基于行車動(dòng)力學(xué)的交通安全仿真技術(shù)研究

華貴龍， 曹二星

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司；公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

公路是車輛安全行駛的載體，在公路的設(shè)計(jì)階段應(yīng)該重點(diǎn)考慮車輛因素和駕駛?cè)藛T因素，也就是應(yīng)該滿足車輛的動(dòng)力學(xué)特性和駕駛員的駕駛特性，設(shè)計(jì)優(yōu)良的路線應(yīng)具有良好的車輛適應(yīng)性和駕駛員適應(yīng)性[1]。基于人、車、路三者的協(xié)調(diào)性進(jìn)行路線設(shè)計(jì)是目前研究的熱點(diǎn)問題。本文基于行車動(dòng)力學(xué)理論，考慮駕駛員行車特性，針對(duì)低等級(jí)公路目前設(shè)計(jì)中存在的問題進(jìn)行研究，通過仿真試驗(yàn)，得到了車輛在低等級(jí)公路上的運(yùn)行特征，進(jìn)而選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)路線安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出對(duì)所評(píng)價(jià)公路的安全建議，使公路安全性大大提高。

1 Carsim 軟件介紹

Carsim是Vehiclesim 軟件系列的其中一款，它是美國Mechanical Simulation 公司設(shè)計(jì)的一款研究車輛行駛工況的多功能仿真軟件，軟件內(nèi)部具有專業(yè)的車輛動(dòng)力學(xué)模型、駕駛員駕駛模型以及道路模型[1]，以期研究各種復(fù)雜工況下的車輛行駛狀況，軟件的組成如圖1所示。

圖1 Carsim 的組成

(1)軟件建立模型的參數(shù)輸入(Model Parameters and Inputs)：主要是建立對(duì)于駕駛?cè)?、仿真車輛、所設(shè)計(jì)道路的模型。

(2)仿真程序(Run Control)：是軟件的核心部分，通過將所建立模型進(jìn)行提取并且進(jìn)行內(nèi)部運(yùn)算，可以對(duì)各種試驗(yàn)工況進(jìn)行仿真，得出結(jié)果。

(3)結(jié)果輸出(Output and Post Processing)：可以輸出仿真運(yùn)算的最后結(jié)果，可以通過動(dòng)畫、圖表形式將結(jié)果進(jìn)行展示，也可將仿真結(jié)果導(dǎo)出，方便數(shù)據(jù)的分析研究[2]。

2 仿真模型的建立

2.1 車輛模型的建立

Carsim的軟件數(shù)據(jù)庫中，針對(duì)目前運(yùn)營較多的車型進(jìn)行了分類，其中以小客車車型為主。小客車的車型主要被分為A、B、C、D四類，軟件為各個(gè)車型設(shè)置了原始參數(shù)，使用者可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)車輛參數(shù)進(jìn)行修改，為道路線形的安全性評(píng)價(jià)提供了豐富的車輛選擇。軟件基于傳統(tǒng)的車輛結(jié)構(gòu)建模方式，將懸架獨(dú)立的車輛簡(jiǎn)化為10個(gè)系統(tǒng)：1個(gè)整車系統(tǒng)、4個(gè)簧下系統(tǒng)、4個(gè)輪胎系統(tǒng)、1個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。對(duì)車輛進(jìn)行簡(jiǎn)化之后，軟件根據(jù)已有研究，建立多體動(dòng)力學(xué)車輛模型，結(jié)合駕駛員模型和道路模型對(duì)車輛的行駛狀況進(jìn)行仿真與運(yùn)算[3]。Carsim的整車模型包括7個(gè)子系統(tǒng)：車身、空氣動(dòng)力學(xué)、傳動(dòng)系、制動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、輪胎和懸架系統(tǒng)，如圖2所示。本文建立的小客車模型的參數(shù)見表1。

圖2 車輛模型組成

表1 車輛模型參數(shù)

2.2 道路模型的建立

Carsim中的道路模型是由一個(gè)坐標(biāo)軸建立起來的，坐標(biāo)軸的原點(diǎn)位于道路的起始位置的中線處，道路樁號(hào)增加的方向?yàn)閄軸數(shù)據(jù)增大的方向，道路橫向增加的方向?yàn)閅軸數(shù)據(jù)增加的方向。在對(duì)道路線形設(shè)置完成后，還可對(duì)路面鋪裝、摩擦系數(shù)進(jìn)行設(shè)置。將道路的平、縱、橫參數(shù)分別輸入到軟件中去，Carsim 界面可以根據(jù)用戶需求將建立的道路模型生成為動(dòng)畫展示出來[4]。路徑的長(zhǎng)度是由S來衡量的，軟件根據(jù)輸入的X、Y坐標(biāo)，應(yīng)用畢達(dá)哥拉斯定力，對(duì)路徑長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法如式(1)所示，計(jì)算原理如圖3所示。

