一种基于横向加速度和竖向加速度的道路平竖线形力学性能评价方法，本发明涉及基于横向加速度和竖向加速度的道路平竖线形力学性能评价方法。本发明的目的是为了解决现有透视图、三维动画检查等方法存在的不能对道路线形从力学原理上进行定量评价等缺点。一种基于横向加速度和竖向加速度的道路平竖线形力学性能评价方法。步骤一、选取评价指标；步骤二、确定各评价指标的标准；步骤三、根据选取的评价指标和确定的各评价指标的标准对道路平竖曲线进行评价。本发明用于道路评价领域。
1.一种基于横向加速度和竖向加速度的道路平竖线形力学性能评价方法，其特征在于：一种基于横向加速度和竖向加速度的道路平竖线形力学性能评价方法具体过程为：步骤一、选取评价指标；
步骤三、根据选取的评价指标和确定的各评价指标的标准对道路平竖曲线进行评价；
车辆在道路上行驶，对车辆行驶的平稳性和车中乘员的舒适程度进行量化，选取具体量化指标作为道路平曲线的评价指标；
采用横向加速度和横向力系数来做为道路平曲线的评价指标；
车辆在竖曲线上行驶时，车辆受自身的重力、来自路面的支撑力以及来自竖曲线的向心力或离心力；其中来自竖曲线的向心力或离心力是决定车辆行驶的平稳性和和车中乘员的舒适度；
若竖曲线的向心力和离心力不停的变化，则车辆行驶不稳定，车中乘员会感觉不舒服；
若竖曲线的向心力和离心力不变化，则车辆行驶稳定，车中乘员不会感觉到不舒服；
采用竖向加速度的变化量来量化竖曲线的向心力或离心力，并用来做为车辆行驶的平稳性和车中乘员的舒适度的评价指标；
评价指标的确定包含两种情况：无外界因素影响时的评价标准，有外界因素影响时的评价标准；
无外界因素影响是指车辆在道路上行驶时，只受到车辆自身的重力、车辆的牵引力以及车辆在不同线形条件下所受到的来自于道路线形的向心力或离心力；
有外界因素影响是指车辆在道路上行驶时，除了受到车辆自身的重力、车辆的牵引力以及车辆在不同线形条件下所受到的来自于道路线形的向心力或离心力外，还受到外界所传来的力的干扰；
无外界影响因素影响时平曲线和竖曲线评价指标的标准分别为：平曲线评价指标1为：
1)当平均横向加速度Y<0.1g，横向力系数μ<0.10时，车辆行驶平稳且乘员感觉不到有平曲线的存在，舒适性良好；
2)当平均横向加速度0.1g≤Y<0.15g，横向力系数0.10≤μ<0.15时，车辆行驶平稳但乘员已感觉到有平曲线的存在，舒适性一般；
3)当平均横向加速度0.15g≤Y，横向力系数0.15≤μ时，车辆行驶不平稳且乘员感觉到有平曲线的存在，舒适性较差；
所述平均横向加速度Y由加速度仪实测出来，横向力系数μ由加速度仪实测出来；
1)当竖向加速度增量ΔZ≤0.014g时，车辆行驶平稳且乘员感觉不到有竖曲线的存在，舒适性良好；
2)当竖向加速度增量0.014g<ΔZ<0.028g时，车辆行驶平稳但乘员已感觉到有竖曲线的存在，舒适性一般；
3)当竖向加速度增量0.028g≤ΔZ时，车辆行驶不平稳且乘员感觉到有竖曲线的存在，舒适性较差；
当待评价路段处于外界因素干扰区域时，还需考虑外界因素在车辆行驶时对车辆的作用力；即只需要考虑外界因素对平曲线评价的影响，而不用考虑外界因素对竖曲线的影响；
假设待评价路段存在外界因素对平曲线上行驶的车辆进行横向力的作用，其对应横向加速度为φ，则车辆在该处所受的横向合加速度为Y+φ；所以当有外界影响因素干扰时，平曲线的评价指标3为：
1)当平均横向加速度Y<0.1g-φ，横向力系数μ<0.10时，车辆行驶平稳且乘员感觉不到有平曲线的存在，舒适性良好；
2)当平均横向加速度0.1g-φ≤Y<0.15g-φ，横向力系数0.10≤μ<0.15时，车辆行驶平稳但乘员已感觉到有平曲线的存在，舒适性一般；
3)当平均横向加速度0.15g-φ≤Y，横向力系数0.15≤μ时，车辆行驶不平稳且乘员感觉到有平曲线的存在，舒适性较差；
