王亨琴，李 政

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車輛數(shù)量隨之迅速增多，汽車行駛速度及載重量也在日益提高，這些綜合因素導(dǎo)致各類交通事故不斷發(fā)生，其影響已經(jīng)涉及到不同類型的部門、各行業(yè)和個人，甚至與全人類全社會都密切相關(guān)。其實(shí)，乘車與不乘車本身都存在一個安全問題，現(xiàn)代車禍及交通事故“是一場不休眠、無休止的戰(zhàn)爭”“汽車是殺人的可移動式的工具”[1]，交通事故的危害性涉及面廣，周期時間長，不僅反映在傷亡人數(shù)上，在經(jīng)濟(jì)方面所造成的損失也是巨大的，對家庭、行業(yè)發(fā)展的危害性也非常嚴(yán)重，已經(jīng)成為一個全人類社會性的大問題[2]。

針對現(xiàn)代公路交通運(yùn)輸?shù)陌踩枨?，尋求行駛車輛車頭時距與其整備質(zhì)量之間的相互關(guān)系，以提高公路交通的安全度和通行能力，改善日益惡化的公路交通。本研究通過對大量的實(shí)測六軸貨車整車質(zhì)量及車頭時距數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵聚類中心的計(jì)算分析和確定，明確整車質(zhì)量對車頭時距之間的相互影響關(guān)系。其目的在于為各種安全措施或保護(hù)裝置的設(shè)置或者管理，尤其為廣大駕駛員提供數(shù)據(jù)參考和駕駛行為的指導(dǎo)，達(dá)到遏制交通事故發(fā)展的目標(biāo)。這無論從經(jīng)濟(jì)方面、還是從人道方面，或者從這個社會層面來看，都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 車頭時距

車頭時距是評價駕駛安全性的重要指標(biāo)，它與交通流組成、駕駛行為密切相關(guān)，是反映道路通行能力和服務(wù)水平的重要依據(jù)[3]。從定義上來說，所謂車頭時距指的是在同一車道上行駛的車輛隊(duì)列中，兩輛連續(xù)車輛車頭端部通過某一標(biāo)準(zhǔn)斷面所用的時間間隔。一般用ht 表示，車頭時距的單位為s/Veh。車頭間距一般使用平均車頭時距來描述，平均車頭時距等于平均車頭間距與平均車速之商。

在道路上行駛的不同車輛，其車間距相對來說是較小的，行駛車隊(duì)中任何一輛車的車速快慢都受前車行駛速度快慢的影響和制約，車輛駕駛員只能按照前車行駛提供的信息采用相應(yīng)比較滿足安全要求的行駛車速，這種非自由行駛狀態(tài)在交通工程學(xué)中稱為車輛跟馳[4]。

跟馳狀態(tài)下行駛車輛具有制約性、延遲性和傳遞性的典型特征，這些特征也構(gòu)成了車輛跟馳行駛的基本特征，另外也是車輛跟馳模型建立的基礎(chǔ)和理論基礎(chǔ)[5]。若駕駛員保持其駕駛車輛與前導(dǎo)車的距離為S(t)，n為前導(dǎo)車，n+1 為后隨車，兩車在剎車操作后的相對位置如圖1所示。

圖1 線性跟車模型示意圖

為行駛安全駕駛員必須保持車輛與前導(dǎo)車一定的距離，后隨車的反應(yīng)與前導(dǎo)車發(fā)出的刺激成正比[6]。

2 車輛交通特性

行人、車輛、道路的時空分布規(guī)律與交通流的特性是道路交通的最基本要素特征。道路服務(wù)的車輛有小汽車、客車和貨車等不同類型車輛，車輛駕駛員的視線高度，車輛本身的尺寸、整備質(zhì)量、最高行駛車速、加速度、加速時間和性能以及其他一些特性都決定了車道寬度、豎向凈空、路梁荷載，這些因素也通過各種形式影響行駛車輛車頭時距的不斷變化。

