惡劣天氣對(duì)應(yīng)急醫(yī)療物資公路運(yùn)輸?shù)挠绊?/h1>
2020-11-23 00:45:54胡金瑞
交通運(yùn)輸研究 2020年5期
郭 健，胡金瑞
（浙江工業(yè)大學(xué)橋梁工程研究所，浙江杭州 310023）
0 引言
新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情的暴發(fā)，對(duì)全國(guó)各地都產(chǎn)生了巨大的影響。對(duì)于疫情的重災(zāi)區(qū)——湖北武漢以及疫情嚴(yán)重城市——浙江溫州等地，各類防疫物資都面臨著緊缺的局面，對(duì)口罩、防護(hù)服、消毒液、呼吸搶救設(shè)備等醫(yī)用物質(zhì)的需求尤為迫切。因此全國(guó)各省市采取各種運(yùn)輸方式緊急馳援，截至2020 年2 月底，全國(guó)累計(jì)向湖北地區(qū)運(yùn)送防疫和生活物資54.14萬t，其中通過公路運(yùn)輸?shù)挠?3.67 萬t，占比43.7%，由此可看出公路運(yùn)輸在整個(gè)醫(yī)療救援物資運(yùn)輸系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。然而由于時(shí)處冬春交替期，氣候條件變化大，大寒潮、雨雪冰凍、大霧天等經(jīng)常出現(xiàn)，會(huì)造成路面濕滑、駕駛員視野不清晰等影響[1-2]。物資救援運(yùn)輸往往都是跨省運(yùn)輸，運(yùn)輸線路長(zhǎng)達(dá)幾百甚至數(shù)千公里，其中存在較多的高風(fēng)險(xiǎn)路段，如強(qiáng)側(cè)風(fēng)路段、連續(xù)陡坡路段、急轉(zhuǎn)彎路段等，這些因素均對(duì)公路應(yīng)急救援運(yùn)輸提出了巨大挑戰(zhàn)[3-4]。應(yīng)急運(yùn)輸不同于常規(guī)運(yùn)輸，遇極端惡劣天氣，常規(guī)運(yùn)輸可通過錯(cuò)峰安排運(yùn)輸計(jì)劃來保障運(yùn)輸安全[5-6]；而應(yīng)急運(yùn)輸為確保物資的到達(dá)時(shí)間，需在惡劣氣候條件下行車，存在較大的安全隱患。因此分析惡劣天氣對(duì)醫(yī)療運(yùn)輸車行駛安全的影響，對(duì)保障應(yīng)急救援物資運(yùn)輸安全，更有效地開展應(yīng)急救援工作具有重要意義。
由于實(shí)車試驗(yàn)存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，且成本較高、周期長(zhǎng)，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于惡劣天氣對(duì)行車安全影響的研究主要還是從理論分析和數(shù)值仿真這兩方面展開。在理論推導(dǎo)方面，Carlson 等[7-9]構(gòu)建了不同天氣下車輛跟馳特性與交通安全的關(guān)系模型，提出可變限速方案，提高了整體行車安全性。Young[10]計(jì)算分析了車輛側(cè)翻的臨界風(fēng)速，得到了不同車型在特定風(fēng)速下的側(cè)翻結(jié)果。江浩等[11]對(duì)各種氣候下在跨海大橋行駛的車輛進(jìn)行安全性影響分析，得到各類環(huán)境下的安全極值風(fēng)速。肖志軍等[12]從車輛空氣動(dòng)力學(xué)出發(fā)，對(duì)強(qiáng)風(fēng)條件下車輛側(cè)滑和側(cè)翻極限條件進(jìn)行了理論公式求解。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值仿真開始成為越來越重要的研究手段。Gaylard[13]討論了CFD在車輛空氣動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用，分析了正交側(cè)風(fēng)作用下的車輛穩(wěn)定性。Kordani 等[14]采用Carsim 和Trucksim 車輛仿真軟件，研究了不同路面摩擦系數(shù)對(duì)小客車和單體貨車橫向穩(wěn)定性的影響。何杰等[15]利用ADAMA/Car 仿真軟件，模擬了晴天、雨天、雪天、結(jié)冰的路面條件，通過單移線變道動(dòng)作，得到航向角等動(dòng)力響應(yīng)，分析了不同天氣的路面環(huán)境對(duì)行車安全性的影響，但未考慮駕駛員因素。羅榮鋒等[16]利用ADAMS仿真軟件，對(duì)車輛過大橋受側(cè)風(fēng)作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了模擬，分析了分壓中心與車輛側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的關(guān)系，得出了在通常風(fēng)速下車輛不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的結(jié)論。
