大風雨雪氣象條件下高速公路車輛穩定行駛的臨界車速研究

王 露，陳肖欣，李華恩

(1. 長安大學 運輸工程學院，陜西 西安 710064； 2. 長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引 言

道路交通作為國民經濟運行的命脈，在我國社會經濟快速發展中發揮了重要作用；道路交通高速發展的同時，關于交通安全的問題也日益突出。在雨雪天行車時，路面摩擦系數受雨雪等環境影響而下降，車輛易發生側翻、側滑等危險，而雨雪天又時常伴隨著大風，進一步加劇了事故風險，給行車安全造成嚴重威脅[1-2]。因此，研究雨、雪及大風等復雜氣象條件下的車輛行駛情況，對降低雨雪天氣交通事故發生具有重要的參考意義和價值。

學界在對車輛行駛安全的研究中，多采用構建數學模型和車輛仿真試驗的方法，來探究不同因素對交通安全影響。S.NAJAFI等[3]基于模糊邏輯推理的路面摩擦管理與實時防滑預警系統，進行了概念驗證研究，提出了一種基于交通水平、車速限制和路面摩擦的模糊邏輯推理系統；M.ESSA等[4]采用均值一次二階矩法建立了視距不足和車輛側滑的失效模型，并應用于平曲線路段的可靠性分析中。在仿真應用中，唐歌騰等[5]應用TruckSim軟件建立了整車動力性模型進行仿真試驗，建立了彎道半徑與安全車速之間的響應面模型，提供了一種車輛轉彎時安全行駛速度的計算方法；王傳連等[6]應用TruckSim仿真軟件，從裝載質量和道路附著系數這兩個方面入手，分析了大型車輛在彎道路段發生側滑、側翻的影響因素和程度，并分析得出通過彎道的安全車速閾值。

學界根據不同的氣象條件，選取不同研究指標，對復雜氣象條件下的行車安全展開研究。T.L.JACKSON等[7]通過對降雨這一氣象條件與行車安全的關系展開研究，提出雨天發生撞車事故與降雨的相關性；A.T.IBRAHIM等[8]研究了加拿大地區不良氣象條件對高速公路行車的影響，發現不良氣象對自由流有減速影響；L.EWAN等[9]通過道路氣象傳感技術對行駛表面狀態的抓地力水平和摩擦系數開展研究；田世芹等[10]基于各種氣象條件對交通運輸的影響進行分析，提出了復雜氣象條件對行車安全的不良影響；唐晉娟[11]通過分析路面上水膜對摩擦系數影響來推導車輛發生水滑現象時的行車速度，從而得出了行車速度限值；劉兆惠等[12]采用理論分析和仿真分析相結合的方式，探討了霧天環境對高速公路車輛跟馳安全的影響，建立了行車安全標準。程國柱等[13]基于駕駛員在冰雪路面行車時的制動反應時間與制動距離分析，計算給出了不同類型冰雪狀態下對應不同行駛車速的機動車停車距離，并給出了保證冰雪路面行車安全的最高車速建議值；劉洋等[14]基于對車輛在側風環境下彎道行駛時所受外力及力矩進行分析，計算得出側風作用下彎道行車安全行駛速度閾值。

綜上所述，學者們對車輛安全行駛條件已做了大量研究，構建了不同條件下的響應模型和安全車速計算方法；針對不同氣象條件對行車安全的影響也進行了研究，分析了不良氣象下車輛行駛狀態和安全影響機理，并提出了相應的建議和對策。但這些研究往往是基于單一的氣象條件，而車輛在道路上行駛往往受道路因素和多種氣象因素的共同影響和各因素之間相互作用，在復雜氣象條件下應綜合考慮風雨雪和道路因素的共同影響，更符合實際車輛行駛狀況，也能使研究更有實際意義。因此筆者針對不同道路系統進行多角度具體設定，基于雨、雪及伴隨大風天氣分別對道路車輛運行安全的影響，運用Carsim軟件構建車輛、道路和環境模型，進行仿真模擬實驗，分析不同條件下車輛保持穩定行駛的臨界車速。

