韓海峰，楊 軫，鄭 挺

(1.廣州市高速公路有限公司, 廣東 廣州 510000; 2. 同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201804;3. 上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司，上海 200041)

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高速公路路側(cè)護(hù)欄碰撞能量需求研究

韓海峰1，楊 軫2，鄭 挺3

(1.廣州市高速公路有限公司, 廣東 廣州 510000; 2. 同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201804;3. 上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司，上海 200041)

為研究高速公路路側(cè)護(hù)欄碰撞能量需求，基于UC-win/Road進(jìn)行了不同設(shè)計(jì)車速下的緊急避讓駕駛模擬試驗(yàn)。結(jié)合Adams/Car車路耦合模型建模仿真，獲取了車輛與護(hù)欄的碰撞速度、碰撞角度的試驗(yàn)值。通過回歸分別建立了碰撞速度、碰撞角度與平曲線半徑及轉(zhuǎn)向、運(yùn)行速度、硬路肩寬度的相關(guān)模型。分析結(jié)果表明：碰撞角度總體上隨硬路肩寬度的增大而增大，隨運(yùn)行速度的減小而增大，隨曲線曲率的增大而增大(左轉(zhuǎn)為正)；碰撞速度總體上隨運(yùn)行速度的增大而增大，隨硬路肩寬度的減少而增大，隨曲線曲率的增加而增大。根據(jù)駕駛模擬試驗(yàn)樣本，計(jì)算了不同設(shè)計(jì)速度下仿真試驗(yàn)樣本的85%分位碰撞能量，將計(jì)算結(jié)果與規(guī)范值進(jìn)行比較分析，提出應(yīng)根據(jù)不同設(shè)計(jì)車速下的典型道路線形特征及其運(yùn)行速度特點(diǎn)確定合理的防撞欄等級(jí)。

交通工程；路側(cè)護(hù)欄；駕駛模擬；碰撞能量；碰撞速度；碰撞角度

0 引言

我國是道路交通事故最嚴(yán)重的國家之一[1]，萬車死亡率和事故致死率一直高居不下[2]。隨著我國城鎮(zhèn)化和機(jī)動(dòng)化進(jìn)程的加快，我國的道路交通安全形勢(shì)不容樂觀[3]。E. Kopits在分析各國歷年的GDP和交通事故死亡率的關(guān)系時(shí)建立了回歸模型，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)得出，我國最早要到2020年才能實(shí)現(xiàn)交通安全狀況的根本好轉(zhuǎn)[4]，這一結(jié)論也獲得了國內(nèi)相關(guān)學(xué)者的支持[5]。

交通事故統(tǒng)計(jì)分析表明，路側(cè)事故不僅占有相當(dāng)比例，而且死亡率高。根據(jù)美國2002年至2007年的道路交通事故數(shù)據(jù)，路側(cè)事故占道路交通事故總數(shù)的15%，但其死亡數(shù)卻高達(dá)42.9%。其中車輛駛離車道的事故占總事故數(shù)的18%，占總致死事故的44%[6-11]。對(duì)公安部近幾年發(fā)布的交通事故白皮書中相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)在1次死亡3人以上的重特大惡性道路交通事故中，由于車輛沖出道路而墜崖或墜橋的路側(cè)事故約占重特大惡性道路交通事故總數(shù)的一半[7]。高速公路行車速度快，交通量大，路側(cè)交通安全尤為重要。

路側(cè)護(hù)欄既要防止車輛沖出路面或?qū)ο蜍嚨?，又要保障司乘人員在發(fā)生碰撞時(shí)獲得一定的緩沖，同時(shí)對(duì)車輛碰撞后的行駛軌跡要有較好的引導(dǎo)。《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)對(duì)具體的指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定[12]。通常有兩種方法對(duì)公路護(hù)欄的防護(hù)能力和效果進(jìn)行分析，即實(shí)車碰撞法和有限元碰撞仿真法，這方面的研究已有一些成果。楊濟(jì)匡利用LS-Dyna軟件針對(duì)A級(jí)和B級(jí)護(hù)欄進(jìn)行了客車與護(hù)欄碰撞仿真，發(fā)現(xiàn)了防護(hù)的薄弱點(diǎn)，并提出和驗(yàn)證了改進(jìn)設(shè)計(jì)[13]。呂國仁研發(fā)了一種新型波形梁護(hù)欄端頭，并通過實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證了利用波形梁卷曲可吸收車輛動(dòng)能，能夠有效避免波形梁插入車體和翻車事故的發(fā)生，保護(hù)乘員安全[14]。

