王 露，陳肖欣，李華恩

(1. 長安大學(xué) 運(yùn)輸工程學(xué)院，陜西 西安 710064； 2. 長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引 言

道路交通作為國民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的命脈，在我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展中發(fā)揮了重要作用；道路交通高速發(fā)展的同時(shí)，關(guān)于交通安全的問題也日益突出。在雨雪天行車時(shí)，路面摩擦系數(shù)受雨雪等環(huán)境影響而下降，車輛易發(fā)生側(cè)翻、側(cè)滑等危險(xiǎn)，而雨雪天又時(shí)常伴隨著大風(fēng)，進(jìn)一步加劇了事故風(fēng)險(xiǎn)，給行車安全造成嚴(yán)重威脅[1-2]。因此，研究雨、雪及大風(fēng)等復(fù)雜氣象條件下的車輛行駛情況，對(duì)降低雨雪天氣交通事故發(fā)生具有重要的參考意義和價(jià)值。

學(xué)界在對(duì)車輛行駛安全的研究中，多采用構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和車輛仿真試驗(yàn)的方法，來探究不同因素對(duì)交通安全影響。S.NAJAFI等[3]基于模糊邏輯推理的路面摩擦管理與實(shí)時(shí)防滑預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)行了概念驗(yàn)證研究，提出了一種基于交通水平、車速限制和路面摩擦的模糊邏輯推理系統(tǒng)；M.ESSA等[4]采用均值一次二階矩法建立了視距不足和車輛側(cè)滑的失效模型，并應(yīng)用于平曲線路段的可靠性分析中。在仿真應(yīng)用中，唐歌騰等[5]應(yīng)用TruckSim軟件建立了整車動(dòng)力性模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，建立了彎道半徑與安全車速之間的響應(yīng)面模型，提供了一種車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)安全行駛速度的計(jì)算方法；王傳連等[6]應(yīng)用TruckSim仿真軟件，從裝載質(zhì)量和道路附著系數(shù)這兩個(gè)方面入手，分析了大型車輛在彎道路段發(fā)生側(cè)滑、側(cè)翻的影響因素和程度，并分析得出通過彎道的安全車速閾值。

學(xué)界根據(jù)不同的氣象條件，選取不同研究指標(biāo)，對(duì)復(fù)雜氣象條件下的行車安全展開研究。T.L.JACKSON等[7]通過對(duì)降雨這一氣象條件與行車安全的關(guān)系展開研究，提出雨天發(fā)生撞車事故與降雨的相關(guān)性；A.T.IBRAHIM等[8]研究了加拿大地區(qū)不良?xì)庀髼l件對(duì)高速公路行車的影響，發(fā)現(xiàn)不良?xì)庀髮?duì)自由流有減速影響；L.EWAN等[9]通過道路氣象傳感技術(shù)對(duì)行駛表面狀態(tài)的抓地力水平和摩擦系數(shù)開展研究；田世芹等[10]基于各種氣象條件對(duì)交通運(yùn)輸?shù)挠绊戇M(jìn)行分析，提出了復(fù)雜氣象條件對(duì)行車安全的不良影響；唐晉娟[11]通過分析路面上水膜對(duì)摩擦系數(shù)影響來推導(dǎo)車輛發(fā)生水滑現(xiàn)象時(shí)的行車速度，從而得出了行車速度限值；劉兆惠等[12]采用理論分析和仿真分析相結(jié)合的方式，探討了霧天環(huán)境對(duì)高速公路車輛跟馳安全的影響，建立了行車安全標(biāo)準(zhǔn)。程國柱等[13]基于駕駛員在冰雪路面行車時(shí)的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間與制動(dòng)距離分析，計(jì)算給出了不同類型冰雪狀態(tài)下對(duì)應(yīng)不同行駛車速的機(jī)動(dòng)車停車距離，并給出了保證冰雪路面行車安全的最高車速建議值；劉洋等[14]基于對(duì)車輛在側(cè)風(fēng)環(huán)境下彎道行駛時(shí)所受外力及力矩進(jìn)行分析，計(jì)算得出側(cè)風(fēng)作用下彎道行車安全行駛速度閾值。

