基于CarSim軟件的道路安全評價技術的現(xiàn)狀與展望

黃曉明，洪正強

(1.東南大學 交通學院，江蘇 南京 211189；2.國家道路與交通工程實驗教育示范中心，江蘇 南京 211189)

0 引 言

道路設計安全評價主要圍繞路線線形設計可靠性和路面病害及抗滑性能等方面進行，是道路工程中非常重要的一環(huán)。然而，目前對道路設計安全評價做出的假設仍然存在一些問題，即將車輛假設為一個剛體，僅考慮其剛體運動，而忽略了輪胎和懸架對于車身穩(wěn)定性的作用以及轉向時輪胎的不同受力特點，因此在涉及車輛受力和抗滑方面的設計會有一定的不精確性。

CarSim由Mechanical Simulation Corporation開發(fā)，為汽車工業(yè)中應用最廣泛的系統(tǒng)級車輛動力學仿真軟件，技術本質實際上由三部分組成：①分別是作為車輛、道路、環(huán)境和駕駛員物理模型建立和控制的VehicleSim；②負責使用虛擬相機和繪圖程序顯示計算結果的VS Visualizer；③以及與用戶計算數(shù)據(jù)直接相關的GUI系統(tǒng)。軟件最大的特點是模擬具有實時性、準確性，并且省去了建模調試和用戶自編模型等一系列繁瑣流程，讓用戶能直接上手應用。

近年來，研究人員越來越重視車輛在道路上行駛的安全性與舒適性，并以此為工程設計的參考之一；加之CarSim的模擬已經(jīng)擴展到包括復雜地形、行人、交通標志和信號的模擬以及自動駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和自動駕駛車輛模擬場景所需的內置傳感器等，這些更新令原本只能建立簡單、精度較低的地形的情況得到了很大的改善，為其在道路設計及安全性評價中的應用打下了基礎。

1 CarSim在道路設計可靠性評價中的應用

一般而言，按照規(guī)范設計的道路能夠通過審核，但是部分道路在實際行駛中有可能存在一定的風險，如存在采用極限值設計或者不良的平縱組合設計等情況。評價一個路段設計是否合理，CarSim的道路建模能力和實時反饋的計算能力能夠從安全性和舒適性兩方面提供參考。

1.1 道路線形設計安全性評價

在使用CarSim對道路線形設計進行評價時，研究人員主要對車輛的側向穩(wěn)定性進行評價。在這個目標下，研究者們主要通過建立真實道路線形模型，并采用不同車輛及駕駛員模型進行仿真安全實驗。不同研究者對評價方法有一定區(qū)別。

YIN Yanna等[1]通過正交分析設計方法，研究車速與道路幾何參數(shù)之間的相互作用對車輛橫向穩(wěn)定性的影響，認為平曲線設計與車速共同作用會顯著影響車輛的側翻風險。

A.A.KORDANI等[2]對模擬試驗進行多元回歸分析，研究了三維道路模型的側摩阻力系數(shù)與縱坡的關系，提出了不同車型側摩系數(shù)估算的新模型。此外，還研究了車輛各軸的側摩擦系數(shù)，總結了常見車型的打滑現(xiàn)象及其嚴重程度。

王曉玉[3]為確定高速公路互通式立交設計的安全性以及相應的風險控制策略，以某立交的設計文件及現(xiàn)場數(shù)據(jù)為基礎，借助CarSim對該立交的匝道進行了綜合安全評價。依據(jù)以上研究，確定了立交匝道高風險段位置，并提出了相應的風險控制方案。

此外，在平縱組合設計中，CarSim具有較多的應用案例，并且對于山區(qū)公路的平縱組合設計問題，CarSim模擬可以很好地代替實地試驗，驗證設計的合理性。

1.2 限速設計安全性評價

現(xiàn)有的限速策略中，存在著汽車穩(wěn)定性評價指標不準確、輪胎模型過于簡化等問題。因此，有研究者從既有路段的速度設計合理性出發(fā)，提出安全車速值。

L.YUE等[4]利用CarSim對不同車速汽車的側滑、側翻事故進行了仿真分析，驗證了臨界安全速度和安全模型。該研究對高等級、低等級和特殊環(huán)境中的山區(qū)公路設計速度都進行了歸納總結。

王露等[5]主要對惡劣天氣的臨界車速進行研究，分別分析了大風、雨天和雪天情況下，不同路段行駛時能夠保證車輛穩(wěn)定性的安全速度。

李平[6]主要對大型車的安全速度進行研究，并根據(jù)某路段的統(tǒng)計資料構建了駕駛場景進行研究。研究發(fā)現(xiàn)大型車的安全速度閾值與車輛荷載的分布與大小有很大關系，并給出了荷載狀況與安全速度間的關系。