上述研究主要是確定護(hù)欄的防護(hù)能力，關(guān)于碰撞速度、角度的選用都是依據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。而事實(shí)上，當(dāng)車輛在實(shí)際道路上行駛時(shí)，車速會(huì)隨道路線形和交通環(huán)境而改變，因此，如果發(fā)生與護(hù)欄的碰撞，碰撞速度也是有差異的。同樣，對(duì)于平曲線段，車輛與護(hù)欄碰撞的角度也可能與直線段有所不同,也就是說防護(hù)需求(碰撞能量需求)應(yīng)該隨道路線形而變化。目前，這方面的研究還比較缺乏。對(duì)于失控車輛的防護(hù)，歸根結(jié)底在于碰撞能量的確定，因此如果能獲取85%分位的碰撞能量(同時(shí)考慮車速和碰撞角度)，對(duì)于確定路側(cè)設(shè)施的防護(hù)需求將更有意義?？紤]到獲取路側(cè)事故狀態(tài)下的車速和碰撞角度比較困難，采用駕駛模擬的方式通過情景仿真獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)是一種可行的替代方法[15-16]。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c總體要求

路側(cè)交通事故的原因主要有3方面：一是疲勞駕駛導(dǎo)致車輛逐漸偏離行車道；二是前方突現(xiàn)車輛墜落物或進(jìn)行緊急避讓；三是彎道車速過快，車輛發(fā)生側(cè)滑。其中第2種情況約占70%，并且處于相對(duì)更不安全的工況。因此，本文關(guān)注定量研究緊急避讓條件下高速公路路側(cè)護(hù)欄處的車輛碰撞能量。而要計(jì)算該值，就需要設(shè)計(jì)駕駛模擬試驗(yàn)以獲取碰撞速度和碰撞角度這兩個(gè)參數(shù)。車輛的碰撞角度和碰撞速度的大小與駕駛員的駕駛行為直接相關(guān)，且與碰撞前的道路線形、當(dāng)前運(yùn)行車速、路肩寬度等相關(guān)，因此需要考慮根據(jù)不同的設(shè)計(jì)速度及匹配的道路線形段來進(jìn)行緊急避讓試驗(yàn)。駕駛模擬試驗(yàn)場(chǎng)景基于三維建模軟件UC-win/Road建立。

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

1.2.1 平面線形設(shè)計(jì)

首先對(duì)試驗(yàn)道路的平面線形進(jìn)行設(shè)計(jì)，起點(diǎn)從設(shè)計(jì)速度60 km/h的路段開始，依次經(jīng)過速度80 km/h 和100 km/h，最后連接到設(shè)計(jì)速度120 km/h的路段。為了研究在不同曲率段的駕駛行為，本試驗(yàn)對(duì)每種設(shè)計(jì)車速分別設(shè)置直線段、一般最小半徑圓曲線段和極限最小半徑圓曲線段3種線形模式，并在每種線形類別上通過設(shè)置障礙物的方式來模擬緊急避讓場(chǎng)景。每類設(shè)計(jì)車速下的一般最小半徑和極限最小半徑取值參照《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/D20—2006)[17]，在直線段和圓曲線間插入緩和曲線，并對(duì)兩種半徑的圓曲線間插入直線段使之平順連接。結(jié)合《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于道路平面線形的要求，對(duì)道路平面線形進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，最后得到本試驗(yàn)道路平面線形設(shè)計(jì)要素(表1)。設(shè)計(jì)后全線全長20.787 km。

道路平面線形按表1設(shè)計(jì)速度60，80，100，120 km/h分段進(jìn)行設(shè)計(jì)，每段按該表從左往右的順序以直線、平曲線(緩和曲線+圓曲線+緩和曲線)、直線、平曲線(緩和曲線+圓曲線+緩和曲線)進(jìn)行連接。對(duì)上述線形按規(guī)范分別進(jìn)行回旋線最小長度、平曲線最小長度、平曲線最大長度等檢查。檢查后，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的道路平面線形要素全部滿足要求。

表1 道路平面線形指標(biāo)

注：平曲線長度=緩和曲線長度+圓曲線長度+緩和曲線長度。

根據(jù)以上平面線形設(shè)計(jì)要素，用UC-win/Road 8.0進(jìn)行平面線形設(shè)計(jì)，得到如圖1所示的道路平面線形圖。