所述步骤三中根据选取的评价指标和确定的各评价指标的标准对道路平竖曲线进行评价；具体过程为：在对道路平竖曲线进行评价时，将各指标的实测值与对应指标的标准进行对比；
将加速度仪安装于试验车上，在待评价的道路上行驶以测试出各个路段的横向加速度和竖向加速度；
根据道路上各个路段是否处于外界因素干扰区域，选取评价标准进行评价；
将横向加速度和竖向加速度按照情况与相应的评价指标进行对比；
若路段处于外界因素影响路段，则将路段实测横向加速度按平曲线评价指标3对道路平曲线进行评价；将路段实测竖向加速度按竖曲线评价指标2对道路竖曲线进行评价；
若路段不处于外界因素影响路段，则将路段实测横向加速度按平曲线评价指标1对道路平曲线进行评价，将路段实测竖向加速度按竖曲线评价标准2对道路竖曲线进行评价。
一种基于横向加速度和竖向加速度的道路平竖线形力学性能
评价方法
技术领域
[0001] 本发明涉及基于横向加速度和竖向加速度的道路平竖线形力学性能评价方法。
背景技术
[0002] 上个世纪以来，我国道路建设取得相当的成绩。无论是规划设计、施工建设还是运营管理都取得了长足的进步。但由于中国经济水平的增长，随之而来的是人们物质生活水平的上涨，道路上的车辆也逐渐增多，道路线形等条件也无法像当初一样很好的提供服务。尤其是当道路交通量增加到一定的程度，原来的道路线形设计标准已经无法满足现有交通状况，因此需要对道路进行升级改造，在升级改造过程中，对原有的道路线性进行评价便是一项非常重要的工作。在线形评价过程中，主要是对道路平曲线，竖曲线进行评价。
[0003] 目前，国外对道路线形的评价方法主要有：利用线形图检查评价和美国联邦公路局公路安全评价方法。利用线形图检查评价是日本学者最早提出的，是将道路平面线形的线形图用曲率图表示，将纵断面的线形图用坡度图表示，通过比较两图的零点位置就可以简单的检查出平、纵线形组合设计的好坏。美国联邦公路局公路安全评价是1988年美国联邦公路局(FHWA)开始研究“交互式公路安全设计模型(Interactive Highway Safety Design Model，缩写为IHHSDM)”。该模型是建立在大量观测数据基础上的统计模型，综合考虑了人、车、路之间的相互影响。
[0004] 国内线形评价方法主要有：利用透视图和三维动画检查评价、利用“沿线最高可能车速图”检查评价和线形设计综合评价。其中利用透视图和三维动画检查评价是一种定性的线形设计效果评价方法，主要是利用传统的疑点静态透视图和新近的公路三维动画效果图来从视觉上直观地观察公路平、纵、横立体形状及其与周围环境的协调配合情况，起到视觉评价的作用。利用“沿线最高可能车速图”检查评价可以反映出全线平、纵线形要素及其组合对可能最高车速的影响，从而发现平、纵线形要素协调不好的部位，为修改设计提供依据。线形综合评价主要是从线形设计的一致性、连续性、安全性、舒适性等多个角度进行综合分析，借助层次分析等理论方法对线形设计的好坏进行综合评估。
[0005] 综上所述，国内外学者在公路线形设计评价等方面已经开展了大量的研究工作。在线形设计的评价内容方面，线形的一致性、安全性和舒适性是学者们关注的重点，其中运行速度已经成为线形评价的一个重要基础，它不仅是线形设计一致性的判断依据，而且与交通安全也有着密切的联系。在线形评价方法方面，国内外针对不同的评价内容提出了不同的评价方法，其中有以IHSDM为代表的定量评价方法，也有以透视图和三维动画为手段的定性评价方法，各种评价方法在实践中都得到了一定的运用。
[0006] 然而，在道路线形中的平曲线和竖曲线路段，由于各种力学的综合导致用以上方法难以进行准确的评价。还需要对曲线路段进行力学分析和评价，因此，本文中提出一种基于三轴加速度的力学评价方法来对平竖曲线进行有效的评价。
