基于人-車-路協同的山區道路符合性仿真研究

高偉嘉， 束海波

(1.重慶交通大學 交通運輸學院， 重慶 400074；2.重慶交通大學 機電與車輛工程學院， 重慶 400074)

當前中國主要干線公路上大型車輛占比高達40%～60%，源于美國的以小型車輛為主導所制定的道路設計速度及安全性檢驗不能適應中國復雜山區道路。大型車輛載重大、質心高，極易在道路線形較復雜的路段產生側滑或側翻，而這種地形條件和駕駛環境較差的路段在山區道路中屢見不鮮。而且為提高經濟效益，大型車輛在運載過程中往往會超載行駛或高速行駛，進一步提升了事故發生率。

目前針對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，而中國山地和丘陵占總國土面積的43%，且越來越多的大型車輛承擔了偏遠山區的運輸工作，研究大型車輛在山區道路危險路段的側翻、側滑風險并檢驗道路的符合性從而降低事故發生率具有現實意義。該文運用車輛動力學仿真軟件Trucksim對真實環境下駕駛行為進行仿真模擬，通過車輛數學模型求解器在仿真動畫顯示器上表征仿真結果和車輛實時動態，檢驗實際道路的符合性和通過性，并利用輸出的動態響應參量對多種試驗工況進行分析，模擬不同速度、載重、路面附著系數條件下大型車輛在山區道路上的運行情況。

1 人-車-路耦合仿真試驗設計

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貴州省新盤江橋關嶺岸橋頭至晴隆五里公路(道路2)作為仿真試驗道路。道路1全長23.859 km，共有8處回頭彎，且道路起伏較大，設計速度40 km/h，路基寬度8.5 m。道路2為全程連續縱坡路段，全長21.658 km，設計速度40 km/h，路基寬8.5 m。

1.2 車輛建模

根據2條道路的等級、實際運行情況和汽車載荷等級，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照組。二軸大客車整車參數為簧上質量6.36 t、整備質量7.62 t，三軸自卸車(渣土車)整車參數為簧上質量6.31 t、整備質量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間；制動控制和換擋控制選擇為閉環自動控制；轉向控制選擇駕駛員速度預瞄控制(見圖2)。

圖2 駕駛員模型

2 山區道路設計安全性檢驗

山區道路具有山高、坡陡、路窄、彎急等地形特

點，地勢復雜，駕駛難度大，大型車輛如大客車、自卸車和半掛車在復雜山區道路行駛時產生險態的概率較高，因而對道路自身線形設計協調性提出了要求，以使在保證道路通過性和符合性的條件下大型車輛能平穩且安全地運行。

2.1 道路線形設計符合性檢驗

仿真試驗時，使用道路設計速度(道路1和道路2均為40 km/h)作為車輛的仿真設計速度，將道路中線作為駕駛員預瞄軌跡，且大型車輛均為滿載定速行駛。試驗中發現：1) 小客車、大客車、自卸車均能以設計速度安全通過道路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上定速行駛時在連續回頭彎等危險路段發生側翻，側翻位置為圖3中A1、A2。

圖3 道路1平面線形及側翻位置和安全車速

對發生側翻路段進行仿真分析，得出臨界安全車速是提高其行駛安全性的關鍵因素。在道路1中，以0.5 km/h的梯度降低道路設計速度，直到自卸車能安全通過側翻危險路段，得到側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，以設計車速行駛時，大型車輛在出彎位置存在側翻風險；A2為連續回頭彎路段，且從連續回頭彎起點K18+220至終點K23+859均為下坡路段，實際車速高于設計車速，在該路段也存在側翻風險。綜上，在道路1的側翻危險路段應有限速標識以防大型車輛反生側翻風險。

2.2 回頭曲線大型車輛通過性檢驗

當大型車輛通過山區道路的回頭曲線時，大部分駕駛員會采用切彎方式快速通過，以提高車輛的運載效率、節省時間。但在山區道路的急彎等危險路段進行切彎行駛，會大幅提高半掛汽車列車等超長車輛卡死等風險。

如圖4所示，當大型車輛駕駛人采用切彎行駛方式右轉通過回頭彎時，車輛會侵占急彎內側的路肩，大型車輛存在碰撞山體或碰撞道路護欄的風險；大型車輛左轉通過回頭彎時，侵占對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護欄。低通過性路段位置見圖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性路段

3 大型車輛行駛安全性檢驗

通過動力學仿真試驗，模擬在不同山區道路上行駛的常用大型車輛的行駛狀態，由模型反饋的車輛運行狀態參數分析車輛的側滑、側翻風險。

3.1 側滑穩定性檢驗

車輛側滑是山區小半徑彎道常見的現象。道路1小半徑彎道多，坡度變化大，選用道路1作為側滑穩定性分析的試驗道路。根據現有研究，車輛側滑與車速、彎道半徑及路面摩擦系數有關，仿真分析時，車速選用30～40、40～50、50～60 km/h，道路附著系數選為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和側向加速度ay可表征車輛的行駛穩定性。根據已有研究，側向加速度ay<1.8 m/s2時穩定性較好，1.8 m/s25 m/s2時穩定性極差。通過橫擺角速度和側向加速度之間的關系式ω=ay/v和道路1的設計速度40 km/h計算所得橫擺角速度的穩定性閾值見表1。

