基于CarSim軟件的道路安全評價(jià)技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

黃曉明，洪正強(qiáng)

(1.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 211189；2.國家道路與交通工程實(shí)驗(yàn)教育示范中心，江蘇 南京 211189)

0 引 言

道路設(shè)計(jì)安全評價(jià)主要圍繞路線線形設(shè)計(jì)可靠性和路面病害及抗滑性能等方面進(jìn)行，是道路工程中非常重要的一環(huán)。然而，目前對道路設(shè)計(jì)安全評價(jià)做出的假設(shè)仍然存在一些問題，即將車輛假設(shè)為一個剛體，僅考慮其剛體運(yùn)動，而忽略了輪胎和懸架對于車身穩(wěn)定性的作用以及轉(zhuǎn)向時輪胎的不同受力特點(diǎn)，因此在涉及車輛受力和抗滑方面的設(shè)計(jì)會有一定的不精確性。

CarSim由Mechanical Simulation Corporation開發(fā)，為汽車工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)級車輛動力學(xué)仿真軟件，技術(shù)本質(zhì)實(shí)際上由三部分組成：①分別是作為車輛、道路、環(huán)境和駕駛員物理模型建立和控制的VehicleSim；②負(fù)責(zé)使用虛擬相機(jī)和繪圖程序顯示計(jì)算結(jié)果的VS Visualizer；③以及與用戶計(jì)算數(shù)據(jù)直接相關(guān)的GUI系統(tǒng)。軟件最大的特點(diǎn)是模擬具有實(shí)時性、準(zhǔn)確性，并且省去了建模調(diào)試和用戶自編模型等一系列繁瑣流程，讓用戶能直接上手應(yīng)用。

近年來，研究人員越來越重視車輛在道路上行駛的安全性與舒適性，并以此為工程設(shè)計(jì)的參考之一；加之CarSim的模擬已經(jīng)擴(kuò)展到包括復(fù)雜地形、行人、交通標(biāo)志和信號的模擬以及自動駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和自動駕駛車輛模擬場景所需的內(nèi)置傳感器等，這些更新令原本只能建立簡單、精度較低的地形的情況得到了很大的改善，為其在道路設(shè)計(jì)及安全性評價(jià)中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

1 CarSim在道路設(shè)計(jì)可靠性評價(jià)中的應(yīng)用

一般而言，按照規(guī)范設(shè)計(jì)的道路能夠通過審核，但是部分道路在實(shí)際行駛中有可能存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，如存在采用極限值設(shè)計(jì)或者不良的平縱組合設(shè)計(jì)等情況。評價(jià)一個路段設(shè)計(jì)是否合理，CarSim的道路建模能力和實(shí)時反饋的計(jì)算能力能夠從安全性和舒適性兩方面提供參考。

1.1 道路線形設(shè)計(jì)安全性評價(jià)

在使用CarSim對道路線形設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)時，研究人員主要對車輛的側(cè)向穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。在這個目標(biāo)下，研究者們主要通過建立真實(shí)道路線形模型，并采用不同車輛及駕駛員模型進(jìn)行仿真安全實(shí)驗(yàn)。不同研究者對評價(jià)方法有一定區(qū)別。

YIN Yanna等[1]通過正交分析設(shè)計(jì)方法，研究車速與道路幾何參數(shù)之間的相互作用對車輛橫向穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為平曲線設(shè)計(jì)與車速共同作用會顯著影響車輛的側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。

A.A.KORDANI等[2]對模擬試驗(yàn)進(jìn)行多元回歸分析，研究了三維道路模型的側(cè)摩阻力系數(shù)與縱坡的關(guān)系，提出了不同車型側(cè)摩系數(shù)估算的新模型。此外，還研究了車輛各軸的側(cè)摩擦系數(shù)，總結(jié)了常見車型的打滑現(xiàn)象及其嚴(yán)重程度。

王曉玉[3]為確定高速公路互通式立交設(shè)計(jì)的安全性以及相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制策略，以某立交的設(shè)計(jì)文件及現(xiàn)場數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助CarSim對該立交的匝道進(jìn)行了綜合安全評價(jià)。依據(jù)以上研究，確定了立交匝道高風(fēng)險(xiǎn)段位置，并提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制方案。

此外，在平縱組合設(shè)計(jì)中，CarSim具有較多的應(yīng)用案例，并且對于山區(qū)公路的平縱組合設(shè)計(jì)問題，CarSim模擬可以很好地代替實(shí)地試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

