惡劣天氣對應急醫療物資公路運輸的影響

郭 健，胡金瑞

（浙江工業大學橋梁工程研究所，浙江杭州 310023）

0 引言

新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情的暴發，對全國各地都產生了巨大的影響。對于疫情的重災區——湖北武漢以及疫情嚴重城市——浙江溫州等地，各類防疫物資都面臨著緊缺的局面，對口罩、防護服、消毒液、呼吸搶救設備等醫用物質的需求尤為迫切。因此全國各省市采取各種運輸方式緊急馳援，截至2020 年2 月底，全國累計向湖北地區運送防疫和生活物資54.14萬t，其中通過公路運輸的有23.67 萬t，占比43.7%，由此可看出公路運輸在整個醫療救援物資運輸系統中發揮著重要作用。然而由于時處冬春交替期，氣候條件變化大，大寒潮、雨雪冰凍、大霧天等經常出現，會造成路面濕滑、駕駛員視野不清晰等影響[1-2]。物資救援運輸往往都是跨省運輸，運輸線路長達幾百甚至數千公里，其中存在較多的高風險路段，如強側風路段、連續陡坡路段、急轉彎路段等，這些因素均對公路應急救援運輸提出了巨大挑戰[3-4]。應急運輸不同于常規運輸，遇極端惡劣天氣，常規運輸可通過錯峰安排運輸計劃來保障運輸安全[5-6]；而應急運輸為確保物資的到達時間，需在惡劣氣候條件下行車，存在較大的安全隱患。因此分析惡劣天氣對醫療運輸車行駛安全的影響，對保障應急救援物資運輸安全，更有效地開展應急救援工作具有重要意義。

由于實車試驗存在較大的安全風險，且成本較高、周期長，目前國內外關于惡劣天氣對行車安全影響的研究主要還是從理論分析和數值仿真這兩方面展開。在理論推導方面，Carlson 等[7-9]構建了不同天氣下車輛跟馳特性與交通安全的關系模型，提出可變限速方案，提高了整體行車安全性。Young[10]計算分析了車輛側翻的臨界風速，得到了不同車型在特定風速下的側翻結果。江浩等[11]對各種氣候下在跨海大橋行駛的車輛進行安全性影響分析，得到各類環境下的安全極值風速。肖志軍等[12]從車輛空氣動力學出發，對強風條件下車輛側滑和側翻極限條件進行了理論公式求解。隨著計算機技術的不斷發展，數值仿真開始成為越來越重要的研究手段。Gaylard[13]討論了CFD在車輛空氣動力學中的應用，分析了正交側風作用下的車輛穩定性。Kordani 等[14]采用Carsim 和Trucksim 車輛仿真軟件，研究了不同路面摩擦系數對小客車和單體貨車橫向穩定性的影響。何杰等[15]利用ADAMA/Car 仿真軟件，模擬了晴天、雨天、雪天、結冰的路面條件，通過單移線變道動作，得到航向角等動力響應，分析了不同天氣的路面環境對行車安全性的影響，但未考慮駕駛員因素。羅榮鋒等[16]利用ADAMS仿真軟件，對車輛過大橋受側風作用時的運動特性進行了模擬，分析了分壓中心與車輛側風穩定性的關系，得出了在通常風速下車輛不會發生危險的結論。

現有研究大多僅考慮單方面天氣因素對行車安全的影響，且較少考慮駕駛員因素。本文基于Trusksim 動力仿真模型，構建車-路-風的耦合模型，在考慮駕駛員因素的閉環條件下進行單移線仿真試驗模擬車輛變道，考慮晴天、雨天、雪天、結冰、強側風及救援運輸涉及的貨載質量因素對行車安全的影響，以車輛橫向位移量和側傾角的響應輸出來評價車輛發生側滑和側翻的危險性。

1 指標選取

1.1 受力分析

車輛在行駛過程中所受的力如圖1 所示。當路面提供的附著力無法平衡車輛重力、強側風力和慣性力三者作用合力的橫向分力時，車輛會發生側滑。為了保證車輛不發生側滑，需滿足[11]：

式（1）～式（2）中：G為車重（N）；a為道路縱坡角（°）；b為道路橫坡角（°）；R為道路轉彎半徑（m）；v為車輛行駛速度（m/s），uy為地面側向摩擦系數；為汽車側風系數；τ為合成流入角；ρ為空氣密度（kg/m3）；A為汽車迎風面積（m2）；vres為合成速度（m/s），=v2+ω2；ω為風速（m/s）。

