公路路面驾乘舒适性评价研究【推荐论文】.doc

公路路面驾乘舒适性评价研究张金喜，王锋（北京工业大学，交通工程北京市重点实验室，北京，100124）5摘要：基于加权加速度均方根值和人体舒适性的关系，研究不同磨擦系数、不同平整度、不 同速度下的加速度和人体主观感受。对室外沥青混凝土普通公路路段和室内驾驶模拟舱所 测得的大量数据进行统计分析，得到在一定的磨擦系数条件下的平整度、速度和加速度的 关系，归纳出反映驾乘人员舒适性的回归方程，并给出了在满足驾乘舒适性的条件下，最10大行车速度和路面平整度之间的关系，为工程应用提供了重要参考依据。关键词：道路工程;公路路面;驾乘舒适性;加权加速度均方根;最大行驶速度中图分类号：U491Research on Evaluation of Riding Comfort for the Highway15PavementZHANG Jinxi, WANG Feng(Beijing Key Laboratory of Transportation Engineering, Beijing University of Technology,Beijing 100124)Abstract: Basing on the relationship between mean square of weight acceleration and human body20comfort, the paper conducts a research on the correlation between acceleration and humans subject feeling in the context of different friction coefficient, roughness and speed. Firstly, the writers made a regression analysis basing on a great amount of data from driving simulator and surveys on general asphalt pavements. Then the relationship between roughness, speed and acceleration under fixed friction coefficient was figured out. At last, a regression function which25reflects the drivers riding comfort was established; meeting the riding comfort of a driver, thefunction indicates the relationship between the maximum driving speed and roughness of asphalt pavement. This research can provide a reference for the practical project.Key words: road engineering; highway pavement; riding comfort; mean square of weighed acceleration; maximum driving speed300引言道路条件、车辆条件、路侧环境条件通过行驶中的汽车加速度、速度、振动等因素作用 于人体，使驾乘人员形成的某种心理、生理上的主观感觉称为驾乘舒适性。由上述定义可知 驾乘舒适性是驾乘人员心理生理上的主观感觉，其舒适性可以利用驾乘人员所感受到的振动35加速度作为舒适性评价指标。汽车以一定的速度在路面上行驶时，车体振动主要由两方面产 生：一方面由发动机传动系统的振动引起的，其振动频率较高，对人体舒适性影响较小；另 一方面是由于公路路面的不平整，以及车辙、线形、车辆制动引起的，这种振动频率多在 l20Hz，乘客振动舒适性主要受它的影响1。 驾乘人员的舒适性主要取决于其在行驶的汽车内所承受的总的加速度，这种加速度是由40沿汽车行驶方向（X 向）、汽车左右方向（Y 向）和垂直于座椅方向（Z 向）三个方向的加 速度所决定的，根据国际标准：人体承受全身振动的评价指南（ISO2631-1: 1997）2，这种 评定人体舒适性的总加速度称为“加速度加权均方根”，其计算公式如式(1)所示：基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目（项目编号：20091103110008）作者简介：张金喜(1965-),男,教授,主要研究方向:道路工程材料,道路交通安全. E-mail: zhangjinxia =(1.4a)2 + (1.4a)2 + a 2(1)加速度加权均方根w xw yw zw45-x（纵向）、y（竖向）、z（横向）轴的加速度均方根 同时指南还规定了加速度加权均方根值和人体舒适性主观感受、舒适度的对应关系，如表 1 所示。