基于能量儲備與釋放理論的大貨車交通事故機理與對策研究

李淑慶,肖莉英,彭囿朗

(重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074)

基于能量儲備與釋放理論的大貨車交通事故機理與對策研究

李淑慶,肖莉英,彭囿朗

(重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074)

為揭示大貨車交通事故發生的本質規律，針對我國大貨車交通事故頻發、大貨車交通安全問題日益突出這一現狀，以大貨車交通事故發生機理為研究對象，基于能量儲備與釋放理論，建立了大貨車能量儲備模型與能量釋放模型，提出了基于能量儲備與釋放的大貨車交通事故發生機理，并通過案例對該機理的科學性和適用性進行了驗證。案例分析表明：基于能量儲備與釋放理論的大貨車交通事故機理能夠充分揭示大貨車交通事故造成嚴重人身傷害的內在本質，而科學管理和控制能量意外釋放的誘發因素是避免大貨車交通事故發生的根本途徑。最后，從能量適度儲備與合理釋放角度提出了預防我國大貨車交通事故的對策與建議。

大貨車；交通事故機理;能量儲備與釋放；對策

近年來，隨著我國大貨車運輸業的蓬勃發展，道路貨運變得更加高效、便捷，但大貨車交通事故卻日益頻發。由于大貨車具有車身長、重心高、制動困難、行駛慣性大等特點，一旦發生交通事故，就會造成巨大的人身傷害和財產損失。據2007年美國國家公路運輸安全監管局發布的交通安全統計報告顯示，當年該國發生的大貨車(載重>4.5 t)交通事故達423 000起，共造成4 808人死亡(占當年美國公路交通事故死亡人數的12%)、101 000人受傷[1]。就我國而言，貨車更是引發高速公路重大交通事故的主要原因[2]。因此，深入研究大貨車交通事故發生機理、揭示大貨車交通事故發生的本質規律，對有效預防和治理大貨車交通事故的發生、提高道路貨運安全性顯得極為緊迫。

目前，國內外學者從不同角度對大貨車交通事故機理進行了理論探索。從大貨車駕駛員行為心理及車輛違法載運角度看，王海芳等[3]、高建平等[4]基于事故致因理論分析了導致大貨車交通事故發生的人為因素，認為90%以上大貨車都存在超載問題，得出超載是大貨車交通事故的主要致因，并提出了相應改善措施；Reason[5]基于復雜系統事故因果理論，提出了任何技術缺陷、人為失誤、違章違法等均為大貨車交通事故的觸發器，只有當這些觸發器與系統中的“潛在錯誤”同時起作用時，才會引發交通事故；威格里斯沃思建立了人為失誤一般機理模型，認為人為失誤是各類交通事故的根本原因[6]。可見，此類大貨車交通事故機理研究均將人看作是誘發事故的主要因素。從道路與大貨車車輛缺陷角度看，朱秀麗等[7]分析了道路交通系統中人、車、路等要素的相互作用與反饋過程，認為盡管人在整個系統中起主導作用，但90%以上大貨車交通事故源于機械故障；劉柏秀等[2]、馬璐[8]研究發現大貨車自身特性會使交通流中各類型車輛間產生較大速度差，由此導致的頻繁超車是造成大貨車與其他類型車輛發生碰撞事故的主要原因；前蘇聯學者研究認為，不良道路條件的影響是各類交通事故的直接或間接原因[9-10]；歐洲聯合經濟委員會在預防道路不幸事件問題研究中指出，70%的道路交通事故源于道路缺陷[11]。可見，此類大貨車事故機理研究均將道路、大貨車車輛看作是誘發事故的重要因素。從不良天氣及環境角度看，彭旭東等[12]研究發現影響駕駛員在冰雪天氣下安全行駛的主要因素是車輛自身安全性能及操控穩定性；燕南等[13]、Shao等[14]指出在雪天行車時貨車駕駛員視線易受冰雪影響，若以常速或超速行駛極易引發交通事故；加拿大里賈納大學的Suggett指出行駛在冰雪道路上的機動車，其交通事故率是正常天氣下的2倍，其中70%的事故會導致傷亡[15]。顯然，此類大貨車事故機理研究均將不良天氣影響作為大貨車事故分析的出發點。