當側翻力矩（側風力矩和慣性力矩）可能超過車輛自身質量提供的穩定力矩時，汽車會發生側翻。為了保證車輛不發生側翻，需滿足[11]：

式（3）中：hg為質心高度（m）；hw為側風高度（m）；B為輪距（m）。

圖1 車體受力分析

1.2 仿真工況

單移線仿真是指驅動汽車在規定的時間內，通過走一個S形曲線樣式來模擬汽車的變道動作，如圖2所示。

圖2 單移線仿真車輛運動軌跡

試驗為閉環試驗，將人-車作為系統考慮，在Trucksim 中引入駕駛員模型，仿真采用駕駛員轉向模型來控制車輛動作，該模型軌跡跟隨程度高，并設定駕駛員的反應時間為0.15s，預瞄時間為1.5s。在轉向模塊中輸入單移線軌跡坐標數據，得到如圖3所示的目標軌跡。

圖3 仿真距離與橫向位移的關系

1.3 評價指標

目前針對車輛穩定性的評價指標有側向偏移量、橫擺角速度、側傾角、側向加速度等?；谝陨鲜芰Ψ治觯渲袡M向位移量能較直觀反映車體的側滑偏移，側傾角能直觀反映車輛發生側翻的危險性[17-19]。因此，本文選取橫向位移量和側傾角作為評價指標，評價車輛發生側滑與側翻的危險性，其值越大，發生危險的可能性越大。

2 系統建模

本文采用Trucksim 軟件構建系統模型，Trucksim 是貨車動力學仿真的行業標準軟件。本文通過道路模型、側風模型、廂式貨車模型這三部分完成系統模型的建立。

2.1 道路模型

本文使用Trucksim 中的二維平整路面作為道路模型，如圖4 所示。由于醫療物資運輸過程中車輛可能遭遇各類天氣條件的影響，通過改變路面摩擦系數來模擬各類天氣條件，建立相應的道路模型。根據相關文獻，可知正常干燥路面的摩擦系數為0.6，雨天濕滑路面摩擦系數為0.4，雪天路面摩擦系數為0.28，低溫結冰路面摩擦系數為0.18[12]。

(3)農村基層組織(村委會)。大力發展日間照料中心、老年人活動中心,開展文化娛樂活動、豐富老年人的精神世界。

圖4 道路模塊界面

2.2 側風模型

救援運輸常需跨省，這使得運輸線長達幾百甚至數千公里，線路上可能存在多個過江、跨海橋梁或隧道進出口等受強側風影響頻繁的路段。參考相關文獻可知[20-21]，90°風向角對行車安全性最為不利，本文設置90°的風角，改變側風模型的極值來模擬各類風速等級。

考慮受新冠肺炎疫情影響區域的重要交通通道，統計分析了浙江沿海重要通道杭州灣某跨海大橋冬季風速數據，如圖5 所示。整理分析后得出年平均風速為2.8～3.5m/s，平均最大風速為17.7～22.6m/s，因此設定4級（9m/s），7級（17m/s），10級（25 m/s）這三種風速等級。

圖5 風速時程圖

其中隨機變化陣風是自然環境中最常見的陣風形式，具有風速變化快、作用時間長等特點，基于該陣風形式，在Trucksim 的weed speed 模塊中構建了與實際相符合的側風模型，如圖6所示。

圖6 側風模型圖

2.3 貨車模型

醫療物資多以廂式貨車運輸，這里基于大運經典廂式貨車的基本參數（見表1），對車輛外形、輪胎、轉向、懸架、制動、動力傳動等各系統進行參數化建模，建立仿真模型如圖7所示。

表1 整車參數表

3 仿真分析

采取控制變量的方法對摩擦系數、風速等級、貨載質量進行仿真，分析各因素對車輛發生側滑與側翻危險性的影響，具體方案如表2所示。

圖7 整車模型

表2 不同參數條件下試驗方案

3.1 路面條件對車輛行駛安全性的影響

根據建立的耦合模型，通過改變路面摩擦系數來模擬晴天、雨天、雪天及結冰的天氣環境，分別進行仿真試驗。在仿真試驗中，車輛以60km/h的速度變換車道，車輛的側傾角和橫向位移曲線分別見圖8和圖9，其中各指標的極值見表3。

圖8 不同摩擦系數下的側傾角

圖9 不同摩擦系數下的橫向位移

表3 不同路面摩擦系數下各指標極值

從圖9 可以看出，車輛以60km/h 的速度在結冰的路面上行駛時，車輛已無法完成變道動作，將失去控制。在雪天環境下，車輛雖能完成變道動作，但其橫向位移已達到4.5m，存在偏移車道撞上欄桿和其他車輛的風險。

綜上所述，冰雪天氣對醫療物資運輸車的行駛安全性產生了較大影響。針對這類天氣情況，應急運輸管理部門需合理安排運輸計劃，且對于急需的救援物資，需提前做好重點路段的除冰除雪工作，以保障運輸安全。

