大貨車立交出口路段行車風(fēng)險仿真分析

張馳，齊晨，華貴龍，劉園園

(1．長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安710064；2．中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司 高寒高海拔地區(qū)道路工程安全與健康國家重點實驗室，陜西 西安 710075；3.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院，安徽 合肥 230000)

大貨車立交出口路段行車風(fēng)險仿真分析

張馳1,2，齊晨1，華貴龍3，劉園園1

(1．長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安710064；2．中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司 高寒高海拔地區(qū)道路工程安全與健康國家重點實驗室，陜西 西安 710075；3.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院，安徽 合肥 230000)

為了研究立交主線為圓曲線時出口路段車輛的行車安全性，進行大貨車行車動力學(xué)仿真分析，建立車輛模型、道路模型以及駕駛員預(yù)瞄軌跡模型。通過改變道路的超高橫坡度、行駛速度和換道半徑，模擬不同條件下的行駛工況。分別進行單因素分析與正交試驗多因素分析，縮減了試驗次數(shù)，得出車輛的橫向荷載轉(zhuǎn)移率及臨界附著系數(shù)的響應(yīng)輸出，分析不同因素及天氣條件對立交出口行車安全的影響。并對風(fēng)險評價進行量化分析，將風(fēng)險分為低、高和極高3個等級。研究結(jié)果表明：立交出口處的反超高對行車安全造成嚴(yán)重威脅，車輛以90 km/h的速度急轉(zhuǎn)彎換道時，側(cè)翻風(fēng)險等級為高；在減速車道以小于400 m的轉(zhuǎn)向半徑進行換道，側(cè)翻風(fēng)險等級為極高；而當(dāng)車輛在雨天以90 km/h的速度行駛時，即使不是急轉(zhuǎn)彎，側(cè)滑風(fēng)險等級為高；當(dāng)車輛以大于600 m的轉(zhuǎn)彎半徑進行換道時，至少需要120 m的行駛距離，漸變段應(yīng)該大于120 m以滿足不良天氣的行車要求。

交通工程；行車安全；動力學(xué)仿真；立交出口；風(fēng)險分析

近年來，隨著交通運輸業(yè)的發(fā)展，高速公路交通事故數(shù)量明顯上升，在立交出口路段尤為嚴(yán)重。互通式立交減速車道設(shè)置在主線與出口匝道之間，是一段供駛出車輛完成減速過程的附加車道。由于減速車道的特定功能，駕駛員在減速車道行駛時，不僅要及時減速，還要轉(zhuǎn)向換道，惡劣的天氣狀況更是對駕駛員造成嚴(yán)重的干擾，行車風(fēng)險性在此段道路急劇增加。針對立交出口路段行駛安全問題，專家學(xué)者開展了眾多研究。Hassan等[1]基于期望事故率建立變速車道長度計算模型，得出減速車道的合理長度建議值。Roess等[2]分析車道變換行為與交織區(qū)長度、交織區(qū)車道數(shù)、流量比和總流量之間的關(guān)系，車道變換率隨流量比和總流量的變化趨勢不明顯，而當(dāng)交織區(qū)長度由135 m增加到接近500 m，平均每30 m約增加0.5。孟巧娟等[3]對現(xiàn)行規(guī)范中分流點曲率半徑及回旋曲線參數(shù)的取值進行了進一步探討，研究結(jié)果表明立交出口的線形參數(shù)適當(dāng)提高對保證行車安全是有利的。李光等[4]采用基于公路安全評價指南和基于汽車行駛動力學(xué)的前、后2種方法對某高速公路出口匝道工程實例進行安全評價。劉亞非等[5]在分析統(tǒng)計出口匝道事故數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合速度適應(yīng)性、彎道錯覺、坡道錯覺等交通心理學(xué)原理，從主動防護和被動防護2個方面提出簡單的改善措施。王海君等[6]針對我國設(shè)計中互通式立交減速車道最小長度取值不合理的問題，研究主線設(shè)計速度為 120 km/h 的高速公路互通式立交分流區(qū)駛出車輛的分流位置和減速特性，利用模型對減速車道長度取值的合理性進行分析，并給出對應(yīng)不同匝道設(shè)計速度的減速車道長度建議值。目前,國內(nèi)外的研究大多針對立交主線為直線時的出口安全問題，并沒有考慮主線為圓曲線時的行車安全，而當(dāng)立交主線為圓曲線時，車輛在減速車道上行駛時會經(jīng)歷一個不利于行車安全的反超高，這對車輛的側(cè)翻有重要影響[7]。另外，對于不同天氣對于立交出口路段車輛的行駛安全缺少足夠的認(rèn)識，而惡劣天氣會導(dǎo)致車輛安全事故的增加。本文采用Trucksim仿真軟件，建立車輛的動力學(xué)模型、道路模型以及車—路耦合模型，以此為手段模擬車輛在立交圓曲線出口路段不同超高橫坡度情況下以不同速度、不同換道半徑的行駛情況，根據(jù)車輛的動力學(xué)以及運動學(xué)響應(yīng)分析車輛在不同工況行駛的反應(yīng)情況。