綜上分析可見，國內外學者目前僅從駕駛員行為心理、違法載運、道路與車輛缺陷、不良天氣及環境等角度對大貨車交通事故發生機理進行定性分析，未從大貨車自身慣性能量與行車特點出發分析眾多大貨車事故誘因間的相互作用，缺乏對大貨車事故發生機理的定量化研究與本質描述。基于此，本文擬以大貨車交通事故發生機理為研究對象，基于能量儲備與釋放理論，建立大貨車交通事故定量化理論模型，提出基于能量儲備與釋放的大貨車交通事故發生機理，并通過實例驗證所提出的大貨車交通事故發生機理的科學性與適用性,最后有針對性地提出預防與治理大貨車交通事故的對策與建議。

1 能量儲備與釋放理論

1.1 能量儲備與釋放基本理論

物體能量既不會被消滅，也不會被創生，它只能由一種形式轉變為另一種形式。當不受外力影響時，物體內部能量的轉變守恒；當受到外力影響時，物體內部能量將出現增減，這即為物體能量的儲備或釋放。

能量儲備理論認為，除輻射能外，機械能、電能、熱能、化學能、核能五種主要類型的能量均可儲備(即蘊藏)在普通形式的能量中[16]。例如機械能可儲備在動能或勢能中，電能可儲備在感應場能或靜電場能中等。而大貨車運行時所儲備的能量主要體現在其所具有的動能和勢能上。大貨車之所以能在道路上行駛，主要是靠其發動機將燃料燃燒后產生的化學能轉化為機械能(含動能和勢能)、熱能等進行儲備，從而維持車體正常行駛。

能量意外釋放理論認為異常或意外能量的轉移(或釋放)是各類事故的核心致因，能量可在任一系統中流動或轉移，控制能量的最終目的是為使其按照預先設計的轉移或釋放渠道進行流動[17]。當外界因素干擾影響到物體內部系統各要素時，該物體內部將發生能量的流動(即發生了能量轉化)。而當某個或多個因素使物體能量失去應有控制后，該物體即會發生能量的異常(或意外)釋放或轉移(即造成了安全事故)，給物體能量影響范圍內的人或物造成傷害或損壞[18]。

1.2 能量儲備與釋放理論對于大貨車事故機理研究的適用性分析

目前，國內外學者在對事故發生的本質進行了深入理論探討后，認為事故是一種不正常或不希望、易威脅人身安全和造成財產損失的能量釋放現象，為使事故可控，須深入認知其發生機理，采取有效控制手段進行約束，從而使安全約束域與安全認知域實現最大重合[19-20]。能量儲備與釋放理論是一套成熟的系統理論方法，它對事故發生的本質根源及預防方法論述全面系統，適用于對某一特定能量系統進行事故發生機理與致因研究。眾所周知，大貨車在行駛過程中勢必會儲備巨大能量，因此大貨車行車系統是一個典型的能量系統。運用能量儲備與釋放理論對大貨車交通事故機理進行研究，可系統歸納分析大貨車行車系統中的能量流動過程，剖析誘使大貨車交通事故頻繁發生規律的深層機理，找出導致大貨車交通事故損失嚴重的本質根源。可見，能量儲備與釋放理論可較好地適用于大貨車交通事故機理研究。

2 大貨車能量儲備與釋放模型的構建

2.1 大貨車行駛過程中的受力分析

鑒于大貨車在上坡、水平和下坡3種道路行駛條件下所儲備的能量存在差異，故對此3種條件下大貨車的受力情況進行分析。上坡時，大貨車主要受力為驅動力Ft(kN)、地面滾動阻力Ff(kN)、空氣阻力Fw(kN)以及自身重力的分力Fi(kN)(見圖1)；水平時，大貨車主要受力為Ft、Ff、Fw；下坡時，大貨車無需提供Ft，車體主要受力為車輪倒拖阻力Fte(kN)和剎車阻力Ftr(kN)(見圖2)。圖1和圖2中，m為大貨車質量(kg)，g為重力加速度(m/s2)，θ為行駛路段坡面與水平面的夾角(°)，i為行駛路段理論坡度(%)，i=sinθ。則大貨車行駛過程中所受合力F(kN)為

