側風作用下貨車和小汽車行駛穩定性對比分析

陳 豐，彭浩榮，邵曉君，潘曉東

(道路與交通工程教育部重點實驗室(同濟大學)， 上海 201804)

山區高速公路橋隧連接段是事故敏感地帶[1]。由于地處峽谷中，受“狹管效應”的影響，駛出隧道車輛的行駛穩定性容易受到強烈側風作用的干擾，甚至可能發生側滑、橫擺、側翻等安全問題[2]。山區高速公路橋隧連接段作為交通要道，事故一旦發生，致死率高、經濟損失大，相比于普通公路具有更高的事故危害性[3]。為降低橋隧連接段事故風險，國內外學者利用數值仿真[4-6]、風洞試驗[7-8]、駕駛模擬器[9-10]等手段對風致行車安全問題進行了廣泛的研究。其中，貨車是風致安全事故的重點關注車輛類型之一。文獻[11]以橫擺角速度和轉折角為指標研究了集裝箱半掛車在側風作用下的行駛穩定性。文獻[12]通過數值仿真的方法研究了半掛汽車列車穩定行駛的風速及車速臨界值。文獻[13]基于駕駛模擬試驗對橋隧連接段側風作用下廂式貨車的動態響應和駕駛員反應進行了分析。文獻[14]研究了重型貨車在側風影響下的側滑和側翻情況。除此之外，小汽車的行駛穩定性和安全性也備受關注。文獻[15]研究了側風作用下小汽車直線行駛和轉向行駛的橫擺角速度、側向加速度以及側向位移變化情況。文獻[16]以側向偏移作為行車風險評價指標，分析了側風對大跨橋梁轎車行車安全的影響。文獻[17]借助Carsim軟件模擬了橋隧連接段不同風速大小及角度對小汽車行駛的影響。文獻[18]提出了一種靜態模型來衡量小汽車在發生側翻、側滑和橫擺時的臨界風速。文獻[19]利用風洞試驗研究了高速行駛的小汽車在側風作用下的行駛穩定性。然而，山區高速公路橋隧連接段多為小汽車和貨車混行，不同車輛類型在氣動特性、車輛構造方面有所差異，單獨開展研究由于所設工況均有不同，其結論較難整合和統一。為了深入對比側風對貨車和小車的影響，部分學者將貨車和小汽車置于同一側風場景下進行了分析。文獻[20]通過修改駕駛模擬器參數研究了強風環境下大巴車、小汽車和救護車的動態響應。文獻[21]采用風洞試驗研究了牽引拖車、消防車、皮卡以及小轎車在不同風況下的氣動力特性。文獻[22]采用數值模擬的方法對比了集裝箱半掛車和小轎車在側風作用下的行駛穩定性。文獻[23]通過選取基本型乘用車、交叉型乘用車、中型商用客車、大型廂式商用貨車4種車型，基于數值仿真對比分析了側風作用下不同車輛在公路橋梁上發生側滑與側翻的極限條件。

已有研究為側風環境下車輛的安全行駛提供了有力保障，但研究手段多側重于數值模擬，忽視了駕駛員行為的影響，且缺乏貨車和小汽車在橋隧連接段這一事故多發路段的行駛穩定性對比研究。為此，本文同時對貨車和小汽車的側風作用下橋隧連接段行駛穩定性進行研究。基于8自由度駕駛模擬器，建立了側風環境下山區高速公路橋隧連接段駕駛模擬平臺。通過廂式貨車和小汽車的駕駛模擬實驗，采集不同側風工況下的車輛動態響應數據，并從側滑、橫擺、側翻3個方面對比分析了廂式貨車和小汽車的行駛穩定性，為山區高速公路橋隧連接段交通管理、風致行車安全事故預警措施提供了理論支撐。

1 橋隧連接段駕駛模擬平臺構建

1.1 實驗場景

側風作用下山區高速公路橋隧連接段行車模擬實驗在同濟大學交通行為與交通安全虛擬現實平臺的8自由度駕駛模擬器中進行。實驗基于駕駛模擬器構建了山區高速公路橋隧連接段場景，如圖1所示。實驗場景橋梁段長500 m，兩側隧道長度均為1 000 m，公路設計速度為80 km/h，采用分離式橫斷面設置，雙向4車道，車道和路肩寬度分別為3.75、2.5 m。