1 仿真模型

Trucksim是由美國機械仿真公司(Mechanical Simulation Corporation，即MSC)，在密歇根大學(xué)公路交通研究所UMTRI多年的試驗及車輛動態(tài)研究經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，開發(fā)的一種動態(tài)模擬汽車整車動力學(xué)的仿真軟件[8]，用于仿真及分析輕型貨車、大客車、重型卡車、多軸半掛車等的動態(tài)特性，可分析車輛的動力性、燃油經(jīng)濟性、通過性、操縱穩(wěn)定性、制動性及平順性。Trucksim是一款集成建模、仿真及分析軟件包的軟件，在整車性能仿真預(yù)測時，可根據(jù)初始理論設(shè)計參數(shù)，進行參數(shù)化模型搭建，而不需要進行實體模型構(gòu)建，同時能夠迅速地在所做的不同仿真之間切換；與目前其他常用車輛性能分析軟件相比，具有方便、高效、有效、可靠及精確等優(yōu)勢。本文分別建立人、車、路模型對立交減速車道路段進行仿真[9]。

1.1 駕駛?cè)四Ｐ?/p>

TruckSim中的駕駛員轉(zhuǎn)向控制模型為C.C.MacAdam教授提出的最優(yōu)預(yù)瞄控制模型(Optimal Preview Control)，是目前國際上公認(rèn)的幾種主要的駕駛員模型之一。預(yù)瞄最優(yōu)控制模型的軌跡跟隨程度非常高，它根據(jù)最優(yōu)控制理論，用軌跡跟隨的極小值計算并導(dǎo)出跟隨路徑。本文即利用預(yù)瞄軌跡模型來模擬駕駛員在減速車道的換道過程。

換道時駕駛員在行駛過程中最為常見的行為之一，李瑋等[10-11]給出了車輛的圓弧換道軌跡模型，指出車輛的換道軌跡由2段圓曲線和直線構(gòu)成，并且所得圓弧換道模型接近于實際工況。但是由于圓曲線軌跡上各處曲率都是相同的，在曲線與直線的鏈接點處曲率是不連續(xù)的，這與車輛在實際情況下的換道行駛軌跡是不相符的。本文對圓弧換道軌跡進行改進，建立緩和曲線換道軌跡模型，使得仿真過程更加合理。

車輛在減速車道路段的換道行駛過程中，駕駛員首先會輕微轉(zhuǎn)動方向盤，使車輛逐漸向由側(cè)車道靠近，直至兩車道的分界線。當(dāng)車輛進入減速車道之后，駕駛員反向小角度轉(zhuǎn)動方向盤，改變車輛的行駛方向，使車輛能夠順利進入減速車道，之后回正方向盤，完成換道過程。在這個換道過程中，駕駛員通常會以均勻速度來轉(zhuǎn)動方向盤，來確保汽車在換道過程中穩(wěn)定地行駛[12]?；谝陨戏治?，將車輛換道軌跡簡化為連續(xù)的反向凸型曲線，采用由緩和曲線構(gòu)成的反向凸型曲線軌跡作為車輛換道軌跡模型，見圖1。此軌跡為2段長度相等、方向相反的凸型曲線組成，凸型曲線中間的曲率半徑即為車輛換道中的最小安全轉(zhuǎn)彎半徑。軌跡模型見式(1)。

圖1 車輛換道軌跡Fig.1 Vehicle lane changing trajectory

(1)

式中：W1為前車道寬度，m；R1為第1個凸型曲線的連接處半徑，m；Ls1為第1個緩和曲線長度，m。

應(yīng)用上述模型即可得到大貨車在減速車道路段的換道軌跡模型，根據(jù)模型計算曲線長度等要素，即可得到車輛仿真路徑。將所得軌跡路徑輸入到Trucksim中，即可對車輛進行仿真。