F=Ft±Fi-Ff-Fw-Fte-Ftr

(1)

式中：上坡時，Fi取“-”，Fte與Ftr為0；水平時，Fi、Fte與Ftr為0；下坡時，Ft為0，Fi取“+”。

2.2 大貨車能量儲備模型的構建

在大貨車行駛過程中，其內部化學能、動能和熱能間一直在不斷轉換，但這種轉換既非簡單地單向轉換，也非完全地相互轉換，而是有其特有規律[21]。當大貨車正常行駛時，一般由燃料燃燒的化學能單向轉換為熱能和動能，而轉換掉的這部分化學能中，有70%直接或間接轉換成熱能而損失掉，剩下約30%將轉換為大貨車動能或勢能，從而使汽車加速運動或克服重力或阻力做功。圖3為大貨車正常行駛的能量儲備過程[22]。

在大貨車正常行駛過程中，設△E為燃料轉換的化學能(kJ)，△Ec為燃料轉化給傳動系統的能量(kJ)，△EQ為燃料燃燒直接損失的熱能(kJ)，△Ek為車輛增加的動能(kJ)，△Ep為車輛增加的勢能(kJ)，△Eq為車輛克服阻力損失的熱能(kJ)，則其能量守恒方程為

△E=△Ec+△EQ

(2)

△Ec=△Ek+△Ep+△Eq

(3)

當大貨車上坡行駛時，燃料轉化給傳動系統的能量將轉化為大貨車的爬坡動能、克服重力做功的勢能以及克服各種阻力而損失的熱能。熱能一般會經空氣耗散掉，不能被大貨車系統儲存，則大貨車上坡運行時所儲備的能量為其動能增量與勢能之和。當大貨車水平行駛時，視其勢能為0，燃料轉化給傳動系統的能量一部分轉化為大貨車的行駛動能，另一部分轉化為大貨車克服各種摩擦力而損失的熱能。結合動能定理可得，大貨車水平運行時所儲備的能量為其動能增量。當大貨車下坡行駛時，其所需動能和克服各種阻力損失的熱能完全由重力勢能來提供，此時損失的熱能包含了大貨車制動力所做的功，而結合從大貨車重力分力、各種阻力的實際做功及動能定理可得，大貨車下坡運行時所儲備的能量為其動能增量。

根據上述對大貨車在上坡、水平和下坡3種道路行駛條件下的能量儲備過程分析，可知大貨車行駛過程中所儲備的能量ES(kJ)為

(4)

基于動能定理，將大貨車行駛過程中重力分力和各類阻力所做的功代入(4)式，即可得大貨車能量儲備模型為

ES=

(5)

2.3 大貨車能量釋放模型的構建

根據能量釋放理論可知，在大貨車行駛過程中，當存在外因影響使其能量產生意外釋放時，就會發生交通事故。從事故隱患到事故發生、再到傷害出現，這一過程并非瞬間發生，而是一系列因果事件相繼發生的結果。能量的意外釋放是事故發生的突變點，從能量意外釋放到事故發生這一過程中，能量將由小到大逐漸儲備，然后再由大到小逐步釋放，最終導致事故出現[23]。根據大貨車能量釋放造成交通事故的客觀條件，建立如下大貨車能量釋放模型：

(1) 定義第i個初級能量源在t時間段內的能量為Cti(kJ)，初級能量源個數為j。根據能量釋放理論，當每個初級能量源釋放能量時，受現存道路防護設施或外界條件約束，會在t時間內匯集形成第k個中級能量源Ztk(kJ)(k=1,2,…，l)；