圖1 道路平面線形圖Fig.1 Road horizontal alignment diagram

1.2.2 縱斷面設(shè)計(jì)

道路縱坡對(duì)車輛的運(yùn)行速度具有一定的影響，關(guān)于縱坡影響下的運(yùn)行速度的測(cè)算可按照《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》(JTG B05—2015)[18]進(jìn)行預(yù)測(cè)。但是，在緊急避讓情況下，駕駛員從急打方向盤到與護(hù)欄發(fā)生側(cè)碰所發(fā)生的時(shí)間比較短，僅從這段范圍來說，縱坡對(duì)車速的影響非常有限，不像平曲線和硬路肩寬度對(duì)碰撞角度有較大的影響。因此，本研究在試驗(yàn)階段忽略縱坡的影響，設(shè)定道路縱坡為0。

1.2.3 橫斷面設(shè)計(jì)

橫斷面布置采取雙向四車道。設(shè)計(jì)速度80，100，20 km/h，車道寬度取值3.75 m;設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h，車道寬度取值3.75 m；硬路肩寬度取值參照《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》，其中設(shè)計(jì)速度80，100，120 km/h采用一般值，設(shè)計(jì)速度60 km/h用于模擬山區(qū)高速的場(chǎng)景特點(diǎn)，取規(guī)范的最小值。具體硬路肩寬度取值如表2所示。

表2 硬路肩寬度設(shè)置值

1.2.4 超高設(shè)計(jì)

直線段道路橫坡為2%，各設(shè)計(jì)車速下一般最小半徑和極限最小半徑的超高值如表3所示，按照繞中央分隔帶邊緣線進(jìn)行超高變化，并在緩和曲線段完成。

表3 超高設(shè)置值

1.3 障礙物布設(shè)

為了模擬駕駛員應(yīng)對(duì)不期而遇的障礙物緊急避讓的駕駛操縱，障礙物在設(shè)計(jì)上與路面顏色比較接近，使駕駛員從遠(yuǎn)處不易發(fā)現(xiàn)。通過對(duì)障礙物顏色、紋理和大小的調(diào)整，經(jīng)模擬測(cè)試，使一般測(cè)試者發(fā)現(xiàn)障礙物并作出必要反應(yīng)時(shí)距離為40～70 m，定型后的障礙物如圖2所示。

圖2 駕駛模擬試驗(yàn)用障礙物Fig.2 Obstacle for driving simulation

對(duì)于障礙物的布設(shè)位置，采取在高速公路每個(gè)設(shè)計(jì)車速段的直線、一般最小半徑圓曲線和極限最小半徑圓曲線段都設(shè)置1個(gè)障礙物的方式，合計(jì)共12個(gè)障礙物。斷面位置布設(shè)在靠右的車行道上，各障礙物的布設(shè)位置(道路起始位置為0 m)如表4所示。

表4 障礙物的擺放位置

1.4 試驗(yàn)過程

選擇12名年齡在20～35歲的熟練駕駛員，其中男性10名，女性2名。每名駕駛員在模擬場(chǎng)景下行駛一趟全程，可采集12個(gè)碰撞樣本。駕駛車輛選用UC-win/Road軟件自帶的小型車。

圖3為試驗(yàn)進(jìn)行中的場(chǎng)景。

圖3 駕駛模擬試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.3 Driving simulation experiment scenario

2 構(gòu)建基于ADAMS/Car的車路耦合模型

將駕駛模擬試驗(yàn)軟件UC-win/Road實(shí)時(shí)獲取的方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)、剎車、油門等數(shù)據(jù)輸入動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS/Car中，即可得到所需的碰撞角度、碰撞速度等數(shù)據(jù)。為此，需要構(gòu)建車路耦合模型。

ADAMS/Car提供了小型車整車模型，但其發(fā)動(dòng)機(jī)是后置的，考慮一般小車的構(gòu)造，將其設(shè)置為前置。整合前懸架子系統(tǒng)、后懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、前輪胎子系統(tǒng)、后輪胎子系統(tǒng)、車身子系統(tǒng)、制動(dòng)子系統(tǒng)，組裝后將傳動(dòng)軸修改至前軸上，并修改車輛重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)，得到發(fā)動(dòng)機(jī)前置的整車模型，如圖4所示。

