基于人-車-路協(xié)同的山區(qū)道路符合性仿真研究

高偉嘉， 束海波

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

當(dāng)前中國(guó)主要干線公路上大型車輛占比高達(dá)40%～60%，源于美國(guó)的以小型車輛為主導(dǎo)所制定的道路設(shè)計(jì)速度及安全性檢驗(yàn)不能適應(yīng)中國(guó)復(fù)雜山區(qū)道路。大型車輛載重大、質(zhì)心高，極易在道路線形較復(fù)雜的路段產(chǎn)生側(cè)滑或側(cè)翻，而這種地形條件和駕駛環(huán)境較差的路段在山區(qū)道路中屢見不鮮。而且為提高經(jīng)濟(jì)效益，大型車輛在運(yùn)載過(guò)程中往往會(huì)超載行駛或高速行駛，進(jìn)一步提升了事故發(fā)生率。

目前針對(duì)大型車輛行駛安全性的分析主要集中在道路線形普通且坡度起伏較小的高速公路上，而中國(guó)山地和丘陵占總國(guó)土面積的43%，且越來(lái)越多的大型車輛承擔(dān)了偏遠(yuǎn)山區(qū)的運(yùn)輸工作，研究大型車輛在山區(qū)道路危險(xiǎn)路段的側(cè)翻、側(cè)滑風(fēng)險(xiǎn)并檢驗(yàn)道路的符合性從而降低事故發(fā)生率具有現(xiàn)實(shí)意義。該文運(yùn)用車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件Trucksim對(duì)真實(shí)環(huán)境下駕駛行為進(jìn)行仿真模擬，通過(guò)車輛數(shù)學(xué)模型求解器在仿真動(dòng)畫顯示器上表征仿真結(jié)果和車輛實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，檢驗(yàn)實(shí)際道路的符合性和通過(guò)性，并利用輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參量對(duì)多種試驗(yàn)工況進(jìn)行分析，模擬不同速度、載重、路面附著系數(shù)條件下大型車輛在山區(qū)道路上的運(yùn)行情況。

1 人-車-路耦合仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 道路建模

選擇G320貴州省晴隆回頭彎至普安江西坡橋頭路段(道路1)、G320貴州省新盤江橋關(guān)嶺岸橋頭至晴隆五里公路(道路2)作為仿真試驗(yàn)道路。道路1全長(zhǎng)23.859 km，共有8處回頭彎，且道路起伏較大，設(shè)計(jì)速度40 km/h，路基寬度8.5 m。道路2為全程連續(xù)縱坡路段，全長(zhǎng)21.658 km，設(shè)計(jì)速度40 km/h，路基寬8.5 m。

1.2 車輛建模

根據(jù)2條道路的等級(jí)、實(shí)際運(yùn)行情況和汽車載荷等級(jí)，選用二軸大客車、三軸自卸車(渣土車)、7座小客車為主要分析車型，其中7座小客車作為仿真分析的對(duì)照組。二軸大客車整車參數(shù)為簧上質(zhì)量6.36 t、整備質(zhì)量7.62 t，三軸自卸車(渣土車)整車參數(shù)為簧上質(zhì)量6.31 t、整備質(zhì)量8.53 t。圖1為車輛模型。

圖1 3A Dump Truck模型

1.3 駕駛員建模

試驗(yàn)速度控制選擇定速巡航和自由變速2種方式，并將行駛速度劃分不同速度區(qū)間；制動(dòng)控制和換擋控制選擇為閉環(huán)自動(dòng)控制；轉(zhuǎn)向控制選擇駕駛員速度預(yù)瞄控制(見圖2)。

圖2 駕駛員模型

2 山區(qū)道路設(shè)計(jì)安全性檢驗(yàn)

山區(qū)道路具有山高、坡陡、路窄、彎急等地形特

點(diǎn)，地勢(shì)復(fù)雜，駕駛難度大，大型車輛如大客車、自卸車和半掛車在復(fù)雜山區(qū)道路行駛時(shí)產(chǎn)生險(xiǎn)態(tài)的概率較高，因而對(duì)道路自身線形設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)性提出了要求，以使在保證道路通過(guò)性和符合性的條件下大型車輛能平穩(wěn)且安全地運(yùn)行。