(2) 同理，中級能量源Ztk也會演變成高級能量源Gtm(kJ)(m=1,2,…，n)；

(3) 定義現存道路防護設施或外界條件對初、中、高級能量源的控制程度分別為αt、βt、γt。當高級能量源Gtm釋放能量時，即大貨車在此時刻點發生了交通事故，意外釋放能量。則大貨車交通事故釋放的能量ER(kJ)為

(6)

一般情況下，大貨車交通事故所意外釋放出來的能量主要轉移給人(駕駛員、乘客及行人等)、車(事故參與車輛)和物(車載貨物與外界設施)。若P、C、Q分別為人、車、物對于大貨車釋放能量的承受極限值(kJ)，當ER>P、C或Q時，大貨車交通事故即會造成人身傷害、車輛破壞和財產損失。可見，避免能量源意外釋放、切斷能量源轉移路徑或載體、讓能量源承載者或物自備防范設施，是預防和減輕大貨車交通事故傷害或損失嚴重度的有效手段。

3 基于能量儲備與釋放的大貨車事故發生機理分析

大貨車運行系統中的能量(包括熱能及其轉化形成的其他形式的能)與大貨車所裝載的危險物(包括可燃物、爆炸物等)均為誘發大貨車交通事故的危險能量源(即大貨車儲備的能量)。在人的不安全行為、車的不安全狀態、道路環境的不安全因素等影響下，一旦車體本身或危險物儲存的少量能量失去控制或意外釋放，就會誘發整個大貨車運行系統中眾多在車體中流動的能量或危險物質本身蘊含的能量整體失去控制或連鎖釋放，最終釀成傷亡慘重、損失巨大的大貨車交通事故。圖4為基于能量儲備與釋放的大貨車交通事故發生機理模型。

4 案例分析

4.1 案例概況

2012年8月3日，北京西五環某處發生一起1死2傷的三輛大貨車連環追尾事故。經調查分析得知，在這起大貨車交通事故中，事故發生路段坡度較大，當時三輛大貨車所受外力均大于零，若不采取制動措施，車輛會加速行駛(即動能將越來越大)。該事故過程為滿載鋼筋的大貨車(A車)制動系統出現故障，導致其速度過快而追尾裝載暖氣片的大貨

車(B車)；當B車被追尾后，繼續前行直至追尾空載的大貨車(C車)，然后B車側翻入路邊溝中；最后，被追尾的C車失控，左轉90°后橫在路中央，隨即又受到A車(當時仍在前行)的再次撞擊，最終兩車停下。事故過程重現見圖5。

4.2 基于能量儲備與釋放的大貨車事故過程分析

已有研究表明，大貨車下坡所需動能以及車體因克服摩擦力而耗散的熱能可完全由大貨車重力勢能提供。在上述事故案例中，A、B、C三車減小的重力勢能一部分用于維持貨車以穩定的車速下坡，另一部分則完全釋放，用以車輛制動。因A車裝載鋼筋(最重)，故其在行駛過程中所儲備的能量最大,當下坡行駛時，A車用以車輛制動的能量釋放過多，使得A車制動器溫度迅速上升,當溫度超過制動器承受閾值時，致使制動系統出現故障，最終釀成此起事故。下面本文從大貨車能量儲備與釋放的角度有針對性地剖析此次事故的發生機理。

從能量正常儲備與釋放角度看，A、B、C三車在下坡時自然會將自身重力勢能儲備為車體穩定動能以及釋放為剎車制動動能，因A車裝載貨物最重，故其在行駛過程中正常儲備與釋放的能量理應最大。從能量意外儲備與釋放角度看，首先，由于制動系統故障，致使A車在持續下坡時非正常地將自身重力勢能全部儲備為車體加速動能，而A車速度過快導致其追尾B車；其次，在A車追尾B車瞬間，A車將自身正常與非正常兩種狀態下所儲備的大部分動能一并在極短時間內意外釋放給B車，使得B車速度劇增，讓B車追尾C車成為必然；然后，在B車追尾C車后，B車剩余動能使車身繼續前移，撞斷燈桿后側翻入邊溝消散掉最后一部分能量，而受B車瞬間意外釋放能量的驅使，C車加速失穩前沖，向左急轉90°后側翻于路中央，恰好又與A車發生碰撞；最后，A、C兩車動能全部轉化為車體水平位移帶來的輪胎摩擦熱能以及兩車車身的形變內能。必須指出，在這起追尾碰撞事故中，由于車體與車內人員是一個運動整體，因此車內人員與車身一樣，會吸收部分碰撞能量(如車體變形內能)。據事后調查，事故車內人員所吸收的能量已超過或接近人所能承受的最大限值，故表現為人員傷亡。可見，從能量儲備與釋放角度剖析大貨車交通事故的發生機理具有一定的科學性與適用性。