現(xiàn)有研究大多僅考慮單方面天氣因素對(duì)行車安全的影響，且較少考慮駕駛員因素。本文基于Trusksim 動(dòng)力仿真模型，構(gòu)建車-路-風(fēng)的耦合模型，在考慮駕駛員因素的閉環(huán)條件下進(jìn)行單移線仿真試驗(yàn)?zāi)M車輛變道，考慮晴天、雨天、雪天、結(jié)冰、強(qiáng)側(cè)風(fēng)及救援運(yùn)輸涉及的貨載質(zhì)量因素對(duì)行車安全的影響，以車輛橫向位移量和側(cè)傾角的響應(yīng)輸出來評(píng)價(jià)車輛發(fā)生側(cè)滑和側(cè)翻的危險(xiǎn)性。
1 指標(biāo)選取
1.1 受力分析
車輛在行駛過程中所受的力如圖1 所示。當(dāng)路面提供的附著力無法平衡車輛重力、強(qiáng)側(cè)風(fēng)力和慣性力三者作用合力的橫向分力時(shí)，車輛會(huì)發(fā)生側(cè)滑。為了保證車輛不發(fā)生側(cè)滑，需滿足[11]：
式（1）～式（2）中：G為車重（N）；a為道路縱坡角（°）；b為道路橫坡角（°）；R為道路轉(zhuǎn)彎半徑（m）；v為車輛行駛速度（m/s），uy為地面?zhèn)认蚰Σ料禂?shù)；為汽車側(cè)風(fēng)系數(shù)；τ為合成流入角；ρ為空氣密度（kg/m3）；A為汽車迎風(fēng)面積（m2）；vres為合成速度（m/s），=v2+ω2；ω為風(fēng)速（m/s）。
當(dāng)側(cè)翻力矩（側(cè)風(fēng)力矩和慣性力矩）可能超過車輛自身質(zhì)量提供的穩(wěn)定力矩時(shí)，汽車會(huì)發(fā)生側(cè)翻。為了保證車輛不發(fā)生側(cè)翻，需滿足[11]：
式（3）中：hg為質(zhì)心高度（m）；hw為側(cè)風(fēng)高度（m）；B為輪距（m）。
圖1 車體受力分析
1.2 仿真工況
單移線仿真是指驅(qū)動(dòng)汽車在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，通過走一個(gè)S形曲線樣式來模擬汽車的變道動(dòng)作，如圖2所示。
圖2 單移線仿真車輛運(yùn)動(dòng)軌跡
試驗(yàn)為閉環(huán)試驗(yàn)，將人-車作為系統(tǒng)考慮，在Trucksim 中引入駕駛員模型，仿真采用駕駛員轉(zhuǎn)向模型來控制車輛動(dòng)作，該模型軌跡跟隨程度高，并設(shè)定駕駛員的反應(yīng)時(shí)間為0.15s，預(yù)瞄時(shí)間為1.5s。在轉(zhuǎn)向模塊中輸入單移線軌跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)，得到如圖3所示的目標(biāo)軌跡。
圖3 仿真距離與橫向位移的關(guān)系
1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)
目前針對(duì)車輛穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)有側(cè)向偏移量、橫擺角速度、側(cè)傾角、側(cè)向加速度等?；谝陨鲜芰Ψ治?，其中橫向位移量能較直觀反映車體的側(cè)滑偏移，側(cè)傾角能直觀反映車輛發(fā)生側(cè)翻的危險(xiǎn)性[17-19]。因此，本文選取橫向位移量和側(cè)傾角作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)車輛發(fā)生側(cè)滑與側(cè)翻的危險(xiǎn)性，其值越大，發(fā)生危險(xiǎn)的可能性越大。
2 系統(tǒng)建模
本文采用Trucksim 軟件構(gòu)建系統(tǒng)模型，Trucksim 是貨車動(dòng)力學(xué)仿真的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件。本文通過道路模型、側(cè)風(fēng)模型、廂式貨車模型這三部分完成系統(tǒng)模型的建立。
2.1 道路模型
本文使用Trucksim 中的二維平整路面作為道路模型，如圖4 所示。由于醫(yī)療物資運(yùn)輸過程中車輛可能遭遇各類天氣條件的影響，通過改變路面摩擦系數(shù)來模擬各類天氣條件，建立相應(yīng)的道路模型。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，可知正常干燥路面的摩擦系數(shù)為0.6，雨天濕滑路面摩擦系數(shù)為0.4，雪天路面摩擦系數(shù)為0.28，低溫結(jié)冰路面摩擦系數(shù)為0.18[12]。
(3)農(nóng)村基層組織(村委會(huì))。大力發(fā)展日間照料中心、老年人活動(dòng)中心,開展文化娛樂活動(dòng)、豐富老年人的精神世界。
圖4 道路模塊界面
2.2 側(cè)風(fēng)模型