1.2 車輛模型

本文采用解放牌某型號載重貨物運輸車[13]，車體尺寸為11 995 mm×2 500 mm×3 080 mm，額定載重30 000 kg，車軸數(shù)為4，車輪為前4后8。車體建模的主要內(nèi)容為車輛尺寸(車長、車高、車寬等)、車體質(zhì)量及和懸架系統(tǒng)等的設(shè)置，此次試驗在滿載情況下進行。

1.2.1 懸架系統(tǒng)

Trucksim仿真軟件中，車輛懸架的建模主要是建立懸架的運動學(xué)特性(Kinematics)和彈性運動學(xué)特性(Compliance)。懸架特性數(shù)據(jù)通過試驗獲得，根據(jù)客車的試驗數(shù)據(jù)，車輛前軸選用5.5 T懸架的K&C特性，后軸選用10 T懸架的K&C特性[14]。鋼板彈簧和阻尼器本身的特性曲線，以及懸架系統(tǒng)K&C特性對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)和操縱穩(wěn)定性等整車動力學(xué)的影響因素，采用軟件提供的默認(rèn)值。

1.2.2 輪胎模型

對車輛進行動力學(xué)分析，輪胎是一個重要研究對象，它是車輛與道路直接接觸的部件，看來只是一個黏彈性的圓環(huán)，但實際上是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，良好的輪胎特性保證了仿真車輛的運動力學(xué)性能。按照車型的要求，輪胎模型選取半徑為537 mm的輪胎特性作為仿真輸入?yún)?shù)。對于后兩軸每側(cè)都為雙胎的車輛，采用單獨輸入輪胎特性參數(shù)的方式，Trucksim會根據(jù)具體的設(shè)置自動轉(zhuǎn)化為當(dāng)量雙胎受力模塊。本文車輛模型雙胎中心線間距取310 mm。

1.2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模的主要內(nèi)容是對于轉(zhuǎn)向軸的設(shè)置，Trucksim軟件包括了長型、中型和短型等類型的轉(zhuǎn)向軸。可以根據(jù)需要設(shè)置轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的名義傳動比、左右輪非對稱運動學(xué)特性、彈性運動學(xué)特性、軸轉(zhuǎn)向特性以及相關(guān)的轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)[15]。本仿真車輛選用的名義轉(zhuǎn)向傳動比為23.3∶1，非對稱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運動學(xué)特性、軸的轉(zhuǎn)向特性以及與相關(guān)的車輪定位參數(shù)等的設(shè)置采用默認(rèn)值，所建立的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型不包括助力轉(zhuǎn)向模塊。

1.2.4 荷載模型

載荷建模是通過在半掛車之上放置規(guī)則的配重塊的方式來進行設(shè)置的，仿真中擬模擬大貨車在最不利條件下的仿真工況，所以載重設(shè)為滿載。采用規(guī)則載荷來模擬重型車輛的載重，滿載的載荷質(zhì)量為30 000 kg，具體參數(shù)見表1，荷載模型見圖2。

表1 荷載模型參數(shù)Table 1 Parameters of Load Model

圖2 荷載模型Fig.2 Model of payload

1.3 道路模型

本文研究大貨車在減速車道的換道工況，道路的車道分為立交主線車道與減速車道，現(xiàn)對仿真道路模型進行簡化，只建立立交主線最右側(cè)車道與減速車道，并且減速車道在立交主線圓曲線外側(cè)[16]。Trucksim中道路模型可Additional Data模塊中輸入。首先利用道路設(shè)計軟件設(shè)計指定半徑的道路，并生成逐樁坐標(biāo)表，將其輸入到道路平面模塊。道路超高的設(shè)置可在橫斷面界面模塊中直接輸入數(shù)據(jù)。

道路設(shè)計指標(biāo)直接影響著車輛行駛的安全性，因此本試驗中所采用的道路設(shè)計指標(biāo)均符合《公路路線設(shè)計規(guī)范》[17]中的相關(guān)規(guī)定，道路模型參數(shù)各項指標(biāo)見表2。

2 立交出口風(fēng)險評價指標(biāo)