表 1 加速度、主观感受、驾驶舒适性相关表Table 1 Relation between acceleration and subjective sensitivity and drive comfortableaw（m/s2）<0.3150.3150.630.51.00.81.61.252.5>2.0主观感受没有不舒服一些比较不舒服很不舒服极不舒服舒适度1.00.80.60.40.2050随着人们生活水平的提高，对驾乘舒适性也提出了更高的要求。但是，驾乘舒适性方面的研究并不深入。首先，驾乘安全性和舒适性相比，人们首先会考虑安全性问题，如我国 对道路路线设计方面的很多研究基本上都是出于安全性考虑的3,4；其次，影响驾乘舒适性 的原因很多，如果把人、车、路和环境全部考虑进来进行研究，将很难对各个因素进行量化， 解决上述问题涉及到比较复杂的车辆5,6,7 和路面模型，国内外的研究人员虽经过长期的努55力，但目前仍没有提出比较科学合理的解决方法，往往仅考虑单一因素8,9,10；再次，舒适 性很难进行量化，给研究带来一定的困难，研究者主要通过主观评价的方法来进行简单的定 量研究。该文研究核心是如何设计合理的实验，把路面以外的其它影响驾乘舒适性的因素隔离出 来，在测得室外及室内实验数据的基础上，用精确的数学方法描述路面各主要因素对驾乘舒60适性的影响，并建立二者定量的数学关系，进而为道路建设、道路维护、道路路面建设质量 评价等提供可靠的借鉴和参考。1实验方案设计1.1实验设备室外实验设备包括实验车、多功能激光路况检测仪、动态磨擦系数测试仪和振动加速度65测试仪器（主要包括座垫式三轴向加速度计、信号调理器、信号采集仪和 E-TsetLab 信号分 析软件系统）；室内设备主要包括驾驶模拟舱（模拟真实路面的情况和驾乘人员的心生理感 受）和振动加速度度测试仪。实验设备及试验场景如图 1 和图 2 所示。a)多功能激光路况检测仪和实验车b)动态磨擦系数测试仪c)振动加速度测试仪70图 1 室外实验设备Fig.1 Outdoor experiment equipmenta)驾驶模拟舱b) 振动加速度测试仪c)实验场景75图 2 室内实验设备Fig.2 Indoor experiment equipment1.2实验方案808590951001051.2.1室外实验方案（1）实验道路选择 所选道路为北京通州、大兴和房山地区的普通公路，包括国道、省道、县道和乡道共92 条，道路要求平直，纵坡不大于 1%，路面干燥；以最内侧车道作为主要检测车道；选择交 通量较小的时段进行测试；同一路段平整度均匀无突变，不同试验路段平整度有明显差异； 试验路段长度不小于 3km，两端有 30-50m 的稳速段；所选道路两侧景物基本一致。（2）实验车速 为了保证驾乘人员的安全，考虑外界非处理因素的影响，并便于方便比较实验数据结果，要求本实验车速不能过大也不能过小，同时也要求满足前后车速应该有一定的梯度，因此，试验车速选择 30、50、70kmh；实验时要求匀速行驶，控制车速偏差为试验车速的±4%。（3）实验汽车状况 以载人小汽车作为研究对象，且不大于七座，而载货汽车主要以运送货物为主，不在本研究的范围之内。考虑到在对舒适性进行实验的同时，需要在车上悬挂仪器测量一系列的道 路特征参数，因此，本实验采用北京吉普小汽车作为试验车。（4）实验人员驾驶员：年龄在 2545 之间，拥有 3 年以上驾龄，技术熟练且身体健康的男性；乘客： 年龄在 2545 之间，不晕车，身体健康。（5）实验测试数据 测试数据包括：多功能激光路况检测仪测试实验车的车速和道路路面的平整度、动态磨擦系数测试仪测试动态磨擦系数、振动加速度测试仪测试每段道路乘客的加速度、人工方法 测试路面破损度。1.2.2室内实验方案（1）模拟路面平整度、磨擦系数及实验车速的设定 由于一般的实际路面状态都是十分复杂的随机波形，在国际刊物和出版的论文专著中，很多学者及研究人员提出用波形函数来描述不平整道路的路面，特别是美国的 MW.Syaers 在其论文中提出了用正弦函数表征不平整的路面，长安大学宋永刚在对道路平整度研究时也 用此方法进行阐述11,12。其平整度 IRI 可以通过国际平整度标准计算程序计算得到13。因此 在路面波形的分析中最简单的方法是认为路面形状可以用确定性的函数来描述。其方程可以 表示为式(2)。其中： Z y (t) Z (t) = Asin wt = Asin(2p x )y l(2)110115120实际路面距路面设计线的纵向距离（mm）；A 正弦波路面的振幅（mm）；l 正弦波路面的波长（m）。 