5 大貨車交通事故防治對策與建議

基于上述大貨車交通事故案例分析，本文從能量適度儲備與合理釋放角度提出如下預防大貨車交通事故的對策與建議。

5.1 能量適度儲備

(1) 加大大貨車三超違法行為整治力度。目前，我國大貨車駕駛員交通安全意識普遍較差，易出現“超載、超速、超限”三超違法駕駛行為。三超違法行為易使大貨車在行駛過程中所儲備的能量超過自身承受極限，從而影響車輛操控穩定性和制動性，是釀成傷亡慘重、損失巨大貨車交通事故的重要原因[24]。因此，應加大大貨車三超違法行為的整治力度，減輕大貨車行車系統負擔，減小大貨車行駛過程中所儲備的能量，從而降低大貨車交通事故率和事故嚴重度。

(2) 優化山區道路縱向指標。行駛在連續長下坡路段的大貨車，其重力勢能將不斷轉化為動能，使車身儲備的能量持續增長。在這期間，大貨車駕駛員為控制車速將長時間連續使用剎車，這會造成剎車片快速處于高溫狀態并碳化，從而使剎車效能逐漸降低，甚至導致車輛制動完全失靈，直接增大了大貨車能量意外釋放的可能性，加重了行車安全隱患[25]。我國連續長下坡路段大貨車交通事故頻發的事實表明，目前山區道路路線設計的縱坡、坡長等縱向指標仍需進一步優化。如已有標準、規范中最大縱坡和坡長的確定，僅主要考慮了汽車的上坡動力性能，而缺少對連續長下坡的安全性考慮[26]。因此，合理選擇新建道路縱向指標和綜合整治已建連續長下坡路段安全問題是降低我國大貨車交通事故率的重要措施。

5.2 能量合理釋放

(1) 實行道路“寬容性設計”理念，為大貨車合理釋放一定能量創造時空條件。“寬容性設計”是指為提高道路安全性，在道路設計時擴大道路“安全空間”，即道路設計要以人為本，具備較強“容錯、糾錯”功能，盡量采用良好的線形參數和技術指標，容許駕駛員由于疲勞、惡劣天氣、汽車故障等原因造成的少量失誤，避免駕駛員和乘客因這些非主觀因素的行為失誤而遭受重大交通事故[27]。可見，道路“寬容性設計”理念的核心思想是既能幫助行駛中偏離道路的車輛提供重回正常軌道的時空條件，也能為無法重回正常軌道的車輛創造合理釋放能量的客觀條件(即能吸收一定車輛意外釋放的能量)。目前，道路防撞護欄和避險車道等安全保障措施均能使大貨車合理釋放一定能量，已在一定程度上體現出道路“寬容性設計”的理念。今后，我國還應強化以人為本的道路“寬容性設計”理念，不斷豐富和完善道路安全保障措施。

(2) 保證路面抗滑力處于合理范圍，為大貨車穩定消耗一定能量奠定基礎。已有研究表明，道路雨天事故危險率約為晴天事故危險率的1.4倍，其主要原因為任何潮濕路面結構，車輪與路面間的摩擦力總小于干燥路面[29]。當大貨車因下坡行駛或出現緊急情況制動時，無論處于何種天氣狀態，抗滑力高的路面都能更有效地增加路面與大貨車輪胎間的摩擦力，使車輛在較短制動距離內釋放大部分或全部能量，從而能降低或避免大貨車將所儲備能量意外釋放到人員或物體上。因此，為降低大貨車交通事故率(尤其在雨天)，應盡量采用高抗磨光性集料來攤鋪路面，以保證道路路面抗滑力處于合理范圍，不至于使路面因抗滑力過低而降低行車安全性。