《公路立體交叉設(shè)計細(xì)則》規(guī)定[18]一個車道寬度處的路段應(yīng)采用與主線相同的橫坡。鼻端處的匝道橫坡宜向外傾斜，并通過設(shè)于三角區(qū)的附加路拱完成反向過度。車輛在由主線車道進入減速車道的轉(zhuǎn)彎換道過程中，車輛要右轉(zhuǎn)方向盤，使車輛轉(zhuǎn)彎換道行駛，此時道路的超高橫坡度是按照車輛正常轉(zhuǎn)彎而進行設(shè)置的，所以此時車道的超高橫坡度是不利于汽車向外轉(zhuǎn)彎行駛的反超高，會對車輛的行駛安全造成一定的行車危險。

表2 道路模型參數(shù)Table 2 Parameters of road model

車輛在彎道路面定轉(zhuǎn)角或變轉(zhuǎn)角行駛，所產(chǎn)生的橫向力應(yīng)不超過輪胎與路面附著力所允許的界限。當(dāng)車速超過一定數(shù)值時，路面附著力不足以克服離心力的影響，汽車后軸發(fā)生側(cè)滑；同時由于縱向和橫向質(zhì)量的轉(zhuǎn)移，各車輪上的法向荷載變化很大，車身產(chǎn)生側(cè)傾，嚴(yán)重時會導(dǎo)致側(cè)翻。

貨車的側(cè)翻可以分為車輛自身轉(zhuǎn)向引起的側(cè)翻和由外界物體干擾所造成的絆倒型側(cè)翻兩大類，前者是由于有過多車輛荷載轉(zhuǎn)移到一側(cè)而使車輛兩側(cè)無法平衡，使得車輛一側(cè)輪胎所受到的垂直支持力為0，此時發(fā)生側(cè)翻[19]。后者是由于車輛在行駛過程中由于某種原因發(fā)生側(cè)滑，當(dāng)車輛與行駛軌跡周圍的障礙物發(fā)生碰撞時，會導(dǎo)致車輛的側(cè)翻。本文所研究的類型為轉(zhuǎn)向所引起的側(cè)翻。孫川等[20]指出了側(cè)翻指標(biāo)方面，橫向荷載偏移率(LTR)具有較高可信度，筆者基于此對大貨車橫向失穩(wěn)風(fēng)險進行研究。

LTR定義為車輛在行駛過程中內(nèi)側(cè)車輪荷載轉(zhuǎn)移到外側(cè)車輪的荷載與總荷載之比，其值是左右車輪受力差的比值，其取值在±1之間，見式(2)。

(2)

式中：F1i為車輛右側(cè)車輪上的垂直載荷，kN；F2i為車輛左側(cè)車輪上的垂直載荷，kN；i為軸的位置；n為總的車軸數(shù)。

汽車在行駛過程中，荷載會在兩側(cè)之間進行轉(zhuǎn)移，即LTR的取值范圍為[-1,1]，一般地，對于車輛側(cè)翻風(fēng)險，當(dāng)LTR值不超過0.6時，車輛處于安全狀態(tài)。

而在車輛的側(cè)滑方面，道路附著系數(shù)對車輛發(fā)生側(cè)滑的影響很大，主要原因為，當(dāng)車輛在附著系數(shù)低的路面上轉(zhuǎn)向行駛時，道路所能給輪胎提供的側(cè)向力不足以抵消車輛轉(zhuǎn)向所需要的離心力，故選取風(fēng)險分析指標(biāo)臨界附著系數(shù)[21]，用以體現(xiàn)側(cè)向力和垂直負(fù)荷的共同作用。臨界附著系數(shù)是指大貨車每個車輪所受的側(cè)向力與垂直力的比值取絕對值后的最大值。選用臨界附著系數(shù)作為側(cè)滑風(fēng)險分析指標(biāo)是考慮速度、車輛轉(zhuǎn)彎半徑對側(cè)滑風(fēng)險的影響，路面附著系數(shù)大于臨界值，行車安全，小于臨界值，行車危險。需要指出的是，臨界是指當(dāng)路面附著系數(shù)等于臨界值時，小客車會發(fā)生側(cè)滑危險，見式(3)。

(3)

式中：μ(z)為臨界附著系數(shù)；FYij(z)為輪胎側(cè)向力；FZij(z)為輪胎垂直力；i為車軸的軸數(shù)；j為車軸上的輪數(shù)。

為更加直觀表示大貨車行車風(fēng)險，定義ΔLTR與Δμ分別為橫向荷載便宜率安全容許值、附著系數(shù)安全容許值，其值為臨界值與實際值的差值，分別對側(cè)翻風(fēng)險與側(cè)滑風(fēng)險進行定量分析，并且分為低、高和極高3個評價等級，將側(cè)翻與側(cè)滑風(fēng)險進行綜合分析與評價，風(fēng)險等級劃分見圖3。

