基于車(chē)路耦合方法的車(chē)輛制動(dòng)失效影響分析

李平凡，黃 鋼，宋耀鑫，郝會(huì)龍

（公安部交通管理科學(xué)研究所 道路交通安全公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫214151）

基于車(chē)路耦合方法的車(chē)輛制動(dòng)失效影響分析

李平凡，黃 鋼，宋耀鑫，郝會(huì)龍

（公安部交通管理科學(xué)研究所 道路交通安全公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫214151）

目的 車(chē)輛制動(dòng)失效是交通事故的重要致因之一，為定量研究特定道路交通環(huán)境下，車(chē)輛制動(dòng)不良、制動(dòng)失效等因素對(duì)車(chē)輛行駛穩(wěn)定性的影響。方法 基于無(wú)人機(jī)航測(cè)影像構(gòu)建高精度交通道路場(chǎng)景三維模型，同時(shí)基于Trucksim/Simulink構(gòu)建車(chē)輛及其制動(dòng)系模型，可實(shí)現(xiàn)不同輪胎制動(dòng)力的單獨(dú)配置。以典型案例為載體分析了大客車(chē)在長(zhǎng)下坡與彎坡路段，大客車(chē)部分車(chē)輪制動(dòng)下降情況下的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并與實(shí)際事故形態(tài)做了比對(duì)。結(jié)果 仿真結(jié)果表明，在大客車(chē)右后輪制動(dòng)失效而其他輪制動(dòng)良好的情況下，在長(zhǎng)下坡彎坡組合路段，大客車(chē)制動(dòng)性能明顯降低，側(cè)向加速度峰值可達(dá)1.0 g，橫向載荷轉(zhuǎn)移率峰值可達(dá)1.0，車(chē)輛行駛穩(wěn)定性嚴(yán)重不良。結(jié)論 證實(shí)了該方法的正確性與可行性。

交通事故；車(chē)路耦合；TrucksimSimulink聯(lián)合仿真；橫向載荷轉(zhuǎn)移率；側(cè)向加速度

我國(guó)每年發(fā)生10余起重特大交通事故，在這些交通事故中，大客車(chē)事故占了較大比例[1]。交通事故調(diào)查中，調(diào)查人員重點(diǎn)關(guān)注事故中的人、車(chē)、路因素。車(chē)和路屬于事故致因中的客觀因素，實(shí)施調(diào)查具有較好的可操作性。但國(guó)內(nèi)目前的重特大交通事故調(diào)查中，對(duì)于車(chē)和路的因素是分開(kāi)調(diào)查的，缺乏綜合有效的分析方法。因此，交通事故中的車(chē)路耦合分析具有重要的實(shí)際意義。

關(guān)于車(chē)路協(xié)同[2]與車(chē)路耦合[3]研究分析，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了相關(guān)研究。車(chē)路協(xié)同是采用先進(jìn)的無(wú)線通信和新一代互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，全方位實(shí)施車(chē)車(chē)、車(chē)路動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信息交互，并在全時(shí)空動(dòng)態(tài)交通信息采集與融合的基礎(chǔ)上開(kāi)展車(chē)輛主動(dòng)安全控制和道路協(xié)同管理，充分實(shí)現(xiàn)人車(chē)路的有效協(xié)同，保證交通安全，提高通行效率，從而形成的安全、高效和環(huán)保的道路交通系統(tǒng)[4]?，F(xiàn)階段，車(chē)路協(xié)同技術(shù)主要應(yīng)用于先進(jìn)的智能交通系統(tǒng)中，與之相關(guān)的研究多采用仿真技術(shù)手段開(kāi)展。運(yùn)用車(chē)路耦合仿真技術(shù)分析車(chē)輛的行駛穩(wěn)定性是常見(jiàn)的分析方法，可應(yīng)用于道路安全評(píng)價(jià)[5]、交通安全模型建立[6]、車(chē)輛主被動(dòng)安全[7]等研究中。道路交通事故調(diào)查中涉及人車(chē)路等因素之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，且事故原因往往是多方面因素相互作用導(dǎo)致的。