綜上所述，學(xué)者們對(duì)車輛安全行駛條件已做了大量研究，構(gòu)建了不同條件下的響應(yīng)模型和安全車速計(jì)算方法；針對(duì)不同氣象條件對(duì)行車安全的影響也進(jìn)行了研究，分析了不良?xì)庀笙萝囕v行駛狀態(tài)和安全影響機(jī)理，并提出了相應(yīng)的建議和對(duì)策。但這些研究往往是基于單一的氣象條件，而車輛在道路上行駛往往受道路因素和多種氣象因素的共同影響和各因素之間相互作用，在復(fù)雜氣象條件下應(yīng)綜合考慮風(fēng)雨雪和道路因素的共同影響，更符合實(shí)際車輛行駛狀況，也能使研究更有實(shí)際意義。因此筆者針對(duì)不同道路系統(tǒng)進(jìn)行多角度具體設(shè)定，基于雨、雪及伴隨大風(fēng)天氣分別對(duì)道路車輛運(yùn)行安全的影響，運(yùn)用Carsim軟件構(gòu)建車輛、道路和環(huán)境模型，進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，分析不同條件下車輛保持穩(wěn)定行駛的臨界車速。

1 模型構(gòu)建

為模擬復(fù)雜氣象條件下車輛在道路上的行駛狀況，筆者利用Carsim軟件建立車輛模型、氣象環(huán)境模型和道路模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

1.1 車輛模型

車輛在雨雪及大風(fēng)天氣下行駛時(shí)，由于路面與車輛間附著系數(shù)降低，加之受到橫風(fēng)影響，易發(fā)生側(cè)滑和側(cè)翻，且車輛重量、外觀、性能及各項(xiàng)參數(shù)都會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。要使研究結(jié)果具有參考意義和價(jià)值，必須要選取具有代表性車輛來建立模型。筆者通過對(duì)近幾年國內(nèi)轎車銷量進(jìn)行調(diào)查，選取一款銷量最穩(wěn)定且性價(jià)比較高車型(長安福特-?？怂?，作為具有代表性的車型來建立車輛模型。因此，在Carsim軟件中選擇B-Class-Hatchback作為仿真模擬車輛模型。圖1為Carsim車型選擇界面；其具體參數(shù)配置如表1。

圖1 車型選擇界面

表1 車輛模型參數(shù)

1.2 氣象環(huán)境模型

筆者研究的復(fù)雜氣象條件主要是指雨、雪伴隨大風(fēng)天氣，因此所建立氣象環(huán)境模型也主要考慮風(fēng)、雨、雪這3種氣象因素。

隨著車輛輕量化、高速化發(fā)展，使得車輛在行駛過程中對(duì)橫風(fēng)作用更加敏感。車輛在大風(fēng)天氣下行駛時(shí)，尤其是在彎道處，其所受橫向力大大增加，極易發(fā)生側(cè)滑和側(cè)翻，對(duì)行車安全極其不利。因此在建立氣象環(huán)境模型時(shí)，在數(shù)據(jù)模型中插入風(fēng)的數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻(xiàn)[15]研究，5級(jí)風(fēng)屬清勁風(fēng)，車輛在該風(fēng)速作用下行駛會(huì)開始產(chǎn)生瞬態(tài)穩(wěn)定性波動(dòng)，可作為研究的起始風(fēng)速；9級(jí)風(fēng)屬烈風(fēng)，在陸地上不常見，且由于高速公路行車速度快，車輛在該風(fēng)速下很難維持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，對(duì)駕駛員也會(huì)造成很大的心理壓力。故筆者重點(diǎn)考慮5～8級(jí)風(fēng)對(duì)行車速度的影響。根據(jù)GB/T 28591—2012《風(fēng)力等級(jí)》[16]規(guī)定: 5～8級(jí)風(fēng)對(duì)應(yīng)風(fēng)力大小分別為30、40、50、62 km/h。風(fēng)向按最不利情況考慮，設(shè)置為與車輛最初行駛方向成90°。

