将车辆简化为单质量***，可得其前轮的振动方程与路面不平度时域表达式：
q＝h sin ωt
其中：m为车身质量，c为车辆减振器阻尼系数，k为车辆减振器弹簧刚度，z为车身垂直方向位移，q为路面不平度，h为减速带高度；
联立上述两式，得
当车辆刚驶上减速带时，z(0)＝0，对上式求解并简化可得：
其中，A为车辆车轮轴荷振幅，λ为***的频率比，ξ为***的阻尼比，/>
车辆通过减速带时车身垂直方向加速度a可表示为：
a＝-ω2Asin(ωt-φ)
车身垂直方向急动度j为：
j＝-ω3Acos(ωt-φ)
其中，w为车轮振动频率，w0为减速带***固有频率，w 3A为车身垂直方向急动度峰值Pj；
车身垂直方向急动度峰值Pj由减速带的高度、频率比、阻尼比决定，通过对这三个参数的调整，实现对车辆速度的限制。
减速带的控速效果对其高度h的变化更敏感。
急动度峰值Pj越大，驾驶员舒适性越差，减速带控速效果越好。
步骤2.2)：选取轮荷冲击系数kL作为减速带行驶安全性的评价指标；
轮荷冲击系数kL为车轮最大动载荷Fd max与静载荷Fj之比,可表示为；
当车辆前轮通过减速带时，此时的前轮最大动载荷为：
Fd max＝mfqaf+mhqah
前轮轮荷冲击系数kL可表示为：
其中，mfq为非簧载质量分配到前轮的质量，af为车辆非簧载质量的加速度，mgq为簧载质量分配到前轮的质量，ah为车辆簧载质量的加速度；
轮荷冲击系数kL大小取决于车轮最大动载荷，车轮最大动载荷越大，轮荷冲击系数kL越大，减速带的行驶安全性越差；
kL一般取值小于2，以防车辆失控。
步骤2.3)：选取减速带限速期望值v0作为减速带环保效果的评价指标；
如图3所示，对于高度为h，宽度为s的减速带，可以用正弦函数拟合成：
此时车辆发生跳车时受重力自由落下的高度yg可表示为：
其中，t0为车辆从减速带最高点跳至地面所用时间；
在t0时间内车辆沿减速带外轮廓表面滚下而下降的高度ys可表示为：
若发生跳车现象，此时yg和ys满足以下关系：
若发生跳车现象，由上式可知，此时车辆发生跳车时受重力自由落下的高度yg和车辆沿减速带外轮廓表面滚下而下降的高度ys满足以下关系：
减速带限速期望值v0可表示为：
减速带的限速期望值与减速带宽度的平方成正比，与高度成反比。因此，进行减速带尺寸设计时，可以根据当前所需限速的大小来调整相应的宽度和高度，尽可能的使车辆避免发生跳车现象，进而大大减小车辆冲击地面带来的噪声，达到环保的目的。
步骤2.4)：选取振动能量回收效能ηt作为减速带集能效率的评价指标；
减速带***的振动能量回收效能ηt可表示为：
ηt＝ηhηzηd
其中，ηh为换能器的能量转化效率；ηz为换能器收集得到的能量转化成机械能的转化效率；ηd为发电机的效率；
振动能量回收效能越大，减速带***回收的振动能量越多，减速带集能效率越好。
步骤2.5)：选取投资回收期Ty作为减速带经济性的评价指标；
投资回收期Ty为设备投资费用除以回收的电能源价值，可表示为：
其中，S为减速带***的成本即购置以及加工减速带***各元件的费用之和，Cj为减速带全年回收的电能源价值，Sn为减速带***各元件购入与加工价格，pt为电能源单价，Pout为减速带振动能量回收***的发电机在时间区间[t1,t2]内的输出功率；
投资回收期Ty值越小，减速带投资回收期越短，其经济性越好。
进一步地，其中步骤3)具体为对各评价指标数据进行标准归一化处理，即将数据转化成量纲为一、同级的标准数据，包括：
极大型指标数据转换：
极小型指标数据转换：
点型指标数据转换：
其中，i为方案序号，j为方案中的指标序号，dij为原始数据，μij为标准数据，Mj、mj分别为第j项指标的最大值和最小值，l为理想数据点的值；极大型指标为数值越大越优，极小型指标为数值越小越佳；
车身垂直方向急动度峰值Pj、振动振动能量回收效能ηt进行极大型指标数据转换；轮荷冲击系数kL、投资回收期Ty进行极小型指标数据转换；限速期望值v0在确定当前道路目标限速后进行点型指标数据转换。
进一步地，其中步骤4)具体为：基于多源指标数据融合方法进行熵值法处理，获得指标权重，包括：
步骤4.1)：将标准数据μij转化为比重Pij：
其中，a为方案个数，b为指标个数，μij为a×b矩阵；
步骤4.2)：计算各指标的熵值ej：
其中，常数k与样本数有关，k＝1/lna，0≤ej≤1。
步骤4.3)：推算权重Wj：
W′j＝1-ej
进一步地，其中步骤5)具体为：利用线性加权法确定各方案综合评价值Ei：
其中，Wj为指标j的权重，μij为标准数据；
综合评价值越大，则基于此方案设计的具有振动能量回收功能减速带性能越好。
以上结果表明，本发明方法可为具有振动能量回收功能减速带的结构设计与性能评价提供方法指导，为振动能量回收减速带的实际应用提供理论基础。
所述实施例为本发明的优选实施方式，但本发明并不限于此实施方式，在不背离本发明实质内容的情况下，本领域技术人员进行的修改、变形和替换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于多源数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法，包括以下步骤：
