道路幾何設計對車輛行駛特性影響機理研究

2021-10-27 05:51:46于浩楠

城市道橋與防洪 2021年9期

于浩楠，周維

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川成都 610081）

0 引言

隨著基礎交通設施網絡不斷完善，道路工程建設規模不斷擴張，車輛安全事故數量也逐年增加。由于車輛行駛期間影響因素多，責任難以劃分，相關管理部門在進行交通事故統計時往往將駕駛員行為作為誘發事故的主要因素。但是，道路交通是由人、路、車輛等組成的綜合體系，車輛行駛往往會受到道路幾何參數的干擾更大。合理設計道路幾何線形，提高車輛行駛安全性已經成為需要解決的重要問題。

近年來，國內外學者及工程師也通過現場調研、室內仿真實驗等方法來探討道路線形設計對車輛行駛的影響，并提出一些有價值的研究成果：孫悅[1]構建了道路幾何參數優化模型，得到了不同行車速度下車輛的停車視距建議值；符鋅砂等[2]基于空間曲率和撓率建立了公路三維線形模型，并分析了各線形要素對車輛行駛安全性的影響規律。謝瑤[3]以某城市主干路為研究對象，研究了道路平面線形、縱斷面線形、橫斷面對車輛行駛平順性的影響。但是，相關理論并不完善，設計人員在開展道路幾何設計時，主要以工程類比法為主，對車輛行駛特性考慮不全面。因此，研究道路幾何設計對車輛行駛特性影響具有十分重要的工程意義。

1 道路線形對車輛行駛的影響

1.1 平面線形

道路是一種三維帶狀空間結構, 其線形設計要素主要包括平面線形和縱斷面線形，應分別考慮各線形要素對行車安全的影響。

1.1.1 直線

直線是道路平面線形設計中最常用線形之一。車輛在直線上駕駛具有受力簡單、速度快、距離短等特點。一般情況下，直線越長，交通事故越容易發生，且事故損失越嚴重。直線過長對車輛行駛的影響主要體現在視覺反應、心理承受能力等。一方面，直線較長的線形較為單調，視覺參考少，駕駛員容易注意力分散，難以目測車輛間距，遇到突發事件，難以做出正確反應；另一方面，駕駛員在長直線上行駛會不自覺地加大車輛行駛速度，長距離的高速行駛會使駕駛員感到疲乏，從而導致嚴重的交通事故。

1.1.2 圓曲線

道路在需要改變方向的路段，為了與地形適應，保持線形的連續性和美觀性，往往以設計圓曲線來過渡。圓曲線對道路交通安全的影響要大于直線段，且圓曲線起點和終點最容易誘發交通事故。主要原因在于：車輛進入或駛出圓曲線（尤其是小半徑曲線），速度會大幅降低或增加，導致較大的速度差。車輛速度差越大，在遇到突發事件時，駕駛操作越容易出錯，事故率也越高。楊挺[4]統計了車輛行駛期間的交通事故率隨圓曲線曲率的變化規律，如表1 所列。

表1 道路圓曲線曲率與車輛事故率關系一覽表

由表1 可知：道路安全事故率會隨著圓曲線曲率增加而提高，且增長速率逐漸加快。當圓曲線曲率從0 增加到10，道路安全事故率提高了55.8%；當圓曲線曲率從10 增加到15，道路安全事故率提高了263.4%。這是因為道路圓曲線曲率增加，車輛在行駛期間的轉彎半徑會減小，則車輛所受橫向力提高。當橫向力大于輪胎與地面的摩阻力時，車輛會出現側滑事故。此外，圓曲線曲率增加，視線盲區范圍會不斷擴大，增加了安全隱患。

1.2 縱斷面線形

1.2.1 最大坡度

道路縱坡越大，交通事故發生率越高。當路線縱坡超過4%時，在車輛自身重力及慣性力共同作用下，車輛加速度較大，車速持續增加，而行車事故大多發生在速度較高處。同時，路線最大縱坡與車輛爬坡能力等密切相關。車輛爬坡能力不同，縱坡對其行駛速度的影響有一定的差異，會導致不同車輛在爬坡期間存在較大速度差，從而引起超車或追尾事故。

為了提高道路車輛行駛的安全性，應當對各路段的最大坡度進行限制。如果某路段存在多個坡度值，可選擇平均坡度法對其坡度進行驗算，如下式[5]：

式中：i均為平均縱坡，%；li為坡度i 對應的坡長，m。

1.2.2 最大坡長

上坡路段：上坡坡長過大，車輛行駛期間的換擋頻率高，不僅會增加了駕駛人心理負擔，還會引起發動機發熱，水箱溫度上升，油耗增加，導致汽車熄火后溜（輪胎與路面摩擦力不足）。同時，上坡坡長較大會導致駕駛人對坡度誤判，從而采取錯誤的行駛操作。