圖4 整車模型Fig.4 Integrated car model

道路模型選用軟件自帶的平坦2D路面文件2d_flat.rdf，并修改路面摩擦系數(shù)為0.6，駕駛員控制文件采用開環(huán)控制的方式。調(diào)入已經(jīng)建好的小車模型，并調(diào)用建好的道路模型和駕駛員控制文件，可構(gòu)建車路耦合模型，如圖5所示。

圖5 車路耦合模型Fig.5 Vehicle-road coupling model

3 碰撞能量比較分析

將駕駛模擬的各緊急避讓樣本數(shù)據(jù)輸入ADAMS/Car運(yùn)行仿真，可得到該樣本的碰撞角度和碰撞速度，匯總結(jié)果如表5所示。

表5中的運(yùn)行速度為駕駛員發(fā)現(xiàn)障礙物進(jìn)行減速轉(zhuǎn)向操縱前的速度。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，建立起碰撞速度和碰撞角度與運(yùn)行速度、曲線曲率、硬路肩寬度的回歸公式：

Vc=-4.766 3+1.159Vo-9.164 6Ws+595.794 5/R， R2=0.711 6，

(1)

θc=44.317-0.604 7Vo+0.165 1Vo×Ws-7.499Ws+291.053/R， R2=0.600 1，

(2)

式中,Vc為碰撞速度；Vo為運(yùn)行速度；Ws為右側(cè)硬路肩寬度；R為圓曲線半徑。按前進(jìn)方向左轉(zhuǎn)為正，右轉(zhuǎn)為負(fù)。

由此可見，車輛因避讓障礙物而急打方向盤碰撞到右側(cè)護(hù)欄時(shí)，碰撞角度總體上隨硬路肩寬度增大而增大，隨運(yùn)行速度的增大而減小，隨曲線曲率的增大而增大(左轉(zhuǎn)為正)；碰撞速度總體上隨運(yùn)行速度增大而增大，隨硬路肩寬度的增加而減少，隨曲線曲率的增大而增大(左轉(zhuǎn)為正)?？紤]到碰撞能量是碰撞速度和碰撞角度的函數(shù)，其與運(yùn)行速度、硬路肩寬度和曲線曲率的關(guān)系比較復(fù)雜，但是有一點(diǎn)可以確定，即曲率越大(左轉(zhuǎn)為正)，車輛對(duì)右側(cè)護(hù)欄的碰撞能量越大。

根據(jù)表5，可以計(jì)算車輛的碰撞能量(車輛質(zhì)量根據(jù)《高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于不同等級(jí)防撞護(hù)欄車體質(zhì)量的規(guī)定值選取)。圖6～圖9為各防撞等級(jí)護(hù)欄的所有試驗(yàn)樣本碰撞能量計(jì)算散點(diǎn)圖。

表5 運(yùn)行車速、碰撞速度與碰撞角度匯總表

圖6 A級(jí)護(hù)欄碰撞能量散點(diǎn)圖Fig.6 Scattergram of collision energy for class A guardrail

圖7 SB級(jí)護(hù)欄碰撞能量散點(diǎn)圖Fig.7 Scattegram of collision energy for class SB guardrail

圖8 SA級(jí)護(hù)欄碰撞能量散點(diǎn)圖Fig.6 Scattergram of collision energy for class SA guardrail

圖9 SS級(jí)護(hù)欄碰撞能量散點(diǎn)圖Fig.7 Scattergram of collision energy for class SS guardrail

設(shè)計(jì)速度/(km·h-1)6080100120全樣本/kJ規(guī)范值/kJA級(jí)護(hù)欄9231132159121161579160SB級(jí)護(hù)欄9231132159121161579280SA級(jí)護(hù)欄—?1585222729622450400SS級(jí)護(hù)欄—?—?—?38093809520

注：對(duì)于“*”標(biāo)記，《高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于碰撞速度的定義為：若某車型的平均車速高于設(shè)計(jì)速度,取最高限速的0.8倍；若平均車速低于最高限速,取平均車速的0.8倍。計(jì)算設(shè)計(jì)速度60，80 ，100，120 km/h的試驗(yàn)樣本的平均車速分別為47.7，64.9，76.7，93 km/h，并結(jié)合《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》[19]中對(duì)于路基護(hù)欄防撞等級(jí)適用條件的規(guī)定，確定該設(shè)計(jì)速度無有效85%分位碰撞能量值。

