高速公路上坡路段半掛汽車列車行駛速度特性試驗(yàn)研究

束海波，邵毅明

(1. 重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

近年來，隨著公路貨運(yùn)車輛向重型化和拖掛化發(fā)展，半掛汽車列車在高速公路交通組成中的比例逐漸升高。半掛汽車列車外廓尺寸和載質(zhì)量大，對(duì)高速公路上其他車輛運(yùn)行干擾較大，對(duì)交通流暢通性和交通安全都產(chǎn)生較大影響。通過對(duì)2013—2017年全國(guó)高速公路重特大交通事故統(tǒng)計(jì)資料[1]整理發(fā)現(xiàn)，半掛汽車列車是造成高速公路上重特大交通事故的主要車型，比例為21.96%；而尾隨相撞是半掛汽車列車在高速公路上發(fā)生重特大事故的主要形態(tài)，占40.43%。高速公路上坡路段是發(fā)生半掛汽車列車尾隨相撞事故的主要路段，由于動(dòng)力不足，半掛汽車列車進(jìn)入坡道后減速較快且幅度較大，增大了與同向行駛車輛之間的速度差，誘發(fā)后方車輛變道，干擾其他車道車輛運(yùn)行，增大安全隱患，若后方車輛車速較快且跟車距離較近，避讓不及則會(huì)導(dǎo)致追尾。

在交通安全領(lǐng)域中，對(duì)上坡路段車輛運(yùn)行的安全分析主要與車輛行駛速度特性相關(guān)。國(guó)外對(duì)大型載重汽車行駛速度特性的研究較早，文獻(xiàn)[2]給出了不同縱坡度下大型載重汽車運(yùn)行車速曲線圖；P.MISAGHI等[3]采集了自由流狀態(tài)下20個(gè)雙車道上大型載重汽車行駛速度數(shù)據(jù)，建立了雙車道行駛速度預(yù)測(cè)模型。孟憲強(qiáng)等[4]對(duì)高速公路縱坡上中型車自由流運(yùn)行速度特性進(jìn)行研究，并建立了比功率與運(yùn)行速度、坡長(zhǎng)、坡度的函數(shù)關(guān)系模型；蘇波等[5]基于大貨車制動(dòng)性能進(jìn)行了山區(qū)高速公路坡度坡長(zhǎng)限制研究；賀玉龍等[6]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析了中美公路車輛運(yùn)行速度與交通安全的相關(guān)性；鐘小明等[7]基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了中型車在高速公路自由流運(yùn)行狀態(tài)下的運(yùn)行速度變化規(guī)律，并建立了中型車運(yùn)行速度模型；雷斌等[8]建立了長(zhǎng)大上坡路段載重汽車運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型，計(jì)算了不同比功率下車輛爬坡性能曲線；許金良等[9]基于速度預(yù)測(cè)模型，繪制了高速公路上坡路段不同坡度、坡長(zhǎng)、比功率下的車輛運(yùn)行速度曲線；徐進(jìn)等[10]采集了重慶地區(qū)多條上坡路段車輛運(yùn)行速度值，研究了山地城市長(zhǎng)上坡路段大型車運(yùn)行速度的變化特性。

綜上，現(xiàn)有關(guān)于高速公路上坡路段車輛行駛速度特性的研究主要針對(duì)中型車，對(duì)半掛汽車列車行駛速度特性分析較少，且研究多基于調(diào)查統(tǒng)計(jì)、預(yù)測(cè)模型或仿真分析。由于實(shí)車道路試驗(yàn)費(fèi)用高且存在一定危險(xiǎn)性等原因，目前采用實(shí)車試驗(yàn)方法研究半掛汽車列車行駛速度特性還鮮有報(bào)道?；诖?，筆者以半掛汽車列車為研究對(duì)象，在重慶山區(qū)高速公路選取上坡試驗(yàn)路段，測(cè)試了該車在不同縱坡路段的行駛速度，分析了不同入坡初速度、不同坡度等對(duì)半掛汽車列車上坡行駛速度的影響及速度變化特性。本研究為相關(guān)半掛汽車列車行駛速度仿真及預(yù)測(cè)模型提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為高速公路上坡路段的交通安全改善提供了科學(xué)依據(jù)。