救援運(yùn)輸常需跨省，這使得運(yùn)輸線長(zhǎng)達(dá)幾百甚至數(shù)千公里，線路上可能存在多個(gè)過江、跨海橋梁或隧道進(jìn)出口等受強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響頻繁的路段。參考相關(guān)文獻(xiàn)可知[20-21]，90°風(fēng)向角對(duì)行車安全性最為不利，本文設(shè)置90°的風(fēng)角，改變側(cè)風(fēng)模型的極值來模擬各類風(fēng)速等級(jí)。
考慮受新冠肺炎疫情影響區(qū)域的重要交通通道，統(tǒng)計(jì)分析了浙江沿海重要通道杭州灣某跨海大橋冬季風(fēng)速數(shù)據(jù)，如圖5 所示。整理分析后得出年平均風(fēng)速為2.8～3.5m/s，平均最大風(fēng)速為17.7～22.6m/s，因此設(shè)定4級(jí)（9m/s），7級(jí)（17m/s），10級(jí)（25 m/s）這三種風(fēng)速等級(jí)。
圖5 風(fēng)速時(shí)程圖
其中隨機(jī)變化陣風(fēng)是自然環(huán)境中最常見的陣風(fēng)形式，具有風(fēng)速變化快、作用時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，基于該陣風(fēng)形式，在Trucksim 的weed speed 模塊中構(gòu)建了與實(shí)際相符合的側(cè)風(fēng)模型，如圖6所示。
圖6 側(cè)風(fēng)模型圖
2.3 貨車模型
醫(yī)療物資多以廂式貨車運(yùn)輸，這里基于大運(yùn)經(jīng)典廂式貨車的基本參數(shù)（見表1），對(duì)車輛外形、輪胎、轉(zhuǎn)向、懸架、制動(dòng)、動(dòng)力傳動(dòng)等各系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化建模，建立仿真模型如圖7所示。
表1 整車參數(shù)表
3 仿真分析
采取控制變量的方法對(duì)摩擦系數(shù)、風(fēng)速等級(jí)、貨載質(zhì)量進(jìn)行仿真，分析各因素對(duì)車輛發(fā)生側(cè)滑與側(cè)翻危險(xiǎn)性的影響，具體方案如表2所示。
圖7 整車模型
表2 不同參數(shù)條件下試驗(yàn)方案
3.1 路面條件對(duì)車輛行駛安全性的影響
根據(jù)建立的耦合模型，通過改變路面摩擦系數(shù)來模擬晴天、雨天、雪天及結(jié)冰的天氣環(huán)境，分別進(jìn)行仿真試驗(yàn)。在仿真試驗(yàn)中，車輛以60km/h的速度變換車道，車輛的側(cè)傾角和橫向位移曲線分別見圖8和圖9，其中各指標(biāo)的極值見表3。
圖8 不同摩擦系數(shù)下的側(cè)傾角
圖9 不同摩擦系數(shù)下的橫向位移
表3 不同路面摩擦系數(shù)下各指標(biāo)極值
從圖9 可以看出，車輛以60km/h 的速度在結(jié)冰的路面上行駛時(shí)，車輛已無法完成變道動(dòng)作，將失去控制。在雪天環(huán)境下，車輛雖能完成變道動(dòng)作，但其橫向位移已達(dá)到4.5m，存在偏移車道撞上欄桿和其他車輛的風(fēng)險(xiǎn)。
綜上所述，冰雪天氣對(duì)醫(yī)療物資運(yùn)輸車的行駛安全性產(chǎn)生了較大影響。針對(duì)這類天氣情況，應(yīng)急運(yùn)輸管理部門需合理安排運(yùn)輸計(jì)劃，且對(duì)于急需的救援物資，需提前做好重點(diǎn)路段的除冰除雪工作，以保障運(yùn)輸安全。
3.2 風(fēng)速等級(jí)對(duì)車輛行駛安全性的影響
選取晴天路面（摩擦系數(shù)為0.6）、車速60km/h，測(cè)量風(fēng)速分別在0,9m/s,17m/s,25m/s 時(shí)車輛的側(cè)傾角和橫向位移量，得到車輛的側(cè)傾角曲線和橫向位移曲線，見圖10和圖11，其中各指標(biāo)的極值見表4。
圖10 不同風(fēng)速等級(jí)下的側(cè)傾角
圖11 不同風(fēng)速等級(jí)下的橫向位移
表4 不同風(fēng)速等級(jí)下各指標(biāo)極值
從圖10 和表4 可以看出，隨著風(fēng)速等級(jí)逐漸增大，車輛的側(cè)傾角曲線逐漸偏移坐標(biāo)軸。且當(dāng)風(fēng)速由9m/s 變化到17m/s 時(shí)，側(cè)傾角呈單側(cè)逐漸變大的趨勢(shì)，已無法體現(xiàn)車輛正常穩(wěn)定變道時(shí)的雙側(cè)來回變化規(guī)律。說明車輛在強(qiáng)風(fēng)作用下，車輛重心朝正向一側(cè)傾斜。當(dāng)風(fēng)速由17m/s 變化到25m/s 時(shí)，側(cè)傾角極值由-0.58°增大至-1.5°，增幅較大，說明在風(fēng)速17m/s 作用下車輛處在臨界不穩(wěn)定狀態(tài)。所以對(duì)于經(jīng)常出現(xiàn)強(qiáng)側(cè)風(fēng)的路段，需提前設(shè)置警示標(biāo)志，加強(qiáng)對(duì)駕駛員的預(yù)警，以保障重要應(yīng)急醫(yī)療物資的運(yùn)輸安全。
從圖11可以看出，在車速為60km/h、晴天路面條件下，風(fēng)速由0 向25m/s 增大時(shí)，車輛均完成了變道動(dòng)作。
