公路運輸

駕駛人視覺特性與行車安全研究進展

馬勇，付銳

摘要：目的：在道路交通事故的致因中，人因（human factors）占比最高，而駕駛人的視覺特性則在人因中起主導作用。目前，中國研究人員對于表征駕駛人視覺特性的一些基本概念還不十分明確，對于駕駛人視覺特性與行車安全研究的進展也缺乏較系統的總結和梳理。鑒于此，對各國交通安全領域中有關駕駛人視覺特性的重要研究成果及其應用進行系統介紹，以使讀者對于“駕駛人視覺特性如何影響行車安全”這一問題有相對全面的認識，從而促進道路交通安全相關研究的深入開展。方法：分別對駕駛人視覺特性與疲勞駕駛、隧道段行車安全、分心駕駛以及視覺特性的影響因素等方面的研究進展進行綜述，介紹了駕駛疲勞檢測的視覺特性指標，歸納了駕駛人視覺特性與隧道出入口行車安全研究的方法及試驗結果，分析了目前基于視覺特性的駕駛分心研究中存在的問題，最后論述了駕駛人視覺特性影響因素研究及其應用前景。結果：文獻綜述分析表明，（1）疲勞駕駛時，眨眼頻次會有較顯著的上升，但由于眨眼頻次受到多個因素的影響，因此單純以此作為駕駛疲勞的監測指標，其可靠性和魯棒性均欠佳。長時間的眼瞼閉合雖能較好地反映駕駛人的疲勞，但存在無法實現早期預警的缺陷。（2）疲勞駕駛和分心駕駛均會使交通系統中的各參與者處于非常危險的境地，而視覺特性研究是監測這兩類疏忽行為的重要切入點。（3）隧道出入口及隧道內的照明環境會顯著影響駕駛人的視覺特性，良好的隧道設計應當盡可能使隧道內外的照度平緩過渡，從而使駕駛人在暗適應和明適應階段能夠看清楚周圍的交通環境，保證駕駛安全。（4）進出隧道的安全行車速度受多種因素影響，其合理限速值有待根據行車環境、照明條件及駕駛人視覺特性進行深入研究。（5）對于不同特質的人群或者在不同的交通環境之中，駕駛人的視覺特性呈現出一些特有的規律性。研究各種因素對駕駛人視覺特性的影響，有助于對不同群體的駕駛人開展針對性的教育和培訓，改變其不安全的駕駛習慣，增強對危險的感知能力，改善對信息的處理機制及視覺搜索策略，從而從駕駛人的角度有效降低事故風險及事故率。結論：未來的研究工作可以從以下幾方面進行展開，（1）為了提高疲勞駕駛、分心駕駛監測預警系統的可靠性和魯棒性，有必要將駕駛人視覺特性與臉部圖像特征、駕駛操作行為以及車輛運動狀態等多個指標進行多源信息融合，同時還應設計完善的主動安全干預系統，以使車輛在不同的危險環境中做出智能化的反應，進一步提高行車安全性。（2）用于評價駕駛疲勞的視覺特性指標閾值有待開展更多的實車試驗進行確定；同時，駕駛分心任務的評級以及各個視覺特性參數對于不同類型駕駛分心的靈敏度也有待細化研究。（3）采用哪些指標進行隧道內駕駛人視覺負荷的評價，仍需進一步開展研究進行明確。何種設計和運營管理方案才能使隧道內外既有合適的照度以確保駕駛人安全度過明、暗適應階段，又能節約成本，仍是非常具有現實意義的研究課題。（4）針對不同駕駛人群體在各種交通環境中開展教育和模擬駕駛培訓，可有效增強其危險感知能力，改善其視覺搜索策略及不安全的駕駛習慣，進而降低事故風險。這一點，對于中國這樣一個新手駕駛人、低齡和高齡駕駛人數量均在迅速增長的國家而言具有重要意義，相關的教育培訓方式及效果有待進行深入探索和實踐。