1 車輛上坡運(yùn)動(dòng)方程

為合理確定試驗(yàn)方案，筆者先對(duì)車輛上坡運(yùn)行過程進(jìn)行理論分析。根據(jù)汽車?yán)碚揫11]，車輛運(yùn)動(dòng)方程如式(1)：

(1)

車輛驅(qū)動(dòng)力如式(2)：

(2)

故，車輛上坡運(yùn)動(dòng)方程如式(3)：

(3)

式中：Ft為驅(qū)動(dòng)力；Ff為滾動(dòng)阻力；FW為空氣阻力；Fn為坡度阻力；Fj為加速阻力；Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率；G為作用于車輛上的重力；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；n為坡度；m為車輛質(zhì)量；a為運(yùn)行加速度；v為行駛速度；x為車輛位移；ti為i時(shí)刻車輛行駛時(shí)間，括號(hào)內(nèi)帶ti變量為ti時(shí)刻對(duì)應(yīng)變量值。

由車輛上坡運(yùn)動(dòng)方程可看出，車輛進(jìn)入上坡路段后行駛速度變化主要與入坡初速度、加速度、坡度大小等因素有關(guān)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)道路

筆者選取G42高速重慶萬州—梁平段其中的4段不同縱坡值直線路段進(jìn)行試驗(yàn)，選擇試驗(yàn)路段考慮的主要因素有坡度、坡長(zhǎng)、交通量等，如表1。

表1 試驗(yàn)路段選擇Table 1 Selection of test section

2.2 試驗(yàn)車輛

目前，高速公路上行駛的半掛汽車列車多為五軸和六軸列車，試驗(yàn)租用物流公司的兩列六軸集裝箱半掛汽車列車進(jìn)行測(cè)試，列車由東風(fēng)牌天龍重卡牽引車和中集通華牌三軸半掛車組成。牽引車驅(qū)動(dòng)型式為6×2，整備質(zhì)量為8.2 t，發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為250 kW，半掛車最大允許總質(zhì)量為37 t，車輛比功率為4.98 kW/t，制動(dòng)器類型為鼓式，輔助制動(dòng)裝置為淋水輔助制動(dòng)。試驗(yàn)中，試驗(yàn)車1的總質(zhì)量為43.2 t，試驗(yàn)車2的總質(zhì)量為44.7 t。

2.3 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)委托具有專業(yè)檢驗(yàn)資質(zhì)的國(guó)家機(jī)動(dòng)車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(重慶)進(jìn)行，試驗(yàn)儀器為委托單位定期標(biāo)定的儀器。試驗(yàn)主要使用VBOXⅢ系統(tǒng)測(cè)試車輛行駛速度、加速度、行駛里程、經(jīng)度、緯度等信息數(shù)據(jù)，GPS天線安裝在駕駛室頂部縱向中心處。系統(tǒng)外接一個(gè)觸發(fā)器，用于在車輛到達(dá)入坡起點(diǎn)時(shí)給出脈沖信息，以方便在測(cè)試數(shù)據(jù)中找到入坡點(diǎn)。

2.4 試驗(yàn)方法

車輛入坡初速度、坡度大小是影響車輛上坡行駛速度的重要因素。試驗(yàn)選取不同坡度(2.2%、2.9%、3.5%)試驗(yàn)路段，分別測(cè)試試驗(yàn)車輛以80、90、100 km/h的不同初速度駛?cè)肫碌篮蟮乃俣?、加速度、行駛里程等?shù)據(jù)。試驗(yàn)由委托單位國(guó)家機(jī)動(dòng)車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(重慶)測(cè)試人員進(jìn)行，試驗(yàn)中環(huán)境溫度32 ℃，風(fēng)速0.7 m/s。