綜上所述，可以看出車速60km/h、晴天路面條件下，隨著側(cè)風(fēng)等級(jí)的提升，雖然在駕駛員的控制下車輛均完成了變道動(dòng)作，但從側(cè)傾角曲線中可以看出車輛的行駛穩(wěn)定性已受到影響，發(fā)生側(cè)翻的危險(xiǎn)性逐漸增大。
3.3 物資種類對(duì)車輛行駛安全性的影響
針對(duì)醫(yī)療救援物資種類繁多，既有口罩、防護(hù)服等低密度物資，又有消毒液等高密度物資的特點(diǎn)，通過改變貨載質(zhì)量來模擬各類醫(yī)療物資，根據(jù)方案3 來進(jìn)行仿真試驗(yàn)，車輛的側(cè)傾角和橫向位移曲線見圖12 和圖13，其中各指標(biāo)的極值見表5。
圖12 不同貨載質(zhì)量下的側(cè)傾角
圖13 不同貨載質(zhì)量下的橫向位移
表5 不同貨載質(zhì)量下各指標(biāo)極值
從圖12和圖13以及表5可以看出，貨載質(zhì)量的變化對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響類似于風(fēng)速等級(jí)變化的影響，但從極值點(diǎn)的數(shù)值變化可以看出其對(duì)車輛側(cè)翻的影響要弱于風(fēng)速等級(jí)變化的影響。所以合理調(diào)配運(yùn)輸車輛、不超載運(yùn)輸對(duì)于保障醫(yī)療物資應(yīng)急運(yùn)輸安全至關(guān)重要。
3.4 顯著性分析
基于以上仿真結(jié)果，對(duì)事故類型中較為突出的側(cè)翻事故進(jìn)行影響因素顯著性分析。通過離差和方差分析法，分析各因素對(duì)車輛側(cè)翻影響的顯著性，得到側(cè)傾角分析結(jié)果如表6所示。
表6 側(cè)傾角的離差和方差分析結(jié)果
從表6 可以看出各因素對(duì)車輛側(cè)翻影響的程度由大到小依次為風(fēng)速、摩擦系數(shù)、貨載質(zhì)量。
3.5 小結(jié)
大規(guī)模醫(yī)療物資運(yùn)輸往往發(fā)生在嚴(yán)重突發(fā)事件的背景下，如重大公共衛(wèi)生事件、自然災(zāi)害等，具有“時(shí)間緊迫、需求量大”等特點(diǎn)，其更多考慮的是醫(yī)療物資到達(dá)的時(shí)間和到達(dá)量。惡劣天氣對(duì)運(yùn)輸安全的影響，對(duì)于常規(guī)公路運(yùn)輸而言可根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，通過改變運(yùn)輸線路或推遲運(yùn)輸計(jì)劃等方式來保障運(yùn)輸安全。而對(duì)于應(yīng)急救援運(yùn)輸，則更多需要沿線運(yùn)輸管理部門的積極配合來保障運(yùn)輸安全。例如針對(duì)冰雪路面，交管部門提前做好除冰除雪工作；針對(duì)強(qiáng)側(cè)風(fēng)區(qū)域，應(yīng)做好對(duì)駕駛員的提前預(yù)警工作。
4 結(jié)語
本文基于車輛動(dòng)力學(xué)原理，針對(duì)重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件應(yīng)急救援運(yùn)輸，在閉環(huán)仿真試驗(yàn)環(huán)境下對(duì)廂式醫(yī)療運(yùn)輸車在不同惡劣天氣下的行駛穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著天氣由晴天向結(jié)冰的轉(zhuǎn)變，車輛行駛安全性逐漸降低，發(fā)生側(cè)翻和側(cè)滑的風(fēng)險(xiǎn)均提高。在雪天路面摩擦系數(shù)為0.28，車速為60km/h 的情況下進(jìn)行車輛變道，運(yùn)輸車輛存在與其他車道車輛或路側(cè)護(hù)欄碰撞的危險(xiǎn)，應(yīng)給予避免。
風(fēng)速等級(jí)的提高對(duì)車輛發(fā)生側(cè)翻事故影響尤為明顯，因此運(yùn)輸管理部門需要對(duì)運(yùn)輸線路的強(qiáng)側(cè)風(fēng)路段提前做好預(yù)警工作，風(fēng)速大于17m/s（7級(jí)風(fēng)）時(shí)車輛運(yùn)行危險(xiǎn)顯著增加，駕駛過程中要特別重視強(qiáng)風(fēng)路段，以保障醫(yī)療物資運(yùn)輸安全。
專門運(yùn)輸消毒液體及醫(yī)用設(shè)備等大密度醫(yī)療物資的車輛，隨著貨載質(zhì)量的增大，車輛重心逐漸上移，使車輛行駛側(cè)傾穩(wěn)定性降低。因此合理安排組合運(yùn)輸物資，降低車輛重心，可以顯著提高醫(yī)療物資運(yùn)輸安全性。
本文對(duì)惡劣天氣的種類及道路種類考慮不全面，在后續(xù)的研究中將進(jìn)一步分析大霧和彎道等對(duì)車輛行駛安全性的影響；同時(shí)進(jìn)一步分析仿真數(shù)據(jù)，建立各類環(huán)境因素下的安全車速預(yù)測(cè)模型。
