重載貨車長下坡掛擋決策行駛安全仿真

萬遠航, 邵毅明, 胡廣雪, 徐 進

(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)

0 引言

公路運輸是交通運輸的重要組成部分，在西部地區承擔干線運輸的任務。據統計，我國貨運車輛逐步呈現大型化趨勢[1]。不同于乘用車，大型車輛在長大下坡路段存在換檔困難、制動器易失效等問題，是引發交通事故的主要車輛。現有研究多關注于長大下坡制動器溫升變化[2-5]、速度預測模型[6-8]和事故路段特征[9]，缺乏對駕駛人駕駛行為與行車安全耦合特性的研究。然而駕駛人作為車輛操縱主體，其操縱行為與行車安全存在高度相關性，尤其在重載貨車長下坡行駛過程中，合理的檔位決策不但能夠減少制動器使用頻率、緩解制動器工作負荷，還能最大程度地保證運輸經濟性[10]。

由于駕駛人在真實長下坡駕駛過程中難以長時間感知細小的坡度變化，故可采用車輛動力學軟件進行先期道路安全仿真，通過道路警示標識、人機交互層面來降低長下坡對駕駛人的駕駛要求，保障行車安全。近年來，TruckSim軟件、Adams軟件的逐步完善使實現人-車-路協同仿真成為可能。不少學者[11-12]在駕駛人預瞄模型基礎上通過設置期望車速對車輛臨界或危險工況開展研究，在評價道路平面線形安全等方面取得了一定成果，但這并不能反映駕駛人長下坡掛擋決策對行車安全的影響，進而難以為長下坡道路安全措施改進提供有效依據。

本研究通過構建重載貨車整車模型、轉向控制器和踏板控制器，基于TruckSim軟件和Matlab軟件，聯合設計駕駛人掛擋決策對行車安全的控制策略，最后引入1條真實長下坡路段驗證該控制策略有效性，并研究車輛長下坡不同檔位的掛擋行車安全。

1 車-路仿真系統構建

1.1 整車動力學模型

車輛數據源于國內某款重載貨車，整車模型建模均在TruckSim車輛模型庫完成。動力系統采用 8×4驅動，各輪間軸距分別為1.95，4.55，1.35 m，整備質量為11 t，額定載重為19 t，車輛其他主要技術參數見表1。

表1 車輛主要參數Tab.1 Main parameters of vehicle

1.2 道路模型

實例路段數據來源于四川省某長下坡路段。道路建模流程見圖1，其步驟如下：

(1)首先通過設計文件和CAD電子文件獲取道路水平特征參數參數，通過空間三維軟件求解道路平面線形、縱面線形、橫斷面數據。

(2)利用平面線形數據在x，y坐標平面中規劃出1條漸變連續性的水平線，采用畢達哥拉斯原理計算行駛里程s，按行駛里程等距分割道路，并賦予每個路段單元車道寬度L。

(3) 構造平面垂直高度函數z(L,s)完成對長大縱坡和傾斜路面的設計，為保證各路段單元間的平順性，采用樣條插值方法進行過渡。

(4)分別賦予各路段單元附著系數，以此模擬不同路面環境。

圖1 道路建模流程Fig.1 Road modeling process

長下坡實際道路平縱面線形見圖2，路段行駛里程全程長為56 km，前半段21 km里程為長上下坡交替路段，21～52 km里程路段屬于典型長下坡路段，最小轉彎半徑為383 m，平均坡度為3%，其高低起伏差大，有利于開展重載貨車長下坡路段仿真。

圖2 仿真路段平縱面線性Fig.2 Horizontal/vertical alignment of simulation road

1.3 發動機仿真模型

車輛長大下坡掛檔自行過程中，利用發動機內部摩擦和空氣泵氣損失產生的反拖力矩來鉗制驅動輪速增長。為獲取各時刻驅動輪力矩的變化，需給出發動機各轉速下對應的制動扭矩。本研究車輛發動機功率為225 kW，最大轉速為2 200 r/min，其各轉速下的制動扭矩見表2。

2 駕駛人仿真系統構建

駕駛人操縱行為是對道路條件的具體響應，當相鄰路段之間道路線形或坡度發生改變時，會采取不同的響應措施，體現為駕駛人方向盤轉向特性和油門/制動踏板操縱幅頻特性。為準確模擬重載貨車的長下坡行駛特性，依次建立轉向控制器、踏板控制器并定義駕駛人邊界約束。

表2 發動機制動指標Tab.2 Engine brake indicators

2.1 駕駛人轉向控制器

根據車輛實際路徑與所建道路中心線的偏差，采用最優控制理論求解方向盤轉角控制量[13]。控制方程為：

(1)