1 模型構建

為模擬復雜氣象條件下車輛在道路上的行駛狀況，筆者利用Carsim軟件建立車輛模型、氣象環境模型和道路模型進行仿真試驗。

1.1 車輛模型

車輛在雨雪及大風天氣下行駛時，由于路面與車輛間附著系數降低，加之受到橫風影響，易發生側滑和側翻，且車輛重量、外觀、性能及各項參數都會對其穩定性產生一定影響。要使研究結果具有參考意義和價值，必須要選取具有代表性車輛來建立模型。筆者通過對近幾年國內轎車銷量進行調查，選取一款銷量最穩定且性價比較高車型(長安福特-福克斯)，作為具有代表性的車型來建立車輛模型。因此，在Carsim軟件中選擇B-Class-Hatchback作為仿真模擬車輛模型。圖1為Carsim車型選擇界面；其具體參數配置如表1。

圖1 車型選擇界面

表1 車輛模型參數

1.2 氣象環境模型

筆者研究的復雜氣象條件主要是指雨、雪伴隨大風天氣，因此所建立氣象環境模型也主要考慮風、雨、雪這3種氣象因素。

隨著車輛輕量化、高速化發展，使得車輛在行駛過程中對橫風作用更加敏感。車輛在大風天氣下行駛時，尤其是在彎道處，其所受橫向力大大增加，極易發生側滑和側翻，對行車安全極其不利。因此在建立氣象環境模型時，在數據模型中插入風的數據。根據文獻[15]研究，5級風屬清勁風，車輛在該風速作用下行駛會開始產生瞬態穩定性波動，可作為研究的起始風速；9級風屬烈風，在陸地上不常見，且由于高速公路行車速度快，車輛在該風速下很難維持動態穩定，對駕駛員也會造成很大的心理壓力。故筆者重點考慮5～8級風對行車速度的影響。根據GB/T 28591—2012《風力等級》[16]規定: 5～8級風對應風力大小分別為30、40、50、62 km/h。風向按最不利情況考慮，設置為與車輛最初行駛方向成90°。

在降雨天氣下，雨水會在路面上形成水膜，使車輛與路面間的摩擦力下降，車輛行駛在雨水路面上，其穩定性和制動性都大大下降，增加了事故發生危險。而在冰雪天氣下，路面會積雪或結起冰層，車輛與路面間的摩擦系數會大大減小，此時路面附著系數僅為干燥時路面附著系數的1/8～1/4[17]，更加不利于行車安全。通過調查取證得知：正常道路的摩擦系數為0.6，降雨天路面積水會降低到0.4；降雪天路面積雪時降到0.25，路面結冰會降低到0.18。故筆者將路面摩擦系數設置為降雨積水路面為0.4，降雪積雪路面為0.25，結冰路面為0.18。

在明確了風、雨、雪這3種氣象因素后，筆者對車輛在大風天行駛速度為60、80、100 km/h這3種情況下按積水、積雪、結冰的3種不同路面摩擦系數，選擇不同等級風速，進行仿真模擬并對其進行分析，以尋找在不同等級風條件下雨、雪天氣的臨界車速。

1.3 道路模型

我國常規機動車道寬度為3.5 m，筆者選取的是B型兩廂車，車寬為1.695 m；參考我國公路圓曲線最小轉彎半徑規范值，如表2。筆者旨在研究常規高速公路車輛在復雜氣象條件下穩定行駛的臨界車速，車速可在限速范圍內根據駕駛人不同操作而產生浮動，但道路線形一經確定則不可隨意更改，考慮此次研究的最大車速為100 km/h，故選取公路圓曲線半徑一般值400 m作為道路模型的圓曲線半徑值。現實中高速公路“直-緩-曲”線性組合多樣，沒有統一標準，為使研究結論具有普遍性，筆者選取“200 m直線+90°半徑為400 m的圓曲線”虛擬路段進行仿真模擬分析(圖2)，并提供計算臨界車速方法。為更準確地分析車輛在直線和圓曲線上行駛時瞬態氣動特性的差異性，筆者將對這兩類路段分別進行研究；同時考慮車輛在設計速度為100 km/h，半徑為400 m圓曲線路段應采取8%的超高綜合考慮，最后得出結論。

表2 圓曲線最小半徑

圖2 圓曲線路段參數

2 評價指標

在大風天氣下，受橫風影響所產生的側向力成為車輛行駛不穩定因素，易使車輛發生側滑、傾覆等危險；而道路路面在雨雪天氣下會因積水、積雪或結冰導致與車輛間附著系數大大下降，車輛穩定性和制動性也隨之降低，在與大風共同作用下，車輛面臨側滑和側翻危險更加顯著。基于此，在研究車輛穩定行駛臨界速度時，將側向力系數和側向偏移量作為衡量車輛行駛安全評價指標。