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（浙江工業(yè)大學(xué)橋梁工程研究所，浙江杭州 310023）
0 引言
新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情的暴發(fā)，對(duì)全國(guó)各地都產(chǎn)生了巨大的影響。對(duì)于疫情的重災(zāi)區(qū)——湖北武漢以及疫情嚴(yán)重城市——浙江溫州等地，各類防疫物資都面臨著緊缺的局面，對(duì)口罩、防護(hù)服、消毒液、呼吸搶救設(shè)備等醫(yī)用物質(zhì)的需求尤為迫切。因此全國(guó)各省市采取各種運(yùn)輸方式緊急馳援，截至2020 年2 月底，全國(guó)累計(jì)向湖北地區(qū)運(yùn)送防疫和生活物資54.14萬t，其中通過公路運(yùn)輸?shù)挠?3.67 萬t，占比43.7%，由此可看出公路運(yùn)輸在整個(gè)醫(yī)療救援物資運(yùn)輸系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。然而由于時(shí)處冬春交替期，氣候條件變化大，大寒潮、雨雪冰凍、大霧天等經(jīng)常出現(xiàn)，會(huì)造成路面濕滑、駕駛員視野不清晰等影響[1-2]。物資救援運(yùn)輸往往都是跨省運(yùn)輸，運(yùn)輸線路長(zhǎng)達(dá)幾百甚至數(shù)千公里，其中存在較多的高風(fēng)險(xiǎn)路段，如強(qiáng)側(cè)風(fēng)路段、連續(xù)陡坡路段、急轉(zhuǎn)彎路段等，這些因素均對(duì)公路應(yīng)急救援運(yùn)輸提出了巨大挑戰(zhàn)[3-4]。應(yīng)急運(yùn)輸不同于常規(guī)運(yùn)輸，遇極端惡劣天氣，常規(guī)運(yùn)輸可通過錯(cuò)峰安排運(yùn)輸計(jì)劃來保障運(yùn)輸安全[5-6]；而應(yīng)急運(yùn)輸為確保物資的到達(dá)時(shí)間，需在惡劣氣候條件下行車，存在較大的安全隱患。因此分析惡劣天氣對(duì)醫(yī)療運(yùn)輸車行駛安全的影響，對(duì)保障應(yīng)急救援物資運(yùn)輸安全，更有效地開展應(yīng)急救援工作具有重要意義。
由于實(shí)車試驗(yàn)存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，且成本較高、周期長(zhǎng)，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于惡劣天氣對(duì)行車安全影響的研究主要還是從理論分析和數(shù)值仿真這兩方面展開。在理論推導(dǎo)方面，Carlson 等[7-9]構(gòu)建了不同天氣下車輛跟馳特性與交通安全的關(guān)系模型，提出可變限速方案，提高了整體行車安全性。Young[10]計(jì)算分析了車輛側(cè)翻的臨界風(fēng)速，得到了不同車型在特定風(fēng)速下的側(cè)翻結(jié)果。江浩等[11]對(duì)各種氣候下在跨海大橋行駛的車輛進(jìn)行安全性影響分析，得到各類環(huán)境下的安全極值風(fēng)速。肖志軍等[12]從車輛空氣動(dòng)力學(xué)出發(fā)，對(duì)強(qiáng)風(fēng)條件下車輛側(cè)滑和側(cè)翻極限條件進(jìn)行了理論公式求解。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值仿真開始成為越來越重要的研究手段。Gaylard[13]討論了CFD在車輛空氣動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用，分析了正交側(cè)風(fēng)作用下的車輛穩(wěn)定性。Kordani 等[14]采用Carsim 和Trucksim 車輛仿真軟件，研究了不同路面摩擦系數(shù)對(duì)小客車和單體貨車橫向穩(wěn)定性的影響。何杰等[15]利用ADAMA/Car 仿真軟件，模擬了晴天、雨天、雪天、結(jié)冰的路面條件，通過單移線變道動(dòng)作，得到航向角等動(dòng)力響應(yīng)，分析了不同天氣的路面環(huán)境對(duì)行車安全性的影響，但未考慮駕駛員因素。羅榮鋒等[16]利用ADAMS仿真軟件，對(duì)車輛過大橋受側(cè)風(fēng)作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了模擬，分析了分壓中心與車輛側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的關(guān)系，得出了在通常風(fēng)速下車輛不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的結(jié)論。