1.3 交通設施設置安全性評價

除了研究路線設計及速度設計本身對車輛行駛安全性影響，CarSim直觀、優(yōu)質的可視化效果能為交通設施設計的評價帶來很大的幫助。比較典型的是對中央分隔帶設計的安全性進行研究。例如J.S.STINE等[7]研究了公路中央分隔帶的安全性，利用CarSim模擬超過10萬次車輛侵入中央分隔帶的事故。這些事故統(tǒng)計了所有可能的侵入角度、出發(fā)速度、轉向輸入和制動輸入。仿真結果表明：公路中央分隔帶的整體安全性取決于車輛側翻和侵入中央分隔帶情況的發(fā)生，并且分隔帶橫截面形狀、坡度和寬度都會對這些事件產(chǎn)生重大影響。

A.ABDI等[8]同樣也研究了中央分隔帶的安全性，其研究結果表明，影響貨車側向摩阻力的最主要因素分別是侵占角和車速，并提出最危險的情況是在25°的侵蝕和0.8 m的路肩寬度處。根據(jù)研究結果，道路設計人員應將路肩寬度、路肩類型和橫斷面作為設計參數(shù)，且單向橫坡、鋪面路肩、路肩寬度大于0.8 m是農(nóng)村公路貨車駛離的適宜因素。

使用CarSim對交通設施的安全性研究較少，但是其直觀、優(yōu)質的可視化效果能為設施設計的評價帶來很大的幫助，在應用層面具有很好的前景。

2 CarSim在路面工程檢測、評價及養(yǎng)護中的應用

CarSim可以對道路高度信息進行設計，這除了能夠對道路豎曲線、縱坡、橫坡和超高進行設計，還可以進行精確的車轍、坑槽、不平整等細節(jié)設計。使用該功能可以設計出如圖1的車轍，實際模擬證明其模型建立具有很高精確性[9]。

圖1 用CarSim建立的車轍模型

2.1 路面平整度評價與檢測

路面平整度是評定路面質量的主要技術指標之一，它關系到行車的安全、舒適以及路面所受沖擊力的大小和使用壽命。針對表面平整度對車輛行駛的影響，研究者主要是從國際平整度指數(shù)IRI入手進行分析。

T.KANAI等[10]針對IRI進行了計算機模擬，將IRI從0.5以0.5為間隔增加到4.0，共8個水平。采用彈簧末端布朗振子的隨機運動，計算每一級IRI的路面輪廓；后使用TruckSim在不同的運行速度下進行行駛模擬。在上述模擬動載的基礎上，利用多層彈性計算機程序計算了瀝青層底面拉應變和路基頂面壓縮應變，并對路面的損傷進行了分析。

Y.LU等[11]建立了IRI的回歸模型，將一維路面不平度引入CarSim中，生成三維虛擬道路。在驗證了道路模型的準確性后，通過CarSim仿真，在不同IRI下生成多個車輛側滑角，得出側滑角的波動與IRI的大小有顯著的關系。最后計算了不同等級路面的IRI值，并在SPSS中建立了車輛側滑角與IRI的回歸方程。

G.WANG等[12]評估了使用適當固定在移動車輛內的智能手機來確定IRI的適用性。其研究也說明了CarSim可以精確地還原實際的車輛行駛軌跡及駕駛員行為，并且它的使用允許在相對較短的時間內進行大量的受控模擬。

2.2 路面坑槽評價與檢測

路面坑槽的檢測評價傳統(tǒng)上采用實地試驗采集病害資料，后進行分析。利用CarSim在路面上建立坑槽模型，可以直接模擬出車輛行駛在坑槽病害上行駛的狀態(tài)，有針對性地提出病害解決方案。

A.FOX等[13]開發(fā)了一個系統(tǒng)，利用來自嵌入式車輛傳感器的加速計數(shù)據(jù)來檢測和定位多車道環(huán)境中的坑槽。利用CarSim設定了上萬個大小、形狀、位置各異坑洞情況下，模擬了車輛在各種場景下行駛上千里的情況，為推導系統(tǒng)模型提供了基礎，并應用于真實世界中坑槽檢測中。

M.KOTHA等[14]同樣開發(fā)了一個坑槽檢測系統(tǒng)“PotSense”。在研發(fā)的過程中，利用CarSim的車輛動力學指標作為坑槽評價指標，研究了車輛的縱搖、橫擺和橫搖及其隨時間的變化，分析了影響最大的因素。其中，車輛的俯仰和偏航可靠地反映了車輛遇到坑洞或減速帶時的行為，為判斷坑槽提供了準確依據(jù)。

2.3 路面車轍評價與養(yǎng)護

關于道路表面特性的研究，更多研究者關注的是車轍的影響。早在2006年，T.KAZUYA等[15]就以二次函數(shù)及樣條函數(shù)建立路面車轍模型，以量化路面之車轍特性；并利用1998年PIARC-evel試驗的路面輪廓數(shù)據(jù)，對所建立的兩種模型的適應性以及對車輛動力學仿真方法的適應性進行了驗證。結果表明，樣條函數(shù)適用于描述路面車轍特性。該研究也同時證明了CarSim采用樣條函數(shù)建立車轍的精確性。這為之后采用CarSim作為車轍研究工具打下了基礎，例如洪正強等[9]較為系統(tǒng)地利用CarSim研究了結構型車轍和流動型車轍對于行駛安全性和舒適性的不同影響，提出了5種評價車輛穩(wěn)定性的指標，并針對不同潮濕狀況、不同速度、不同行駛路段對車轍提出了具體的養(yǎng)護閾值。