1.2 限速設(shè)計(jì)安全性評價(jià)

現(xiàn)有的限速策略中，存在著汽車穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)不準(zhǔn)確、輪胎模型過于簡化等問題。因此，有研究者從既有路段的速度設(shè)計(jì)合理性出發(fā)，提出安全車速值。

L.YUE等[4]利用CarSim對不同車速汽車的側(cè)滑、側(cè)翻事故進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了臨界安全速度和安全模型。該研究對高等級、低等級和特殊環(huán)境中的山區(qū)公路設(shè)計(jì)速度都進(jìn)行了歸納總結(jié)。

王露等[5]主要對惡劣天氣的臨界車速進(jìn)行研究，分別分析了大風(fēng)、雨天和雪天情況下，不同路段行駛時能夠保證車輛穩(wěn)定性的安全速度。

李平[6]主要對大型車的安全速度進(jìn)行研究，并根據(jù)某路段的統(tǒng)計(jì)資料構(gòu)建了駕駛場景進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)大型車的安全速度閾值與車輛荷載的分布與大小有很大關(guān)系，并給出了荷載狀況與安全速度間的關(guān)系。

1.3 交通設(shè)施設(shè)置安全性評價(jià)

除了研究路線設(shè)計(jì)及速度設(shè)計(jì)本身對車輛行駛安全性影響，CarSim直觀、優(yōu)質(zhì)的可視化效果能為交通設(shè)施設(shè)計(jì)的評價(jià)帶來很大的幫助。比較典型的是對中央分隔帶設(shè)計(jì)的安全性進(jìn)行研究。例如J.S.STINE等[7]研究了公路中央分隔帶的安全性，利用CarSim模擬超過10萬次車輛侵入中央分隔帶的事故。這些事故統(tǒng)計(jì)了所有可能的侵入角度、出發(fā)速度、轉(zhuǎn)向輸入和制動輸入。仿真結(jié)果表明：公路中央分隔帶的整體安全性取決于車輛側(cè)翻和侵入中央分隔帶情況的發(fā)生，并且分隔帶橫截面形狀、坡度和寬度都會對這些事件產(chǎn)生重大影響。

A.ABDI等[8]同樣也研究了中央分隔帶的安全性，其研究結(jié)果表明，影響貨車側(cè)向摩阻力的最主要因素分別是侵占角和車速，并提出最危險(xiǎn)的情況是在25°的侵蝕和0.8 m的路肩寬度處。根據(jù)研究結(jié)果，道路設(shè)計(jì)人員應(yīng)將路肩寬度、路肩類型和橫斷面作為設(shè)計(jì)參數(shù)，且單向橫坡、鋪面路肩、路肩寬度大于0.8 m是農(nóng)村公路貨車駛離的適宜因素。

使用CarSim對交通設(shè)施的安全性研究較少，但是其直觀、優(yōu)質(zhì)的可視化效果能為設(shè)施設(shè)計(jì)的評價(jià)帶來很大的幫助，在應(yīng)用層面具有很好的前景。

2 CarSim在路面工程檢測、評價(jià)及養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

CarSim可以對道路高度信息進(jìn)行設(shè)計(jì)，這除了能夠?qū)Φ缆坟Q曲線、縱坡、橫坡和超高進(jìn)行設(shè)計(jì)，還可以進(jìn)行精確的車轍、坑槽、不平整等細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。使用該功能可以設(shè)計(jì)出如圖1的車轍，實(shí)際模擬證明其模型建立具有很高精確性[9]。

圖1 用CarSim建立的車轍模型

2.1 路面平整度評價(jià)與檢測

路面平整度是評定路面質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)之一，它關(guān)系到行車的安全、舒適以及路面所受沖擊力的大小和使用壽命。針對表面平整度對車輛行駛的影響，研究者主要是從國際平整度指數(shù)IRI入手進(jìn)行分析。

T.KANAI等[10]針對IRI進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，將IRI從0.5以0.5為間隔增加到4.0，共8個水平。采用彈簧末端布朗振子的隨機(jī)運(yùn)動，計(jì)算每一級IRI的路面輪廓；后使用TruckSim在不同的運(yùn)行速度下進(jìn)行行駛模擬。在上述模擬動載的基礎(chǔ)上，利用多層彈性計(jì)算機(jī)程序計(jì)算了瀝青層底面拉應(yīng)變和路基頂面壓縮應(yīng)變，并對路面的損傷進(jìn)行了分析。