現(xiàn)有研究大多僅考慮單方面天氣因素對(duì)行車安全的影響，且較少考慮駕駛員因素。本文基于Trusksim 動(dòng)力仿真模型，構(gòu)建車-路-風(fēng)的耦合模型，在考慮駕駛員因素的閉環(huán)條件下進(jìn)行單移線仿真試驗(yàn)?zāi)M車輛變道，考慮晴天、雨天、雪天、結(jié)冰、強(qiáng)側(cè)風(fēng)及救援運(yùn)輸涉及的貨載質(zhì)量因素對(duì)行車安全的影響，以車輛橫向位移量和側(cè)傾角的響應(yīng)輸出來評(píng)價(jià)車輛發(fā)生側(cè)滑和側(cè)翻的危險(xiǎn)性。
1 指標(biāo)選取
1.1 受力分析
車輛在行駛過程中所受的力如圖1 所示。當(dāng)路面提供的附著力無法平衡車輛重力、強(qiáng)側(cè)風(fēng)力和慣性力三者作用合力的橫向分力時(shí)，車輛會(huì)發(fā)生側(cè)滑。為了保證車輛不發(fā)生側(cè)滑，需滿足[11]：
式（1）～式（2）中：G為車重（N）；a為道路縱坡角（°）；b為道路橫坡角（°）；R為道路轉(zhuǎn)彎半徑（m）；v為車輛行駛速度（m/s），uy為地面?zhèn)认蚰Σ料禂?shù)；為汽車側(cè)風(fēng)系數(shù)；τ為合成流入角；ρ為空氣密度（kg/m3）；A為汽車迎風(fēng)面積（m2）；vres為合成速度（m/s），=v2+ω2；ω為風(fēng)速（m/s）。
當(dāng)側(cè)翻力矩（側(cè)風(fēng)力矩和慣性力矩）可能超過車輛自身質(zhì)量提供的穩(wěn)定力矩時(shí)，汽車會(huì)發(fā)生側(cè)翻。為了保證車輛不發(fā)生側(cè)翻，需滿足[11]：
式（3）中：hg為質(zhì)心高度（m）；hw為側(cè)風(fēng)高度（m）；B為輪距（m）。
圖1 車體受力分析
1.2 仿真工況
單移線仿真是指驅(qū)動(dòng)汽車在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，通過走一個(gè)S形曲線樣式來模擬汽車的變道動(dòng)作，如圖2所示。
圖2 單移線仿真車輛運(yùn)動(dòng)軌跡
試驗(yàn)為閉環(huán)試驗(yàn)，將人-車作為系統(tǒng)考慮，在Trucksim 中引入駕駛員模型，仿真采用駕駛員轉(zhuǎn)向模型來控制車輛動(dòng)作，該模型軌跡跟隨程度高，并設(shè)定駕駛員的反應(yīng)時(shí)間為0.15s，預(yù)瞄時(shí)間為1.5s。在轉(zhuǎn)向模塊中輸入單移線軌跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)，得到如圖3所示的目標(biāo)軌跡。
圖3 仿真距離與橫向位移的關(guān)系
1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)
目前針對(duì)車輛穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)有側(cè)向偏移量、橫擺角速度、側(cè)傾角、側(cè)向加速度等?；谝陨鲜芰Ψ治?，其中橫向位移量能較直觀反映車體的側(cè)滑偏移，側(cè)傾角能直觀反映車輛發(fā)生側(cè)翻的危險(xiǎn)性[17-19]。因此，本文選取橫向位移量和側(cè)傾角作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)車輛發(fā)生側(cè)滑與側(cè)翻的危險(xiǎn)性，其值越大，發(fā)生危險(xiǎn)的可能性越大。
2 系統(tǒng)建模
本文采用Trucksim 軟件構(gòu)建系統(tǒng)模型，Trucksim 是貨車動(dòng)力學(xué)仿真的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件。本文通過道路模型、側(cè)風(fēng)模型、廂式貨車模型這三部分完成系統(tǒng)模型的建立。
2.1 道路模型
本文使用Trucksim 中的二維平整路面作為道路模型，如圖4 所示。由于醫(yī)療物資運(yùn)輸過程中車輛可能遭遇各類天氣條件的影響，通過改變路面摩擦系數(shù)來模擬各類天氣條件，建立相應(yīng)的道路模型。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，可知正常干燥路面的摩擦系數(shù)為0.6，雨天濕滑路面摩擦系數(shù)為0.4，雪天路面摩擦系數(shù)為0.28，低溫結(jié)冰路面摩擦系數(shù)為0.18[12]。
(3)農(nóng)村基層組織(村委會(huì))。大力發(fā)展日間照料中心、老年人活動(dòng)中心,開展文化娛樂活動(dòng)、豐富老年人的精神世界。
圖4 道路模塊界面
2.2 側(cè)風(fēng)模型
救援運(yùn)輸常需跨省，這使得運(yùn)輸線長(zhǎng)達(dá)幾百甚至數(shù)千公里，線路上可能存在多個(gè)過江、跨海橋梁或隧道進(jìn)出口等受強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響頻繁的路段。參考相關(guān)文獻(xiàn)可知[20-21]，90°風(fēng)向角對(duì)行車安全性最為不利，本文設(shè)置90°的風(fēng)角，改變側(cè)風(fēng)模型的極值來模擬各類風(fēng)速等級(jí)。
