道路幾何設計對車輛行駛特性影響機理研究

楊露

（新疆石河子職業技術學院 新疆石河子 832000）

近幾年，道路交通事故呈高發態勢，與車輛行駛軌跡、速度具有密切的關系，而車輛行駛軌跡受道路幾何設計的直接影響。當前，道路幾何設計多以汽車在運動學領域的最小安全性要求為基準，以車輛行駛過程中無外界干擾為前提，道路幾何設計與車輛實際駕駛過程的偏差不可避免。因此，研究道路幾何設計對車輛行駛特性的影響機理，對于道路幾何設計優化具有非常重要的意義。

1 駕駛員操縱汽車行駛的軌跡決策模型構建

駕駛員操縱汽車行駛的軌跡決策模型是現實環境中汽車駕駛人員操縱能力的數學化表達。模型的重點是道路幾何線形對車輛行駛特性的影響機理，需要基于預瞄最優曲率模型與SK道路幾何模型，輸入汽車駕駛員預期行駛軌跡信息，以實際道路幾何線形中駕駛人員方向控制為重點，進行計算機仿真程序編制。

1.1 預瞄最優曲率模型

預瞄最優曲率模型將汽車駕駛人員控制汽車方向的策略劃分為2 個階段：第一個階段是根據所感受的前方道路信息、汽車當前運動狀態，落實汽車行駛軌跡、預期行駛軌跡偏差處于最細微水平的方針，確定最優側向加速度；第二個階段是汽車駕駛人員根據汽車靜態與動態特殊表現，控制方向盤轉角，確保汽車實際行駛軌跡與預瞄行駛軌跡無偏差。假定瞬時時間內汽車即時狀態=（），則汽車最優行駛軌跡曲率為：

由于汽車駕駛人員存在反應滯后性，駕駛人員的理想方向盤轉角、實際方向盤轉角并不完全沖抵，此時，可以利用一個傳遞函數表示汽車駕駛人員的反應滯后性與實際方向盤轉角之間的關系，即：

式中：為距起點曲線長度（m）；δ為實際方向盤轉角（°）；δ′為理想方向盤轉角（°）；為神經反應滯后時間（s）；表示距起點曲線長度范圍內神經反應滯后時間的冪次方；T為手臂反應滯后時間（s）。

在多數汽車方向盤無突然變更的駕駛場景中，即便是高速行駛的汽車也不涉及汽車的動態響應問題，此時，汽車方向盤的運動服從Acklman幾何關系，汽車行駛軌跡曲率、方向盤轉角呈正相關。

1.2 SK道路幾何模型

SK道路幾何模型主要是用樁號（S）、曲率（K）統一表示道路的平面幾何線形。在SK道路幾何模型中，道路的平面幾何線形可看作直線、圓曲線、緩和曲線3個線元組成的曲線鏈，具體表達如下：

式中：（）為距起點曲線長度為位置曲率；()為距起點曲線長度為位置方位角；（）為距起點曲線長度為位置橫坐標；（）為距起點曲線長度為位置縱坐標；、為任意常數；為曲線起點位置方位角；為曲線起點位置橫坐標；為曲線起點位置縱坐標。

2 道路幾何設計對車輛行駛特性的影響因素

作為一種三維帶狀空間結構，道路幾何線形設計包括平面線形、縱斷面線形兩種。各線形要素存在較大差異，對汽車行駛特性的影響也有所區別。

2.1 平面線形

2.1.1 圓曲線

圓曲線是道路出于改變路段方向、適應地形、確保線性美觀與連續需要而設計的線性，對道路交通安全影響較大。因汽車進入圓曲線、駛離圓曲線時速度變化幅度較大，圓曲線起點、終點位置交通事故發生概率較高。特別是小半徑圓曲線，駕駛人員遇突發事件時操作出錯率較高，極易導致連帶交通事故的發生。同時，隨著圓曲線曲率的增加，道路安全事故發生率也會增加，這主要是由于道路圓曲線曲率增加致使汽車行駛過程中轉彎半徑縮小，承受的橫向壓力增大，一旦汽車所承受的橫向壓力超過輪胎與地面的摩擦阻力，就會導致汽車出現側滑事故。除此之外，道路圓曲線曲率增加也會導致行駛期間視覺盲區增大，埋下安全隱患。