圖3 風(fēng)險等級劃分區(qū)間Fig.3 Risk gradation range

3 出口路段風(fēng)險因素分析

3.1 車輛在立交出口路段行駛特性分析

車輛在由立交主線進入減速車道的過程中，首先要以大半徑轉(zhuǎn)彎換道,進入最右側(cè)車道,之后再轉(zhuǎn)彎進入漸變段車道,隨之進入減速車道、通過分流鼻、小鼻端，最后進入匝道，在整個過程中，車輛都是以減速來行駛的[22]。

在立交減速段中，由于立交出口路段車道的復(fù)雜性，車輛從主線最右側(cè)車道行駛時，可能會從漸變段開始轉(zhuǎn)向進入減速車道，也可能因駕駛員會因反應(yīng)不及時或者操作不當(dāng)導(dǎo)致車輛從減速段才開始轉(zhuǎn)向進入減速車道。駕駛員要在小鼻點前完成轉(zhuǎn)向換道，所以轉(zhuǎn)向行為發(fā)生的越晚，車輛轉(zhuǎn)彎半徑越小，駕駛?cè)藛T的心里越緊張，行車危險也越大。如果轉(zhuǎn)向換道不及時，不僅車輛不能及時減速進入匝道，還可能會發(fā)生沖撞匝道鼻端等交通事故。

為了采集立交出口大貨車行駛數(shù)據(jù)，在廣州廣河高速的廣河-京港澳立交減速車道前90 m處架設(shè)雷達(dá)測速儀，利用雷達(dá)測速儀測定前方車輛的行駛速度及行駛坐標(biāo)，將雷達(dá)采集到的車輛數(shù)據(jù)資料進行提取，共得到133輛駛?cè)霚p速車道的大貨車的行駛數(shù)據(jù)。利用所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可以得出大貨車不同位置處的v85，橫軸采用區(qū)間平均速度，縱軸為累計頻率，可以直觀的得出大貨車的v85。統(tǒng)計速度見圖4。

圖4 減速車道區(qū)域行車速度Fig.4 Driving speed at deceleration lane

將此次仿真所用到的速度數(shù)據(jù)進行整理，見表3。

表3 不同點處車速統(tǒng)計Table 3 Statistical speed in defferent place

3.2 單因素分析

參考《公路路線設(shè)計規(guī)范》和《公路立體交叉涉及細(xì)則》，本文對大貨車在減速車道路段的行駛工況進行仿真，研究道路超高橫坡度e，速度v和換道轉(zhuǎn)彎半徑Rref對行車風(fēng)險的影響，仿真試驗設(shè)計見表4。

表4 單因素仿真工況Table 4 Single factor simulation conditions

利用Trucksim對所建模大貨車進行以上工況的仿真分析，仿真結(jié)果見圖5。

(a)道路超高與側(cè)翻風(fēng)險；(b)速度與側(cè)翻風(fēng)險；(c)轉(zhuǎn)彎半徑與側(cè)翻風(fēng)險；(d)不同轉(zhuǎn)彎半徑下的換道距離(e)速度與側(cè)滑風(fēng)險；(f)轉(zhuǎn)彎半徑與側(cè)滑風(fēng)險圖5 車輛動力學(xué)響應(yīng)Fig.5 Vehicle dynamic response

從圖5(a)中可以看出，大貨車在5%的正常超高路段行駛時的LTR值約比在3%的正常超高路段行駛時的LTR值小0.1，而在反超高路段，前者卻比后者大0.1，說明了反超高路段對車輛行車風(fēng)險的不利影響。隨著立交主線圓曲線路段超高值的增加，車輛在減速車道正常超高路段的側(cè)翻風(fēng)險減小，這與超高在彎道路段的作用是相一致的。但是在反超高路段，道路超高值的增加會加劇車輛的不穩(wěn)定性，造成側(cè)翻風(fēng)險，這一點在道路的設(shè)計中、駕駛員的實際操作中通常是被忽略的。