考慮受新冠肺炎疫情影響區(qū)域的重要交通通道，統(tǒng)計(jì)分析了浙江沿海重要通道杭州灣某跨海大橋冬季風(fēng)速數(shù)據(jù)，如圖5 所示。整理分析后得出年平均風(fēng)速為2.8～3.5m/s，平均最大風(fēng)速為17.7～22.6m/s，因此設(shè)定4級(jí)（9m/s），7級(jí)（17m/s），10級(jí)（25 m/s）這三種風(fēng)速等級(jí)。
圖5 風(fēng)速時(shí)程圖
其中隨機(jī)變化陣風(fēng)是自然環(huán)境中最常見的陣風(fēng)形式，具有風(fēng)速變化快、作用時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，基于該陣風(fēng)形式，在Trucksim 的weed speed 模塊中構(gòu)建了與實(shí)際相符合的側(cè)風(fēng)模型，如圖6所示。
圖6 側(cè)風(fēng)模型圖
2.3 貨車模型
醫(yī)療物資多以廂式貨車運(yùn)輸，這里基于大運(yùn)經(jīng)典廂式貨車的基本參數(shù)（見表1），對(duì)車輛外形、輪胎、轉(zhuǎn)向、懸架、制動(dòng)、動(dòng)力傳動(dòng)等各系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化建模，建立仿真模型如圖7所示。
表1 整車參數(shù)表
3 仿真分析
采取控制變量的方法對(duì)摩擦系數(shù)、風(fēng)速等級(jí)、貨載質(zhì)量進(jìn)行仿真，分析各因素對(duì)車輛發(fā)生側(cè)滑與側(cè)翻危險(xiǎn)性的影響，具體方案如表2所示。
圖7 整車模型
表2 不同參數(shù)條件下試驗(yàn)方案
3.1 路面條件對(duì)車輛行駛安全性的影響
根據(jù)建立的耦合模型，通過改變路面摩擦系數(shù)來模擬晴天、雨天、雪天及結(jié)冰的天氣環(huán)境，分別進(jìn)行仿真試驗(yàn)。在仿真試驗(yàn)中，車輛以60km/h的速度變換車道，車輛的側(cè)傾角和橫向位移曲線分別見圖8和圖9，其中各指標(biāo)的極值見表3。
圖8 不同摩擦系數(shù)下的側(cè)傾角
圖9 不同摩擦系數(shù)下的橫向位移
表3 不同路面摩擦系數(shù)下各指標(biāo)極值
從圖9 可以看出，車輛以60km/h 的速度在結(jié)冰的路面上行駛時(shí)，車輛已無法完成變道動(dòng)作，將失去控制。在雪天環(huán)境下，車輛雖能完成變道動(dòng)作，但其橫向位移已達(dá)到4.5m，存在偏移車道撞上欄桿和其他車輛的風(fēng)險(xiǎn)。
綜上所述，冰雪天氣對(duì)醫(yī)療物資運(yùn)輸車的行駛安全性產(chǎn)生了較大影響。針對(duì)這類天氣情況，應(yīng)急運(yùn)輸管理部門需合理安排運(yùn)輸計(jì)劃，且對(duì)于急需的救援物資，需提前做好重點(diǎn)路段的除冰除雪工作，以保障運(yùn)輸安全。
3.2 風(fēng)速等級(jí)對(duì)車輛行駛安全性的影響
選取晴天路面（摩擦系數(shù)為0.6）、車速60km/h，測(cè)量風(fēng)速分別在0,9m/s,17m/s,25m/s 時(shí)車輛的側(cè)傾角和橫向位移量，得到車輛的側(cè)傾角曲線和橫向位移曲線，見圖10和圖11，其中各指標(biāo)的極值見表4。
圖10 不同風(fēng)速等級(jí)下的側(cè)傾角
圖11 不同風(fēng)速等級(jí)下的橫向位移
表4 不同風(fēng)速等級(jí)下各指標(biāo)極值
從圖10 和表4 可以看出，隨著風(fēng)速等級(jí)逐漸增大，車輛的側(cè)傾角曲線逐漸偏移坐標(biāo)軸。且當(dāng)風(fēng)速由9m/s 變化到17m/s 時(shí)，側(cè)傾角呈單側(cè)逐漸變大的趨勢(shì)，已無法體現(xiàn)車輛正常穩(wěn)定變道時(shí)的雙側(cè)來回變化規(guī)律。說明車輛在強(qiáng)風(fēng)作用下，車輛重心朝正向一側(cè)傾斜。當(dāng)風(fēng)速由17m/s 變化到25m/s 時(shí)，側(cè)傾角極值由-0.58°增大至-1.5°，增幅較大，說明在風(fēng)速17m/s 作用下車輛處在臨界不穩(wěn)定狀態(tài)。所以對(duì)于經(jīng)常出現(xiàn)強(qiáng)側(cè)風(fēng)的路段，需提前設(shè)置警示標(biāo)志，加強(qiáng)對(duì)駕駛員的預(yù)警，以保障重要應(yīng)急醫(yī)療物資的運(yùn)輸安全。
從圖11可以看出，在車速為60km/h、晴天路面條件下，風(fēng)速由0 向25m/s 增大時(shí)，車輛均完成了變道動(dòng)作。
