濕滑路面車輛防滑預警

張彥鵬，田國紅，韓忠浩，陰春曄

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

引言

當前，我國已然成為經濟大國，在經濟快速發展的同時汽車成為人們工作和生活的必需品。據國家統計局統計，截止2018 年我國民用汽車擁有量為23122.00 萬輛，并且車輛保有量每年都在急速增長。面對我國復雜的路況，特殊天氣下的安全行車問題也隨之復雜。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急劇下降，當汽車行駛速度過快時輪胎容易發生滑水。為了防止因車速過快而引發交通事故，對濕滑路面車輛防滑預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，路面與輪胎間動水壓強也不斷增大，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，水膜產生的動水壓強會將輪胎托起脫離地面，此時出現滑水現象，同時車輛操縱穩定性變差。汽車行駛時在濕滑路面上發生滑水過程[1]如圖1 所示。

1.1 輪胎滑水特性研究現狀

國外研究現狀：

Horne 對滑水現象進行研究[2]，并提出NASA 方程：

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

21 世紀初，新加坡學者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、水膜厚度的關系式：

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

國內研究現狀：

東南大學的季天劍[4-5]對輪胎滑水進行分析，考慮了路面粗糙對水流的影響，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系。陳文亮等[7]分析了雨滴大小、降落高度、風力影響之間的關系，并總結出了幾種雨滴降落速度的測量方法。

1.2 輪胎與路面接觸區域劃分

輪胎與濕滑路面接觸區分成三個：Ⅰ.完全上浮區：水膜對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；Ⅱ.不完全接觸區：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：胎面與路面間的水被完全擠壓出去，形成無水區，胎面與路面完全接觸。由于輪胎發生滑水時路面、水流、輪胎間的相互作用極其復雜，故研究發展也比較緩慢。

2 防滑預警系統理論研究

防滑預警系統主要由實時信息感知模塊、預測模塊、執行模塊組成，每個模塊功能各異，共同聯合實現車輛防滑預警。防滑預警系統需要準確判斷臨界滑水車速，才能保證預警的準確度，臨界滑水預測模型準確度受到行駛車速、路面水膜厚度、輪胎花紋、輪胎寬度等條件的影響。

2.1 防滑預警系統目標要求

防滑預警系統主要目的是為駕駛員提供警示，并確保駕駛員對提供的警示能及時做出反應，使駕駛員能夠避免發生滑水帶來經濟和健康上的損失。當駕駛員沒有對預警做出反應時，該系統接管駕駛并通過降低行駛速度避免發生事故，作為車輛輔助駕駛系統，當駕駛員主動做出反應時，該系統退出操作，只進行相應預警，并有開啟和關閉的開關，根據駕駛員的需要選擇開啟和關閉防滑預警輔助系統[8]。

裝有防滑預警系統的汽車必須實現以下功能：

（1）能夠預估出臨界滑水車速；

（2）能夠提供可靠的實時車速；

（3）能夠在自車遇到符合防滑策略和要求的危險情況時給駕駛員提供警示。

以下情況屬于安全狀況：

（1）非雨天；

（2）實時行駛車速在預估安全行駛速度范圍內；

（3）駕駛員做出制動行為時。

2.2 預警系統工作過程

通過對防滑預警系統的分析，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時行駛速度，同時利用與車輛相互關聯的智能手機獲取氣象數據；

（2）預測模塊：能夠利用信息感知模塊收集到的數據準確預測出臨界滑水車速；

（3）執行模塊：整合信息感知模塊與預測模塊的數據，判斷出是否符合防滑策略和要求，并作出相應反應。

圖2 預警系統工作流程圖