來源出版物：中國公路學報, 2015, 28(6): 82-94

入選年份：2016

增程式電動汽車動力系統設計與仿真研究

周蘇，牛繼高，陳鳳祥，等

摘要：目的：將燃油發動機/發電機作為增程器（RE），與動力電池一起構成增程式電動汽車（REEV）的動力源，可以克服現階段純電動汽車（EV）續駛里程短、充電成本高的缺點，推進電動汽車的產業化。從工程實際出發，對REEV動力系統的結構進行分析，并開展動力系統關鍵部件參數匹配方法的研究。方法：根據 REEV的使用特點，確定其動力系統結構和工作模式。根據原型車基本參數、整車動力性能指標和續駛里程要求，進行驅動電機、動力電池、發動機/發電機等關鍵部件的參數匹配。首先，根據REEV的動力性能確定驅動電機的特性參數；初步確定驅動電機參數之后，進一步調整其參數以滿足一定車速下的最大爬坡度和行駛最高車速的要求。動力電池作為主動力源，要保證車輛的動力性能、吸收制動回饋能量和提供一定的純電動續駛里程。發動機的參數選擇與采用的能量管理策略有關。基于搭建的AVL-Cruise和Matlab/Simulink聯合仿真平臺，采用離線仿真的方法對動力系統關鍵部件參數匹配的結果進行驗證。結果：動力系統關鍵部件主要參數匹配的結果顯示，（1）驅動電機最高轉速和基速的選擇取決于REEV的主減速比、最高車速和基速比，峰值功率取最高車速、爬坡性能、0～100 km/h加速時間對應功率需求中的最大值，根據過載系數可確定驅動電機的額定功率；電機選型時，應選用額定功率點附近效率較高的電機。（2）動力電池最大放電功率應滿足整車最大功率需求，其中包括電動空調、轉向系統、助力系統、冷卻風扇等車輛電氣附件的功率需求；為了吸收制動回饋能量，動力電池還要具備一定的充電功率；動力電池所攜能量應能滿足REEV所有設計工況的純電動續駛里程要求；最終的動力電池參數應按照現有廠家產品規格確定。（3）由發動機/發電機組成的RE系統其功能是增加續駛里程，實現車載充電；在動力電池出現故障時，應能保證車輛以設計指標所要求的車速勻速行駛；當采用定點能量管理策略時，要求發動機始終在其 MAP圖對應的高效、低排放區域內工作；所匹配的永磁同步電機其標定工作轉速和輸出功率應與發動機的工作點相匹配，并且具有較高的工作點效率。（4）離線仿真結果表明，REEV動力系統參數匹配能夠滿足整車動力性能要求；因制動能量回饋，動力電池純電動續駛里程比設計指標略高；RE/動力電池供電模式時，REEV在指定工況下運行一個循環，將動力電池荷電狀態的變化量折算成等效燃油消耗量，同時考慮發動機的燃油消耗量，得到的增程續駛里程能夠滿足設計指標要求。結論：REEV動力系統參數匹配應綜合考慮車輛電氣附件能量消耗和采用的能量管理策略等因素，從而設計得到合適的關鍵部件參數。驗證結果表明，REEV的仿真車速能較好地跟蹤工況車速，其動力系統參數匹配能夠滿足設計工況下的整車動力性指標要求；采用發動機定點能量管理策略，發動機起動后可一直工作在高效點，與同類傳統內燃機汽車相比，燃油經濟性明顯提高；增程式電動汽車的總續駛里程與具體的行駛工況有關，與低速工況相比，高速和極端工況下的總續駛里程較短。

來源出版物：汽車工程, 2011, 33(11): 924-929

入選年份：2016

正交異性鋼板—薄層RPC組合橋面基本性能研究

邵旭東，曹君輝，易篤韜，等

摘要：目的：正交異性鋼橋面具有自重輕、運輸與架設方便等優點，已成為大跨徑鋼橋的首選橋面形式。但是國內外大量工程實踐表明，其在兩類典型病害問題。（1）鋼橋面瀝青鋪裝層極易損壞，需頻繁維修，個別橋梁甚至遭遇“10年24修”；（2）正交異性鋼橋面結構易出現疲勞開裂，例如，我國的虎門大橋由于重載交通繁重，運營10年便出現了疲勞開裂病害。雖然目前對這兩類病害積累了一些常規對策，但均無法治本，病害問題仍然頻發。引起兩類病害的根本原因是正交異性鋼橋面板局部剛度偏低，導致鋼橋面和瀝青鋪裝層長期處于高應力運營狀態，從而誘發病害。因此，解決問題的關鍵在于：在不顯著增加自重的前提下大幅提高鋼橋面的局部剛度。因此，基于國際上先進的 RPC（reactive powder concrete，活性粉末混凝土）技術為基礎，研發了正交異性鋼板—薄層RPC組合橋面結構體系，以期提高橋面剛度，從根本上解決兩類病害問題。方法：從理論計算和室內試驗兩方面對新型鋼—RPC組合橋面結構進行研究，以期探明其基本受力性能。首先以國內某大跨懸索橋為背景，提出鋼—RPC組合橋面結構方案，然后對大橋建立整體和局部有限元模型，分析其受力。整體模型采用Midas軟件建立，通過對比原橋面70 mm鋪裝和提出的45 mm RPC＋20 mm瀝青混凝土磨耗層方案，探明了增設RPC層對大橋整體受力的影響。局部模型基于Ansys有限元軟件建立，為包含加勁梁節段的局部模型，模型中鋼結構采用殼單元，RPC采用實體單元，鋼—RPC間節點耦合。基于局部計算，對比了在車輛荷載作用下鋼結構中的應力變化，同時，掌握了RPC層縱、橫橋向的應力狀態。為驗證RPC層受彎拉是否滿足設計要求，制作了足尺條帶模型，并開展了靜力試驗。模型試件包含一個U肋條帶，按兩跨連續梁進行對稱加載，以掌握試件的受力特性。結果：整體有限元計算結果表明，采用新型鋼—RPC組合橋面結構后，大橋在恒載下的水平索力增加了 0.18%，在活載下的最大索力增加了0.07%，因此，增設RPC層不會影響大跨懸索橋的整體安全性。局部有限元計算結果表明，采用新型鋼—RPC組合橋面結構后，鋼面板及縱肋中的應力明顯下降，其中順橋向應力降幅為41.0%～66.7%，橫橋向應力降幅為57.7%～72.4%。眾所周知，疲勞壽命與應力幅的立方成反比，若應力幅減小1/2，疲勞壽命將增大為8倍，因此，應力的降低意味著鋼橋面的疲勞將顯著延長。計算同時表明，RPC層在設計荷載下的最大拉應力為10.08 MPa，為探索 RPC的抗裂性能，基于條帶模型開展了靜力試驗。結果表明，與純鋼梁相比，新型鋼—RPC組合梁的縱向剛度較純鋼梁提高約20%；當RPC層的拉應力達到14 MPa時，其表面未出現任何開裂跡象，且鋼—RPC結合面上亦未出現滑移裂縫。而開裂試驗測得，RPC層拉應力達到42.7 MPa時仍未開裂，繼續加載才出現細微裂紋，遠高于最大設計拉應力（10.08 MPa）。結論：分析表明，采用新型鋼—RPC組合橋面結構后，局部車輪荷載作用下的鋼橋面應力大幅度下降，從而可基本消除鋼橋面的疲勞開裂風險。而足尺模型試驗驗證了RPC具有優異的抗彎拉性能，能夠滿足設計要求。因此，鋼—RPC組合橋面結構將為解決鋼橋面的典型病害難題提供新的思路。