圖5(b)為當(dāng)大貨車以不同的行駛速度在減速車道上行駛的仿真工況，可以看出，隨著速度的減小，車輛的行車風(fēng)險明顯降低。當(dāng)大貨車在轉(zhuǎn)向換道之前不減速，直接以主線設(shè)計速度進行轉(zhuǎn)向換道，在減速車道的任何路段開始執(zhí)行換道，此時大貨車在反超高路段的LTR值都已經(jīng)達(dá)到了0.6，行車風(fēng)險很高，在正常超高路段，雖然LTR值大于反超高路段，但是由于彎道超高橫坡度的存在行車風(fēng)險明顯小于反超高路段。當(dāng)駕駛員反應(yīng)及時，車輛在減速車道開始端附近，以主線右側(cè)v85進行轉(zhuǎn)彎換道時，車輛處于安全狀態(tài)；當(dāng)駕駛員反應(yīng)不及時，在分流端才開始執(zhí)行換道時，由于速度在減速段的明顯降低，以500 m的轉(zhuǎn)彎半徑進行換道時是很安全的。

從圖5(c)中可以看出當(dāng)車輛以不同的轉(zhuǎn)彎半徑換道進入減速車道時，隨著轉(zhuǎn)彎半徑的增加，行車風(fēng)險有明顯的降低。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤以300 m和400 m的轉(zhuǎn)彎半徑進行轉(zhuǎn)彎換道時，在反超高路段，車輛的LTR最大值分別達(dá)到了0.8和0.6，已經(jīng)超過了側(cè)翻的臨界值，大貨車如果在減速車道以低于400 m的轉(zhuǎn)向半徑進行換道，側(cè)翻風(fēng)險極大。當(dāng)駕駛員換道轉(zhuǎn)彎半徑大于400 m時，側(cè)翻風(fēng)險低，車輛能安全完成換道進入減速車道。

從圖5(d)中可以看出，轉(zhuǎn)彎半徑越小，LTR峰值的橫坐標(biāo)的道路樁號越小，隨著換道半徑的減小，車輛完成換道進入減速車道過程的行駛距離越短。300 m的轉(zhuǎn)彎換道半徑所需要的行駛距離是最短的，而600 m的轉(zhuǎn)彎換道半徑所需要的行駛距離是最長的，兩者相差約50 m。駕駛員若要以較短的距離完成換道，則需要增大方向盤轉(zhuǎn)角，減小轉(zhuǎn)彎半徑，但此時行車風(fēng)險也在增大，駕駛員需要進行權(quán)衡決策。道路管理者也可以在減速車道路段設(shè)置標(biāo)示，給予駕駛員一定的指引，如在小鼻點前100 m處，若駕駛員仍以較大轉(zhuǎn)彎半徑換道行駛，則有沖撞小鼻點附近道路設(shè)施的危險，若以小半徑轉(zhuǎn)彎換道行駛，則有側(cè)翻危險，應(yīng)提醒駕駛員及早換道。

圖5(e)為臨界附著系數(shù)隨著速度和車輛換道半徑的變化曲線圖。隨著速度的增加、轉(zhuǎn)彎半徑的減小，臨界附著系數(shù)μ在增加，即側(cè)滑風(fēng)險增大。天氣的變化會影響道路附著系數(shù)的變化，根據(jù)非穩(wěn)態(tài)路面摩擦因數(shù)現(xiàn)場實驗的研究結(jié)果和相關(guān)研究結(jié)果，可以知道當(dāng)路面有冰雪覆蓋時路面摩擦系數(shù)只有0.1～0.2，當(dāng)路面潮濕時摩擦因數(shù)只有0.3～0.4，使用時間較長的舊路面摩擦因數(shù)為0.5～0.6，新建路面摩擦因數(shù)為0.7～0.8[23]。當(dāng)路面附著系數(shù)小于車輛側(cè)滑時的臨界附著系數(shù)時，車輛會發(fā)生明顯的側(cè)滑。如在雨雪嚴(yán)重的天氣，車輛在以100 km/h的速度在減速車道轉(zhuǎn)彎換道時，此時側(cè)滑風(fēng)險很大，而300 m和400 m的小半徑轉(zhuǎn)向也會在雨雪天氣對行車造成嚴(yán)重危險。

3.3 多因素分析

為了研究車輛在多種因素綜合作用下的行車風(fēng)險，本次試驗需要考慮3種影響因素，每種影響因素又有3組數(shù)據(jù)，為縮減試驗次數(shù)，采取正交試驗縮減試驗的數(shù)據(jù)組[24]，選取的正交試驗表為L9(34)，顯著性分析見表5～6。

表5 基于橫向荷載偏移率LTR的離差及方差分析結(jié)果Table 5 Results of deviation and variance analysis based on lateral offset rate