2.1 道路線形設(shè)計(jì)符合性檢驗(yàn)

仿真試驗(yàn)時(shí)，使用道路設(shè)計(jì)速度(道路1和道路2均為40 km/h)作為車輛的仿真設(shè)計(jì)速度，將道路中線作為駕駛員預(yù)瞄軌跡，且大型車輛均為滿載定速行駛。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：1) 小客車、大客車、自卸車均能以設(shè)計(jì)速度安全通過(guò)道路2，且左線行駛、右線行駛均滿足安全性。2) 滿載的自卸車在道路1上定速行駛時(shí)在連續(xù)回頭彎等危險(xiǎn)路段發(fā)生側(cè)翻，側(cè)翻位置為圖3中A1、A2。

圖3 道路1平面線形及側(cè)翻位置和安全車速

對(duì)發(fā)生側(cè)翻路段進(jìn)行仿真分析，得出臨界安全車速是提高其行駛安全性的關(guān)鍵因素。在道路1中，以0.5 km/h的梯度降低道路設(shè)計(jì)速度，直到自卸車能安全通過(guò)側(cè)翻危險(xiǎn)路段，得到側(cè)翻位置的臨界安全車速(見圖3)，其中vBL為自卸車左線行駛的臨界安全速度，vBR為自卸車右線行駛的臨界安全速度。道路1中A1為晴隆回頭彎路段，K0+000—K5+080存在多處S彎和小半徑彎道，以設(shè)計(jì)車速行駛時(shí)，大型車輛在出彎位置存在側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)；A2為連續(xù)回頭彎路段，且從連續(xù)回頭彎起點(diǎn)K18+220至終點(diǎn)K23+859均為下坡路段，實(shí)際車速高于設(shè)計(jì)車速，在該路段也存在側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。綜上，在道路1的側(cè)翻危險(xiǎn)路段應(yīng)有限速標(biāo)識(shí)以防大型車輛反生側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 回頭曲線大型車輛通過(guò)性檢驗(yàn)

當(dāng)大型車輛通過(guò)山區(qū)道路的回頭曲線時(shí)，大部分駕駛員會(huì)采用切彎方式快速通過(guò)，以提高車輛的運(yùn)載效率、節(jié)省時(shí)間。但在山區(qū)道路的急彎等危險(xiǎn)路段進(jìn)行切彎行駛，會(huì)大幅提高半掛汽車列車等超長(zhǎng)車輛卡死等風(fēng)險(xiǎn)。

如圖4所示，當(dāng)大型車輛駕駛?cè)瞬捎们袕澬旭偡绞接肄D(zhuǎn)通過(guò)回頭彎時(shí)，車輛會(huì)侵占急彎內(nèi)側(cè)的路肩，大型車輛存在碰撞山體或碰撞道路護(hù)欄的風(fēng)險(xiǎn)；大型車輛左轉(zhuǎn)通過(guò)回頭彎時(shí)，侵占對(duì)向車道及外道路肩的可能性較大，致使車輛駛出路外或碰撞外側(cè)護(hù)欄。低通過(guò)性路段位置見圖5。

圖4 大型車輛侵占路肩

圖5 道路2平面線形及大型車輛低通過(guò)性路段

3 大型車輛行駛安全性檢驗(yàn)

通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)，模擬在不同山區(qū)道路上行駛的常用大型車輛的行駛狀態(tài)，由模型反饋的車輛運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)分析車輛的側(cè)滑、側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 側(cè)滑穩(wěn)定性檢驗(yàn)

車輛側(cè)滑是山區(qū)小半徑彎道常見的現(xiàn)象。道路1小半徑彎道多，坡度變化大，選用道路1作為側(cè)滑穩(wěn)定性分析的試驗(yàn)道路。根據(jù)現(xiàn)有研究，車輛側(cè)滑與車速、彎道半徑及路面摩擦系數(shù)有關(guān)，仿真分析時(shí)，車速選用30～40、40～50、50～60 km/h，道路附著系數(shù)選為0.6(正常路面)、0.5(潮濕路面)、0.4(雨雪路面)，選用大客車和自卸車作為仿真車型。