Y.LU等[11]建立了IRI的回歸模型，將一維路面不平度引入CarSim中，生成三維虛擬道路。在驗(yàn)證了道路模型的準(zhǔn)確性后，通過CarSim仿真，在不同IRI下生成多個車輛側(cè)滑角，得出側(cè)滑角的波動與IRI的大小有顯著的關(guān)系。最后計(jì)算了不同等級路面的IRI值，并在SPSS中建立了車輛側(cè)滑角與IRI的回歸方程。

G.WANG等[12]評估了使用適當(dāng)固定在移動車輛內(nèi)的智能手機(jī)來確定IRI的適用性。其研究也說明了CarSim可以精確地還原實(shí)際的車輛行駛軌跡及駕駛員行為，并且它的使用允許在相對較短的時間內(nèi)進(jìn)行大量的受控模擬。

2.2 路面坑槽評價(jià)與檢測

路面坑槽的檢測評價(jià)傳統(tǒng)上采用實(shí)地試驗(yàn)采集病害資料，后進(jìn)行分析。利用CarSim在路面上建立坑槽模型，可以直接模擬出車輛行駛在坑槽病害上行駛的狀態(tài)，有針對性地提出病害解決方案。

A.FOX等[13]開發(fā)了一個系統(tǒng)，利用來自嵌入式車輛傳感器的加速計(jì)數(shù)據(jù)來檢測和定位多車道環(huán)境中的坑槽。利用CarSim設(shè)定了上萬個大小、形狀、位置各異坑洞情況下，模擬了車輛在各種場景下行駛上千里的情況，為推導(dǎo)系統(tǒng)模型提供了基礎(chǔ)，并應(yīng)用于真實(shí)世界中坑槽檢測中。

M.KOTHA等[14]同樣開發(fā)了一個坑槽檢測系統(tǒng)“PotSense”。在研發(fā)的過程中，利用CarSim的車輛動力學(xué)指標(biāo)作為坑槽評價(jià)指標(biāo)，研究了車輛的縱搖、橫擺和橫搖及其隨時間的變化，分析了影響最大的因素。其中，車輛的俯仰和偏航可靠地反映了車輛遇到坑洞或減速帶時的行為，為判斷坑槽提供了準(zhǔn)確依據(jù)。

2.3 路面車轍評價(jià)與養(yǎng)護(hù)

關(guān)于道路表面特性的研究，更多研究者關(guān)注的是車轍的影響。早在2006年，T.KAZUYA等[15]就以二次函數(shù)及樣條函數(shù)建立路面車轍模型，以量化路面之車轍特性；并利用1998年P(guān)IARC-evel試驗(yàn)的路面輪廓數(shù)據(jù)，對所建立的兩種模型的適應(yīng)性以及對車輛動力學(xué)仿真方法的適應(yīng)性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，樣條函數(shù)適用于描述路面車轍特性。該研究也同時證明了CarSim采用樣條函數(shù)建立車轍的精確性。這為之后采用CarSim作為車轍研究工具打下了基礎(chǔ)，例如洪正強(qiáng)等[9]較為系統(tǒng)地利用CarSim研究了結(jié)構(gòu)型車轍和流動型車轍對于行駛安全性和舒適性的不同影響，提出了5種評價(jià)車輛穩(wěn)定性的指標(biāo)，并針對不同潮濕狀況、不同速度、不同行駛路段對車轍提出了具體的養(yǎng)護(hù)閾值。

3 CarSim在水漂與路面抗滑性能研究中的應(yīng)用

瀝青路面抗滑問題的研究，主要集中于橡膠瀝青路面摩擦機(jī)理、路面附著特性、胎-路相互作用機(jī)理以及抗滑能力不足帶來的整車制動穩(wěn)定性問題等領(lǐng)域。CarSim除自身具備較為強(qiáng)大的計(jì)算與可視化能力外，能與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真，對動水壓力進(jìn)行控制(圖2)，因此多被應(yīng)用于胎-路相互作用的研究中。例如范興根[16]設(shè)計(jì)了一種新的路面附著系數(shù)計(jì)算方法，利用Burckhardt模型擬合了6種路面μ-s曲線，并利用Carsim-Simulink進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果顯示，該方法能夠有效計(jì)算不同路面的峰值附著系數(shù)，具有良好而廣泛的適用性。