圖3 S計(jì)算原理示意圖

(1)

2.3 駕駛員模型的建立

汽車是駕駛員行駛的載體，汽車駕駛?cè)藛T在道路上駕駛車輛行駛時(shí)，通過轉(zhuǎn)向、加減速等改變車輛的行駛狀態(tài)，以此來保證車輛的合理行駛。所以車輛、道路、駕駛?cè)巳糠帜Ｐ偷慕⒍际潜夭豢缮俚?，三者組成了一個(gè)整體。建立合理的駕駛?cè)四Ｐ停ㄟ^改變駕駛?cè)说牟僮鱽砀淖兎抡婀r，發(fā)現(xiàn)公路在設(shè)計(jì)時(shí)的問題，以期提高路線的安全性。

Carsim中的駕駛?cè)四Ｐ褪怯蒀.C.MacAdam 教授提出的最優(yōu)預(yù)瞄控制模型(optimal preview control，OPC)，是公認(rèn)的最優(yōu)的軌跡模型之一[5]。預(yù)瞄最優(yōu)控制模型的軌跡跟隨程度非常高，模型根據(jù)最優(yōu)控制理論，應(yīng)用軌跡追蹤的極小值對(duì)駕駛員路徑進(jìn)行跟隨，從而得出路徑。

3 基于行車動(dòng)力學(xué)的公路線形安全評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

本文在對(duì)已有道路線形安全性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究后，建立基于Carsim的公路線性安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)，并且在軟件中建立人、車、路模型，對(duì)路線安全進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)，最后提出改進(jìn)措施。關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取，從汽車運(yùn)行速度、車輛操縱穩(wěn)定性指標(biāo)和駕駛?cè)烁惺苤笜?biāo)三個(gè)方面來考慮。

3.1 速度指標(biāo)

通過Carsim中駕駛?cè)怂俣瓤刂颇Ｐ涂梢苑奖愕氐贸鲕囕v的運(yùn)行速度，車輛會(huì)將道路線形反饋給駕駛?cè)四Ｐ停M(jìn)而模型內(nèi)部通過算法將速度輸出給車輛，使車輛能夠根據(jù)道路的線形狀況行駛。已有研究表明，車輛的最大速度、最大加速度、最大側(cè)向加速度可以很好地評(píng)價(jià)車輛行駛的安全性。

仿真采用陜西省某山區(qū)二級(jí)公路，駕駛?cè)说姆磻?yīng)時(shí)間設(shè)置為0.15 s，預(yù)瞄時(shí)間為1.5 s，選取小客車為典型車型進(jìn)行模擬，期望速度分別設(shè)置為60 km/h、70 km/h、80 km/h，結(jié)果如圖4所示。

圖4 運(yùn)行速度仿真圖

本試驗(yàn)中選取線形較為復(fù)雜的某山區(qū)二級(jí)公路進(jìn)行仿真，從圖4可以看出，車輛在行駛時(shí)，速度隨著道路的線形在不斷變化，而目標(biāo)速度和實(shí)際速度是不同的，目標(biāo)速度是由道路線形所決定的，而實(shí)際速度則與車輛和駕駛?cè)擞嘘P(guān)。當(dāng)駕駛?cè)藛T以期望的速度在公路上行駛時(shí)，車輛會(huì)根據(jù)駕駛?cè)说姆磻?yīng)、路線的變化而做出改變，進(jìn)而改變行駛速度，使車輛的行駛速度能夠不斷適應(yīng)線形，這與車輛在實(shí)際工況中行駛是一致的，這也說明了軟件動(dòng)力學(xué)模型的合理性。從圖4可以看出，車輛的最低行駛速度與期望速度是無關(guān)的，最低運(yùn)行速度只與路線線形有關(guān)。從圖4還可以看出，車輛運(yùn)行速度的最低點(diǎn)都是位于相同的位置，這些位置是路線的圓曲線半徑最小處。期望速度主要影響了車輛相鄰路段的速度差，當(dāng)車輛在線形良好的路段行駛時(shí)，速度差較小，而當(dāng)車輛在線形條件差的路段上行駛時(shí)，速度差Δv會(huì)增大。研究表明，當(dāng)相鄰路段的速度差大于20 km/h時(shí)，則認(rèn)為此道路的線形條件是不好的?；谝陨戏治觯梢酝ㄟ^應(yīng)用軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，對(duì)道路線形可以進(jìn)行很好的評(píng)價(jià)，為道路設(shè)計(jì)人員提供良好的建議。

3.2 汽車操作穩(wěn)定性指標(biāo)