目前，少有研究機(jī)構(gòu)針對(duì)我國(guó)重特大道路交通事故中人車(chē)路因素進(jìn)行耦合分析，一方面是缺少相關(guān)的調(diào)查資料，另一方面是重特大道路交通事故中融合人、車(chē)、路等因素的建模相對(duì)復(fù)雜，難以完成符合事故形態(tài)的仿真模型建立。因此，筆者將從重特大道路交通事故調(diào)查著手，利用Trucksim/Simulink分析工具，重點(diǎn)研究事故中道路三維模型建立、車(chē)輛制動(dòng)失效模型建立，分析在特定的道路工況中，車(chē)輛制動(dòng)失效對(duì)車(chē)輛行駛安全性的影響，以期建立科學(xué)的、可視的重特大道路交通事故仿真分析技術(shù)方法。

1 問(wèn)題描述與建模

以發(fā)生于2016年貴州某地的一起重大交通事故為研究對(duì)象，事故路段設(shè)計(jì)為連續(xù)彎坡組合路段。且經(jīng)過(guò)調(diào)查可知，事故中大型普通客車(chē)（以下簡(jiǎn)稱大客車(chē)）在事故發(fā)生時(shí)右后輪存在制動(dòng)不良情況。事故發(fā)生時(shí)，車(chē)輛的沖出道路側(cè)翻至道路左側(cè)邊坡中。

1.1 道路線型恢復(fù)與建模

道路線型恢復(fù)使用多旋翼航空飛行器，按照預(yù)定飛行航帶飛行并拍攝多幅影像，如圖1所示。

基于無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量理論，具有一定重疊度的多張影像構(gòu)成了立體像對(duì)，結(jié)合攝影中心的GPS信息和每張影像的姿態(tài)數(shù)據(jù)，可以解算每個(gè)物方點(diǎn)的空間坐標(biāo)。論文采用無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件Pix4DMapper對(duì)拍攝照片進(jìn)行地形建模，得到了測(cè)區(qū)內(nèi)數(shù)字表面模型（DSM），如圖2所示。由于數(shù)字表面模型上每個(gè)物方點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)已知，并且每個(gè)點(diǎn)的坡度和坡向參數(shù)可以計(jì)算得到，因此，本文沿?cái)?shù)字表面模型中道路中心線連續(xù)采樣，得到的一系列采樣點(diǎn)即可恢復(fù)道路線性。

圖1 部分航拍影像

圖2 道路數(shù)字表面模型

通過(guò)以上方法獲取道路線型數(shù)據(jù)后，即可在Trucksim車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件中建立道路的三維模型，Trucksim中建立的道路平縱曲線如圖3所示。

圖3 道路線型

1.2 事故車(chē)輛建模

根據(jù)事故調(diào)查資料，獲取事故車(chē)輛的外觀尺寸、動(dòng)力性能、輪胎規(guī)格等相關(guān)信息，整車(chē)參數(shù)見(jiàn)表1，根據(jù)表1中的參數(shù)，在Trucksim中對(duì)事故車(chē)輛進(jìn)行整車(chē)建模。

表1 整車(chē)參數(shù)

2 Trucksim/Simulink大客車(chē)制動(dòng)失效建模

2.1 大客車(chē)制動(dòng)力分配模型

事故大客車(chē)在事故發(fā)生時(shí)右后輪出現(xiàn)了嚴(yán)重的制動(dòng)不良情況，因而大客車(chē)制動(dòng)失效模型的建立即可簡(jiǎn)化為前后制動(dòng)器制動(dòng)力的比例分配問(wèn)題。根據(jù)汽車(chē)?yán)碚撓嚓P(guān)知識(shí)可知，理想的前后制動(dòng)器制動(dòng)力分配關(guān)系式為[8]：

式中，F(xiàn)μ1為前制動(dòng)器制動(dòng)力（N）；Fμ2為后制動(dòng)器制動(dòng)力（N）；φ為地面附著系數(shù)；G為汽車(chē)重力（N）；a為質(zhì)心到前軸的距離（m）；b為質(zhì)心到后軸的距離（m）；hg為車(chē)輛質(zhì)心高度（m）。