在降雨天氣下，雨水會(huì)在路面上形成水膜，使車輛與路面間的摩擦力下降，車輛行駛在雨水路面上，其穩(wěn)定性和制動(dòng)性都大大下降，增加了事故發(fā)生危險(xiǎn)。而在冰雪天氣下，路面會(huì)積雪或結(jié)起冰層，車輛與路面間的摩擦系數(shù)會(huì)大大減小，此時(shí)路面附著系數(shù)僅為干燥時(shí)路面附著系數(shù)的1/8～1/4[17]，更加不利于行車安全。通過調(diào)查取證得知：正常道路的摩擦系數(shù)為0.6，降雨天路面積水會(huì)降低到0.4；降雪天路面積雪時(shí)降到0.25，路面結(jié)冰會(huì)降低到0.18。故筆者將路面摩擦系數(shù)設(shè)置為降雨積水路面為0.4，降雪積雪路面為0.25，結(jié)冰路面為0.18。

在明確了風(fēng)、雨、雪這3種氣象因素后，筆者對(duì)車輛在大風(fēng)天行駛速度為60、80、100 km/h這3種情況下按積水、積雪、結(jié)冰的3種不同路面摩擦系數(shù)，選擇不同等級(jí)風(fēng)速，進(jìn)行仿真模擬并對(duì)其進(jìn)行分析，以尋找在不同等級(jí)風(fēng)條件下雨、雪天氣的臨界車速。

1.3 道路模型

我國常規(guī)機(jī)動(dòng)車道寬度為3.5 m，筆者選取的是B型兩廂車，車寬為1.695 m；參考我國公路圓曲線最小轉(zhuǎn)彎半徑規(guī)范值，如表2。筆者旨在研究常規(guī)高速公路車輛在復(fù)雜氣象條件下穩(wěn)定行駛的臨界車速，車速可在限速范圍內(nèi)根據(jù)駕駛?cè)瞬煌僮鞫a(chǎn)生浮動(dòng)，但道路線形一經(jīng)確定則不可隨意更改，考慮此次研究的最大車速為100 km/h，故選取公路圓曲線半徑一般值400 m作為道路模型的圓曲線半徑值?，F(xiàn)實(shí)中高速公路“直-緩-曲”線性組合多樣，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為使研究結(jié)論具有普遍性，筆者選取“200 m直線+90°半徑為400 m的圓曲線”虛擬路段進(jìn)行仿真模擬分析(圖2)，并提供計(jì)算臨界車速方法。為更準(zhǔn)確地分析車輛在直線和圓曲線上行駛時(shí)瞬態(tài)氣動(dòng)特性的差異性，筆者將對(duì)這兩類路段分別進(jìn)行研究；同時(shí)考慮車輛在設(shè)計(jì)速度為100 km/h，半徑為400 m圓曲線路段應(yīng)采取8%的超高綜合考慮，最后得出結(jié)論。

表2 圓曲線最小半徑

圖2 圓曲線路段參數(shù)

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在大風(fēng)天氣下，受橫風(fēng)影響所產(chǎn)生的側(cè)向力成為車輛行駛不穩(wěn)定因素，易使車輛發(fā)生側(cè)滑、傾覆等危險(xiǎn)；而道路路面在雨雪天氣下會(huì)因積水、積雪或結(jié)冰導(dǎo)致與車輛間附著系數(shù)大大下降，車輛穩(wěn)定性和制動(dòng)性也隨之降低，在與大風(fēng)共同作用下，車輛面臨側(cè)滑和側(cè)翻危險(xiǎn)更加顯著?；诖耍谘芯寇囕v穩(wěn)定行駛臨界速度時(shí)，將側(cè)向力系數(shù)和側(cè)向偏移量作為衡量車輛行駛安全評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1 側(cè)向力系數(shù)