汽車的操作穩(wěn)定性是指當(dāng)駕駛員在道路上駕駛車輛時(shí)，能夠保證行車安全并且駕駛?cè)诵睦?、生理保持正常狀態(tài)，當(dāng)遇到外界干擾時(shí)，能夠保持正常的行駛狀態(tài)?；谝延醒芯?，本文提出以下指標(biāo)來評(píng)價(jià)車輛的操作穩(wěn)定性。軌道跟隨是指車輛能夠以目標(biāo)道路中心線行駛的能力，用軌跡偏移值這一指標(biāo)可以很好地反應(yīng)軌道跟隨的誤差。吉林大學(xué)郭孔輝院士認(rèn)為，軌道跟隨誤差在0.3 m內(nèi)是可以接受的。側(cè)翻是大貨車在道路上行駛時(shí)常見的失穩(wěn)形式，其直接原因是車輛兩側(cè)輪胎受力不均勻，當(dāng)一側(cè)輪胎受力為0時(shí)，車輛即發(fā)生側(cè)翻，所以在選取評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，以車輛的輪胎所受垂直力來反應(yīng)側(cè)翻的安全性。側(cè)滑現(xiàn)象以小客車居多，在道路的彎道路段，當(dāng)車輛提供的側(cè)向力不足以抵消離心力時(shí)，車輛即發(fā)生側(cè)滑。我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定重型車輛和普通車輛的側(cè)向加速度的閾值分別為0.3g和0.4g。

選取路線復(fù)雜的陜西省某二級(jí)路進(jìn)行仿真，車型選用小客車，駕駛員預(yù)瞄時(shí)間為1.5 s，仿真速度分別為60 km/h、70 km/h、80 km/h。仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 軌跡跟隨誤差對(duì)比

圖6 汽車4個(gè)輪胎的垂直作用反力對(duì)比

圖7 側(cè)向加速度對(duì)比

從圖5可以看出，車輛以60 km/h、70 km/h行駛時(shí)，均能安全駛出彎道，而當(dāng)速度增加到80 km/h時(shí)車輛駛出路基，駛出的位置正是路線的急彎處。而且隨著速度的增大，車輛的橫向偏移也越來越大。車輛在彎道路段較直線路段偏移量大，但是在速度為60 km/h、70 km/h時(shí)都沒有超過閾值0.1，說明是安全的。而當(dāng)汽車的速度為80 km/h時(shí)，在380 m處橫向偏移量突然增大，車輛處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

從圖6可以看出,當(dāng)車輛以小于80 km/h的速度行駛時(shí)，車輛兩側(cè)輪胎的受力都在2 000～6 000 N，而當(dāng)車輛以80 km/h的速度行駛時(shí)，兩側(cè)輪胎受力變化較大，在行駛的后半段，兩側(cè)輪胎受力差值已經(jīng)達(dá)到5 000 N，這對(duì)車輛的行駛是危險(xiǎn)的，尤其是對(duì)于大貨車容易發(fā)生側(cè)翻。

從圖7可以看出，三種工況下的側(cè)向加速度最大值均大于0.3g，而且側(cè)向加速度的最大值隨著速度的增加而增加，這意味著危險(xiǎn)也越來越大。車輛以80 km/h的速度在試驗(yàn)道路上行駛時(shí)，已經(jīng)發(fā)生了側(cè)滑，并導(dǎo)致車輛沖出路基。

基于以上分析，文章選取的車輛操作性指標(biāo)均能很好地反應(yīng)出車輛在道路上行駛的穩(wěn)定性，能夠反映出道路線形設(shè)計(jì)中所存在的問題。設(shè)計(jì)者可以通過以下措施對(duì)道路線形加以改進(jìn)：在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)該優(yōu)化路線線形，特別是彎坡組合路段，避免車輛以較高的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)向，引起危險(xiǎn)；在道路運(yùn)營階段，管理人員可以通過設(shè)置減速標(biāo)志、彎道提醒標(biāo)志等提醒駕駛員減速行駛，減少安全事故。

4 結(jié) 論

利用行車動(dòng)力學(xué)仿真軟件Carsim，分別建立駕駛?cè)祟A(yù)瞄軌跡模型、車輛模型、道路模型，通過仿真試驗(yàn)，研究了陜西某山區(qū)公路復(fù)雜線形條件下小客車的運(yùn)行工況。并且建立了基于行車動(dòng)力學(xué)仿真的車輛安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)：速度指標(biāo)和車輛操作穩(wěn)定性指標(biāo)。分別將小客車的期望速度設(shè)為60 km/h、70 km/h、80 km/h，對(duì)比分析了不同速度下的車輛響應(yīng)狀態(tài)，對(duì)路線的安全性進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：該仿真試驗(yàn)可以很好地對(duì)車輛的行駛進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果可靠。該研究結(jié)論能夠?yàn)槁肪€的安全設(shè)計(jì)起到很好的反饋?zhàn)饔谩?/p>