TWI685758B

TWI685758B - 道路平整度精進加速度均方根指標演算法及其系統

Info

Publication number: TWI685758B
Application number: TW107144859A
Authority: TW
Inventors: 周家蓓; 蕭冠箴; 陳艾懃
Original assignee: 周家蓓
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2020-02-21
Also published as: TW202022646A

Abstract

一種精進加速度均方根指標演算法，包括由一電腦主機所執行的多個步驟：讀取一加速度規所測量的一路段的多個時間域資料；處理該些多個時間域資料，並計算出多個加速度均方根值；校正該些加速度均方根值，以獲得多個校正後加速度均方根值；及建立該些校正後加速度均方根值與相應的多個國際糙度指標之間的轉換關係，以獲得一最吻合方程式，以便計算出一精進加速度均方根指標。

Description

道路平整度精進加速度均方根指標演算法及其系統

本發明是關於電腦軟體、安裝有電腦軟體的裝置或系統，特別是用於評估道路平整度的精進加速度均方根指標演算法及其系統。

道路平整度可反應出道路使用的舒適度，亦可反應鋪面的施工品質，因此主管機關對於道路新工及養護均會驗收此項目。

測量道路平整度的儀器主要包括高低平坦儀及慣性式剖面儀，特別是，慣性式剖面儀可用於測量國際糙度指標(international roughness index，IRI)。然而，慣性式剖面儀甚為昂貴，不易普及，導致在空間上難以全面檢測整體路網的IRI，而在時間上亦難以長期追蹤特定大量路網的IRI。

因此，確實有必要提出一種創新的方法及裝置，以解決或減緩上述問題。

本發明提供多個層級的數學運算模組，以將由一加速度規(accelerometer)所測量的一道路的一鋪面的上下起伏振動的多個加速度值轉換成一精進加速度均方根指標(advanced acceleration root-mean-square index，AARI)，其數值與使用目的近似於國際糙度指標(international roughness index，IRI)，故AARI可作為評估道路鋪面平整度的指標。

該加速度規可放置於一載具(例如，交通工具)上，沿著該載具在該道路上的一行進方向，蒐集因該鋪面的上下起伏震動所致的多個時間域資料(各個時間域資料為一加速度值)。接著，將該些時間域(time domain)資料轉換成多個距離域(distance domain)資料。然後，該些距離域資料依序會經過一前階段速度正規化、最佳化的一高通頻率濾波運算及/或一低通頻率濾波運算、及一後階段速度正規化，而成為多個處理後資料。最後，對於該些處理後資料與多個相應的IRI(相應是兩者皆對應於同一區段)，獲得一最吻合方程式，以描述兩者的映射(mapping)關係，以獲得由該最吻合方程式所計算出的一精進加速度均方根指標(AARI)。

上述多個步驟可構成一方法，並實現為一電腦程式產品，儲存於一電腦可讀取記錄媒體，或由一裝置或一系統來執行，特別是適用於發明人所發明的「簡易型道路平整度檢測裝置」。

據此，根據本發明的一種觀點，是提供一種道路平整度精進加速度均方根指標演算法，包括由一電腦主機所執行的多個步驟：步驟S1：讀取一加速度規所測量的一路段的多個時間域(time domain)資料；步驟SP：處理該些多個時間域資料，並計算出多個加速度均方根值(ARI)；步驟S6：校正該些加速度均方根值(例如，對於該些加速度均方根值進行多層次演算)，以獲得多個校正後加速度均方根值(ARIci)；及步驟S7：對於該些校正後加速度均方根值(ARIci)與相應的多個國際糙度指標(IRI)，建立二者的轉換關係(例如，透過執行一統計迴歸運算來達成，但不限於此)，以獲得一最吻合方程式，該些校正後加速度均方根值(ARIc_i)經由該最吻合方程式轉換成一精進加速度均方根指標(AARI)。