式中，x為狀態變量；u為控制輸入；v為車輛行駛過程中的干擾；y為輸出變量；A，B，C，D，E，H為帶常系數矩陣。

設置仿真步長為0.001 s，由于仿真步長小，單位周期內可假設控制量和外界干擾恒定，故方程可忽略矩陣D和E：

(2)

采用車輛二自由度模型表征車輛運動狀態變化，該模型能夠較好地表征駕駛人期望行駛特性，結構簡單，運算量小，能保證控制的實時性要求[14-16]。依次選取側向位移、航向角、側向速度、橫擺角速度作為狀態變量，其各狀態矩陣為:

(3)

(4)

C=[1a0 0]，

(5)

(6)

式中，cf為前軸輪胎剛度系數；cr為后軸輪胎剛度系數；m為整車質量；vx為縱向速度；f(vx)為后輪轉向到前輪轉向角比的函數；Izz車輛繞質心z軸的轉動慣量；a為車輛質心到前軸的距離；b為車輛質心到后軸的距離。

2.2 駕駛人踏板控制器

基于期望速度差，采用PI模型控制踏板控制器，并在其基礎上引入非線性立方反饋，以實現駕駛人油門加速、制動減速踏板操縱間的相互轉換，其期望加速度計算式為:

(7)

式中，Ax為期望加速度；kp為比例增益系數；Ve為期望速度與實際速度間的誤差；ki為積分增益系數；le為期望速度與實際速度間誤差的積分；kp3為立方增益系數。

2.3 駕駛人邊界約束

車輛加速度是車輛面對不同道路線形的具體表現參數[17-18]。與國外貨車不同，國內重載貨車比功率低，整體動力性能較弱，故采用國外重載貨車加速度數值標定并不適用于國內重載貨車行駛安全仿真。本研究依托重載貨車駕駛人自然駕駛數據[19]，采用所測數據中加速度最大值的95th分位值作為駕駛人邊界約束進行求解，即縱向加速度區間設置為-0.5～0.4 m/s2，側向加速度區間設置為-0.5～0.5 m/s2。

3 掛檔下坡行駛控制策略

真實長下坡駕駛過程中，道路坡度并不是固定不變的，駕駛人難以長時間感知細小的道路坡度變化，僅根據儀表盤和主觀感受信息決策操縱存在相對滯后性。其次，為減少制動器使用頻率，緩解制動器工作負荷，駕駛人會在一定車速下采取掛擋滑行措施，車輛期望車速不再符合單一固定值，而是呈現區間波動的特點。因此，本研究在TruckSim現有駕駛人模型基礎上，通過聯合Simulink軟件中的Stateflow控制循環對駕駛人模型進行擴展。通過油門踏板觸發車速Vmin、空檔滑行觸發車速Vc、制動踏板觸發車速Vmax對掛擋下坡行駛控制策略展開設計，具體控制流程見圖3。

圖3 控制流程圖Fig.3 Flowchart of control

當重載貨車進入長下坡路段時，在各控制時刻根據不同的掛擋檔位確定對應的加速區間[Vmin，Vc]、掛擋滑行區間[Vc，Vmax]、制動區間[Vmax，+∞]，并結合車速判定情況進行相應的控制操作。隨后，在下一控制時刻重復該流程，最后通過對輸出的車輛動力學響應仿真結果進行分析，判斷車輛行車安全，進而為該路段同類貨車掛擋決策優化提供依據。

4 典型駕駛模式仿真及結果分析

為驗證擋下坡行駛控制策略的有效性，引入實際長下坡道路進行仿真，并與通用預瞄定速仿真模式進行對比，研究不同掛擋決策下車輛行車安全。

4.1 預瞄定速模式仿真及結果分析

期望車速設定為80 km/h (道路設計車速)，車輛居中行駛，掛擋檔位不固定。圖4示出預瞄定速模型長下坡仿真結果，包括車輛速度、道路高程值、發動機節氣門開度、車輪制動壓力變化曲線。

從圖4(a)中可以看出，重載貨車在進入長下坡路段(21～52 km)后,車輛行駛車速逐步穩定在80 km/h，如果僅從車輛速度幅頻特性變化層面來評價當前道路車輛行車安全，重載貨車能夠保證在該路段安全通行。

圖4 預瞄定速模式仿真結果Fig.4 Simulation result of preview and fixed speed mode

然而從圖5(b)示出的車輛節氣門、制動壓力仿真結果可以看出，重載貨車單輪制動壓力隨路段變化呈現出不同幅度波動且數值長期處于零刻度線以上，說明定速巡航模式并未考慮車輛制動器長時間制動所產生的熱衰退影響。其次，車輛節氣門開度和單輪制動壓力曲線呈現相互交替的態勢，與駕駛人真實長下坡駕駛過程操縱不符，故難以為駕駛人掛擋決策優化及道路后設計提供有效判定依據。