1.2 實驗車輛模塊

駕駛模擬實驗使用了小汽車和廂式貨車兩種類型的車輛(見圖2)，這兩種車輛模塊分別基于實際的小汽車和廂式貨車車型開發。其中，小汽車的車長為4.5 m，車寬為1.8 m，質心高度為0.54 m，整車質量為1 300 kg，軸距為2.6 m，前后輪距為1.546 m，方向盤最大轉角為1 080°；廂式貨車的車長為7.05 m，車寬為2.1 m，質心高度為1.1 m，整車質量為4 300 kg，軸距為3.6 m，前輪距為1.9 m，后輪距為1.8 m，方向盤最大轉角為1 440°。實驗中駕駛場景通過5個內置投影儀投射在一個水平視角為250°、垂直視角為40°的環形屏幕上，場景以60 Hz的頻率刷新。由于駕駛模擬器中的內置車輛是小轎車(雷諾Megane III)，因此，針對廂式貨車模塊，通過調節場景投影使駕駛員的視點高度與實際駕駛貨車時保持一致。同時，為提高貨車駕駛真實度，實驗根據廂式貨車力反饋情況調整了方向盤、油門踏板和剎車踏板的參數，并在貨車行駛的聲音和路面聲音方面采用了多通道聲音系統來模擬。

圖1 橋隧連接段實驗場景

(a)小汽車 (b)廂式貨車

1.3 側風作用工況

已有研究[24]表明，廂式貨車的行駛安全易受到橋面側風的影響，尤其當風速達到72 km/h以上時。針對山區高速公路橋隧連接段實驗場景，外力作用主要考慮突遇側風作用。因此，分別計算側風風速為40、50、60 km/h對車輛的作用力，并編寫腳本將側風作用融入駕駛模擬器。風向角方面，根據確定行駛車輛相對遭遇風速的向量法則，側風的風速和風向需要結合在一起考慮[25]，而不同風向角下車輛所受到的作用力可通過調整風速來實現近似效果[26]。由于本文的目的并不是研究風速風向的聯合分布對行車安全的影響，因此結合已有研究[16-17]選取最不利的橫風作為實驗條件。

正式實驗時，要求駕駛員控制車速在80 km/h左右。車輛行駛至橋梁段時會觸發隨機加載的側風，風速為40、50、60 km/h，風向包括與車道方向垂直的從左至右(90°)或從右至左(-90°)兩種，側風的持續作用時間為10 s，各種側風工況見表1。

表1 駕駛模擬試驗工況

每位駕駛員分別進行12次模擬駕駛，每個工況分別駕駛小汽車和廂式貨車各進行1次。實驗過程中，6種側風工況的順序隨機分配給不同的駕駛員，以避免因工況次序一致所引起的實驗偏差。

2 實驗設計與數據采集

2.1 實驗駕駛員

本次駕駛模擬實驗共招募具有山區和沿海高速公路駕駛經驗的職業貨車駕駛員30名，均為男性，其中山區高速公路平均駕駛里程約5×104km。被試駕駛員平均年齡31.9歲(標準差6.80 a)，平均駕齡6.7 a(標準差3.14 a)。實驗過程中，沒有駕駛員出現惡心、眩暈等不良反應，全部完成了駕駛模擬實驗任務。

2.2 實驗步驟

駕駛員到達實驗室后先進行基本信息的采集，包括年齡、駕齡、駕駛頻率等基本情況，確定實驗人員是否符合要求。隨后，要求每位駕駛員在高速公路駕駛模擬場景中完成10 min的適應性駕駛，以熟練對車輛方向盤、油門和剎車的操控。培訓駕駛結束后，要求駕駛員先休息10 min，調整好身心狀態后方可進入正式實驗。

駕駛員需完成12次橋隧連接段駕駛任務，小汽車和廂式貨車交替進行，每個車型隨機經歷6種工況。實驗過程中，要求駕駛員保持在最左側車道行駛，并將車速維持在80 km/h左右，不可隨意變道。由于突遇側風后的車輛行駛穩定性是本文的研究重點，因此駕駛員對于遭遇側風的位置、風速及風向是未知的。

2.3 數據采集

駕駛模擬器的采樣頻率為20 Hz，可采集車輛速度、方向盤轉角、加速踏板位置等400余種數據。為了對比小汽車和廂式貨車在側風作用下的行車穩定性，本研究主要提取了車輛運行的動態響應指標，包括車輛側向位移、橫擺角速度、輪胎接地壓力、側向加速度等數據。

3 側風作用下車輛行駛穩定性分析

根據文獻[27]的研究，風致道路交通事故一般分為3類：側滑失穩、橫擺失穩、側翻失穩。下面將從這3個方面對側風作用下山區高速公路橋隧連接段車輛行駛穩定性進行分析。

為了比較轉移支付在中國教育水平趨同中的作用，下文將采用β絕對收斂、β條件收斂對中國以及東、中、西部地區間的教育水平進行研究，以揭示西部地區受教育水平差異及縮小的內在原因。中國各省的教育水平和轉移支付都存在顯著的空間效應，因此本文借助空間經濟收斂模型，構建教育水平的空間β絕對收斂(式2～式3)和條件收斂的空間面板自相關模型和空間面板滯后模型(式4～式5)，以考察轉移支付條件下教育水平增長與初期發展水平的關系。鑒于教育發展程度除了受國家財政支持力度的影響外，還取決于當地的經濟發展水平，因此將經濟發展水平也作為必要條件納入β條件收斂模型。