发明内容
[0007] 本发明的目的是为了解决现有透视图、三维动画检查等方法存在的不能对道路线形从力学原理上进行定量评价等缺点，而提出一种基于横向加速度和竖向加速度的道路平竖线形力学性能评价方法。
[0008] 一种基于横向加速度和竖向加速度的道路平竖线形力学性能评价方法具体过程为：
[0009] 步骤一、选取评价指标；
[0010] 步骤二、确定各评价指标的标准；
[0011] 步骤三、根据选取的评价指标和确定的各评价指标的标准对道路平竖曲线进行评价。
[0012] 本发明的有益效果为：
[0013] 本发明运用力学大小来定量评价线形合理与否的“基于三轴加速度的平竖曲线力学性能评价方法当车辆经过具有平曲线的路段时，横向加速度有明显变化。当车辆在同一平曲线上以不同的方向行驶时横向加速度有较明显的反向段，这些都说明横向加速度能够反应道路平曲线的变化，而且横向加速度绝对值越大，道路线形越差，由试验可得当横向加速度小于0.1g时，平曲线半径较大，道路线形较好；当横向加速度大于0.15g时，平曲线半径较小，一般都接近设计极限值，道路线形较差。
[0014] 同样，对于竖曲线也有相似的结论，跟据试验可得出，道路的竖曲线与竖向加速度的变化值有着密切的关系，这种关系为：竖向加速度变化越大，说明道路的竖曲线线形条件越差，由试验可得。当竖向加速度变化值大于0.028g时，竖曲线半径较小，几乎接近设计极限值，竖曲线线形较差；当竖向加速度变化值小于0.014g时，竖曲线半径较大，线形条件较好。
附图说明
[0015] 图1为运用三轴加速度仪对以79km/h和105km/h的速度行驶于平曲线上的车辆的横向加速度的实测值；
[0016] 图2为运用三轴加速度仪对以85km/h和93km/h的速度行驶于平曲线上的车辆的横向加速度的实测值；
[0017] 图3为运用三轴加速度仪对以75km/h和94km/h的速度行驶于平曲线上的车辆的横向加速度的实测值；
[0018] 图4为运用三轴加速度仪对以91km/h和82km/h的速度行驶于平曲线上的车辆的横向加速度的实测值；
[0019] 图5为本发明流程图。
具体实施方式
[0020] 具体实施方式一：结合图5说明本实施方式，本实施方式的一种基于横向加速度和竖向加速度的道路平竖线形力学性能评价方法具体过程为：
[0021] 步骤一、选取评价指标；
[0022] 步骤二、确定各评价指标的标准；
[0023] 步骤三、根据选取的评价指标和确定的各评价指标的标准对道路平竖曲线进行评价。
[0024] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中选取评价指标；具体过程为：
[0025] 车辆在道路上行驶，根据车辆行驶的平稳性和车中乘员的舒适度来衡量道路线形，对车辆行驶的平稳性和车中乘员的舒适程度进行量化，选取具体量化指标作为道路平曲线的评价指标；
[0026] 车辆在平曲线道路上行驶时，由于车辆的竖向作用力正好相互抵消，便可以忽略竖向作用力，只考虑车辆横向作用力。在道路平曲线线形研究中横向作用力一般用横向加速度和横向力系数来衡量。具体量化指标为横向加速度和横向力系数；
[0027] 采用横向加速度和横向力系数来做为道路平曲线的评价指标；
[0028] 车辆在竖曲线上行驶时，车辆主要受自身的重力、来自路面的支撑力以及来自竖曲线的向心力或离心力；其中来自竖曲线的向心力或离心力是决定车辆行驶的平稳性和和车中乘员的舒适度；
[0029] 若竖曲线的向心力和离心力不断变化，则车辆行驶不稳定，车中乘员会明显感觉不舒服；
[0030] 若竖曲线的向心力和离心力不变化，车辆在行驶过程中能够平稳的过渡，则车辆行驶稳定，车中乘员不会感觉到不舒服；