根據(jù)式（1）可解得大客車(chē)制動(dòng)器良好情況下理想的前后制動(dòng)力分配情況為：

根據(jù)式（2）在Simulink中建立理想情況下（即制動(dòng)性能良好）的大客車(chē)制動(dòng)力制動(dòng)模型，如圖4所示。圖4中將計(jì)算得到的前后軸制動(dòng)器制動(dòng)力Fμ1、Fμ2作為 Trucksim 的輸入，即可控制車(chē)輛的制動(dòng)情況。

圖4 大客車(chē)前后軸制動(dòng)器制動(dòng)力分配模型

2.2 大客車(chē)制動(dòng)失效模型

事故大客車(chē)安裝有防抱死裝置，且事故發(fā)生時(shí)，防抱死裝置正常工作，因而在建立右后輪制動(dòng)失效模型時(shí)必須考慮大客車(chē)在彎道上的ABS功能。根據(jù)ABS裝置的狀態(tài)方程（見(jiàn)式（3））[8]及ABS控制原理可知，當(dāng)汽車(chē)制動(dòng)開(kāi)始時(shí)，若車(chē)輪的角減速度低于某一閾值（-a）時(shí)，取此時(shí)的輪速作為初始值，計(jì)算車(chē)輪的滑移率s。當(dāng)車(chē)輪的角減速度已達(dá)閾值-a而車(chē)輪的滑移率s小于設(shè)定的閾值s1時(shí)，輪缸壓力保持不變；當(dāng)s大于s1時(shí)，減小輪缸壓力，此時(shí)車(chē)輪角減速度降低，恢復(fù)到-a后即保持制動(dòng)壓力；此后車(chē)輪會(huì)因慣性而加速，此時(shí)重復(fù)上述過(guò)程，直至車(chē)輛停止。

式中，ω為汽車(chē)輪轉(zhuǎn)速（m/s）；T0為制動(dòng)器的初始制動(dòng)力矩（N·m）；ω0為汽車(chē)初始輪速（m/s）；為車(chē)輛質(zhì)量（kg）；g 為重力加速度（m·s2）；r為車(chē)輪半徑（m）；φp為峰值附著系數(shù)；sp為滑移率閾值；φs為滑動(dòng)附著系數(shù)；I為車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；t為時(shí)間（s）。

考慮事故大客車(chē)右后輪制動(dòng)失效表現(xiàn)為右后輪的制動(dòng)蹄片與制動(dòng)鼓無(wú)法正常吃合，即可理解為右后輪上分配的制動(dòng)力降低。在建立大客車(chē)制動(dòng)失效模型時(shí)，將右后輪的輪缸壓力進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，即可模擬右后輪制動(dòng)失效情況。大客車(chē)制動(dòng)失效模型首先建立在如式（3）所述的ABS控制策略上，由Trucksim輸入輸出的變量名如表2、表3所示。建立的帶ABS系統(tǒng)的大客車(chē)制動(dòng)失效模型如圖5所示。

表2 Trucksim輸出

表3 Trucksim輸入

圖5 帶ABS的制動(dòng)失效模型

3 仿真結(jié)果分析

上述建模過(guò)程完成了事故路段、事故車(chē)輛及車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的模型建立，隨后在Trucksim仿真軟件中進(jìn)行事故過(guò)程仿真。設(shè)定駕駛?cè)搜氐缆酚覀?cè)1.5 m行駛，方向盤(pán)隨道路中心線進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，初始行駛速度為60 km/h，行駛2 s后，駕駛?cè)瞬扇≈苿?dòng)措施，制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間為0.1 s，制動(dòng)壓力為10 MPa，車(chē)輛為7速自動(dòng)擋。分別分析在制動(dòng)性能良好的情況下及右后輪制動(dòng)失效情況下的車(chē)輛行駛穩(wěn)定性。

事故大客車(chē)在事故發(fā)生時(shí)，同時(shí)出現(xiàn)側(cè)滑和側(cè)翻，因而需選取合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)量的穩(wěn)定性。側(cè)向加速度（ay）是判斷車(chē)輛側(cè)滑的常用指標(biāo)，車(chē)輛橫向載荷轉(zhuǎn)移率（LTR）是判斷車(chē)輛側(cè)翻的常用指標(biāo)。側(cè)向加速度和橫向載荷轉(zhuǎn)移率的計(jì)算式見(jiàn)式（4）、（5）。