來源出版物：中國公路學報, 2012, 25(2): 40-45

入選年份：2016

橡膠瀝青混合料疲勞性能的自愈合影響因素分析

黃明，汪翔，黃衛東

摘要：目的：瀝青材料有自愈合的能力，其自愈合即是勁度和強度的一個復雜的自我修復過程，它發生在損害過程中、停歇狀態下或高溫期間。大多基于基質瀝青層面的研究已經確定自愈合現象的存在，也已確定一些影響因素與之相關。同時，為了解決路面的各種裂縫病害，我國引進了橡膠瀝青技術，橡膠瀝青比普通瀝青具有更高的粘度、低溫延展性以及更好的彈性恢復能力，其路面在使用過程中常出現前期裂紋在行車過程中變小的情況，此前國內外關于橡膠瀝青混合料的疲勞研究中，由于較少考慮其自我愈合性能，不同程度的忽視了其優異的疲勞性能，偏于保守的評價給材料與結構設計帶來了一定的浪費，因此有必要對其自愈合能力進行系統研究，并考慮愈合補償后的疲勞性能。方法：選用室內4點彎曲疲勞試驗（4 point beam fatigue），選取ASTM D7460的NfNM疲勞判斷標準并采用單因素對比分析的方法，對橡膠瀝青混合料疲勞性能的自愈合能力的主要影響因素包括瀝青用量、試件破壞程度、膠粉摻量、空隙率、應變量大小、自愈合時間、自愈合溫度以及荷載強度進行了系統研究，并對考慮自愈合補償后的橡膠瀝青混合料的疲勞行為方程進行了回歸擬合。結果：影響因素內因試驗結果，低瀝青用量的小梁試件的勁度模量和NfNM恢復率（勁度模量恢復率和NfNM恢復率本文統稱為疲勞恢復效率，疲勞恢復效率中，主要看NfNM的恢復率，僅當NfNM恢復率規律不是很明顯的時候，以勁度模量恢復作為判斷指標，下同）都很低，高瀝青用量則相反。隨著膠粉摻量的增加，瀝青的粘度和彈性恢復能力在逐漸增大，但它們與疲勞恢復效率沒有直接關系，只有在20%的摻量下能獲得最大的疲勞恢復效率。無論是勁度模量恢復率還是NfNM恢復率，都與混合料的空隙率呈反比，這與疲勞壽命研究中的規律有類似之處。其中7.1%空隙率的3根試件，有2根試件在第2次試驗前已經斷裂，且觀察數據可知，尤其當混合料的空隙率由6%變至7.1%時，NfNM恢復率下降十分迅速。外因方面：疲勞恢復的效率與應變大小呈反比，情況與疲勞壽命和應變大小的變化規律是大致相同；第1次疲勞試驗勁度模量衰變至30%初始勁度模量的情況下舊梁的疲勞性能仍然能夠恢復的很好；而在5%和10%的條件下，小梁的勁度模量恢復率和NfNM恢復率很低，這說明小梁已經破壞十分嚴重，自愈合已無法實現；疲勞恢復的效率與自愈合時間呈正比關系；當保溫溫度為60℃時，橡膠瀝青混合料的疲勞恢復效率最佳；當靜荷載強度達到5 KPa時，混合料的疲勞恢復最佳。結論：疲勞自愈合效率與瀝青用量、自愈合時間呈正比，與試件破壞程度、空隙率、應變量大小呈反比，在膠粉摻量為20%，自愈合溫度為60℃，以及荷載強度為5 KPa時，疲勞自愈合效率分別達到最佳；考慮自愈合補償的疲勞次數與應變量大小、瀝青用量和空隙率存在很好的相關性。

來源出版物：中國公路學報, 2013, 26(4): 16-22

入選年份：2016