步骤1)：归纳具有振动能量回收功能的减速带性能评价影响因素；具体从控速效果、行驶安全性、环保效果、集能效率和经济性五个指标评价具有振动能量回收功能的减速带性能；
其中，控速效果指减速带对车辆速度的限制效果；行驶安全性指避免车辆通过减速带时因车轮与减速带表面接触力过小而发生失控的性能；环保效果指防止车辆通过减速带时发生跳车导致车轮强烈冲击地面而引发噪声等环境问题的性能；集能效率指汽车驶过减速带时，其振动能量转换为电能的效率；经济性指减速带投入道路使用后可以带来经济回报的能力；
步骤2)：定义具有振动能量回收功能的减速带性能评价指标；
步骤3)：评价指标标准归一化；
步骤4)：基于多源指标数据融合方法进行熵值法处理，计算各指标权重；
步骤5)：利用线性加权法确定综合评价值。
2.如权利要求1所述的基于多源数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法，其特征在于，其中步骤2)具体包括：
步骤2.1)：选取车身垂直方向急动度峰值Pj作为减速带控速效果的评价指标；
车辆通过减速带时车身垂直方向加速度a表示为：
a＝-ω2Asin(ωt-φ)
车身垂直方向急动度j为：
j＝-ω3Acos(ωt-φ)
其中，A为车辆车轮轴荷振幅，h为减速带高度，λ为***的频率比,ξ为***的阻尼比,w为车轮振动频率，w0为减速带***固有频率，c为车辆减振器阻尼系数，k为车辆减振器弹簧刚度，w 3A为车身垂直方向急动度峰值Pj；
车身垂直方向急动度峰值Pj由减速带的高度、频率比、阻尼比决定；
步骤2.2)：选取轮荷冲击系数kL作为减速带行驶安全性的评价指标；
轮荷冲击系数kL为车轮最大动载荷Fdmax与静载荷Fj之比；
当车辆前轮通过减速带时，此时的前轮最大动载荷为：
Fdmax＝mfqaf+mhqah
其中，mfq为非簧载质量分配到前轮的质量，af为车辆非簧载质量的加速度，mgq为簧载质量分配到前轮的质量，ah为车辆簧载质量的加速度；
轮荷冲击系数kL大小取决于车轮最大动载荷；kL取值小于2；
步骤2.3)：选取减速带限速期望值v0作为减速带环保效果的评价指标；
减速带限速期望值v0为：
其中，s为减速带宽度，h为减速带高度；
步骤2.4)：选取振动能量回收效能ηt作为减速带集能效率的评价指标；
减速带***的振动能量回收效能ηt为：
ηt＝ηhηzηd
其中，ηh为换能器的能量转化效率；ηz为换能器收集得到的能量转化成机械能的转化效率；ηd为发电机的效率；
步骤2.5)：选取投资回收期Ty作为减速带经济性的评价指标；
投资回收期Ty为：
其中，S为减速带***的成本即购置以及加工减速带***各元件的费用之和，Cj为减速带全年回收的电能源价值，Sn为减速带***各元件购入与加工价格，pt为电能源单价，Pout为减速带振动能量回收***的发电机在时间区间[t1,t2]内的输出功率。
3.如权利要求1所述的基于多源数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法，其特征在于，其中步骤3)具体为对各评价指标数据进行标准归一化处理，即将数据转化成量纲为一、同级的标准数据，包括：
极大型指标数据转换：
极小型指标数据转换：
点型指标数据转换：
其中，i为方案序号，j为方案中的指标序号，dij为原始数据，μij为标准数据，Mj、mj分别为第j项指标的最大值和最小值，l为理想数据点的值；极大型指标为数值越大越优，极小型指标为数值越小越佳；
车身垂直方向急动度峰值Pj、振动振动能量回收效能ηt进行极大型指标数据转换；轮荷冲击系数kL、投资回收期Ty进行极小型指标数据转换；限速期望值v0在确定当前道路目标限速后进行点型指标数据转换。
4.如权利要求1所述的基于多源数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法，其特征在于，其中步骤4)具体为：基于多源指标数据融合方法进行熵值法处理，获得指标权重，包括：
步骤4.1)：将标准数据μij转化为比重Pij：
其中，a为方案个数，b为指标个数，μij为a×b矩阵；
步骤4.2)：计算各指标的熵值ej：
其中，常数k与样本数有关，k＝1/lna，0≤ej≤1；
步骤4.3)：推算权重Wj：
W′j＝1-ej
5.如权利要求1所述的基于多源数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法，其特征在于，其中步骤5)具体为：利用线性加权法确定各方案综合评价值Ei：
其中，Wj为指标j的权重，μij为标准数据。
6.如权利要求4所述的基于多源数据融合的减速带振动能量回收性能评价方法，其特征在于，基于多源指标数据融合，通过对多来源、多形式的指标数据采取熵值法进行处理，以对综合信息的充分利用；通过使理论研究数据与现场试验数据相结合，扩大数据量，以提高设计方法可信度；结合前期收集的减速带相关理论数据和少量现场试验数据进行统计和总结，提高设计的验证精度。
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