根据上述思想，实验室路面设计成如图 3 的形式。图 3 实验室路面设计图Fig.3 Laboratory pavement design为了更好的补充路外实验 IRI 分布范围较窄的不足，根据国际道路协会常设委员会（PIARC）对路面波长的划分14，本次实验共设计四种平整度路面，路面振幅为 50mm，波 长分别为 5m、15 m、30 m 和 45 m，分别涵盖了短、中、长波，并使四种路面的平整度在 比较大的范围内分布，四种路面的平整度计算数值如表 2 所示。表 2 路面平整度与实验速度对应表Table 2 Roughness and experimental speed波长/波幅5m/50mm15m/50mm30m/50mm45/50mmIRI（mm/m）75.7711.783.051.35实验车速（km/h）10、20、30、40、50、60、7050、60、70、80、90、100、11040、50、60、70、80、90、10040、60、80、90、100、120、140125130135根据对室外道路动态磨擦系数的调查，0.3<DF<0.5 的路面占整个调查路面的 74.7%，为了能够反映一般的情况，场景中的摩擦系数值设定为 0.4，每种平整度下设定 7 种实验车速， 以弥补室外实验车速过少的不足。驾驶模拟舱场景要求道路平直，道路长度为 8km，路侧环 境单调，稳速行驶时间不少于 3min15。（2）室内驾乘舒适性研究主要研究道路路面性能和驾乘舒适性的相关关系，选取 10 位 25-45 周岁，具有 3 年以 上驾龄、身体健康的男性司机进行实验，实验方法同室外实验。（3）驾驶员主观驾驶舒适性研究 该室内实验主要研究在不同平整度的路面、驾驶员主观感觉舒适的情况下，其自由驾驶速度的大小和变化规律。实验邀请了 10 位驾驶员进行实验，年龄在 2545 岁之间，男性， 身休健康。试验前休息充足，要求驾驶熟练并具有一定的实际道路驾驶经验。路面设计为双 向四车道，道路平直，道路上无其它车辆和行人等任何可能干扰实验车正常行驶的物体，路 侧环境单调。2aw 阙值的确定用加速度 aw 来评价驾乘舒适性时，需要确定舒适及不舒适之间的阙值。由表 1 可以看 出，从舒适到一些不舒适，再到比较不舒服，最后到极不舒服， 加速度 aw 均是一个范围。 图 4 是 aw 的隶属函数关系图，隶属度从 0 到 1 变化，aw 大于 0.315 时，驾乘人员的主观感觉都属于不舒适，但 aw 的值不同，其隶属度也不相同。如： aw Î (0.315, 0.63)时，人体140感觉有一些不舒适，可以认为当 aw=（0.315+0.63）/2=0.4725m/s2 时，其不舒适的感觉发生 的概率最大，即其隶属度最大，离 0.4725 m/s2 越远，其隶属度越小。对于 时，同样如此。 由此二者的交点 N 所对应的横坐标就可以认为是舒适性的阙值，这个阙值的大小为 0.58 m/s2。1453实验结果及分析3.1室外实验结果分析图 4 aw 隶属函数图Fig.4 Subjection function relationships1503.1.1相关性分析运用 SPSS 统计分析软件16，总加权加速度均方根 aw 与 IRI（平整度）、V（速度）、DF（动态磨擦系数）、RDD（道路破损度）四个影响因素的偏相关综合结果如表 3 所示。表 3 aw 与四个影响因素的偏相关综合分析结果Table 3 Correlation analysis results between aw and four factors速度平整度摩擦系数破损度加速度0.7310.8770.179-0.040显著性（双侧）0.0000.0000.0400.570有效数据个数214214214214155160由表 3 的偏相关初步分析结果可知，aw 与 IRI 的关系是最密切的，其次是行车速度和磨擦系数，根据相关性分析，可以大致认为 aw 与 IRI 强相关；aw 与 V 中等相关；aw 与 DF 弱 相关；aw 与 RDD 不相关，在进行逐步回归分析时，DF 和 RDD 都没能进入回归变量中，考 虑调查的实际情况，下面将主要研究 DF 在一定范围内时，aw 与 IRI、V 的关系。3.1.2DF=0.30.5 ，aw 与 IRI、v 关系分析当 DF=0.30.5 时，通过聚类分析，得到 aw 与 IRI、V 对应值，如表 4 所示。