2.1 側向力系數

側向力是車輛行駛的不穩定因素，而車輛穩定性程度用側向力系數來衡量，意為單位車載所受的側向力，其計算如式(1)：

(1)

式中：R為圓曲線半徑；f為側向力系數；v為車輛行駛速度；ih為側向超高值。

側向力系數f越大，則表明車輛所受側向力越大，汽車行駛穩定性也越差，越易發生傾覆和側滑危險。因此，可將側向力系數作為評價車輛在復雜氣象條件下車輛穩定性指標。研究表明：當f>0.4時，車輛行駛就非常不穩定，有傾覆危險[18]。故筆者將橫向力系數f=0.4作為車輛側翻閾值。

2.2 側向偏移量

車輛在道路上行駛時，由于受到行車環境影響，車輛不可能始終保持沿車道中線行駛，在大風雨雪天氣下，因路面附著系數降低，汽車更難以操控和制動。這種情況下，車輛更易發生側向偏移，在筆者將車道寬度設置為3.5 m、車寬為1.695 m情況下，車輛單側可接受偏差最大值為0.902 5 m，所以必須將側向偏移量作為車輛行駛安全的一個評價指標。再依據文獻[19]，并綜合考慮駕駛員行車時與相鄰車道車輛的心理安全車距，筆者選取0.5 m作為側向偏移量安全閾值。

3 仿真分析

3.1 5級風直線路段仿真分析

當車輛在直線路段上行駛，雨天積水路面摩擦系數為0.4，按5級風條件下取不同車速進行仿真模擬，其仿真結果如圖3。

圖3 雨天直線段車輛側向力系數和側向偏移量與車速關系

車輛以不同限速行駛，其側向力系數隨著車速提升而增大，在最大車速100 km/h時為0.11，仍未超過0.4這一側翻限值；側向偏移量也隨車速提升而增大，在100 km/h車速下，達到最大偏移量為0.38 m，未超過0.5 m的安全閾值。因此在這一條件下行駛時，車輛均能保證其穩定性。

車輛在直線段行駛，雪天積雪路面的摩擦系數為0.25，按5級風取不同車速進行仿真分析，其仿真結果如圖4(a)。車輛在積雪路面直行時，車側向力系數均未超過閾值0.4；而側向偏移量則隨車速提升而明顯變化，在車速大于80 km/h時則車輛側向偏移量已超過了安全閾值0.5 m，導致車輛駛離道路，且隨著車速提升迅速增大。

當車輛在直線段行駛，雪天結冰路面的摩擦系數為0.18，按5級風取不同車速進行仿真分析，其仿真結果如圖4(b)。車輛在雪天結冰路面直行道上行駛時，車輛側向力系數均未超過閾值0.4；而側向偏移量則隨車速提升明顯變化，在車速大于75 km/h時則車輛側向偏移量就已超過了安全閾值0.5 m，導致車輛駛離道路，且隨著車速提升迅速增大。

圖4 車輛側向力系數和側向偏移量與車速關系

3.2 5級風圓曲線路段仿真分析

當車輛在圓曲線上行駛，雨天積水路面的摩擦系數為0.4，按5級風條件下取不同車速進行仿真分析，其結果如圖5(a)。在5級風(風速為30 km/h)條件下，當車輛沿圓曲線路段在雨天積水路面上行駛，其側向力系數和側向偏移量均隨車速提升而增大，側向力系數最大值為0.27，小于閾值0.4，可滿足要求；側向偏移量累計值則在85 km時就達到0.64 m，大于0.5 m的安全值，此時車輛將駛離道路，會引發危險，在80 km/h車速時車輛側向偏移量累積至則為0.41 m，尚可保持在車道內安全行駛，故在雨天積水路面圓曲線路段的行車速度不應超過80 km/h。

當車輛在圓曲線上行駛，雪天積雪路面的摩擦系數為0.25，按5級風取不同車速進行仿真分析，其結果如圖5(b)。在5級風(風速為30 km/h)條件下，當車輛沿圓曲線路段在雪天積雪路面上行駛，各車速下車輛側向力系數最大值約為0.23，小于0.4的閾值；側向偏移量累計值在60 km/h時為0.3 m，尚能保持安全行駛，車速在65 km/h時，側向偏移量累計值就迅速增加到了1.9 m，車輛受側向力作用已不能保持穩定而駛離道路，故在雪天積雪路面的圓曲線路段，行車速度不宜超過60 km/h。