選擇性地或較佳地，該步驟SP包括步驟S2：任意選定一標準速度，並執行一前階段速度正規化運算，以根據該標準速度，將該些時間域資料校正至多個校正後時間域資料。

選擇性地或較佳地，該步驟SP包括步驟S3：將該些校正後時間域資料轉換成多個距離域(distance domain)資料。特別是，該些距離域資料可依照一單位區段長度來進行切割，而各個區段包括多個距離域(加速度)資料。

選擇性地或較佳地，該步驟SP包括步驟S4：對於各個距離域資料，執行最佳化的一低通濾波分析及/或一高通濾波分析，以獲得一濾波後資料。特別是，在步驟S4中，可套用全體濾波法或分段濾波法於該低通濾波分析或該高通濾波分析。

選擇性地或較佳地，該步驟SP包括步驟S5：對於各個濾波後資料，計算該加速度均方根值。

選擇性地或較佳地，該步驟S6是以一後階段速度正規化運算來進行校正。

此外，根據本發明的另一種觀點，是提供一種精進加速度均方根指標系統，其包括一簡易型道路平整度檢測裝置，進而包括一資料擷取器、一資料分析器、一加速度規、及一全球定位系統接收器。該資料分析器、該加速度規、及該全球定位系統接收器皆是電性連接至該資料擷取器。該資料分析器包括一電腦主機，其組態成執行前述本發明的精進加速度均方根指標演算法。

由於本發明所建立的AARI的數值與使用目的近似於IRI，由簡易型道路平整度檢測裝置搭配本發明的AARI演算法所形成的精進加速度均方根指標系統可便利且經濟地評估道路平整度。

1‧‧‧簡易型道路平整度檢測裝置

20‧‧‧資料擷取器

21‧‧‧資料擷取介面卡

30‧‧‧加速度感測單元

31‧‧‧外殼體

41‧‧‧蓋體

411‧‧‧卡槽

40‧‧‧全球定位系統接收器

50‧‧‧資料分析器

S1~S7‧‧‧步驟

SP‧‧‧步驟

圖1顯示可應用本發明演算法及系統的一實施例的簡易型道路平整度檢測裝置的立體圖。

圖2顯示可應用本發明演算法及系統的一實施例的簡易型道路平整度檢測裝置的分解圖。

圖3顯示可應用本發明演算法及系統的一實施例的簡易型道路平整度檢測裝置的方塊圖。

圖4顯示本發明的一實施例的精進加速度均方根指標演算法的流程圖。

圖5顯示本發明的一實施例的距離域資料分布。

圖6顯示圖5的距離域資料分布經過傅立葉轉換成為頻率域資料分布。

圖7顯示本發明的一實施例的低通濾波分析。

圖8顯示本發明的一實施例的高通濾波分析。

圖9顯示本發明的一實施例的精進加速度均方根指標(AARI)與國際糙度指標(IRI)的分布圖。

以下提供本發明的不同實施例。這些實施例是用於說明本發明的技術內容，而非用於限制本發明的權利範圍。可將本發明的特徵進行修飾、置換、組合、分離或設計，以應用於其他實施例。

在本發明中，所謂的「系統」、「設備」、「裝置」、「模組」、或「單元」等用語，是指一電子元件或由多個電子元件所組成的一數位電路、一類比電路、或其他更廣義的電路，且除了特別指明者之外，它們不必然有階層或從屬關係。

此外，本發明的方法、或其中的步驟或手段可以任何所需及適合方式來實現。例如，它們可實現於硬體或軟體。除了特別指明者之外，本發明的多種功能性元件、層級及手段可包括一適合處理器、一控制器、一功能性單元、一電路、一程序邏輯、一微處理器的設置等，可操作成執行該些功能。可能存在一專用的硬體元件及/或可程式硬體元件，可組態成以所需及適合方式來操作。

(簡易型道路平整度檢測裝置)