試驗(yàn)方法及過程如下：試驗(yàn)車輛在進(jìn)入試驗(yàn)路段后以自由流狀態(tài)下車速正常行駛；在到達(dá)上坡測(cè)試路段起點(diǎn)樁號(hào)前，駕駛員將車速維持到規(guī)定的入坡初速度(80、90、100 km/h)，變速器掛高速擋(9擋)；車輛到達(dá)入坡起點(diǎn)樁號(hào)時(shí)，按下連接VBOXⅢ系統(tǒng)的觸發(fā)器，給出脈沖信息，在記錄測(cè)試數(shù)據(jù)中同步記錄下入坡起點(diǎn)位置信息；車輛駛?cè)肷掀侣范魏螅{駛員按照駕駛經(jīng)驗(yàn)適時(shí)進(jìn)行換擋操作(變速箱擋位由9擋逐級(jí)降至6擋)以維持最大速度上坡行駛；車輛駛離上坡路段后，恢復(fù)自由流狀態(tài)下車速正常行駛，完成一次測(cè)試，VBOXⅢ系統(tǒng)自動(dòng)記錄下車輛行駛速度、加速度、行駛里程等數(shù)據(jù)。

表2 試驗(yàn)次數(shù)Table 2 Test times

由于在高速公路上車輛調(diào)頭必須要在高速公路出入口進(jìn)行，因此同一路段進(jìn)行重復(fù)測(cè)試需要較長(zhǎng)時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)合時(shí)間及費(fèi)用情況，在不同試驗(yàn)路段、不同入坡初速度測(cè)試中，每列試驗(yàn)車輛分別測(cè)試1～2次，兩列車輛共測(cè)試16次，試驗(yàn)次數(shù)如表2。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 入坡初速度對(duì)上坡行駛速度影響

為得出入坡初速度對(duì)車輛上坡行駛速度的影響，選取初速度分別為80、90、100 km/h。在平均縱坡為3.5%的試驗(yàn)路段，測(cè)試了車輛以不同入坡初速度上坡運(yùn)行時(shí)的速度變化特征，如圖1。

圖1 入坡初速度與行駛速度關(guān)系Fig. 1 Relationship between initial speed and operating speed

由圖1可看出：車輛以不同初始速度進(jìn)入同一縱坡段后，車速迅速降低，之后駕駛員通過換擋操作，車速有一定回升，雖然其速度變化規(guī)律不同，但車輛最后都會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定速度，即在同一坡度上，車輛最大持續(xù)爬坡速度相同。

3.2 坡度對(duì)最大持續(xù)爬坡速度影響

在分析坡度對(duì)車輛最大持續(xù)爬坡速度的影響時(shí)，分別選取2.2%、2.9%、3.5%這3種不同縱坡試驗(yàn)路段進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)入坡初速度為80 km/h時(shí)，得出坡度與最大持續(xù)爬坡速度的關(guān)系，如圖2。

圖2 坡度與最大持續(xù)爬坡速度的關(guān)系Fig. 2 Relationship between slope gradient and maximum continuous climbing speed

從圖2可看出：在不同坡度上，車輛最大持續(xù)爬坡速度不同，坡度越大，最大持續(xù)爬坡速度越小，試驗(yàn)測(cè)得2.2%、2.9%、3.5%這3種不同坡度上車輛最大持續(xù)爬坡速度分別為45、36、28 km/h。根據(jù)JTG D20—2006《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]中規(guī)定，設(shè)計(jì)速度為100 km/h的高速公路，連續(xù)上坡方向載重汽車行駛速度低于55 km/h的容許最低速度時(shí)應(yīng)設(shè)置爬坡車道。試驗(yàn)測(cè)得3種不同坡度上車輛的最大持續(xù)爬坡速度均低于容許最低速度。

3.3 坡度對(duì)上坡行駛速度下降變化影響

為得出坡度對(duì)車輛上坡行駛速度下降變化的影響，選取2.2%、2.9%、3.5%這3種不同縱坡。測(cè)試了車輛以入坡初速度80 km/h上坡時(shí)行駛速度隨時(shí)間變化的特征，如圖3。