當車輛在圓曲線上行駛，雪天結冰路面的摩擦系數為0.18，按5級風取不同車速進行仿真分析，其結果如圖5(c)。在5級風(風速為30 km/h)條件下，當車輛沿圓曲線路段在結冰路面上行駛，車輛側向力系數最大值約為0.15，小于0.4的閾值；側向偏移量累計值在55 km/h時為0.09 m，尚能保持安全行駛，車速在60 km/h時，側向偏移量累計值就迅速增加到了17.06 m，車輛已完全不能保持穩定而駛離道路，故在雪天結冰路面的圓曲線路段，行車速度不宜超過55 km/h。

圖5 車輛側向力系數和側向偏移量與車速關系

3.3 各風級雨雪條件下直曲路段臨界車速

基于無風和6～8級風條件下的不同車速，分為不同雨雪情況和不同直曲情況進行交叉試驗和仿真模擬。按上述方法分析不同工況下車輛穩定行駛的臨界車速，分別得到在直線和曲線路段的不同氣象條件下穩定行駛臨界車速值，其結果分別如表3。

表3 直線路段和曲線路段各風級雨雪條件下臨界車速

當車輛在直線路段行駛時，降雨情況下，在5級風內時尚能保持100 km/h安全行駛，當風力大于5級時，其速度應保持在80 km/h以內；降雪情況下，5級風及以上都不能以80 km/h速度安全行駛，行駛速度不應超過60 km/h，以保證車輛安全。對于常規高速公路而言，其最低限速一般為60 km/h，因此在降雨大風天氣下可采取限速80 km/h的措施來保證安全；而在降雪大風天氣下，路面處于積雪或結冰狀態，為保證安全，要求車速不能超過60 km/h。

當車輛在曲線路段上行駛時，降雨情況下，風力在5級條件下安全車速為80 km/h；而達到7級風時，行車速度應保持在60 km/h以內，以不能達到高速公路的最低速度要求，應采取禁止通行措施。降雪時路面積雪或結冰情況下，風力達到5級及以上時，車輛安全行駛速度應保持在30 km/h以內，同樣已不能滿足高速公路最低行車速度要求，此時應封閉通行，進行除雪除冰措施。

4 結 論

筆者分別分析了直線路段和圓曲線路段，在雨雪伴隨大風天氣下道路積水、積雪和結冰這3種惡劣條件下，通過對不同車速在惡劣天氣環境下行駛情況，進行仿真模擬分析，選取車輛側向力系數和側向偏移量作為評價指標；分析了在惡劣天氣條件下，隨著天氣車輛附著系數減小，路面摩擦力降低，若想使車輛安全通行，則要將車輛所受側向力控制在駕駛員可控范圍內。得出如下結論：

1)分析得出了“200 m直線+400 m半徑圓曲線”及8%超高這一特定線型組合下，各風級條件下雨雪天氣時車輛穩定行駛的臨界車速。車輛在5級風以上雨天積水路面，路段線形為直線時，車速應不高于80 km/h；當路段為圓曲線時，應將車速控制在50 km/h以下方可安全通行。車輛在5級風以上積雪或結冰路面，路段線形為直線時，安全限速值為60 km/h；當路段為圓曲線時，應將車速控制在30 km/h以保證行駛安全；

2)直線長短對文中結論影響較小，研究結果可直接作為限速參考；而圓曲線路段半徑和超高都會影響車輛安全行駛速度。由于高速公路線形組合多樣，半徑和超高各不相同，客觀上難以找到一個公式進行總結，因此筆者選取典型圓曲線半徑值進行仿真計算，提供了在大風雨雪天氣下車輛安全車速的計算方法。在實際中可根據具體情況修改參數，以調整計算結果；

3)對大風雨雪條件下高速公路行駛的危險性，可從以下方面來加強措施保證安全：① 建立氣象預警系統和信息發布系統，及時發布危險預警，告知駕駛員，提高駕駛安全；② 進行必要的限速限距措施，并應設立醒目標志提醒駕駛員；③ 對降雪結冰路段，安全限速值達不到高速公路最低限速要求時，應封閉路段并及時除冰除雪及進行路面抗滑處理，提高路面的摩擦系數，從而提高車輛的安全行駛限速值。