3.1 側滑穩定性分析

側向位移常用于描述車輛在遭遇側風時的車道偏移量，可以最直觀地反應車輛在側風作用下的行駛穩定性[11]。車輛的側向位移常以車道中心線與車輛中心之間的距離來計算。在駕駛模擬實驗中，車道寬度為3.75 m，小汽車寬度為1.8 m，廂式貨車寬度為2.1 m，車輛初始的中心位置處在車道中心線上。因此，當小汽車側向位移大于0.975 m、廂式貨車側向位移大于0.825 m時，車輛將越過車道線駛入相鄰車道，行車安全將受到嚴重威脅。

圖3為不同側風工況下30位駕駛員分別駕駛小汽車和廂式貨車行駛的側向位移變化全過程，由各時刻的側向位移均值繪制而成，3幅圖分別對應工況1和工況2、工況3和工況4、工況5和工況6。總體來看，小汽車和廂式貨車在相同側風工況作用下，其側向位移均值變化趨勢基本一致。在遭遇側風前，車輛保持在車道中線附近行駛；在側風作用初期，車輛的側向位移增大較為明顯，并逐漸達到峰值；側風作用結束后，車輛側向位移向反方向突然變化，并伴有小幅度左右波動，直至回歸到車道中線。對比小汽車和廂式貨車在各側風工況下側向位移均值的變化情況可知，廂式貨車的側向位移普遍大于小汽車，但小汽車對側風的響應較為迅速。

為了更詳細地對比小汽車和廂式貨車在側風作用下的側向位移情況，將車輛通過側風環境的過程劃分為4個階段，即車身駛入、完全駛入、車身駛出、完全駛出[15]。由圖3可知，小汽車和廂式貨車在側向位移上的差異主要集中在前兩個階段。當車身剛剛駛入側風區域時，受車體質量差異的影響，小汽車對側風的響應較快，其側向位移量略大于廂式貨車；當車身完全駛入側風區域后，小汽車的側向位移量不再增加并有逐漸減小的趨勢，而廂式貨車由于受力面積相對較大、質心高度較高，側向位移仍有所增加，且在風速為60 km/h時有駛出車道的風險。

總體來看，側風作用下車輛側向位移最大值隨風速的增加而增大，但受風向的影響較小；不同工況下側向位移最大值出現時間均在15 s前后，即遭遇側風后3～5 s處，且風速越快，達峰所需的時間越短。

(a)風速為40 km/h

(b)風速為50 km/h

(c)風速為60 km/h

為了集中比較小汽車和廂式貨車在不同側風工況下側向位移最大值情況，分別取各駕駛員側向位移最大值的均值、以及側向位移最大值出現時刻的均值，繪制條形圖如圖4所示。

對比來看，不同側風工況下小汽車的側向位移最大值均小于廂式貨車，但其側向位移最大值出現時間普遍快于廂式貨車，說明小汽車更易受側風影響而產生側滑，但廂式貨車在側風作用下的側滑失穩現象更嚴重。同時，由誤差棒可知，廂式貨車在各側風工況下均存在一定概率駛出車道(側向位移>0.825 m)，小汽車僅在風速為60 km/h時，存在一定駛出車道的風險(側向位移>0.975 m)。

(a)側向位移最大值

(b)側向位移最大值出現時間

3.2 橫擺穩定性分析

當車輛遭遇側風時，橫擺角速度的變化可以決定行駛狀態和駕駛員反應，因此橫擺角速度常用來評價車輛在側風作用下的橫擺穩定性[9]。

小汽車和廂式貨車在橫擺穩定性方面的差異主要體現在3個方面。首先，從橫擺角速度峰值的出現時間來看，小汽車的達峰時間普遍早于廂式貨車，可以推斷小汽車相對于廂式貨車對側風的響應較為迅速，感知到側風的時間較短。其次，本次駕駛模擬實驗中，在遭遇側風初期和側風作用結束后，小汽車橫擺角速度的第2個峰值都異常地高于廂式貨車，這可能是由于在駕駛模擬器中，小汽車方向盤的力反饋相對較小，方向盤的轉動與車輛的偏轉之間存在一定延遲，從而出現了“急打方向盤”和“過度轉向”的操作行為。側風作用后期，當車輛基本上脫離橫擺失穩時，小汽車的橫擺角速度曲線震蕩依舊較為明顯，也有可能是該原因導致，小汽車需要通過頻繁操作以維持行駛穩定性。第三，側風作用結束后，廂式貨車第1個橫擺角速度峰值更大，再次說明了小汽車的響應更迅速，能較快地感知到側風的消失并做出相應操作。

