濕滑路面車輛防滑預(yù)警

張彥鵬，田國(guó)紅，韓忠浩，陰春曄

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

引言

當(dāng)前，我國(guó)已然成為經(jīng)濟(jì)大國(guó)，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)汽車成為人們工作和生活的必需品。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，截止2018 年我國(guó)民用汽車擁有量為23122.00 萬(wàn)輛，并且車輛保有量每年都在急速增長(zhǎng)。面對(duì)我國(guó)復(fù)雜的路況，特殊天氣下的安全行車問(wèn)題也隨之復(fù)雜。就雨天而言，道路表面覆蓋一層水膜，汽車行駛在路面上，由于水膜的作用使得輪胎與路面間的附著系數(shù)急劇下降，當(dāng)汽車行駛速度過(guò)快時(shí)輪胎容易發(fā)生滑水。為了防止因車速過(guò)快而引發(fā)交通事故，對(duì)濕滑路面車輛防滑預(yù)警的研究將尤為重要。

1 輪胎臨界滑水速度研究

圖1 輪胎滑水示意圖

汽車與路面間唯一的接觸就是輪胎，當(dāng)輪胎行駛在有積水的路面上，由于水膜的作用，隨車速增加，路面與輪胎間動(dòng)水壓強(qiáng)也不斷增大，輪胎所受的浮力P 也不斷增大，一旦P 大于附加在輪胎上的外垂直載荷W 時(shí)，水膜產(chǎn)生的動(dòng)水壓強(qiáng)會(huì)將輪胎托起脫離地面，此時(shí)出現(xiàn)滑水現(xiàn)象，同時(shí)車輛操縱穩(wěn)定性變差。汽車行駛時(shí)在濕滑路面上發(fā)生滑水過(guò)程[1]如圖1 所示。

1.1 輪胎滑水特性研究現(xiàn)狀

國(guó)外研究現(xiàn)狀：

Horne 對(duì)滑水現(xiàn)象進(jìn)行研究[2]，并提出NASA 方程：

式中VP是輪胎滑水速度，P 為胎壓。Horne 認(rèn)為輪胎滑水速度與胎壓平方根成正比，此公式廣泛應(yīng)用于輪胎、航空、汽車等行業(yè)。

21 世紀(jì)初，新加坡學(xué)者T.F.Fwa,Santosh S.Kumar,G.P.Ong和C.J.H.Huang[3]得出完全滑水車速與輪胎花紋深度、水膜厚度的關(guān)系式：

式中，V 是發(fā)生完全滑水的車速（km／h），TD 為輪胎花紋深度（mm），WD 為水膜厚度（mm）。

國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀：

東南大學(xué)的季天劍[4-5]對(duì)輪胎滑水進(jìn)行分析，考慮了路面粗糙對(duì)水流的影響，回歸得出方程：

式中，h 平均水膜厚度（mm），V 為速度（km/h）。

董斌等[6]分析了水膜厚度與輪胎滑水臨界速度的關(guān)系。陳文亮等[7]分析了雨滴大小、降落高度、風(fēng)力影響之間的關(guān)系，并總結(jié)出了幾種雨滴降落速度的測(cè)量方法。

1.2 輪胎與路面接觸區(qū)域劃分

輪胎與濕滑路面接觸區(qū)分成三個(gè)：Ⅰ.完全上浮區(qū)：水膜對(duì)輪胎的浮力大于輪胎所受的外垂直載荷，把胎面舉起處于完全分離狀態(tài)；Ⅱ.不完全接觸區(qū)：由于輪胎的擠壓作用，大量水被擠壓出去，但仍留有一層薄水膜，胎面與路面間可部分接觸；Ⅲ.完全接觸區(qū)：胎面與路面間的水被完全擠壓出去，形成無(wú)水區(qū)，胎面與路面完全接觸。由于輪胎發(fā)生滑水時(shí)路面、水流、輪胎間的相互作用極其復(fù)雜，故研究發(fā)展也比較緩慢。

2 防滑預(yù)警系統(tǒng)理論研究

防滑預(yù)警系統(tǒng)主要由實(shí)時(shí)信息感知模塊、預(yù)測(cè)模塊、執(zhí)行模塊組成，每個(gè)模塊功能各異，共同聯(lián)合實(shí)現(xiàn)車輛防滑預(yù)警。防滑預(yù)警系統(tǒng)需要準(zhǔn)確判斷臨界滑水車速，才能保證預(yù)警的準(zhǔn)確度，臨界滑水預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確度受到行駛車速、路面水膜厚度、輪胎花紋、輪胎寬度等條件的影響。

2.1 防滑預(yù)警系統(tǒng)目標(biāo)要求

防滑預(yù)警系統(tǒng)主要目的是為駕駛員提供警示，并確保駕駛員對(duì)提供的警示能及時(shí)做出反應(yīng)，使駕駛員能夠避免發(fā)生滑水帶來(lái)經(jīng)濟(jì)和健康上的損失。當(dāng)駕駛員沒(méi)有對(duì)預(yù)警做出反應(yīng)時(shí)，該系統(tǒng)接管駕駛并通過(guò)降低行駛速度避免發(fā)生事故，作為車輛輔助駕駛系統(tǒng)，當(dāng)駕駛員主動(dòng)做出反應(yīng)時(shí)，該系統(tǒng)退出操作，只進(jìn)行相應(yīng)預(yù)警，并有開(kāi)啟和關(guān)閉的開(kāi)關(guān)，根據(jù)駕駛員的需要選擇開(kāi)啟和關(guān)閉防滑預(yù)警輔助系統(tǒng)[8]。

裝有防滑預(yù)警系統(tǒng)的汽車必須實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）能夠預(yù)估出臨界滑水車速；

（2）能夠提供可靠的實(shí)時(shí)車速；

（3）能夠在自車遇到符合防滑策略和要求的危險(xiǎn)情況時(shí)給駕駛員提供警示。

以下情況屬于安全狀況：

（1）非雨天；

（2）實(shí)時(shí)行駛車速在預(yù)估安全行駛速度范圍內(nèi)；

（3）駕駛員做出制動(dòng)行為時(shí)。

2.2 預(yù)警系統(tǒng)工作過(guò)程

通過(guò)對(duì)防滑預(yù)警系統(tǒng)的分析，其工作流程[9]如下：

（1）信息感知模塊：利用車載傳感器獲取車輛實(shí)時(shí)行駛速度，同時(shí)利用與車輛相互關(guān)聯(lián)的智能手機(jī)獲取氣象數(shù)據(jù)；

（2）預(yù)測(cè)模塊：能夠利用信息感知模塊收集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出臨界滑水車速；

（3）執(zhí)行模塊：整合信息感知模塊與預(yù)測(cè)模塊的數(shù)據(jù)，判斷出是否符合防滑策略和要求，并作出相應(yīng)反應(yīng)。

圖2 預(yù)警系統(tǒng)工作流程圖