側(cè)向力是車輛行駛的不穩(wěn)定因素，而車輛穩(wěn)定性程度用側(cè)向力系數(shù)來衡量，意為單位車載所受的側(cè)向力，其計(jì)算如式(1)：

(1)

式中：R為圓曲線半徑；f為側(cè)向力系數(shù)；v為車輛行駛速度；ih為側(cè)向超高值。

側(cè)向力系數(shù)f越大，則表明車輛所受側(cè)向力越大，汽車行駛穩(wěn)定性也越差，越易發(fā)生傾覆和側(cè)滑危險(xiǎn)。因此，可將側(cè)向力系數(shù)作為評(píng)價(jià)車輛在復(fù)雜氣象條件下車輛穩(wěn)定性指標(biāo)。研究表明：當(dāng)f>0.4時(shí)，車輛行駛就非常不穩(wěn)定，有傾覆危險(xiǎn)[18]。故筆者將橫向力系數(shù)f=0.4作為車輛側(cè)翻閾值。

2.2 側(cè)向偏移量

車輛在道路上行駛時(shí)，由于受到行車環(huán)境影響，車輛不可能始終保持沿車道中線行駛，在大風(fēng)雨雪天氣下，因路面附著系數(shù)降低，汽車更難以操控和制動(dòng)。這種情況下，車輛更易發(fā)生側(cè)向偏移，在筆者將車道寬度設(shè)置為3.5 m、車寬為1.695 m情況下，車輛單側(cè)可接受偏差最大值為0.902 5 m，所以必須將側(cè)向偏移量作為車輛行駛安全的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。再依據(jù)文獻(xiàn)[19]，并綜合考慮駕駛員行車時(shí)與相鄰車道車輛的心理安全車距，筆者選取0.5 m作為側(cè)向偏移量安全閾值。

3 仿真分析

3.1 5級(jí)風(fēng)直線路段仿真分析

當(dāng)車輛在直線路段上行駛，雨天積水路面摩擦系數(shù)為0.4，按5級(jí)風(fēng)條件下取不同車速進(jìn)行仿真模擬，其仿真結(jié)果如圖3。

圖3 雨天直線段車輛側(cè)向力系數(shù)和側(cè)向偏移量與車速關(guān)系

車輛以不同限速行駛，其側(cè)向力系數(shù)隨著車速提升而增大，在最大車速100 km/h時(shí)為0.11，仍未超過0.4這一側(cè)翻限值；側(cè)向偏移量也隨車速提升而增大，在100 km/h車速下，達(dá)到最大偏移量為0.38 m，未超過0.5 m的安全閾值。因此在這一條件下行駛時(shí)，車輛均能保證其穩(wěn)定性。

車輛在直線段行駛，雪天積雪路面的摩擦系數(shù)為0.25，按5級(jí)風(fēng)取不同車速進(jìn)行仿真分析，其仿真結(jié)果如圖4(a)。車輛在積雪路面直行時(shí)，車側(cè)向力系數(shù)均未超過閾值0.4；而側(cè)向偏移量則隨車速提升而明顯變化，在車速大于80 km/h時(shí)則車輛側(cè)向偏移量已超過了安全閾值0.5 m，導(dǎo)致車輛駛離道路，且隨著車速提升迅速增大。

當(dāng)車輛在直線段行駛，雪天結(jié)冰路面的摩擦系數(shù)為0.18，按5級(jí)風(fēng)取不同車速進(jìn)行仿真分析，其仿真結(jié)果如圖4(b)。車輛在雪天結(jié)冰路面直行道上行駛時(shí)，車輛側(cè)向力系數(shù)均未超過閾值0.4；而側(cè)向偏移量則隨車速提升明顯變化，在車速大于75 km/h時(shí)則車輛側(cè)向偏移量就已超過了安全閾值0.5 m，導(dǎo)致車輛駛離道路，且隨著車速提升迅速增大。