2.1.2 直線

直線是道路平面幾何線形設計中應用頻率較高的線性，兼具距離短、速度快、受力簡單的優勢。由道路交通事故統計情況可知，直線長度與道路交通事故發生率、事故損失呈正相關。這主要是由于道路直線較長時，視覺參照物減少，易致使汽車駕駛人員注意力分散，影響車輛之間距離目測準確度，在遇到突發事件時，神經滯后性較為突出，加之在長直線道路中，汽車駕駛人員會不自覺提高車輛行駛速度，且在駕駛距離較長時疲乏感加重，增加了交通事故發生風險。

2.2 縱斷面線形

2.2.1 最大坡長

道路縱斷面線形中最大坡長涉及上坡最大坡長、下坡最大坡長兩個部分。上坡最大坡長與汽車行駛期間換擋頻率呈正相關，過大的上坡最大坡長會增加汽車駕駛人員的心理負擔，并致使汽車發動機溫度、水箱溫度及汽油損耗處于較高水平，甚至致使汽車熄火后輪胎與路面滑動，增加風險發生概率。同時，過大的上坡最大坡長也會干擾車輛駕駛人員對道路坡度的判斷，最終出現錯誤的車輛駕駛行為，埋下事故隱患。

下坡最大坡長與車輛行駛速度呈正相關。過大的下坡最大坡長需要車輛駕駛人員持續踩踏制動器，加重剎車片磨損，甚至引發制動失效；而過小的下坡最大坡長將致使變坡點增加，干擾道路平順性。

2.2.2 最大坡度

道路最大坡度是縱斷面線形的主要元素，與交通事故發生率呈正相關。特別是在道路縱斷面最大坡度在4%以上時，受車輛自身重力、慣性力影響，汽車加速度與速度持續朝著高水平發展，在汽車速度處于較高水平時，行車事故的發生概率也較高。同時，最大坡度對汽車爬坡能力也具有一定影響，間接影響汽車行駛速度，此時，不同車輛在爬坡過程中速度差距的拉大將致使超車、追尾事故高發。

3 道路幾何線形設計方案

3.1 平面線形設計方案

在道路幾何線形設計過程中，直線最長距離與最大設計車速有關，一般需要小于最大設計車速在3min內行駛的距離。緩和曲線多選擇回旋線，一般長度為150m，以促使汽車以一定速度由直線駛入圓曲線或者由圓曲線駛入直線的軌跡相當，降低汽車駕駛人員操作難度。而對于平曲線，需要控制曲線半徑大于40m、小于100m，且道路偏角大于7°，避免行車事故出現。

3.2 縱斷面線形設計方案

在最大坡長設計時，設計人員應保證豎曲線長度超過最大設計車速在3min內的行程。同時，設計人員應考慮立交匝道位置、交通標志位置與車道變化位置讓駕駛人員神經滯后情況，增加2.5s 以上的判斷時間行駛車程。