3.2 風速等級對車輛行駛安全性的影響

選取晴天路面（摩擦系數為0.6）、車速60km/h，測量風速分別在0,9m/s,17m/s,25m/s 時車輛的側傾角和橫向位移量，得到車輛的側傾角曲線和橫向位移曲線，見圖10和圖11，其中各指標的極值見表4。

圖10 不同風速等級下的側傾角

圖11 不同風速等級下的橫向位移

表4 不同風速等級下各指標極值

從圖10 和表4 可以看出，隨著風速等級逐漸增大，車輛的側傾角曲線逐漸偏移坐標軸。且當風速由9m/s 變化到17m/s 時，側傾角呈單側逐漸變大的趨勢，已無法體現車輛正常穩定變道時的雙側來回變化規律。說明車輛在強風作用下，車輛重心朝正向一側傾斜。當風速由17m/s 變化到25m/s 時，側傾角極值由-0.58°增大至-1.5°，增幅較大，說明在風速17m/s 作用下車輛處在臨界不穩定狀態。所以對于經常出現強側風的路段，需提前設置警示標志，加強對駕駛員的預警，以保障重要應急醫療物資的運輸安全。

從圖11可以看出，在車速為60km/h、晴天路面條件下，風速由0 向25m/s 增大時，車輛均完成了變道動作。

綜上所述，可以看出車速60km/h、晴天路面條件下，隨著側風等級的提升，雖然在駕駛員的控制下車輛均完成了變道動作，但從側傾角曲線中可以看出車輛的行駛穩定性已受到影響，發生側翻的危險性逐漸增大。

3.3 物資種類對車輛行駛安全性的影響

針對醫療救援物資種類繁多，既有口罩、防護服等低密度物資，又有消毒液等高密度物資的特點，通過改變貨載質量來模擬各類醫療物資，根據方案3 來進行仿真試驗，車輛的側傾角和橫向位移曲線見圖12 和圖13，其中各指標的極值見表5。

圖12 不同貨載質量下的側傾角

圖13 不同貨載質量下的橫向位移

表5 不同貨載質量下各指標極值

從圖12和圖13以及表5可以看出，貨載質量的變化對車輛穩定性的影響類似于風速等級變化的影響，但從極值點的數值變化可以看出其對車輛側翻的影響要弱于風速等級變化的影響。所以合理調配運輸車輛、不超載運輸對于保障醫療物資應急運輸安全至關重要。

3.4 顯著性分析

基于以上仿真結果，對事故類型中較為突出的側翻事故進行影響因素顯著性分析。通過離差和方差分析法，分析各因素對車輛側翻影響的顯著性，得到側傾角分析結果如表6所示。

表6 側傾角的離差和方差分析結果

從表6 可以看出各因素對車輛側翻影響的程度由大到小依次為風速、摩擦系數、貨載質量。

3.5 小結

大規模醫療物資運輸往往發生在嚴重突發事件的背景下，如重大公共衛生事件、自然災害等，具有“時間緊迫、需求量大”等特點，其更多考慮的是醫療物資到達的時間和到達量。惡劣天氣對運輸安全的影響，對于常規公路運輸而言可根據天氣預報，通過改變運輸線路或推遲運輸計劃等方式來保障運輸安全。而對于應急救援運輸，則更多需要沿線運輸管理部門的積極配合來保障運輸安全。例如針對冰雪路面，交管部門提前做好除冰除雪工作；針對強側風區域，應做好對駕駛員的提前預警工作。

4 結語

本文基于車輛動力學原理，針對重大突發公共衛生事件應急救援運輸，在閉環仿真試驗環境下對廂式醫療運輸車在不同惡劣天氣下的行駛穩定性進行了仿真試驗，結果表明隨著天氣由晴天向結冰的轉變，車輛行駛安全性逐漸降低，發生側翻和側滑的風險均提高。在雪天路面摩擦系數為0.28，車速為60km/h 的情況下進行車輛變道，運輸車輛存在與其他車道車輛或路側護欄碰撞的危險，應給予避免。

風速等級的提高對車輛發生側翻事故影響尤為明顯，因此運輸管理部門需要對運輸線路的強側風路段提前做好預警工作，風速大于17m/s（7級風）時車輛運行危險顯著增加，駕駛過程中要特別重視強風路段，以保障醫療物資運輸安全。

專門運輸消毒液體及醫用設備等大密度醫療物資的車輛，隨著貨載質量的增大，車輛重心逐漸上移，使車輛行駛側傾穩定性降低。因此合理安排組合運輸物資，降低車輛重心，可以顯著提高醫療物資運輸安全性。

本文對惡劣天氣的種類及道路種類考慮不全面，在后續的研究中將進一步分析大霧和彎道等對車輛行駛安全性的影響；同時進一步分析仿真數據，建立各類環境因素下的安全車速預測模型。