為確保不同等級公路上各類車輛行駛的安全性，前后兩輛車輛必須保持一定的車頭時距，并需要時刻做好制動剎車的準(zhǔn)備，行駛車輛的制動性能主要體現(xiàn)在制動距離或者制動減速上，還體現(xiàn)在制動效能的穩(wěn)定性和制動時汽車的方向穩(wěn)定性上，制動過程實(shí)際上是汽車行駛的動能通過制動器轉(zhuǎn)化為熱能，當(dāng)溫度升高后，能否保持在冷狀態(tài)時的制動效能對于高速時制動或長下坡連續(xù)制動都至關(guān)重要，因?yàn)橹苿有軉适бl(fā)的交通事故比例也是非常之高[7]。

3 駕駛員的交通特性

行駛車輛制動距離等于反應(yīng)距離與制動距離（剎車距離）之和，在道路交通安全要素中，除行人和自行車交通以外，其他行駛?cè)蝿?wù)都由駕駛員來負(fù)責(zé)完成的。因此，絕大多數(shù)交通事故的發(fā)生直接或者間接地都與駕駛員的駕駛水平、反應(yīng)速度、行駛環(huán)境、情緒狀況、生理和心理等眾多因素密切相關(guān)，尤其反應(yīng)距離受駕駛員反應(yīng)操作、心理和生理特性的影響非常明顯。另外，如果所駕駛的車輛車輪發(fā)生跑偏，車輛將會有側(cè)滑信息，這也能影響行駛車輛的制動距離[8]。

表1 為駕駛員視野與行車車輛速度的對應(yīng)關(guān)系，車速與駕駛員視野之間的關(guān)系成反比，車速越高，駕駛員視野范圍越小，同時隨著整車質(zhì)量的增加，由于質(zhì)量慣性的影響，對駕駛員行車制動操作將提出更高的要求。

表1 駕駛員視野與行車速度的對應(yīng)關(guān)系

4 整車質(zhì)量對車輛制動效果影響分析

物質(zhì)在相互發(fā)生作用的過程中，會發(fā)生物質(zhì)、能量之間的運(yùn)動轉(zhuǎn)化，原有的平衡狀態(tài)就會被改變或打破，以形成具有新的運(yùn)動狀態(tài)和結(jié)構(gòu)形態(tài)的物質(zhì)。根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能守恒方程的原理可知，一定的質(zhì)量對應(yīng)于一定的能量，反之來說一定的能量也對應(yīng)者一定的質(zhì)量。這樣就可以進(jìn)一步認(rèn)為，慣性就是能量的屬性，能量是具有慣性（質(zhì)量），任何慣性質(zhì)量都應(yīng)歸因于能量。狹義相對論的結(jié)果也顯示，能量與質(zhì)量不是互不相干的物理屬性，而是可互相轉(zhuǎn)換的[9]。

在非自由流行駛狀態(tài)下，行駛車輛制動的距離受車輛制動前的瞬時速度（一般也稱為初速度）、車輛整車質(zhì)量、輪胎性能狀況、制動系統(tǒng)及路面光滑程度等眾多因素的影響，其中主要因素就是車輛制動力和車重。車輛制動力指剎車片與剎車盤之間的摩擦力以及輪胎與路面之間的摩擦力，車輛整車質(zhì)量對制動力的大小產(chǎn)生積極效果和作用[10]。表2為我國《商用車輛和掛車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》（GB 12676-2014）中，關(guān)于不同車型在空載狀態(tài)時對制動距離的要求數(shù)據(jù)信息。

表2 不同車型（空載時）制動距離要求

基于基本生活經(jīng)驗(yàn)人們也可以認(rèn)識到，行駛運(yùn)動快的汽車剎車難度增加那是因?yàn)檫\(yùn)動速度越快，物體的運(yùn)動狀態(tài)越難被改變。車輛在行駛過車中的實(shí)際剎車，輪胎沒剎死，防抱死制動系統(tǒng)（ABS）本身功能就是防抱死車輛失控，尤其是滾動摩擦剎車效果或者從滾動摩擦進(jìn)入滑動摩擦的時間受車重影響非常之大[11]。這也進(jìn)一步從物理學(xué)的角度解釋說明了整車質(zhì)量對車輛制動、車頭時距及交通安全產(chǎn)生的重要影響。