在額定滿載功率比為9.0kW/t時，最大縱坡與設計速度有關。在車輛行駛速度為120km/h 時，最大縱坡為3%；在車輛行駛速度為100km/h 時，最大縱坡為4%；在車輛行駛速度為80km/h 時，最大縱坡為5%；在車輛行駛速度為60km/h時，最大縱坡為6%；在車輛行駛速度為40km/h時，最大縱坡為7%；在車輛行駛速度為30km/h 時，最大縱坡為8%；在車輛行駛速度為20km/h 時，最大縱坡為9%。從道路通行能力來看，道路在達到其基本通行能力時的運行速度一般為設計速度的一半，為保證道路基本通行能力，汽車最低運行速度應與基本通行能力相應的速度相等。即在縱坡為3%時，車輛運行速度為68km/h；在縱坡為4%時，車輛運行速度為58km/h；在縱坡為5%時，車輛運行速度為52km/h；在縱坡為6%時，車輛運行速度為45km/h；在縱坡為7%時，車輛運行速度為38km/h；在縱坡為8%時，車輛運行速度為30km/h；在縱坡為9%時，車輛運行速度為21km/h。例如，某設計為100km/h的道路（含1600m互通式立交主線），受現有道路、河流的限制，互通區需克服高差20m，平均縱坡2.5%，無法滿足互通主線縱坡要求，此時，可以將縱坡劃分為兩個路段：前800m為主線減速期，坡度為3.0%；后800m為主線匯流加速區，坡度為2%。

4 道路幾何設計對車輛行駛特性的影響驗證

4.1 圓曲線半徑對車輛速度安全性影響

在車輛駕駛人員初始期望速度為80km/h、預瞄距離為200.0m、直線長為120m、縱坡與緩和曲線長均為150m、縱坡度為2.5%、神經滯后時間為0.05s、預瞄間隔為2.0m、預瞄時間為2.0s時，以車速變化系數為指標進行道路圓曲線半徑變化對車輛行駛特性的影響驗證。車速變化系數為：

式中：為第+1 路段汽車行駛速度；為第路段汽車行駛速度。將式（1）、式（2）、式（3）、式（4）在Carsim軟件中整合，得出結果如表1所示。

表1 不同圓曲線半徑下車速變化系數

由《汽車操縱穩定性試驗方法》（GB/T 6323-2014）可知，普通汽車速度變化系數≤0.5表明安全等級較高，＞1 表示安全等級較差。根據表1結果可知，車速變化系數均在1.0 以內，可以隨著道路線性的變化而變化，滿足車輛安全行駛要求。根據車輛行駛速度變化系數，可以設定圓曲線半徑為90m。同時，在車輛行駛距離達到800m，受道路曲率影響，車速變化系數急劇增加，后期，可以通過在路段前增設減速牌或減速帶，提醒車輛駕駛人員降低車輛行駛速度。

4.2 最大縱坡度對車輛速度安全性影響

在不考慮某一時刻車輛實際行駛軌跡、預期行駛軌跡側向偏差——行車軌跡側向偏移量的情況下，假定道路緩和曲線長、直線長、縱坡長一定的情況下，研究道路最大縱坡度對車輛速度安全性的影響，得出結果如表2所示。

表2 不同最大縱坡度下車輛速度變化系數

在最大縱坡度達到3.5%時，車輛速度變化系數超過1.0，安全風險較大；在最大縱坡度為3.0%時，車輛速度變化系數較小，可滿足安全行駛需要。

5 結語

綜上所述，基于現實道路行駛條件構建的車輛駕駛人員操縱汽車行駛軌跡決策模型由預瞄最優曲率模型、SK道路幾何模型組成，滿足汽車運動的Acklman幾何關系。在模型構建后，可以根據SK道路幾何模型內求得的緩和曲線長度、曲線半徑、初始方位角、起點坐標等道路平面線形設計參數，明確預定時間段汽車行駛軌跡中心線，進而經坐標變換，利用與車輛方向相一致的相對坐標系代替絕對坐標系。因汽車駕駛人員所預瞄的信息為車輛前方一段距離內道路信息，對應的輸入量應為相對坐標下道路信息與提前量的乘積，提前量是前視時間內對應的道路幾何線形信息，由此，可根據最小誤差原則，確定最優汽車行駛曲率及對應的方向盤轉角，進而根據汽車運動的Acklman幾何關系，以線性幾何參數為輸入量，輸出汽車側向加速度、速度數據，確定汽車行駛速度變化系數，為道路幾何線形的優化提供依據。