表6 基于臨界附著系數(shù)μ的離差及方差分析結(jié)果Table 6 Results of deviation and variance analysis based on critical adhesion coefficient

表5～6為基于橫向荷載轉(zhuǎn)移率LTR和基于臨界附著系數(shù)μ的離差及方差分析結(jié)果，從表中可以看出行車速度、換道半徑對大貨車側(cè)翻和側(cè)滑影響顯著，而道路超高橫坡度對大貨車的側(cè)翻影響顯著，對大貨車的側(cè)滑影響較小。行車速度對車輛的行駛安全具有重要作用，速度的增加導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎時輪胎側(cè)向力的增加，增加超過閾值時即會發(fā)生側(cè)翻，而所在路面無法提供過大的摩擦力時即會發(fā)生側(cè)滑[25]。換道半徑對行車風(fēng)險也有較大影響，半徑的大小直接影響車輛離心力的大小，進而影響側(cè)翻與側(cè)滑。道路的超高橫坡度主要影響大貨車的側(cè)翻，主要是由于大貨車在換道過程中經(jīng)歷一個反超高過程，在這個過程中車輛的荷載轉(zhuǎn)移率在不斷增加，過大的反向超高會顯著影響車輛的側(cè)翻。

4 評價模型的建立及風(fēng)險分析

由以上分析可知，行駛速度、換道半徑、道路超高橫坡度對大貨車在換道過程中的側(cè)翻有顯著影響，行駛速度、換道半徑對大貨車側(cè)滑有顯著影響，各因素與行車風(fēng)險的關(guān)系見式(4)。

(4)

利用MATLAB對上述仿真試驗所得數(shù)據(jù)進行回歸分析，得出各因素綜合作用對LTR及μ值的預(yù)測值，見式(5)～(6)。

(5)

式中：LTR為車輛荷載偏移率；Fri為車輛右側(cè)車輪上的垂直載荷，kN；Fli為車輛左側(cè)車輪上的垂直載荷，kN；i為軸的位置；n為總的車軸數(shù)。

(6)

式中：μ(z)為臨界附著系數(shù)；FYij(z)為輪胎側(cè)向力；FZij(z)為輪胎垂直力；i為車軸的軸數(shù)；j為車軸上的輪數(shù)。

利用以上回歸模型可以對天氣狀況、駕駛員操作、減速路段道路設(shè)計進行行車風(fēng)險對比分析，參照規(guī)范，在主線設(shè)計速度為100 km/h，匝道設(shè)計速度為60 km/h的條件下，分別取換道半徑400 m(急轉(zhuǎn)彎)和600 m(適度轉(zhuǎn)彎)，行駛速度為90(駛?cè)胨俣?，70(分流處速度)和60 km/h(駛出速度)，道路超高為4%，天氣情況為正常天氣、小雨天氣、暴雨天氣。最終得到雨天和超速、急轉(zhuǎn)彎情況下的行車風(fēng)險，見表7。

表7 立交出口大貨車行車風(fēng)險分析Table 7 Truck driving risk analysis at interchange exit

從表7中可以看出，1)天氣的變化主要影響道路路面附著系數(shù)的變化，路面的附著系數(shù)會對車輛的側(cè)滑產(chǎn)生顯著影響，在正常天氣情況下，路面附著系數(shù)可以提供車輛的換道側(cè)向力，因而沒有側(cè)滑風(fēng)險。在雨天，車輛在減速車道路段以90 km/h的速度換道時會有較大的行車風(fēng)險，隨著降雨量的增加，車輛側(cè)滑的風(fēng)險也越大。所以在雨天，駕駛員應(yīng)該減速慢行，當(dāng)駛進減速車道區(qū)域后盡早換道，避免急轉(zhuǎn)彎。道路管理者也可在進入減速車道處以交通標(biāo)志給予駕駛員提醒。2)不論是在何種天氣，速度對車輛行車風(fēng)險的影響都較大，當(dāng)車輛以90 km/h的速度急轉(zhuǎn)彎進入減速車道時，車輛發(fā)生側(cè)翻，當(dāng)雨天時，此種工況還會發(fā)生側(cè)滑。當(dāng)車輛以60 km/h和70 km/h的速度進行換道時，行車風(fēng)險低，可以給予大貨車司機一個參考。所以車輛在進入減速車道區(qū)域后應(yīng)及時減速，當(dāng)速度降低到60 km/h～70 km/h時再執(zhí)行換道，可大大降低行車風(fēng)險。3)通過對比雨天和正常天氣的行車風(fēng)險，可以得出在正常天氣的情況下，車輛發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險明顯大于發(fā)生側(cè)滑的風(fēng)險，而在雨天的情況下，汽車發(fā)生側(cè)滑的風(fēng)險大于側(cè)翻的，這就提醒駕駛員在不同的天氣狀況下，應(yīng)該采取不同的應(yīng)對措施以降低行車風(fēng)險。而管理部門可以在不同的天氣條件下給以不同的駕駛指引。