圖1、圖2、及圖3分別顯示本發明的一實施例的簡易型道路平整度檢測裝置的立體圖、分解圖、及方塊圖。請同時參考圖1、圖2、及圖3。

本發明的簡易型道路平整度檢測裝置1包括一資料擷取(data acquisition，DAQ)器20、一加速度規30、一全球定位系統(global positioning system，GPS)接收器40、及一資料分析器50。

該資料擷取器20包括一資料擷取介面卡21，其內部包括一訊號處理器、一類比數位轉換器(ADC)及一電腦匯流排等元件，用於擷取數值資料。

該資料分析器50可包括一電腦主機，其電性連接至該資料擷取器20，並藉由一後端處理程式進行數值資料的處理與分析。該後端處理程式是組態成本發明的精進加速度均方根指標演算法。

該加速度規30是容置在一外殼體31中，並電性連接至該資料擷取器20，用於偵測一道路的一鋪面的上下起伏振動所產生的多個加速度值。表1顯示本發明的一實施例的加速度規30的規格，作為舉例，而非限制。

可基於成本考量而選用僅針對單一方向(Z軸方向)的一單軸加速度感測器作為本發明的加速度規30，但不限於此，選用一雙軸加速度規或一三軸加速度規亦無不可。此外，藉由不同維度的加速度值，可獲得多方位的行車資訊，例如：可利用一水平方向的一X軸加速度值來判斷一轉彎行為，或利用一行進方向的一Y軸加速度值來判斷一加速行為及一煞車行為。由於道路鋪面平整度主要是反映在垂直於該道路的該鋪面的一Z軸加速度值上，故以下主要討論該Z軸加速度值。

該全球定位系統接收器40是卡合在該外殼體31的一蓋體41的一卡槽411上，並電性連接該資料擷取器20。表2顯示本發明的一實施例的全球定位系統接收器40的規格，作為舉例，而非限制。

該全球定位系統接收器40是組態成接收一衛星所發射的電磁波訊號，以取得其與該衛星之間的距離，藉此持續追蹤其所在的全球定位座標。此外，該全球定位系統接收器40亦可組態成接收多個同步時間資訊，以在後端處理程式中將多個座標配合該些同步時間資訊換算成一行車速度。

此外，在另一實施例中，本發明的簡易型道路平整度檢測裝置可實現於一智慧型手機，而該資料擷取器20、該加速度規30、該全球定位系統接收器40、及該資料分析器50可整合為該智慧型手機的一專用晶片中，或在該智慧型手機中安裝一應用程式以操作至少一通用晶片而產生該些元件的功能。該專用晶片或該通用晶片可具備一感測器。除了智慧型手機之外，平板電腦、穿戴裝置或類似的電子產品亦可用於實現本發明的簡易型道路平整度檢測裝置。

(精進加速度均方根指標演算法)

本發明的精進加速度均方根指標演算法包括下列多個步驟：

步驟S1是讀取一加速度規所測量的一路段的多個時間域(time domain)資料。各個時間域資料例如是一加速度值，特別是垂直於地面的Z軸加速度，或經運算的三軸合加速度，而各個時間域資料是以時間來劃分。

步驟S2是任意選定一標準速度(例如一行駛瞬時速度)，並執行一前階段速度正規化運算，以根據該標準速度，將該些時間域資料(即加速度值)校正至多個校正後時間域資料(即校正後加速度值)。

具體而言，令a_i為第i點原始加速度值；v_i為第i點行駛瞬時速度；V為任意選定的一標準速度；則第i點校正後加速度值ac_i為：

經過該前階段速度正規化，將各個加速度值基於其所對應的一行駛瞬時速度校正至任意選定的該標準速度V(例如為50kph，但不限於此)的震動，可大幅改善該行駛瞬時速度對於後續計算一加速度均方根值(ARI)所造成的影響。

步驟S3是將該些校正後時間域資料轉換成多個距離域(distance domain)資料。各個距離域資料仍然維持該加速度值的綱量(dimension)，只是改以距離來劃分。圖5顯示本發明的一實施例的距離域資料分布。