表6為85%分位碰撞能量的計(jì)算匯總?？梢钥闯?，按照全樣本的85%分位值看，除了A級(jí)防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)速度120 km/h樣本的85%分位碰撞能量大于標(biāo)準(zhǔn)值約1/3、A級(jí)防撞護(hù)欄全部有效樣本的85%分位碰撞能量基本與規(guī)范值相當(dāng)外，其他所有的85%分位碰撞能量均小于規(guī)范值。但是，相對(duì)同一防護(hù)級(jí)別，不同設(shè)計(jì)車速的85%分位碰撞能量(即防護(hù)需求，這里應(yīng)考慮道路線形特點(diǎn)及運(yùn)行車速特性的影響)還是有顯著的差別。因此，建議在考慮采用防護(hù)護(hù)欄級(jí)別時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)車速參照表6的計(jì)算值選取。需要指出的是，本研究不涉及大車半實(shí)物模型的試驗(yàn)樣本，計(jì)算碰撞能量時(shí)是以試驗(yàn)樣本的小車碰撞角度和碰撞速度作為大車碰撞角度和碰撞速度的，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可通過進(jìn)一步試驗(yàn)加以修正。

表6給出的85%分位碰撞能量值考慮了直線、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等曲線的綜合取值，但尚未考慮縱斷面線形及平縱組合的影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》中推薦的速度預(yù)測(cè)模型對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后按照式(1)和式(2)計(jì)算出碰撞速度和碰撞角度，由此計(jì)算出碰撞能量需求，并參照表6和規(guī)范取值進(jìn)行修正和調(diào)整。

4 結(jié)論

針對(duì)不同設(shè)計(jì)車速及其相匹配的道路線形進(jìn)行高速公路緊急避讓場(chǎng)景的模擬駕駛，分析了碰撞速度、碰撞角度與道路幾何線形及運(yùn)行速度的關(guān)系，比較了不同防撞等級(jí)和設(shè)計(jì)車速下的85%分位碰撞能量值與規(guī)范給出值的差異。結(jié)果表明：

(1)碰撞角度總體上隨硬路肩寬度的增大而增大，隨運(yùn)行速度的增大而減小，隨曲線曲率的增大而增大(左轉(zhuǎn)為正)；碰撞速度總體上隨運(yùn)行速度的增大而增大，隨硬路肩寬度的增大而減少，隨曲線曲率的增大而增大。

(2)不同設(shè)計(jì)車速下的防護(hù)能力需求有較大的差異，應(yīng)根據(jù)該設(shè)計(jì)車速下的典型道路線形特征及其運(yùn)行速度特點(diǎn)選擇合理的防撞欄等級(jí)。值得一提的是，曲率越大(左轉(zhuǎn)為正)，車輛對(duì)右側(cè)護(hù)欄的防護(hù)能力需求越大。

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Study on Collision Energy Requirement for Expressway Roadside Guardrail

HAN Hai-feng1，YANG Zhen2，ZHENG Ting3

(1.Guangzhou Expressway Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510000, China;2.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China;3.Shanghai Xian Dai Architectural Design (Group) Co.,Ltd., Shanghai 200041,China)

In order to study the collision energy requirement for expressway roadside guardrail, the driving simulation experiment of emergency avoidance is implemented based on UC-WinRoad. The vehicle-road coupling model is built and simulated based on Adams/Car to obtain the experiment values of collision speed and collision angle. The models of collision speed and collision angle relating to horizontal curve radium and its direction, hard shoulder width and operation speed are derived by regression. The analysis result shows that (1) generally speaking, wider hard shoulder, slower operation speed and larger curvature (if given left turn is positive) cause larger collision angle; (2) on the whole, it can be also regard that larger operation speed, narrower hard shoulder and larger curvature cause larger collision speed. The 85 percentile collision energy values are calculated based on the driving simulation experiment samples, and the difference between the calculation results and specification values are analyzed. The suggestion that typical highway alignment character and operation speed character should be considered together to rank the levels of guardrail at different design speed is proposed.

traffic engineering; roadside guardrail; driving simulation; collision energy; collision speed; collision angle

2015-12-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478352) ; “十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAG01B02)

韓海峰(1974-)，男，河北張家口人，博士，高級(jí)工程師.(149711102@qq.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.019

U491.5+9

A

1002-0268(2016)12-0118-07