5 整車質(zhì)量與車頭時距相關(guān)性分析

公路交通運(yùn)輸是交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，隨著公路工程建設(shè)項(xiàng)目和里程的快速增長，人民物質(zhì)生活水平也在全面提高，汽車成為人民出行的必備交通工具，致使公路上行駛的車輛形色各異，受出行目的、交通環(huán)境、駕駛?cè)藛T等眾多因素的限制，行駛車輛的整車質(zhì)量也呈現(xiàn)出多樣化的表現(xiàn)。本研究通過收集某條高速公路24 h 內(nèi)全部六軸貨車的行駛速度、整車重量和車頭時距等相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，按照行駛速度的升序排列了24 h 內(nèi)行駛該六軸貨車的數(shù)量分布情況，共產(chǎn)生1 089組數(shù)據(jù)。如圖2所示，可見部分六軸貨車的最大時速也達(dá)到了100 km/h以上。

圖2 24 h內(nèi)車輛行駛速度（升序）趨勢圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證論文統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的有效性和統(tǒng)計(jì)結(jié)果展現(xiàn)的直觀性，選擇統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)中的樣本數(shù)據(jù)，先按照車輛行駛速度的升序進(jìn)行排列，再通過模糊C均值聚類（FCM）聚類算法對整車質(zhì)量分布散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行類中心計(jì)算確定，并采用Matlab 軟件中自帶的shape preserving函數(shù)勾畫出類中心保形曲線，全部車輛整車質(zhì)量樣本數(shù)據(jù)分布如圖3所示。

圖3 升序車速條件下整車質(zhì)量數(shù)據(jù)分布

通過對圖3 分析可進(jìn)一步看出，車輛行駛速度較低的時段，整車重量也較大，隨著行駛車速的增長，整車重量隨之下降，聚類中心保形曲線呈現(xiàn)出波形下降趨勢，直至達(dá)到一個基本穩(wěn)定的形態(tài)。這說明車輛行駛速度受到整車質(zhì)量這一因素的影響和制約，兩者呈現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)性。

采用零階（Pearson）相關(guān)性分析方法，分析整車重量與車頭時距之間直接的相關(guān)性，相關(guān)性數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果為0.041，可知行駛車輛整車質(zhì)量和車頭時距無明顯相關(guān)性。

將車輛整車載重升序排列之后，擴(kuò)展相應(yīng)的車頭時距分布數(shù)據(jù)可知，車頭時距數(shù)據(jù)分布均勻，未受到車輛載重因素的制約。同理，在車輛行駛速度升序排列之后，擴(kuò)展相應(yīng)的車頭時距數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)結(jié)果分布類似，也驗(yàn)證了前人在車輛載重重量和車頭時距關(guān)系研究中得出的基本結(jié)論，即車頭時距不隨速度的變化而波動。

通過對整車質(zhì)量與車頭時距的相關(guān)性分析分析足以說明以下問題：一是受整車質(zhì)量的限制，車輛載重量較大時，車輛行駛速度較低；二是隨著車輛載重量的減輕，車輛行駛速度將有所提高，隨著整車質(zhì)量的進(jìn)一步減輕，車輛行駛速度有進(jìn)一步的提高現(xiàn)象，但是基于安全考慮，這時候駕駛員駕駛安全性可控量會被進(jìn)一步壓縮，而車頭時距表示的是前后兩車通過某一斷面的時間差，其不隨行車速度和車輛載重而呈現(xiàn)大幅波動。

車輛行駛速度、整車質(zhì)量及車頭時距的分布現(xiàn)象符合車輛動力學(xué)性能和駕駛員安全駕駛心理的要求。

6 結(jié)論

本研究從車輛非自由行駛狀態(tài)模型入手，詳細(xì)介紹了車輛跟馳模型表現(xiàn)的原理和方法，分析了行駛車輛和道路交通的基本特性，并從物理學(xué)角度出發(fā)論述了整車質(zhì)量對駕駛員駕駛操作和車頭時距產(chǎn)生的影響。文章在行車速度升序排列的條件下，采用FCM 聚類算法對整車質(zhì)量實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行類中心確定，結(jié)果顯示車輛行駛速度受整車質(zhì)量的制約，載重量與行駛速度呈負(fù)相關(guān)性，而車輛載重和行車速度對車頭間距不產(chǎn)生波動性影響。該研究成果可為駕駛員的安全駕駛及交通安全管理政策制修訂等工作提供一定的數(shù)據(jù)參考和行為指導(dǎo)。