圖4 車輛側(cè)向力系數(shù)和側(cè)向偏移量與車速關(guān)系

3.2 5級(jí)風(fēng)圓曲線路段仿真分析

當(dāng)車輛在圓曲線上行駛，雨天積水路面的摩擦系數(shù)為0.4，按5級(jí)風(fēng)條件下取不同車速進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果如圖5(a)。在5級(jí)風(fēng)(風(fēng)速為30 km/h)條件下，當(dāng)車輛沿圓曲線路段在雨天積水路面上行駛，其側(cè)向力系數(shù)和側(cè)向偏移量均隨車速提升而增大，側(cè)向力系數(shù)最大值為0.27，小于閾值0.4，可滿足要求；側(cè)向偏移量累計(jì)值則在85 km時(shí)就達(dá)到0.64 m，大于0.5 m的安全值，此時(shí)車輛將駛離道路，會(huì)引發(fā)危險(xiǎn)，在80 km/h車速時(shí)車輛側(cè)向偏移量累積至則為0.41 m，尚可保持在車道內(nèi)安全行駛，故在雨天積水路面圓曲線路段的行車速度不應(yīng)超過80 km/h。

當(dāng)車輛在圓曲線上行駛，雪天積雪路面的摩擦系數(shù)為0.25，按5級(jí)風(fēng)取不同車速進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果如圖5(b)。在5級(jí)風(fēng)(風(fēng)速為30 km/h)條件下，當(dāng)車輛沿圓曲線路段在雪天積雪路面上行駛，各車速下車輛側(cè)向力系數(shù)最大值約為0.23，小于0.4的閾值；側(cè)向偏移量累計(jì)值在60 km/h時(shí)為0.3 m，尚能保持安全行駛，車速在65 km/h時(shí)，側(cè)向偏移量累計(jì)值就迅速增加到了1.9 m，車輛受側(cè)向力作用已不能保持穩(wěn)定而駛離道路，故在雪天積雪路面的圓曲線路段，行車速度不宜超過60 km/h。

當(dāng)車輛在圓曲線上行駛，雪天結(jié)冰路面的摩擦系數(shù)為0.18，按5級(jí)風(fēng)取不同車速進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果如圖5(c)。在5級(jí)風(fēng)(風(fēng)速為30 km/h)條件下，當(dāng)車輛沿圓曲線路段在結(jié)冰路面上行駛，車輛側(cè)向力系數(shù)最大值約為0.15，小于0.4的閾值；側(cè)向偏移量累計(jì)值在55 km/h時(shí)為0.09 m，尚能保持安全行駛，車速在60 km/h時(shí)，側(cè)向偏移量累計(jì)值就迅速增加到了17.06 m，車輛已完全不能保持穩(wěn)定而駛離道路，故在雪天結(jié)冰路面的圓曲線路段，行車速度不宜超過55 km/h。

圖5 車輛側(cè)向力系數(shù)和側(cè)向偏移量與車速關(guān)系

3.3 各風(fēng)級(jí)雨雪條件下直曲路段臨界車速

基于無風(fēng)和6～8級(jí)風(fēng)條件下的不同車速，分為不同雨雪情況和不同直曲情況進(jìn)行交叉試驗(yàn)和仿真模擬。按上述方法分析不同工況下車輛穩(wěn)定行駛的臨界車速，分別得到在直線和曲線路段的不同氣象條件下穩(wěn)定行駛臨界車速值，其結(jié)果分別如表3。

表3 直線路段和曲線路段各風(fēng)級(jí)雨雪條件下臨界車速

當(dāng)車輛在直線路段行駛時(shí)，降雨情況下，在5級(jí)風(fēng)內(nèi)時(shí)尚能保持100 km/h安全行駛，當(dāng)風(fēng)力大于5級(jí)時(shí)，其速度應(yīng)保持在80 km/h以內(nèi)；降雪情況下，5級(jí)風(fēng)及以上都不能以80 km/h速度安全行駛，行駛速度不應(yīng)超過60 km/h，以保證車輛安全。對(duì)于常規(guī)高速公路而言，其最低限速一般為60 km/h，因此在降雨大風(fēng)天氣下可采取限速80 km/h的措施來保證安全；而在降雪大風(fēng)天氣下，路面處于積雪或結(jié)冰狀態(tài)，為保證安全，要求車速不能超過60 km/h。