(3) 消除車輛及道路環境安全隱患，為大貨車自主削減一定能量提供切實保障。昆曲高速公路400起交通事故的車輛構成統計表明，不合格車輛占該路段事故車輛總數的59%，不合格國產車(含國產貨車)占不合格車輛數的99%，操作失控與制動失效是造成貨車事故的主要致因[30]。據統計，我國道路交通事故黑點或段(道路及環境因素等綜合作用所致)致死率約為一般路段的1.09～1.16倍，事故黑點或段引發的高速公路重特大交通事故占比為10%[31]。究其原因在于我國車輛及道路環境存在較大安全隱患或不足。其中，車輛安全隱患或不足(如轉向或剎車系統出現故障)易導致駕駛員不能控制車輛按照自己預定的途徑進行能量釋放，從而造成交通事故；道路環境安全隱患或不足(如平縱線形組合設計不合理)易誘使駕駛員在沒有任何補救措施的情況(即沒有采取任何措施釋放車體能量)下發生交通事故。今后，我國仍需在車輛(尤其是貨車)操控穩定性、制動有效性上不斷改進，仍需在道路交通事故黑點或段的整治上加大力度，以幫助駕駛員在事故發生前能自主削減一定能量，降低大貨車事故嚴重度，或是讓駕駛員能提前感知事故多發點的存在，及時控制或合理釋放能量，以減小大貨車事故發生率[32]。

6 結 論

本文以大貨車交通事故發生機理為研究對象，基于能量儲備與釋放理論，構建了大貨車能量儲備模型與能量釋放模型，并提出了基于能量儲備與釋放的大貨車交通事故發生機理以及預防大貨車交通事故發生的有針對性的對策與建議。案例分析證明了能量的意外釋放是導致大貨車交通事故頻繁發生的根本原因之一。通過從能量儲備與釋放這一新穎角度來認識大貨車交通事故發生機理，能科學規范大貨車駕駛員的行車行為，合理指導大貨車車輛的改良，以及深入優化道路交通工程的規劃、設計與建設等，為預防或治理大貨車交通事故的發生奠定了一定的理論基礎。

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Research on Large-Truck Traffic Accident Mechanism and Counter-measures Based on the Energy Reserve and Release Theory

LI Shuqing,XIAO Liying,PENG Youlang

(SchoolofTraffic&Transportation,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

At present,with so many large-truck traffic accidents ,traffic safety problem is becoming increasingly serious in China.This article focuses on the mechanism of large-truck traffic accidents.Through analysis of basic principles of the energy reserves and release theory,the paper finds that the theory is a set of mature and systemic method and it explains comprehensively and systematically the essential causes of accidents and accidents’ prevention.Based on the energy reserve and release theory,this paper builds a large-truck energy reserve and release model,and proposes the mechanism of large-truck traffic accidents,and then analyzes a case.The study result shows that the proposed mechanism can fully reveal the inherent nature of serious personal injury in accidents.Scientifically managing and controlling the induced factors of the energy’s accidental release is the fundamental way to avoid the occurrence of large-truck traffic accidents.Finally,from the moderate reserve and reasonable release of energy,the paper puts forward several countermeasures for preventing large-truck traffic accidents.

large truck;traffic accident mechanism;energy reserve and release;countermeasure

1671-1556(2015)04-0129-07

2014-12-10

2015-06-02

重慶市交通運輸工程重點實驗室基金項目(2011CQJY004)

李淑慶(1963—)，男，教授，主要從事交通運輸規劃與管理、交通安全等方面的研究。E-mail：SQL999888@126.com

X928;U491

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.023