式中，ω為橫擺角速度（rad/s）；R為轉(zhuǎn)彎半徑（m）。

式中，F(xiàn)zl為左側(cè)輪胎垂向載荷（N）；Fzr為右側(cè)輪胎垂向載荷（N）。

對(duì)于大客車(chē)而言，當(dāng)側(cè)向加速度超過(guò)0.3g時(shí)可認(rèn)為車(chē)輛出現(xiàn)側(cè)滑[4]。橫向載荷轉(zhuǎn)移率的數(shù)值在[-1，1]之間，當(dāng) LTR=±1時(shí)，表明車(chē)輛的載荷完全轉(zhuǎn)移到某一側(cè)，此時(shí)汽車(chē)發(fā)生側(cè)翻；當(dāng)LTR=0時(shí)，左右兩側(cè)載荷均衡，車(chē)輛行駛穩(wěn)定。實(shí)際情況下，當(dāng)車(chē)輛的橫向載荷轉(zhuǎn)移率達(dá)到0.8時(shí)，若不進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，車(chē)輛繼續(xù)在相同工況下行駛也會(huì)發(fā)生側(cè)翻，因而本文在研究車(chē)輛的橫向載荷轉(zhuǎn)移率時(shí)，將0.8作為閾值，當(dāng)LTR超過(guò)此數(shù)值時(shí)，認(rèn)為車(chē)輛存在側(cè)翻可能。

首先分析事故大客車(chē)在制動(dòng)性能良好的情況下，在事故路段上的行駛情況，選取大客車(chē)的縱向速度、側(cè)向加速度、滑移率及縱向加速度作為輸出，輸出結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，大客車(chē)在0.2 s后執(zhí)行制動(dòng)，車(chē)速呈線性降低，約3 s后速度將為0（圖6左上圖），證明事故大客車(chē)在制動(dòng)性能良好時(shí)，車(chē)輛很快能停止下來(lái)；但從圖6（右上、左下）可看出，連續(xù)的彎坡組合路段使車(chē)輛出現(xiàn)一定的側(cè)滑情況，最大側(cè)向加速度有超過(guò)0.3 g的情況。但隨著車(chē)速降低，車(chē)輛行駛趨于穩(wěn)定；車(chē)輛的滑移率在防抱死系統(tǒng)控制下，基本控制在最佳滑移狀態(tài)。以上分析說(shuō)明了車(chē)輛在制動(dòng)性能良好的情況下，大客車(chē)能在3 s內(nèi)制動(dòng)停車(chē)，車(chē)輛行駛穩(wěn)定性良好。受道路連續(xù)彎坡組合的影響，車(chē)輛會(huì)出現(xiàn)一定的側(cè)滑現(xiàn)象。因車(chē)輛能在較短的時(shí)間內(nèi)制動(dòng)停止，因而車(chē)輛不會(huì)出現(xiàn)側(cè)翻，不作大客車(chē)橫向載荷轉(zhuǎn)移的分析。

隨后進(jìn)行了車(chē)輛右后輪制動(dòng)不良情況下的Trucksim/Simulink仿真，仿真工況與上述制動(dòng)性能良好時(shí)的工況相同，仿真模型見(jiàn)圖5，仿真結(jié)果見(jiàn)圖7，圖7中，左上、右上、左下、右下分別為大客車(chē)的縱向速度、側(cè)向加速度、滑移率及縱向加速度輸出。

由圖7可知，大客車(chē)右后輪制動(dòng)失效后，整車(chē)制動(dòng)效果明顯下降，車(chē)速由60km/h增加至80km/h，車(chē)輛未發(fā)生抱死或空轉(zhuǎn)情況，但是側(cè)向加速度在5~9s時(shí)均超過(guò)了0.4g，且峰值的側(cè)向加速度超過(guò)1.0g，說(shuō)明車(chē)輛發(fā)生嚴(yán)重的側(cè)滑。

Simulink中建立式（5）所述的橫向載荷轉(zhuǎn)移率計(jì)算模型，繼續(xù)分析在制動(dòng)失效情況下大客車(chē)橫向載荷情況。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)如圖8所示。