當(dāng)車輛在曲線路段上行駛時(shí)，降雨情況下，風(fēng)力在5級(jí)條件下安全車速為80 km/h；而達(dá)到7級(jí)風(fēng)時(shí)，行車速度應(yīng)保持在60 km/h以內(nèi)，以不能達(dá)到高速公路的最低速度要求，應(yīng)采取禁止通行措施。降雪時(shí)路面積雪或結(jié)冰情況下，風(fēng)力達(dá)到5級(jí)及以上時(shí)，車輛安全行駛速度應(yīng)保持在30 km/h以內(nèi)，同樣已不能滿足高速公路最低行車速度要求，此時(shí)應(yīng)封閉通行，進(jìn)行除雪除冰措施。

4 結(jié) 論

筆者分別分析了直線路段和圓曲線路段，在雨雪伴隨大風(fēng)天氣下道路積水、積雪和結(jié)冰這3種惡劣條件下，通過對(duì)不同車速在惡劣天氣環(huán)境下行駛情況，進(jìn)行仿真模擬分析，選取車輛側(cè)向力系數(shù)和側(cè)向偏移量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)；分析了在惡劣天氣條件下，隨著天氣車輛附著系數(shù)減小，路面摩擦力降低，若想使車輛安全通行，則要將車輛所受側(cè)向力控制在駕駛員可控范圍內(nèi)。得出如下結(jié)論：

1)分析得出了“200 m直線+400 m半徑圓曲線”及8%超高這一特定線型組合下，各風(fēng)級(jí)條件下雨雪天氣時(shí)車輛穩(wěn)定行駛的臨界車速。車輛在5級(jí)風(fēng)以上雨天積水路面，路段線形為直線時(shí)，車速應(yīng)不高于80 km/h；當(dāng)路段為圓曲線時(shí)，應(yīng)將車速控制在50 km/h以下方可安全通行。車輛在5級(jí)風(fēng)以上積雪或結(jié)冰路面，路段線形為直線時(shí)，安全限速值為60 km/h；當(dāng)路段為圓曲線時(shí)，應(yīng)將車速控制在30 km/h以保證行駛安全；

2)直線長短對(duì)文中結(jié)論影響較小，研究結(jié)果可直接作為限速參考；而圓曲線路段半徑和超高都會(huì)影響車輛安全行駛速度。由于高速公路線形組合多樣，半徑和超高各不相同，客觀上難以找到一個(gè)公式進(jìn)行總結(jié)，因此筆者選取典型圓曲線半徑值進(jìn)行仿真計(jì)算，提供了在大風(fēng)雨雪天氣下車輛安全車速的計(jì)算方法。在實(shí)際中可根據(jù)具體情況修改參數(shù)，以調(diào)整計(jì)算結(jié)果；

3)對(duì)大風(fēng)雨雪條件下高速公路行駛的危險(xiǎn)性，可從以下方面來加強(qiáng)措施保證安全：① 建立氣象預(yù)警系統(tǒng)和信息發(fā)布系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)布危險(xiǎn)預(yù)警，告知駕駛員，提高駕駛安全；② 進(jìn)行必要的限速限距措施，并應(yīng)設(shè)立醒目標(biāo)志提醒駕駛員；③ 對(duì)降雪結(jié)冰路段，安全限速值達(dá)不到高速公路最低限速要求時(shí)，應(yīng)封閉路段并及時(shí)除冰除雪及進(jìn)行路面抗滑處理，提高路面的摩擦系數(shù)，從而提高車輛的安全行駛限速值。