[0031] 因此，采用竖向加速度的变化量来量化竖曲线的向心力或离心力，并用来做为车辆行驶的平稳性和车中乘员的舒适度的评价指标。
[0032] 横向就是与汽车行驶方向垂直的方向，横向加速是指在车辆进行转弯行驶时产生的离心力所带来的加速度。也就是车被“甩飞”的趋势。
[0033] 纵向加速就是沿着车的轴向的加速度。
[0034] 其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
[0035] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中确定各评价指标的标准；具体过程为：
[0036] 评价指标的确定包含两种情况：无外界因素影响时的评价标准，有外界因素影响时的评价标准；
[0037] 无外界因素影响是指车辆在道路上行驶时，只受到车辆自身的重力、车辆的牵引力以及车辆在不同线形条件下所受到的来自于道路线形的向心力或离心力，除此之外不受其他的力的作用；
[0038] 有外界因素影响是指车辆在道路上行驶时，除了受到车辆自身的重力、车辆的牵引力以及车辆在不同线形条件下所受到的来自于道路线形的向心力或离心力外，还受到外界所传来的力(如横风)的干扰；
[0039] 无外界影响因素影响时平曲线和竖曲线评价指标的标准分别如表1和表2所示。为：
[0040] 平曲线评价指标1为：
[0041] 1)当平均横向加速度Y<0.1g，横向力系数μ<0.10时，车辆行驶平稳且乘员感觉不到有平曲线的存在，舒适性良好；
[0042] 2)当平均横向加速度0.1g≤Y<0.15g，横向力系数0.10≤μ<0.15时，车辆行驶平稳但乘员已感觉到有平曲线的存在，舒适性一般；
[0043] 3)当平均横向加速度0.15g≤Y，横向力系数0.15≤μ时，车辆行驶不平稳且乘员感觉到有平曲线的存在，舒适性较差；
[0044] 所述平均横向加速度Y由加速度仪实测出来，横向力系数μ由加速度仪实测出来；
[0045] 竖曲线评价指标2为：
[0046] 1)当竖向加速度增量ΔZ≤0.014g时，车辆行驶平稳且乘员感觉不到有竖曲线的存在，舒适性良好；
[0047] 2)当竖向加速度增量0.014g<ΔZ<0.028g时，车辆行驶平稳但乘员已感觉到有竖曲线的存在，舒适性一般；
[0048] 3)当竖向加速度增量0.028g≤ΔZ时，车辆行驶不平稳且乘员感觉到有竖曲线的存在，舒适性较差；
[0049] 所述竖向加速度增量ΔZ由加速度仪实测得到；
[0050] 表1无外界影响因素影响时的平曲线评价标准
[0051]
[0052] 注：表中g为横向加速度的单位。
[0053] 表2竖曲线评价标准
[0054]
[0055] 注：表中g为竖向加速度的单位。
[0056] 当待评价路段处于外界因素干扰区域时，还需考虑外界因素在车辆行驶时对车辆的作用力；鉴于外界作用力一般都是从侧面来作用于行驶的车辆之上，因此即只需要考虑外界因素对平曲线评价的影响，而不用考虑外界因素对竖曲线的影响；
[0057] 假设待评价路段存在外界因素对平曲线上行驶的车辆进行横向力的作用，其对应横向加速度为φ，则车辆在该处所受的横向合加速度为Y+φ；所以当有外界影响因素干扰时，平曲线的评价指标3为：
[0058] 1)当平均横向加速度Y<0.1g-φ，横向力系数μ<0.10时，车辆行驶平稳且乘员感觉不到有平曲线的存在，舒适性良好；
[0059] 2)当平均横向加速度0.1g-φ≤Y<0.15g-φ，横向力系数0.10≤μ<0.15时，车辆行驶平稳但乘员已感觉到有平曲线的存在，舒适性一般；
[0060] 3)当平均横向加速度0.15g-φ≤Y，横向力系数0.15≤μ时，车辆行驶不平稳且乘员感觉到有平曲线的存在，舒适性较差。
[0061] 如表3所示；