3 CarSim在水漂與路面抗滑性能研究中的應用

瀝青路面抗滑問題的研究，主要集中于橡膠瀝青路面摩擦機理、路面附著特性、胎-路相互作用機理以及抗滑能力不足帶來的整車制動穩(wěn)定性問題等領域。CarSim除自身具備較為強大的計算與可視化能力外，能與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真，對動水壓力進行控制(圖2)，因此多被應用于胎-路相互作用的研究中。例如范興根[16]設計了一種新的路面附著系數(shù)計算方法，利用Burckhardt模型擬合了6種路面μ-s曲線，并利用Carsim-Simulink進行仿真驗證。仿真結果顯示，該方法能夠有效計算不同路面的峰值附著系數(shù)，具有良好而廣泛的適用性。

圖2 CarSim-Simulink進行抗滑性能聯(lián)合仿真示例

在CarSim-Simulink聯(lián)合仿真解決道路抗滑問題的有關研究當中，筆者團隊進行了較為系統(tǒng)、完備的研究。團隊一直致力于瀝青路面抗滑性能的研究，提出了考慮橡膠-路面摩擦特性與水膜動水壓力的雨天車輛制動模擬方法。在ABAQUS中建立不同的輪胎模型，并利用X射線CT掃描儀等設備對不同的路面進行掃描，得到表面紋理[17]；運用路表分形摩擦理論計算出橡膠-路面的動摩擦系數(shù)，分析了不同行駛速度及水膜厚度下輪胎-水膜-路面接觸力變化規(guī)律[18]；并基于CarSim與Simulink聯(lián)合仿真，引入輪胎水漂時的水流托舉力，模擬整車在積水路面上制動過程，以評估雨天車輛制動性能與路面抗滑需求，為路面抗滑養(yǎng)護與車輛制動決策提供了參考依據(jù)[19-20]。

隨著無人駕駛技術的興起，CarSim已被廣泛應用于無人駕駛車輛的控制中[21-22]；而在道路工程領域，CarSim-Simulink聯(lián)合仿真也可以被應用于無人駕駛車輛的制動場景研究中，討論無人駕駛條件下的路面抗滑需求。筆者團隊針對無人駕駛的制動原理，通過構建真實的道路紋理模型，利用Simulink進行無人駕駛控制，對無人駕駛車輛在直線路段正常制動、直線路段緊急制動、彎道轉向制動等典型制動情況進行分析(圖3)，提出了無人駕駛車輛在不同制動條件下的制動安全性指標[23-24]。

圖3 無人駕駛車輛制動過程

4 結 語

隨著研究者及設計人員的觀念逐漸從恪守規(guī)范逐漸更多地轉向考慮實際工程是否符合行駛合理性的需要，利用CarSim進行模擬仿真的方式逐漸被應用于道路工程中的許多方向，進行可靠性驗證及養(yǎng)護判斷中。隨著該車輛動力學軟件的不斷迭代，對于道路要素及交通設施工程的模擬能力逐步提升，因此該軟件受到越來越多道路工程研究者的青睞，近些年來利用該軟件進行道路工程領域的研究越來越成為一種趨勢，特別是近五年的有關文獻中，以CarSim為研究工具的研究數(shù)量顯著上升。

CarSim在道路工程中的應用勢必更加廣泛，因為人-車-路的有機結合和未來需求方向仍需要深入探究。在今后的研究中，有以下幾方面可以作為深入研究和探討的切入點：

1)建立精確的匝道出入口模型，分析匝道設計的合理性。相較于行駛在一般道路曲線上，車輛在匝道上行駛時都需要經(jīng)歷減速與轉彎的過程，這個過程容易發(fā)生側滑、失穩(wěn)；而近年來越來越多地區(qū)進行高速公路提速，原有的匝道線形、限速和路面抗滑設計可能無法滿足提速后的需求。目前相關的研究較少，作者認為可以結合較為成熟的無人機視頻采集與提取技術，獲取匝道上大量的車輛行駛信息，以此還原駕駛員普遍的駕駛行為，判斷匝道設計是否符合高速提速后的需求。

2)從長遠發(fā)展來看，CarSim與道路工程的結合不會僅限于現(xiàn)有的傳統(tǒng)駕駛體系，未來交通領域與車輛工程的結合研究，特別是與無人駕駛車輛的結合研究是必然的趨勢，這體現(xiàn)在道路工程領域中，已經(jīng)開始有研究者提出建立無人駕駛專用路線和路面結構的設計，也有針對無人駕駛制動特征進行的路面抗滑性能研究。對于傳統(tǒng)有人駕駛體系，CarSim已經(jīng)證明了其在上述兩方面設計的實用性，故對于無人駕駛的路線、路面設計，CarSim有巨大發(fā)展前景及應用空間。