表1 橫擺角速度與橫向穩定性的相關性

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

表2 自卸車側滑位置與側滑時橫擺角速度的絕對值

由于超速行駛的自卸車側滑風險較高，在道路1上行駛的自卸車應盡可能不超過道路設計速度。在自卸車側滑路段對大客車進行同工況仿真，大客車以3種速度通過圖3中A1處時的橫擺角速度見圖6。從圖6可看出：在設計速度下行駛的大客車的橫擺角速度沒有超過25 deg/s；車速達到50～60 km/h時，橫擺角速度的絕對值在K2+350連續彎道處發生劇烈波動并增加至28 deg/s，大客車的橫向穩定性極差，產生側滑風險。因此，在該路段行駛時應盡量減少超速駕駛行為。

圖6 大客車在道路1 A1路段超速行駛時橫擺角速度的變化

路面附著系數也影響車輛的行駛穩定性。圖7為大客車在3種附著系數路面上行駛時的橫擺角速度值。從圖7可看出：路面附著系數為0.5和0.6時，橫擺角速度值僅有微小波動；附著系數為0.4時，大客車的橫擺角速度值波動極大，且在K20+867處即圖3中A2產生側滑。該位置處于彎坡組合路段，當出現雨雪天氣時，在該路段行駛的大型車輛需減速慢行，以免產生側滑。

圖7 道路1 A2路段上大客車橫擺角速度隨附著系數的變化

綜上，大型車輛在道路1上行駛時應注意當前道路條件，若道路或天氣條件較差，應適當降低行駛速度確保安全行駛，并在A1、A2等位置設立限速標識，提醒大型車輛不要超速行駛，以免發生側滑。

3.2 側翻穩定性檢驗

在量化車輛側翻的指標中，車身側傾角和車輛橫向載荷轉移率LTR是表明車輛進入側翻狀態的重要指標，其表達式為：

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

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時車輛狀態趨近為側翻，LTR≤0.2時車輛處于安全狀態，0.20.6時車輛處于高側翻傾向狀態。

道路2為長大縱坡，易發生側翻事故，選用道路2作為側翻穩定性分析的試驗道路。仿真分析所得小客車、大客車、自卸車在道路2上的側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，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心較高，在圖5中B1、B2、B3處側傾角出現劇烈波動，處于危險行駛狀態。

圖8 道路2上車輛側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，處于安全穩定行駛狀態；大客車的LTR峰值為0.51，在連續回頭彎如B1等路段處于低側翻傾向狀態；自卸車的LTR峰值為0.56，接近于高側翻傾向狀態的臨界值0.6，若超速或超載，LTR值將超過臨界值，車輛將進入高側翻傾向狀態。

圖9 道路2車輛橫向載荷轉移率的變化

受駕駛人行為習慣和道路復雜程度的影響，大型車輛在復雜山區道路上行駛時往往不會以設計速度行駛，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翻穩定性。

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，LTR的峰值達到0.65，在危險路段極易發生側翻，處于高側翻傾向狀態；車速達到50～60 km/h時，由于道路2在右線行駛時車輛首先進入的是小彎道半徑的連續回頭彎，LTR值不斷上升，在K2+221處發生側翻，LTR值達到1。因此，大型車輛在道路2上行駛時應控制行駛速度，盡量不超過設計車速的30%即52 km/h。

圖10 車速對橫向載荷轉移率的影響

如圖11所示，超載率達到50%時，自卸車達到高側翻傾向狀態的臨界值，受車速和道路條件的影響，極易發生側翻；超載率達到80%時，自卸車的LTR峰值為0.63，若不能控制好車速，極易產生非絆倒型側翻。可見，載重對大型車輛的橫向穩定性有較大影響。

圖11 載重對橫向載荷轉移率的影響

4 結論

通過Trucksim構建人-車-路耦合的仿真系統模型，對2條山區道路中3種常見行駛車輛即小客車、大客車、自卸車進行仿真分析。通過檢驗2條山區道路的符合性，得出不同車輛在通過危險路段時的臨界安全車速及通過性較低的路段；雨雪天氣對山區道路的安全性影響極大，在附著系數不斷降低的條件下，大型車輛極易出現側滑現象，附著系數降低到0.4時，急彎等危險路段處車輛的橫擺角速度會超過閾值進而發生側滑；超載行駛對大型車輛的橫向穩定性具有負面影響，相對而言，在山區道路上行駛時，大型車輛高速行駛的危險性高于超載的危險性，車速為50～60 km/h時大概率會發生側翻。這是由于山區道路中小半徑彎道、連續回頭彎及彎坡組合路段較多，車速增加會使橫向載荷轉移率激增。山區道路線形復雜且天氣多變，考量道路的符合性具有一定的現實意義。