橫擺角速度ω和側(cè)向加速度ay可表征車輛的行駛穩(wěn)定性。根據(jù)已有研究，側(cè)向加速度ay<1.8 m/s2時(shí)穩(wěn)定性較好，1.8 m/s25 m/s2時(shí)穩(wěn)定性極差。通過(guò)橫擺角速度和側(cè)向加速度之間的關(guān)系式ω=ay/v和道路1的設(shè)計(jì)速度40 km/h計(jì)算所得橫擺角速度的穩(wěn)定性閾值見表1。

表1 橫擺角速度與橫向穩(wěn)定性的相關(guān)性

仿真得出滿載的自卸車以30～40 km/h的速度行駛時(shí)，在圖3中A1和A2處發(fā)生側(cè)滑，側(cè)滑時(shí)自卸車的具體位置和橫擺角速度見表2。

表2 自卸車側(cè)滑位置與側(cè)滑時(shí)橫擺角速度的絕對(duì)值

由于超速行駛的自卸車側(cè)滑風(fēng)險(xiǎn)較高，在道路1上行駛的自卸車應(yīng)盡可能不超過(guò)道路設(shè)計(jì)速度。在自卸車側(cè)滑路段對(duì)大客車進(jìn)行同工況仿真，大客車以3種速度通過(guò)圖3中A1處時(shí)的橫擺角速度見圖6。從圖6可看出：在設(shè)計(jì)速度下行駛的大客車的橫擺角速度沒(méi)有超過(guò)25 deg/s；車速達(dá)到50～60 km/h時(shí)，橫擺角速度的絕對(duì)值在K2+350連續(xù)彎道處發(fā)生劇烈波動(dòng)并增加至28 deg/s，大客車的橫向穩(wěn)定性極差，產(chǎn)生側(cè)滑風(fēng)險(xiǎn)。因此，在該路段行駛時(shí)應(yīng)盡量減少超速駕駛行為。

圖6 大客車在道路1 A1路段超速行駛時(shí)橫擺角速度的變化

路面附著系數(shù)也影響車輛的行駛穩(wěn)定性。圖7為大客車在3種附著系數(shù)路面上行駛時(shí)的橫擺角速度值。從圖7可看出：路面附著系數(shù)為0.5和0.6時(shí)，橫擺角速度值僅有微小波動(dòng)；附著系數(shù)為0.4時(shí)，大客車的橫擺角速度值波動(dòng)極大，且在K20+867處即圖3中A2產(chǎn)生側(cè)滑。該位置處于彎坡組合路段，當(dāng)出現(xiàn)雨雪天氣時(shí)，在該路段行駛的大型車輛需減速慢行，以免產(chǎn)生側(cè)滑。

圖7 道路1 A2路段上大客車橫擺角速度隨附著系數(shù)的變化

綜上，大型車輛在道路1上行駛時(shí)應(yīng)注意當(dāng)前道路條件，若道路或天氣條件較差，應(yīng)適當(dāng)降低行駛速度確保安全行駛，并在A1、A2等位置設(shè)立限速標(biāo)識(shí)，提醒大型車輛不要超速行駛，以免發(fā)生側(cè)滑。

3.2 側(cè)翻穩(wěn)定性檢驗(yàn)

在量化車輛側(cè)翻的指標(biāo)中，車身側(cè)傾角和車輛橫向載荷轉(zhuǎn)移率LTR是表明車輛進(jìn)入側(cè)翻狀態(tài)的重要指標(biāo)，其表達(dá)式為：

式中：Fli為車輛左側(cè)車輪上的垂直載荷(N)；Fri為車輛右側(cè)車輪上的垂直載荷；i為車軸的位置；n為總車軸數(shù)。

LTR的取值范圍為[0，1]，正常行駛條件下LTR趨于零，LTR逐漸逼近1時(shí)車輛狀態(tài)趨近為側(cè)翻，LTR≤0.2時(shí)車輛處于安全狀態(tài)，0.20.6時(shí)車輛處于高側(cè)翻傾向狀態(tài)。

道路2為長(zhǎng)大縱坡，易發(fā)生側(cè)翻事故，選用道路2作為側(cè)翻穩(wěn)定性分析的試驗(yàn)道路。仿真分析所得小客車、大客車、自卸車在道路2上的側(cè)傾角隨坡度和里程的變化見圖8。由圖8可知：小客車和大客車處于安全行駛狀態(tài)，均能在滿載的情況下在道路2上安全行駛；自卸車由于載重量較大且載荷質(zhì)心較高，在圖5中B1、B2、B3處側(cè)傾角出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，處于危險(xiǎn)行駛狀態(tài)。