表 4 DF=0.30.5 时，aw，IRI、V 对应值Table 4 The value of aw，IRI and V when DF=0.30.5平整度 IRI(mm/m)1.3961.9352.3792.6613.2122.9373.6483.6855.9370.911速度 v(km/h)30303030303030303050aW(m/s2)0.1270.1880.1370.1700.2200.3000.2760.2780.4670.095平整度 IRI(mm/m)1.2771.692.1932.5933.1983.7754.0344.7870.9691.284速度 v(km/h)50505050505050507070aW(m/s2)0.1420.1430.1330.220.2620.2650.5060.7050.1410.206平整度 IRI(mm/m)1.7192.2182.6593.3514.245速度 v(km/h)7070707070aW(m/s2)0.2970.2240.3630.7550.623165170从表 4 可以看出，随着平整度的增大，加速度也随着增大；同样的，加速度也随着速度的增大而增大，因此，可以考虑建立三者之间的线性模型。 两个自变量经过逐步回归过程都进入了回归方程，没有被剔除的变量，回归方程的复判定系数 R2=0.882。方差分析结果表明，当回归方程包含不同的自变量时，其显著性概率值均 小于 0.001，即拒绝回归系数为 0 的原假设。因此，最终的回归方程应该包含这 2 个自变量， 且方程拟合效果很好。表 5 每一步回归过程的统计量及检验结果，回归的第二步确定了方程的偏回归系数及常 数项，假设检验的 t 值均大于 2 或者小于-2，回归的各变量和常数项的检验的 p 值均小于0.005，并且方程各自变量之间不存在共线性。图 5 为加速度的标准化预测值与其学生化残差散点图，从图中可以看到绝大部分的观测 量随机地落在垂直围绕±2 的范围内，预测值与学生化残差之间没有明显的关系，所以回归 方程满足线性与方差齐性的假设，且拟合效果较好，得到三个变量之间的回归方程为式(3).175aw = 0.122IRI + 0.0055v - 0.309表 5 Person 相关关系分析Table 5 Person correlation n analysis(3)模型B值标准误差Beta值t 值p 值1常数项.002.064.033.974平整度.105.021.7184.946.0002常数项-.309.087-3.567.002平整度.122.016.8337.408.000速度.0055.001.4854.311.000图 5 aw 的预测值与学生化残差散点图180Fig. 5 Scatter plot of aw ZPRED and ZRESID3.1.3DF>0.5 ，aw 与 IRI、v 关系分析 同样的，对三者数据进行线性回归，得到回归方程（4），相关系数 R=0.932，判定系数 R2=0.869，调整的判定系数 R2=0.856，可以看出样本的回归效果较好。1853.2室内实验结果分析aw = 0.173IRI + 0.01v - 0.717(4)3.2.1室内驾乘舒适性分析测试 IRI=11.78、3.05 和 1.35mm/m 时的加速度，得到表 6 至表 8 和图 6 至图 11。表 6 当 IRI=11.78 时 v 和 aw 对应表Table 6 Test result of v and aw when IRI=11.78V（km/h）405060708090100aw（m/s2）1.2831.3521.4161.4851.5561.6051.689主观感受不舒服不舒服不舒服不舒服不舒服不舒服很不舒服舒适度0.40.40.40.40.40.40.2190表 7 当 IRI=3.05 时 v 和 aw 对应表Table 7 Test result of v and aw when IRI=3.05V（km/h）5060708090100110aw（m/s2）0.3220.3730.4450.5070.5780.6540.708主观感受一些一些一些一些一些比较比较舒适度0.80.80.80.80.80.60.6表 8 当 IRI=1.35 时 v 和 aw 对应表Table 8 Test result of v and aw when IRI=1.35V（km/h）40608090100120140aw（m/s2）0.070.2060.3350.3870.4320.5650.679主观感受没有没有一些一些一些一些比较舒适度1.01.00.80.80.80.80.6195图 6 IRI=11.78mm/m， aw 和 v 关系图图 7 IRI=3.05mm/m，aw 和 v 关系图Fig.6 Relation between v and aw when IRI=11.78 mm/m Fig.7 Relation between v and aw when IRI=3.05 