(a)風向從左至右

(b)風向從右至左

3.3 側翻穩定性分析

以往研究中，橫向軸荷轉移率和靜態穩定系數常被用于作為車輛側翻穩定性的評價指標[28]。橫向軸荷轉移率(load transfer ratio, LTR)是指車輛的兩側軸荷之差和兩側軸荷之和的比值，若LTR的絕對值大于0.9，則車輛被定義為側翻失穩[5]，具體公式為

(1)

由于LTR指標未能考慮不同類型車輛在質心高度、傾覆力矩等方面的差異，僅適用于同一車型的側翻失穩狀態的分析，不能用于側風作用下小汽車和貨車側翻失穩狀態的對比。靜態穩定系數(static stability factor, SSF)是將車輛半輪距與車輛質心高度的比值作為側翻閾值，并用單位重力加速度下的側向加速度與其比較來預估車輛的抗側翻能力[29]，表達式為

(2)

式中：B為車輛輪距，m；hg為車輛質心高度，m。

SSF值越大說明車輛的抗側翻能力越強，越不容易發生側翻事故。由于本文需要對比不同車型的側翻傾向性，因此首先選擇SSF作為側翻評價標準。由式(2)計算可得，小汽車和廂式貨車的側翻閾值分別為1.43和0.73。鑒于大小車的側翻標準不同，為更直觀地展示和對比不同車型的抗側翻能力，本文基于靜態穩定系數指標提出車輛側傾比(overturning ratio, OR)概念，計算公式為

(3)

式中：ay為側向加速度，m/s2；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

計算每位駕駛員在各工況下的車輛側傾比，對各時間斷面取均值，繪制曲線如圖6所示。整體來看，隨著風速的增加，車輛側傾比也相應增大，說明風速越大車輛側翻的可能性越高。同時，各工況側傾比隨時間變化曲線都出現了兩次明顯的峰值，分別位于側風作用前期和側風消失初期，這兩個時段均屬于駕駛員對側風的感知階段，說明此時段車輛發生側翻的可能性較大，行駛穩定性較差。由于橋頭、隧道洞口、橋塔附近通常是側風作用的起始路段，建議有關部門加強對這些路段側風的監測，保障車輛在側風環境下的安全行駛。

對比小汽車和廂式貨車的側傾比可知，在同等風速下廂式貨車的峰值明顯高于小汽車，尤其體現在側風作用結束后，兩者的差值會隨著風速的增加逐漸增大。這些現象說明廂式貨車在側風作用下發生側翻的幾率明顯高于小汽車，且廂式貨車在駛出側風作用區域后仍存在一定的側翻風險。這可能是由于側風作用突然消失后駕駛員未能及時調整方向盤，而發現車輛偏移后又迅速對方向盤施加了較大的反向作用力，這種風環境突變導致的駕駛員應激反應一定程度上增加了車輛側翻的可能性[30]。

(a)風速為40 km/h

(b)風速為50 km/h

(c)風速為60 km/h

4 結 論

對側風作用下山區高速公路橋隧連接段車輛行駛的穩定性進行研究，基于駕駛模擬實驗采集了車輛的動態響應數據，對比了廂式貨車和小汽車在各側風工況下的側滑失穩、橫擺失穩和側翻失穩情況，得到以下主要結論：

1)在橋隧連接段行駛時，小汽車更易受側風影響而產生側滑，但廂式貨車在持續側風作用下的側向偏移現象更嚴重，且當風速超過40 km/h時便存在一定駛出車道的風險，而對于小汽車，其駛出車道的風速臨界值在50～60 km/h之間。

2)相對于駕駛廂式貨車，駕駛小汽車對側風的響應較為迅速，感知到側風的時間較短。

3)基于靜態穩定系數指標提出了側傾比概念，可以更直觀地對比不同車型在側風作用下的抗側翻能力；通過對比車輛的側傾比發現，在側風環境中廂式貨車相對于小汽車更容易發生側翻事故，且廂式貨車在駛出側風作用區域之后，仍存在一定的側翻風險。

4)本研究成果可為側風環境下橋隧運營管理、車輛預警設計等提供參考，對改善側風作用下山區高速公路橋隧連接段的行車安全具有參考價值。研究中涉及的貨車車型僅針對廂式貨車，后續將進一步分析不同類型載貨汽車的動態響應情況，同時豐富側風工況，探索其他風速、風向角下車輛行駛穩定性，為橋隧連接段貨車的行車安全提供理論支撐。