5 結(jié)論

1)以行車動力學(xué)為基礎(chǔ)，利用Trucksim軟件，考慮立交主線為圓曲線情況下，車輛換道進入減速車道時道路反向超高橫坡度對行車安全的影響，模擬車輛以不同速度、換道半徑由主線換道進入減速車道，發(fā)現(xiàn)反超高路段車輛側(cè)翻風(fēng)險高，速度及轉(zhuǎn)彎半徑對車輛換道過程均會產(chǎn)生影響。

2)采用正交試驗縮減仿真數(shù)據(jù)，運用數(shù)理統(tǒng)計理論對行車風(fēng)險影響因素進行了顯著性檢驗，發(fā)現(xiàn)行駛速度、換道半徑、道路超高對車輛側(cè)翻有顯著性影響，行駛速度、換道半徑對車輛側(cè)滑具有顯著影響。

3)綜合考慮影響因素，利用MATLAB軟件將仿真所得到的數(shù)據(jù)進行回歸分析，分別建立了橫向荷載偏移率的預(yù)測模型與臨界附著系數(shù)的預(yù)測模型，模型可以對大貨車在立交主線為圓曲線時減速車道路段換道側(cè)翻、側(cè)滑風(fēng)險進行預(yù)測。

4)車輛以90 km/h的速度急轉(zhuǎn)彎換道時，側(cè)翻風(fēng)險大。而當(dāng)車輛在雨天以90 km/h的速度行駛時，即使不是急轉(zhuǎn)彎，側(cè)滑風(fēng)險也較大，此種天氣應(yīng)給予駕駛員行駛速度的指導(dǎo)。當(dāng)車輛以大于600 m的轉(zhuǎn)彎半徑進行換道時，至少需要120 m的行駛距離，而目前規(guī)范中漸變段長度最大為100 m，若使車輛在不良天氣下能及時安全換道進入減速車道，漸變段應(yīng)該足夠長以滿足不良天氣的行車要求。

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Driving risk simulation analysis of lorriesat interchange exit section

ZHANG Chi1，2, QI Chen1, HUA Guilong3, LIU Yuanyuan1

(1.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2. State Key Laboratory of Road Engineering Safety and Health in Cold and High-Altitude Regions, CCCC First Highway Consultants Co.Ltd, Xi’an 710075, China; 3. Anhui Transport Consulting & Design Institute Co.Ltd, Hefei 230000, China)

To study the driving safety of lorries at interchange exit section where the mainline is circular, dynamic model of vehicle, road model and drivers' aiming trajectory model were developed by multi-body dynamics simulation software Trucksim. The lorries were simulated in the working conditions by changing the super-elevations, speed and vehicle turning radius separately. The single factor analysis and multi-factor analysis were done respectively to reduce the number of tests. The vehicle lateral load transfer rate and the response output of critical adhesion coefficient were concluded. The influence of weather conditions and different factors on driving safety at the interchange exit was analyzed. And risk evaluation was analyzed quantized. Risk can be divided into low, high, very high.The results show that anti super-elevation may pose a serious threat to the safety at interchange exit. The risk is high when vehicles changing lane at a speed of 90 km/h and at the steering radius less than 400 m in the deceleration lane. When the vehicle operates at a speed of 90 km/h in rainy day, even if there is no sharp turn, side slip risk is also high. When vehicle is changing lane with the turning radius bigger than 600m, the length of transition section should be at least 120m to meet the driving requirement of the bad weather.

traffic engineering; driving operation safety; dynamics simulation; exit of interchange; risk analysis

2016-08-14

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAG05B01)；教育部博士點基金新教師項目(20120205120013)；交通運輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2014319812170)；中國博士后科學(xué)基金資助項目(2016M590915)

張馳(1981-)，男，四川宜賓人，副教授，從事交通安全與道路仿真研究；E-mail：zhangchi@chd.edu.cn

TP391.9

A

1672-7029(2016)12-2522-11