mm/m200图 8 IRI=1.35mm/m，aw 和 v 关系图图 9 v=80km/h，aw 和 IRI 关系图Fig.8 Relation between v and aw when IRI=1.35mm/mFig.9 Relation between aw and IRI when v=80km/h205图 10 v=90km/h，aw 和 IRI 关系图图 11 v=100km/h，aw 和 IRI 关系图Fig.10 Relation between aw and IRI when v=90km/hFig.11 Relation between aw and IRI when v=100km/h 由表 6-表 8 及图 6-图 11 可知：平整度一定，速度增大，加速度也随着增大，与室外实 验结论相同；尽管室内实验的 IRI 仅有三个值，但是仍然可以看出速度一定，加速度随平整度的增加而增加，与室外实验结论相同；由于室内实验条件比较单一，驾驶员受路面性能以 外的因素影响较小，因此加速度和平整度、加速度和速度的直线关系更为强烈。对三者进行 逐步线性回归可以得到式（5）的线性拟合方程，并通过方程的显著性检验和回归系数的显 著性检验。210aw = 0.118IRI + 0.006v - 0.349R2 = 0.908(5)2153.2.2驾驶员主观驾驶舒适性研究分析图 12 至 15 为第一位驾驶员在正弦波路面波幅为 5cm、波长分别为 5m、15m、30m 和45m，即平整度分别为 75.77、11.78、3.05、1.35mm/m、在个人感觉舒适的情况下的最大车 速随时间的变化曲线图。从图上可以看出，驾驶员在行驶的过程中会不断的调整车速，直到达到个体认为较舒适 的最大车速后才开始稳速前进，或其速度在一定的范围内不停的上下摆动，但通过求其平均 值仍然能反映这种规律性。220225图 12 L=5m、A=5cm， v 和 t 关系图图 13 L=15m、A=5cm， v 和 t 关系图Fig.12 Relation between v and t when L=5m、A=5cmFig.13 Relation between v and t when L=15m、A=5cm图 14 L=30m、A=5cm， v 和 t 关系图图 15 L=15m、A=5cm， v 和 t 关系图Fig.14 Relation between v and t when L=30m、A=5cm Fig.15 Relation between v and t when L=45m、A=5cm通过统计分析，采用统计函数 TRIMMEAN 先从数据集的头部和尾部除去一定百分比 的数据点，然后求出每位驾驶员的速度平均值，如图 16 所示。230235图 16 最大驾驶舒适速度与平整度关系图Fig. 16 Diagram of the maximum driving comfort speed and roughness由图 16 可以得到：随着 IRI 值的由小变大， 10 位驾驶员感觉舒适的平均最大驾驶速度也越来越接近，这种差异主要是由于驾驶员个主观感觉不同以及他们的驾驶习惯不同所决 定的，尤其是当平整度较小时，其主观能动性会体现的更加明显；尽管不同 IRI 处其最大舒 适性速度有一定的差异，但对应每一个 IRI 外其速度的分布会呈现一个特点：即速度过大或 过小的点图中出现较为稀疏，绝大部分的速度分布在较为密集的中部，因此可以认为实验所 得到的样本点服从正态分布。实际道路路面的平整度不可能为 75.77 和 11.78 mm/m，所得 结论不具有很好的参考价值，因此本文主要讨论 IRI=1.35 和 3.05mm/m 时的最大舒适驾驶 速度，并与前述所得到的结论进行比较，如表 9 所示。表 9 IRI=1.35、3.05 时，最大驾驶舒适速度表Table 9 The maximum driving comfort speed when IRI=1.35、3.05室外试验室验室研究主观驾驶试验 磨擦系数0.3<DF<0.5DF>0.50.40.4拟合方程aw=0.122IRI+0.0055v-0.309aw=0.173IRI+0.01v-0.717aw=0.118IRI无+0.006v-0.349最大舒适IRI=1.35131.7106.3128.3124.1IRI=3.059476.994.888.7速度（km/h）240在一般的磨擦系数条件，即 0.3<DF<0.5 的情况下，在 IRI= 1.35 和 3.05mm/m 的情况下，主观舒适性驾驶模拟试验所得到最大舒适平均速度与用回归模型算出的室外实验及室内实 验最大速度相差在 5%左右，当 DF>0.5 时，其最大舒适性行车速度要略小，也比较符合实 际情况，因此可以验证模型的适用性。