[0062] 表3有外界影响因素影响时的平曲线评价标准
[0063]
[0064] 注：表中g为横向加速度的单位。
[0065] 其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
[0066] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三中根据选取的评价指标和确定的各评价指标的标准对道路平竖曲线进行评价；具体过程为：
[0067] 在对道路平竖曲线进行评价时，将各指标的实测值与对应指标的标准进行对比；
[0068] 将加速度仪安装于试验车上，以一定的速度在待评价的道路上行驶以测试出各个路段的横向加速度和竖向加速度；
[0069] 根据实地地形、天气等判断待测评价的道路上各个路段是否处于外界因素干扰区域(如地形处于垭口，横风力较大的地方需要考虑道路横风的干扰，再如冬季积雪路面需要考虑侧向滑移力的干扰)，选取评价标准进行评价；
[0070] 将横向加速度和竖向加速度按照情况与相应的标准进行对比；
[0071] 若路段处于外界因素影响路段，则将路段实测横向加速度按平曲线的评价标准3(表3)对道路平曲线进行评价；将路段实测竖向加速度按竖曲线评价标准2(表2)对道路竖曲线进行评价；
[0072] 若路段不处于外界因素影响路段，则将路段实测横向加速度按平曲线评价标准1(表1)对道路平曲线进行评价，将路段实测竖向加速度按竖曲线评价标准2(表2)对道路竖曲线进行评价。
[0073] 根据以上标准以对相应的道路线形给出相应的评价结果。
[0074] 其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
[0075] 采用以下实施例验证本发明的有益效果：
[0076] 实施例一：
[0077] 本实施例一种基于三轴加速度的道路平竖线形力学性能评价方法具体是按照以下步骤制备的：
[0078] 具体实施方式以鹤大高速公路宁安至复兴(黑吉界)段公路评价为例。依据本研究的目的并结合试验路段的几何线形条件，在该段高速公路上截取了10个典型路段并依据本方法对其线形进行评价。这些路段的横向加速度和竖向加速度的实际测量值如表4所示。这些被选取路段主要包括设置了超高的平曲线路段、高速化后超高坡度进行了调整的路段以及半径较小的竖曲线路段。由于实测竖向加速度主要在1.0附近波动，为了明显反应竖向加速度的正负变化以及得到评价竖曲线的指标—竖向加速度变化量，此处采用了将实测加速度值减去了标定值，从而得到了在0.0附近变化的加速度变化值，即表4中的最后一列。
[0079] 其中部分路段的横向加速度实测值如图1、图2、图3、图4所示。
[0080] 表4典型区段平均横向加速度和竖向加速度
[0081]
[0082] 通过附图1中的横向加速度的变化，可以直观的感觉到道路平曲线线形的变化，并可以以此来进行粗略的线形评价，但缺乏准确性与精确度。因此，须将各实测横向加速度进行微观对比分析。即应用相应评价路段实测横向加速度值(表4中的横向加速度)结合前述评价标准，对所选10处典型路段的平曲线进行了评价，其评价结果见表5。
[0083] 根据竖曲线的评价指标和评价标准。可用加速度仪实测竖向加速度值的增量来对鹤大高速公路上的17个典型竖曲线路段的行车稳定性和安全性进行量化评价。其具体评价结果如表6所示
[0084] 表5基于实测横向加速度的平曲线评价
[0085]
[0086] 续表5
[0087]
[0088] 表6竖曲线上的竖向加速度增量及其舒适性与安全性评价
[0089]
[0090] 续表6
[0091]
[0092] 本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