圖6 制動(dòng)良好時(shí)車(chē)輛行駛狀態(tài)

圖7 制動(dòng)失效時(shí)車(chē)輛行駛狀態(tài)

由圖8可知，大客車(chē)右后輪制動(dòng)失效后，在長(zhǎng)下坡彎道組合路段，車(chē)輛的橫向載荷轉(zhuǎn)移率峰值多處達(dá)到1.0，說(shuō)明大客車(chē)在該路段行駛時(shí)，多處存在側(cè)翻可能，車(chē)輛行駛穩(wěn)定性嚴(yán)重不良。

仿真結(jié)果驗(yàn)證了該事故是道路線形和車(chē)輛制動(dòng)失效共同導(dǎo)致的。在長(zhǎng)下坡連續(xù)彎坡組合路段，大客車(chē)行駛時(shí)會(huì)出現(xiàn)側(cè)滑。當(dāng)大客車(chē)右后輪制動(dòng)失效時(shí)，整車(chē)的制動(dòng)性能?chē)?yán)重下降，在事故路段行駛時(shí)，車(chē)輛側(cè)翻幾率增大。

圖8 橫向載荷轉(zhuǎn)移率變化情況

4 結(jié)論

研究了基于航測(cè)影像恢復(fù)道路線型的方法，并依據(jù)航測(cè)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Trucksim仿真軟件中建立事故路段模型。利用Simulink建立了大客車(chē)帶ABS的制動(dòng)系統(tǒng)及失效的制動(dòng)系統(tǒng)模型，并分析了事故大客車(chē)在制動(dòng)系失效前后車(chē)輛的行駛穩(wěn)定性，得到如下結(jié)論：

（1）事故是道路線形不合理和車(chē)輛制動(dòng)系失效共同導(dǎo)致了，大客車(chē)行駛時(shí)，側(cè)向加速度峰值可達(dá)1.0 g，橫向載荷轉(zhuǎn)移率峰值多處達(dá)到 1.0，車(chē)輛存在嚴(yán)重的側(cè)翻可能性。

（2）模型針對(duì)的事故形態(tài)有限，需針對(duì)不同的事故形態(tài)，建立不同的車(chē)、路模型，且駕駛?cè)耸鞘鹿手蟹浅Ｖ匾囊蛩兀鎸?shí)的駕駛?cè)四Ｐ托杓皶r(shí)引入要研究中。

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Analysis of the Influence of Vehicle Braking Failure Based on Vehicle-road Coupling Method

LI Ping-fan,HUANG Gang,SONG Yao-xin,HAO Hui-long
（Key Laboratory of Ministry of Public Security for Road Traffic Safety,Institute of Traffic Management Research,Ministry of Public Security,Wuxi 214151,China）

Objective The disabled vehicle braking system is one of important causes of traffic accidents.This study aimed at quantitatively analyzing the effects of the disabled vehicle braking system on the driving stability under certain traffic circumstances.Method The high-precision 3D model of the traffic scene was built based on aerial images.The vehicle and its braking system were built based on Trucksim/Simulink,which was capable of distributing different braking force on different wheels.A representative traffic accident was analyzed to study the vehicle’s motion on a long downhill and curve slope road,when the accident bus’s braking performance partially dropped.The simulation of the vehicle’s state was compared to that in the actual traffic accident.Result It was showed that the vehicle’s braking performance decreased significantly,when its right rear wheel was in disabled braking condition and other wheels performed well.What’s worse,the peak value of the vehicle’s lateral acceleration reached 1.0g and the peak value of lateral load transfer rate reached 1.0,which indicated the vehicle was in a serious driving instability.Conclusion The results of the simulation proved the correctness and feasibility of the proposed simulation method.

traffic accident;vehicle-road coupling;TrucksimSimulink joint simulation;LTR;lateral acceleration

TP391

A

10.3969/j.issn.1671-2072.2017.06.010

1671-2072-（2017）06-0061-07

2017-03-17

公安部科技強(qiáng)警課題（2016GABJC29）

李平凡（1979—），男，副研究員，主要從事道路交通事故鑒定研究。 E－mail：lpfnew@163.com。

（本文編輯：馮 浩）