綜上所述，可以看出車速60km/h、晴天路面條件下，隨著側(cè)風(fēng)等級(jí)的提升，雖然在駕駛員的控制下車輛均完成了變道動(dòng)作，但從側(cè)傾角曲線中可以看出車輛的行駛穩(wěn)定性已受到影響，發(fā)生側(cè)翻的危險(xiǎn)性逐漸增大。
3.3 物資種類對(duì)車輛行駛安全性的影響
針對(duì)醫(yī)療救援物資種類繁多，既有口罩、防護(hù)服等低密度物資，又有消毒液等高密度物資的特點(diǎn)，通過改變貨載質(zhì)量來模擬各類醫(yī)療物資，根據(jù)方案3 來進(jìn)行仿真試驗(yàn)，車輛的側(cè)傾角和橫向位移曲線見圖12 和圖13，其中各指標(biāo)的極值見表5。
圖12 不同貨載質(zhì)量下的側(cè)傾角
圖13 不同貨載質(zhì)量下的橫向位移
表5 不同貨載質(zhì)量下各指標(biāo)極值
從圖12和圖13以及表5可以看出，貨載質(zhì)量的變化對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響類似于風(fēng)速等級(jí)變化的影響，但從極值點(diǎn)的數(shù)值變化可以看出其對(duì)車輛側(cè)翻的影響要弱于風(fēng)速等級(jí)變化的影響。所以合理調(diào)配運(yùn)輸車輛、不超載運(yùn)輸對(duì)于保障醫(yī)療物資應(yīng)急運(yùn)輸安全至關(guān)重要。
3.4 顯著性分析
基于以上仿真結(jié)果，對(duì)事故類型中較為突出的側(cè)翻事故進(jìn)行影響因素顯著性分析。通過離差和方差分析法，分析各因素對(duì)車輛側(cè)翻影響的顯著性，得到側(cè)傾角分析結(jié)果如表6所示。
表6 側(cè)傾角的離差和方差分析結(jié)果
從表6 可以看出各因素對(duì)車輛側(cè)翻影響的程度由大到小依次為風(fēng)速、摩擦系數(shù)、貨載質(zhì)量。
3.5 小結(jié)
大規(guī)模醫(yī)療物資運(yùn)輸往往發(fā)生在嚴(yán)重突發(fā)事件的背景下，如重大公共衛(wèi)生事件、自然災(zāi)害等，具有“時(shí)間緊迫、需求量大”等特點(diǎn)，其更多考慮的是醫(yī)療物資到達(dá)的時(shí)間和到達(dá)量。惡劣天氣對(duì)運(yùn)輸安全的影響，對(duì)于常規(guī)公路運(yùn)輸而言可根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，通過改變運(yùn)輸線路或推遲運(yùn)輸計(jì)劃等方式來保障運(yùn)輸安全。而對(duì)于應(yīng)急救援運(yùn)輸，則更多需要沿線運(yùn)輸管理部門的積極配合來保障運(yùn)輸安全。例如針對(duì)冰雪路面，交管部門提前做好除冰除雪工作；針對(duì)強(qiáng)側(cè)風(fēng)區(qū)域，應(yīng)做好對(duì)駕駛員的提前預(yù)警工作。
4 結(jié)語
本文基于車輛動(dòng)力學(xué)原理，針對(duì)重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件應(yīng)急救援運(yùn)輸，在閉環(huán)仿真試驗(yàn)環(huán)境下對(duì)廂式醫(yī)療運(yùn)輸車在不同惡劣天氣下的行駛穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著天氣由晴天向結(jié)冰的轉(zhuǎn)變，車輛行駛安全性逐漸降低，發(fā)生側(cè)翻和側(cè)滑的風(fēng)險(xiǎn)均提高。在雪天路面摩擦系數(shù)為0.28，車速為60km/h 的情況下進(jìn)行車輛變道，運(yùn)輸車輛存在與其他車道車輛或路側(cè)護(hù)欄碰撞的危險(xiǎn)，應(yīng)給予避免。
風(fēng)速等級(jí)的提高對(duì)車輛發(fā)生側(cè)翻事故影響尤為明顯，因此運(yùn)輸管理部門需要對(duì)運(yùn)輸線路的強(qiáng)側(cè)風(fēng)路段提前做好預(yù)警工作，風(fēng)速大于17m/s（7級(jí)風(fēng)）時(shí)車輛運(yùn)行危險(xiǎn)顯著增加，駕駛過程中要特別重視強(qiáng)風(fēng)路段，以保障醫(yī)療物資運(yùn)輸安全。
專門運(yùn)輸消毒液體及醫(yī)用設(shè)備等大密度醫(yī)療物資的車輛，隨著貨載質(zhì)量的增大，車輛重心逐漸上移，使車輛行駛側(cè)傾穩(wěn)定性降低。因此合理安排組合運(yùn)輸物資，降低車輛重心，可以顯著提高醫(yī)療物資運(yùn)輸安全性。
本文對(duì)惡劣天氣的種類及道路種類考慮不全面，在后續(xù)的研究中將進(jìn)一步分析大霧和彎道等對(duì)車輛行駛安全性的影響；同時(shí)進(jìn)一步分析仿真數(shù)據(jù)，建立各類環(huán)境因素下的安全車速預(yù)測(cè)模型。
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