圖2 CarSim-Simulink進(jìn)行抗滑性能聯(lián)合仿真示例

在CarSim-Simulink聯(lián)合仿真解決道路抗滑問題的有關(guān)研究當(dāng)中，筆者團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了較為系統(tǒng)、完備的研究。團(tuán)隊(duì)一直致力于瀝青路面抗滑性能的研究，提出了考慮橡膠-路面摩擦特性與水膜動水壓力的雨天車輛制動模擬方法。在ABAQUS中建立不同的輪胎模型，并利用X射線CT掃描儀等設(shè)備對不同的路面進(jìn)行掃描，得到表面紋理[17]；運(yùn)用路表分形摩擦理論計(jì)算出橡膠-路面的動摩擦系數(shù)，分析了不同行駛速度及水膜厚度下輪胎-水膜-路面接觸力變化規(guī)律[18]；并基于CarSim與Simulink聯(lián)合仿真，引入輪胎水漂時的水流托舉力，模擬整車在積水路面上制動過程，以評估雨天車輛制動性能與路面抗滑需求，為路面抗滑養(yǎng)護(hù)與車輛制動決策提供了參考依據(jù)[19-20]。

隨著無人駕駛技術(shù)的興起，CarSim已被廣泛應(yīng)用于無人駕駛車輛的控制中[21-22]；而在道路工程領(lǐng)域，CarSim-Simulink聯(lián)合仿真也可以被應(yīng)用于無人駕駛車輛的制動場景研究中，討論無人駕駛條件下的路面抗滑需求。筆者團(tuán)隊(duì)針對無人駕駛的制動原理，通過構(gòu)建真實(shí)的道路紋理模型，利用Simulink進(jìn)行無人駕駛控制，對無人駕駛車輛在直線路段正常制動、直線路段緊急制動、彎道轉(zhuǎn)向制動等典型制動情況進(jìn)行分析(圖3)，提出了無人駕駛車輛在不同制動條件下的制動安全性指標(biāo)[23-24]。

圖3 無人駕駛車輛制動過程

4 結(jié) 語

隨著研究者及設(shè)計(jì)人員的觀念逐漸從恪守規(guī)范逐漸更多地轉(zhuǎn)向考慮實(shí)際工程是否符合行駛合理性的需要，利用CarSim進(jìn)行模擬仿真的方式逐漸被應(yīng)用于道路工程中的許多方向，進(jìn)行可靠性驗(yàn)證及養(yǎng)護(hù)判斷中。隨著該車輛動力學(xué)軟件的不斷迭代，對于道路要素及交通設(shè)施工程的模擬能力逐步提升，因此該軟件受到越來越多道路工程研究者的青睞，近些年來利用該軟件進(jìn)行道路工程領(lǐng)域的研究越來越成為一種趨勢，特別是近五年的有關(guān)文獻(xiàn)中，以CarSim為研究工具的研究數(shù)量顯著上升。

CarSim在道路工程中的應(yīng)用勢必更加廣泛，因?yàn)槿?車-路的有機(jī)結(jié)合和未來需求方向仍需要深入探究。在今后的研究中，有以下幾方面可以作為深入研究和探討的切入點(diǎn)：

1)建立精確的匝道出入口模型，分析匝道設(shè)計(jì)的合理性。相較于行駛在一般道路曲線上，車輛在匝道上行駛時都需要經(jīng)歷減速與轉(zhuǎn)彎的過程，這個過程容易發(fā)生側(cè)滑、失穩(wěn)；而近年來越來越多地區(qū)進(jìn)行高速公路提速，原有的匝道線形、限速和路面抗滑設(shè)計(jì)可能無法滿足提速后的需求。目前相關(guān)的研究較少，作者認(rèn)為可以結(jié)合較為成熟的無人機(jī)視頻采集與提取技術(shù)，獲取匝道上大量的車輛行駛信息，以此還原駕駛員普遍的駕駛行為，判斷匝道設(shè)計(jì)是否符合高速提速后的需求。

2)從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，CarSim與道路工程的結(jié)合不會僅限于現(xiàn)有的傳統(tǒng)駕駛體系，未來交通領(lǐng)域與車輛工程的結(jié)合研究，特別是與無人駕駛車輛的結(jié)合研究是必然的趨勢，這體現(xiàn)在道路工程領(lǐng)域中，已經(jīng)開始有研究者提出建立無人駕駛專用路線和路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，也有針對無人駕駛制動特征進(jìn)行的路面抗滑性能研究。對于傳統(tǒng)有人駕駛體系，CarSim已經(jīng)證明了其在上述兩方面設(shè)計(jì)的實(shí)用性，故對于無人駕駛的路線、路面設(shè)計(jì)，CarSim有巨大發(fā)展前景及應(yīng)用空間。