下坡路段：下坡坡長過大，車速會快速增加，車輛行駛期間需持續踩制動器。但是車輛頻繁制動后剎車片會嚴重磨損，導致制動失效，引發交通安全事故。

同時，道路縱坡不宜過短，否則變坡點數量多，車輛行駛期間的平順性較差。確保行車安全的最小坡長一般按9 s 行程計算，且滿足表2 規定：

表2 不同設計速度下的最短縱坡長度

2 人- 車- 路綜合仿真模型可靠性評價

為了更深入地分析道路線形參數對車輛行駛特性的影響機理，擬采用Carsim 軟件建立車輛仿真模型來評價車輛行駛速度安全性和側滑安全性。

2.1 Cars im 軟件仿真原理

Carsim 是基于VehicleSim 技術研發的一款車輛動力學仿真軟件，包括車體懸架、輪胎模型、道路條件模型、空氣動力學模型等，具有操作簡單,可移植性強等特點。Carsim 軟件的仿真模擬分為模型建立、參數輸入、仿真求解、數據輸出等步驟，其中仿真求解是核心。Carsim 軟件的仿真求解是采用二階龍格-庫塔法建立數學模型，該方法精度高，且不用判斷仿真步長是否滿足要求，在很大程度上提高了模型運算的實時性和效率[6]。

二階龍格一庫塔法計算式如下：

式中：t 為仿真時間；Δ 為仿真步長；ym＇為半仿真步長點的導數值。

2.2 仿真模型建立

2.2.1 車輛模型

通常情況下，車輛主要由車體、動力系統、制動系、傳動系、轉向系、懸架和輪胎等組成。為了提高仿真試驗精確度，Carsim 軟件可對車輛不同部件進行參數化處理，將車輛模型簡化為10 個剛體，27 個自由度，其中剛體包括1 個車體部分、4 個旋轉車輪、1個發動機曲軸部分、4 個余下質量部分。

2.2.2 道路模型

Carsim 軟件是利用道路中線的三維坐標來定義出道路走向及平縱線形組合。在道路模型中，沿參考線路徑長度S 是相對獨立的空間變量。如果道路中線長度取值不變，S 也是固定值，會存在唯一對應坐標（x，y）。此時，可通過“插值法”來確定路線幾何參數，再分段輸入各路段的屬性。具體建模過程如下：定義道路中線平面位置和高程→定義橫斷面寬度和超高→輸入道路摩擦系數（模擬路面結構）→道路環境設置。

2.2.3 人- 車- 路綜合模型

為了準確模擬車輛在道路上的行駛特性，建立了人－車－路的綜合仿真模型，如圖1 所示。

圖1 人－車－路的綜合仿真模型

在仿真模型中，駕駛員是根據車輛尺寸、車輛性能、道路條件等因素及時作出動態相應，并通過最優預瞄控制理論控制車輛安全行駛。隨后，仿真模型可通過監測車輛行駛狀態來輸出相應的車輛參數、速度參數和駕駛員參數[7]。

綜上，在人一車一路交通系統內，駕駛員、道路線形、車輛之間是相互協調，共同作用的。即道路線形會影響駕駛人在駕駛車輛時的安全性，車輛行駛狀態也能直接反映道路線形組合的優劣。

2.3 仿真模型可靠度分析

在進行車輛仿真試驗之前，必須對仿真模型的穩定性和可靠度進行評價。雙移線仿真試驗可以測試車輛模型在超車期間行車軌跡變化及駕駛員對車身的控制能力，故用來評價仿真模型可靠度是可行的。

雙移線仿真試驗的初始期望速度選擇80 km/h，得到的車輛路徑偏移軌跡見圖2 所示。

圖2 車輛行駛路徑分布圖

試驗結果表明，車輛行駛軌跡和路徑偏移軌跡誤差在允許范圍內，這表明人- 車- 路綜合模型的可靠度滿足要求。

3 車輛行駛安全的安全性評價

3.1 工程實例

依托項目是某城市快速路，路線全長25.84 km，起訖樁號K2+680～K28+620。該道路建設標準為雙向四車道，設計時速80 km/h，路基寬度為24 m，最大縱坡為7.4%。選擇道路彎、坡組合較復雜的K10+450～K12+710 路段為載體，來評價車輛行駛安全性。

在Carsim 軟件中輸入該路段的逐樁坐標和沿線高程來搭建三維道路模型。車輛行駛試驗中將駕駛員反應延遲時間為0.05 s，預瞄距離為200 m，預瞄間隔2 m，預瞄時間設置為1.5 s。

3.2 評價指標選擇

3.2.1 車速變化系數

傳統的車輛行駛速度安全性評價往往采用相鄰路段平均運行速度差ΔV85。筆者結合多個項目經驗，認為車速變化系數Kv更能反映道路幾何參數對車輛行駛安全性的影響。在計算車速變化系數之前，應當根據道路平面、縱斷面指標等將其劃分成若干路段，逐段計算Kv，并參考表3 對車輛行駛安全性進行評價。車速變化系數計算公式如下[8]：