2453.3模型应用在实际的道路工程应用中，人们更关心的是在满足驾乘舒适性的前提下，路面性能和最 高行驶速度的对应关系，表 10 是在满足驾乘舒适性前提下，道路路面平整度和最大行驶速 度的对应关系。表 10 满足舒适性条件下，最大速度 v 和 IRI 的对应表Table 10 Corresponding to the maximum v and IRI when comfort conditions are satisfiedaW=0.58m/ssv30405060708090100室外实验5.935.485.034.584.133.683.232.78DF=0.IRI30.5室内实验6.355.845.334.824.313.813.302.79DF>0.5室外实验5.765.184.614.033.452.872.291.72250255由表 10 得到，在 DF=0.30.5 时在室外试验及室内实验所得到的结果比较近似，考虑到实际道路情况，建议采用室外试验结果作为本研究的结论。4结论通过分析影响驾乘舒适性的路面参数，建立了 0.3<DF<0.5 及 DF0.5 情况下 aW 与 IRI 和 v 的室外实验和室内实验关系模型，并通过主观驾驶舒适性实验室验证，导出了满足驾乘 人员舒适性的前提下，汽车最大行驶速度和道路平整度的对应关系，为沥青混凝土普通公路 路面舒适性评价提供理论依据。参考文献 (References)2602652702752801 王钧利,马春燕.汽车乘客振动舒适性评价指标的研究.J工程力学,1998,231-235.2 Mechanical vibration and shock evaluation of human exposure to whole-body vibrationS. ISO2631-1:1997. 3 郑柯. 基于驾驶员心理生理反应的高速公路线形研究D.北京: 北京工业大学, 2003.4 HOU K，KALOUSEK J，DONG RA dynamic model for an asymmetrical vehicletrack system JJournal of Sound and Vibration，2003，267(3)：591-6045 乔建刚. 基于驾驶员因素的山区双车道公路关键参数研究D. 北京工业大学, 2006.6 Younggun Cho，Yong-San YoonBiomechanical model of human on seat with backrest for evaluating ride qualityJInternational Journal of Industrial Ergonomics，2001，27(5)：331-3457 Mohamed Bouazara, Marc J. RichardAll optimization method designed to improve vehicle comfort and roadholding capability though the use of active and semi-active suspensionsJEuropean Journal of Mechanics andSolids，2001，20(3)：509-502.8 高增礼, 张玉芬, 王钧利. 路面性质对乘坐舒适性影响的主观评价J. 中国公路学报, 1995(1): 33-38. 9 杨万桥. 基于人-车-路相互作用的沥青路面平整度评价方法的研究D.西安: 长安大学. 200910 Janoff M.S. Pavement Roughness and Ride ability: A State of the ReviewJ. Transportation EngineeringJournal, 1982,108 (6): 662-675.11 宋永刚、谭英，基于 Matlab 分析的路面平整度控制方法J。长安大学学报（自然科学版），2006，9，26（5）：90-93.12 宋永刚. 路面平整度均方差指标与行车舒适性的关系研究J.路面机械与施工技术 2005,12(1):18-21.13 Standard Practice for Computing International Roughness Index of Roads from Longitudinal ProfileMeasurementsS. ASTM E-1926-08: 6-16.14 姚祖康公路设计手册-路面M北京：人民交通出版社，199915 汽车平顺性随机输入行驶试验方法SGB/T 4970-199616 卢纹岱. SPSS 统计分析M. 北京: 电子工业出版社,2010.