4.2 掛檔下坡控制模式仿真及結果分析4.2.1 駕駛人掛檔檔位選取

根據汽車理論及車輛動力傳遞原理，車輛長大下坡掛低檔位行駛時，低檔位下行雖然緩解了車輛制動器的工作負荷，但會造成車速下降，一定程度上犧牲了運輸經濟效益。真實駕駛過程中，駕駛人為追求更高的運輸經濟效益，多拉快跑已成常態。該路段重載貨車駕駛人問卷調查顯示，類似重載貨車掛檔下坡時，駕駛人選取7～8檔位掛檔下行。因此本研究仿真將對重載貨車7～9檔位掛檔下行工況進行研究。

4.2.2期望速度區間設置

根據重載貨車不同檔位匹配的動力性能，設置對應期望速度區間，詳細參數見表3。

表3 期望速度區間設置Tab.3 Setting of expected speed range

4.2.3掛擋控制模式結果分析

圖5為駕駛人不同檔位掛檔下坡行駛仿真結果，包括車輛速度、單輪制動壓力、節氣門開度變化曲線。可以看出，車輛節氣門開度和車輪制動壓力呈現互不交替的特點，能夠在設立的速度區間完成加速、掛擋滑行、制動操作，較好地表征了駕駛人長下坡行駛過程中的操縱行為。

為進一步分析車輛行駛安全，實現該路段重載貨車駕駛人掛擋決策優化，分別對各類仿真結果進行分析。

從圖5(a)可以看出，車輛7檔位掛擋車速波動于52～66 km/h，8檔位波動于75～80 km/h，9檔位穩定于80 km/h，說明該路段9檔位運輸效率最優，8檔位次優，7檔位最差。

從圖5(b)可以看出，9檔位車輛車輪制動壓力幾乎全程處于零刻度線以上，頻繁的制動勢必會導致制動器產生熱衰退現象，進而引發車輛失控；8檔位所對應的單輪制動壓力幅度較小，其制動波動頻率也呈現出較好的分隔性，為制動器預留了足夠的散熱時間，一定程度保證了行車安全；而7檔位掛檔下行所對應的單輪制動壓力曲線全程停留在零刻度線，說明車輛制動踏板處于閑置狀態，重載貨車僅憑發動機制動就能保證車輛安全下行，行駛安全性最優。

圖5 掛檔控制模式仿真結果Fig.5 Simulation result of gear shift control mode

從圖5(c)可以看出，相較于其他兩個檔位，7檔位節氣門開度無論幅值還是頻域，其波動變化最為劇烈，說明該檔位燃油經濟性最差。因此，在保證行駛安全性的前提下，同時兼顧車輛運輸時效及燃油經濟性，該路段同類重載貨車掛擋下行時8檔位最優、7檔位次優。

此外，現有避險車道位置設計缺乏統一量化指標。制動器失效是導致交通事故的主要誘因，而頻繁制動是導致制動器失效的關鍵因素，因此從駕駛人制動幅值變化和波動頻域層面來為避險車道位置參數設計提供依據顯然更具意義。圖5(b)中，車輛8檔位掛檔下行過程中，重載貨車在行駛里程28.3～35.5 km路段單輪制動壓力呈現了較高的頻域及幅值波動。故可認為車輛在該路段最易發生車輛失控，道路設計者和管理部門應在此路段根據相應情況添設避險車道。

5 結論

(1)在TruckSim環境下聯合Simulink軟件設計了掛檔下坡行駛控制仿真模式，相較于傳統預瞄定速模式，其仿真結果更加切合重載貨車駕駛人長下坡操縱過程，能夠反映不同掛擋決策對長下坡車輛行車安全的影響。

(2)不論是擬建造道路設計方案，還是在建和已運行的長大復雜下坡路段，在生成三維道路模型后都可采用本研究模式進行仿真，通過分析不同檔位下的車輛行駛速度、單輪制動壓力幅值變化和波動頻域特性，以此優化該路段駕駛人掛檔決策，進行避險車道設計，進而提升車輛長大復雜下坡路段的行駛安全。

(3)由于本研究目前尚未考慮制動性能衰減作用，但提供了能夠反映駕駛人掛檔決策對車輛長下坡路段行駛安全影響的一種仿真新思路，進一步的研究擬結合制動器溫升模型進行，以期更真實地反映長大下坡重載貨車的行駛特性。