圖3 坡度與行駛速度的關(guān)系Fig. 3 Relationship between slope gradient and operating speed

由圖3可看出：在不同坡度上，車輛行駛速度下降變化差異較明顯，坡度越大，速度下降越快。在2.2%的坡度上，速度由80 km/h下降到50 km/h時(shí)長(zhǎng)約為1 min；而在3.5%的坡度上，速度由80 km/h下降到50 km/h的時(shí)長(zhǎng)僅為35 s。

4 車輛追尾分析

為分析車輛追尾半掛汽車列車情況，筆者選擇同車道跟車行駛的車輛為5座以下小轎車，并設(shè)定如下交通場(chǎng)景：小轎車跟車行駛的車速為100 km/h(根據(jù)測(cè)試路段限速規(guī)定)，考慮高速公路在道路條件良好的情況下，小轎車行駛速度受坡道的影響很小，近似認(rèn)為小轎車上坡行駛中速度仍保持100 km/h。在進(jìn)入上坡路段前跟車距離為100 m(根據(jù)文獻(xiàn)[13]規(guī)定：機(jī)動(dòng)車在高速公路上行駛車速超過100 km/h時(shí)，安全車距為100 m以上)；在整個(gè)行駛過程中小轎車不變換車道，故半掛汽車列車與小轎車之間的進(jìn)入坡道的初始時(shí)間差為3.6 s。

4.1 入坡初速度對(duì)追尾影響

為分析半掛汽車列車在不同入坡初速度下可能被追尾的情況，選擇坡度為3.5%，入坡初速度分別為80、90、100 km/h的測(cè)試結(jié)果。根據(jù)設(shè)定的小轎車跟車行駛場(chǎng)景，得到半掛汽車列車在不同入坡初速度下被小轎車追尾的特性，見圖4。

圖4 入坡初速度與追尾的關(guān)系Fig. 4 Relationship between initial speed and rear-end

由圖4可看出：半掛汽車列車入坡初速度對(duì)小轎車追尾影響較大，當(dāng)小轎車以100 km/h的速度勻速上坡行駛時(shí)，追尾發(fā)生時(shí)間隨半掛汽車列車入坡初始速度的降低而縮短；半掛汽車列車的入坡初速度為100 km/h時(shí)，小轎車駛?cè)肫露群?1 s發(fā)生追尾，進(jìn)入坡度距離為485 m，而入坡初速度為80 km/h時(shí)，小轎車駛?cè)肫露群?4 s即發(fā)生追尾，進(jìn)入坡度距離僅為290 m。

4.2 坡度對(duì)追尾影響

為分析坡度對(duì)車輛追尾的影響，筆者分別選取2.2%、2.9%、3.5%這3種不同縱坡，半掛汽車列車入坡初速度分別為80 km/h的測(cè)試結(jié)果。根據(jù)設(shè)定小轎車跟車行駛場(chǎng)景，得到半掛汽車列車在不同坡度下被小轎車追尾的特性，見圖5。

圖5 坡度與追尾的關(guān)系Fig. 5 Relationship between slope gradient and rear-end

由圖5可看出：追尾發(fā)生的時(shí)間和距離隨坡度增大而呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)，但差異不大，與半掛汽車列車入坡初速度相比，坡度大小值對(duì)追尾的影響較小。

5 結(jié) 論

1)半掛汽車列車以不同初速度進(jìn)入同一縱坡段后，隨著入坡距離增加，車速逐漸降低，雖速度變化規(guī)律不同，但車輛最大持續(xù)爬坡速度相同。

2)在不同坡度上，車輛行駛速度下降變化差異較明顯，最大持續(xù)爬坡速度也不同，坡度越大，速度下降越快，最大持續(xù)爬坡速度也越小。

3)半掛汽車列車入坡初速度對(duì)追尾事故影響較大，小轎車追尾半掛汽車列車時(shí)間隨半掛汽車列車入坡初速度的降低而縮短；縱坡坡度大小對(duì)小轎車追尾半掛汽車列車有影響，但影響較小。