選擇性地或較佳地，該些距離域資料是依照一單位區段長度(例如100公尺)來進行切割。換句話說，各個區段包括多個距離域(加速度)資料。

步驟S4是對於各個距離域資料，執行最佳化的一低通濾波分析及/或一高通濾波分析，以獲得一濾波後資料。各個濾波後資料仍然維持該加速度值的綱量(dimension)，只是其中的雜訊已減弱或移除。

圖6顯示圖5的該距離域資料分布經過傅立葉轉換(Fourier transform)成為一頻率域資料分布；其中，橫軸表示頻率，而縱軸表示數量。觀察圖7可知，圖5的該些距離域資料(即以距離來劃分的該些加速度值)的顯著性主要集中於0Hz至5Hz與30Hz至40Hz的頻率範圍。

在執行傅立葉轉換後，即可使用濾波器(filter)來保留或移除特定頻段。低通濾波是容許低頻訊號通過，而減弱頻率高於一截止頻率的訊號。反之，高通濾波則是容許高頻訊號通過，而減弱頻率低於一截止頻率的訊號。巴特沃斯濾波器(Butterworth filter)是廣泛使用的一種濾波器。在使用巴特沃斯濾波器時，頻率高於一截止頻率的訊號將減弱，且其減弱的快慢可由一階數(order)的高低來決定，階數越高則減弱越快。

在以一低通濾波器來執行該低通濾波分析時，如圖7所示，提高該低通濾波器的一截止頻率，可保留較多加速度訊號，故據此計算而得的多個ARI所形成的一曲線的形狀可充分反映在所選擇的單位區段長度中的道路平整度。較佳地，在該截止頻率為1.9Hz至2.1Hz時，計算而得的各個ARI已甚近似於各個IRI，但該截止頻率不限於此。

同理，在以一高通濾波器來執行該高通濾波分析時，如圖8所示，提高該高通濾波器的一截止頻率，大致僅平移計算而得的多個ARI所形成的一曲線，而對於該曲線的形狀則無明顯影響。較佳地，該截止頻率為0.3Hz，但不限於此。因此，較佳是先執行該低通濾波分析，再執行該高通濾波分析。

此外，選擇性地或較佳地，各種濾波可再套用全體濾波法或分段濾波法。整體濾波法是指對於在該路段中所蒐集到的(經過各種調校的)加速度訊號全體進行濾波，而分段濾波法是指將在該路段中所蒐集到的加速度訊號，以一單位區段長度(例如，100公尺)加以分段，再進行濾波。特別是，套用分段濾波法可用於更即時地計算前一路段的一精進加速度均方根指標，具有便利性與實用性。

典型地，濾波分析會將資料分布透過傅立葉轉換自距離域轉換成頻率域，而在完成濾波後，再透過反傅立葉轉換(inverse Fourier transform)自頻率域轉換回到距離域，在此不再贅述。

步驟S5是對於各個濾波後資料，計算一加速度均方根值(ARI)。

具體而言，令ai(單位為重力加速度g)為第i筆濾波後資料(即濾波後的加速度值)；N為對於該路段所測量的資料總筆數；則該區段的該ARI為：

步驟S6是對於各個ARI執行一後階段速度正規化運算，以獲得一校正後加速度均方根值(ARIc_i)。

具體而言，令ARI_i為第i個加速度均方根值；v_i為第i個區段的行駛平均速度；V為任意選定之一標準速度；則該區段的該ARIc_i為：

步驟S7是對於多個校正後加速度均方根值(ARIc_i)與多個國際糙度指標(IRI)，建立二者的轉換關係(例如，透過執行一統計迴歸運算來達成，但不限於此)，以獲得一最吻合方程式。換句話說，該最吻合方程式是將對於一路段透過該些步驟S1至S6所計算而得的一校正後加速度均方根值與對於該路段以例如一慣性式剖面儀所測得的一國際糙度指標之間的一誤差值縮小至一預定值者。