圖8 道路2上車輛側(cè)傾角隨里程和坡度的變化

如圖9所示，小客車的LTR峰值為0.32，82%行駛里程中LTR均低于0.2，處于安全穩(wěn)定行駛狀態(tài)；大客車的LTR峰值為0.51，在連續(xù)回頭彎如B1等路段處于低側(cè)翻傾向狀態(tài)；自卸車的LTR峰值為0.56，接近于高側(cè)翻傾向狀態(tài)的臨界值0.6，若超速或超載，LTR值將超過(guò)臨界值，車輛將進(jìn)入高側(cè)翻傾向狀態(tài)。

圖9 道路2車輛橫向載荷轉(zhuǎn)移率的變化

受駕駛?cè)诵袨榱?xí)慣和道路復(fù)雜程度的影響，大型車輛在復(fù)雜山區(qū)道路上行駛時(shí)往往不會(huì)以設(shè)計(jì)速度行駛，且變速超載的情況屢見不鮮。選取30～40、40～50、50～60 km/h 3種車速區(qū)間及滿載、超載50%、超載80% 3種載重情況，分析不同道路條件下自卸車的側(cè)翻穩(wěn)定性。

自卸車的LTR隨車速的變化見圖10。由圖10可知：車速為40～50 km/h時(shí)，LTR的峰值達(dá)到0.65，在危險(xiǎn)路段極易發(fā)生側(cè)翻，處于高側(cè)翻傾向狀態(tài)；車速達(dá)到50～60 km/h時(shí)，由于道路2在右線行駛時(shí)車輛首先進(jìn)入的是小彎道半徑的連續(xù)回頭彎，LTR值不斷上升，在K2+221處發(fā)生側(cè)翻，LTR值達(dá)到1。因此，大型車輛在道路2上行駛時(shí)應(yīng)控制行駛速度，盡量不超過(guò)設(shè)計(jì)車速的30%即52 km/h。

圖10 車速對(duì)橫向載荷轉(zhuǎn)移率的影響

如圖11所示，超載率達(dá)到50%時(shí)，自卸車達(dá)到高側(cè)翻傾向狀態(tài)的臨界值，受車速和道路條件的影響，極易發(fā)生側(cè)翻；超載率達(dá)到80%時(shí)，自卸車的LTR峰值為0.63，若不能控制好車速，極易產(chǎn)生非絆倒型側(cè)翻?？梢?，載重對(duì)大型車輛的橫向穩(wěn)定性有較大影響。

圖11 載重對(duì)橫向載荷轉(zhuǎn)移率的影響

4 結(jié)論

通過(guò)Trucksim構(gòu)建人-車-路耦合的仿真系統(tǒng)模型，對(duì)2條山區(qū)道路中3種常見行駛車輛即小客車、大客車、自卸車進(jìn)行仿真分析。通過(guò)檢驗(yàn)2條山區(qū)道路的符合性，得出不同車輛在通過(guò)危險(xiǎn)路段時(shí)的臨界安全車速及通過(guò)性較低的路段；雨雪天氣對(duì)山區(qū)道路的安全性影響極大，在附著系數(shù)不斷降低的條件下，大型車輛極易出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象，附著系數(shù)降低到0.4時(shí)，急彎等危險(xiǎn)路段處車輛的橫擺角速度會(huì)超過(guò)閾值進(jìn)而發(fā)生側(cè)滑；超載行駛對(duì)大型車輛的橫向穩(wěn)定性具有負(fù)面影響，相對(duì)而言，在山區(qū)道路上行駛時(shí)，大型車輛高速行駛的危險(xiǎn)性高于超載的危險(xiǎn)性，車速為50～60 km/h時(shí)大概率會(huì)發(fā)生側(cè)翻。這是由于山區(qū)道路中小半徑彎道、連續(xù)回頭彎及彎坡組合路段較多，車速增加會(huì)使橫向載荷轉(zhuǎn)移率激增。山區(qū)道路線形復(fù)雜且天氣多變，考量道路的符合性具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。