在獲得該最吻合方程式後，往後，將一校正後加速度均方根值輸入至該最吻合方程式，即可獲得本發明的精進加速度均方根指標(AARI)。

根據本發明，上述該些步驟S1至S9並不必然需要全部執行，可依照實際需求及應用，合理地選取其中幾個來執行。其中，該些步驟S2至S5的一個、幾個、或全部可組合成步驟SP，以概括該些時間域資料至該些ARI的處理過程，旨在將該些時間域資料處理成適於後續運算(例如該些步驟S6及S7)，以更精準地反映出道路平整度。

誠如前述，本發明是將原始測得的多個加速度值，至少經過一前階段正規化運算、一濾波分析、一後階段正規化、及一吻合方程式建立，而獲得多個AARI。在圖9中，AARI與IRI的一判定係數R²高達0.88，這表示AARI對於 IRI具有高度相關性；此外，在此實施例中，AARI與IRI的關係可表示成一線性方程式y=ax+b，其截距b=0，且其係數a為0.9927，這表示AARI與IRI具有高度一致性。

由此可見，本發明所建立的AARI的數值與使用目的近似於IRI。由簡易型道路平整度檢測裝置1搭配本發明的AARI演算法所形成的精進加速度均方根指標系統可便利且經濟地評估道路平整度。

儘管本發明已透過上述實施例加以說明，可理解的是，只要不悖離本發明精神及所主張的申請專利範圍，可進行許多其他修飾及變化，而實現其他實施例。

S1~S7‧‧‧步驟

SP‧‧‧步驟

Claims

一種精進加速度均方根指標演算法，包括由一電腦主機所執行的多個步驟：步驟S1：讀取一加速度規所測量的一路段的多個時間域(time domain)資料；步驟SP：處理該些多個時間域資料，並計算出多個加速度均方根值(ARI)；其中，該步驟SP包括步驟S2：任意選定一標準速度，並執行一前階段速度正規化運算，以根據該標準速度，將該些時間域資料校正至多個校正後時間域資料；步驟S6：校正該些加速度均方根值，以獲得多個校正後加速度均方根值(ARIc_i)；及步驟S7：對於該些校正後加速度均方根值(ARIc_i)與相應的多個國際糙度指標(IRI)，建立二者的轉換關係，以獲得一最吻合方程式，該些校正後加速度均方根值(ARIc_i)經由該最吻合方程式轉換成一精進加速度均方根指標(AARI)。
如請求項1所述的精進加速度均方根指標演算法，其中，該步驟SP包括步驟S3：將該些校正後時間域資料轉換成多個距離域(distance domain)資料。
如請求項2所述的精進加速均方根指標演算法，其中，該些距離域資料是依照一單位區段長度來進行切割，而各個區段包括多個距離域資料。
如請求項2所述的精進加速度均方根指標演算法，其中，該步驟SP包括步驟S4：對於各個距離域資料，執行最佳化的一低通濾波分析及/或一高通濾波分析，以獲得一濾波後資料。
如請求項4所述的精進加速度均方根指標演算法，其中，在步驟S4中，套用全體濾波法或分段濾波法於該低通濾波分析或該高通濾波分析。
如請求項4所述的精進加速度均方根指標演算法，其中，該步驟SP包括步驟S5：對於各個濾波後資料，計算該加速度均方根值。
如請求項1所述的精進加速度均方根指標演算法，其中，該步驟S6是以一後階段速度正規化運算來進行校正。
一種精進加速度均方根指標系統，包括：一簡易型道路平整度檢測裝置，其包括：一資料擷取器；一資料分析器，其電性連接至該資料擷取器，該資料分析器包括一電腦主機，其組態成執行如請求項1所述的加速度均方根指標演算法；一加速度規，其電性連接至該資料擷取器；及一全球定位系統接收器，其電性連接至該資料擷取器。
如請求項8的精進加速度均方根指標系統，其實現於一智慧型手機、一平板電腦、或一穿戴裝置，且該資料擷取器、該資料分析器、該加速度規、及該全球定位系統接收器整合為其中的至少一晶片。