（载运工具运用工程专业论文）基于虚拟仿真的高速公路车—路条件下动态限速值研究.pdf

摘要 在我国，道路交通安全已经成为影响人们生活的重要问题之一。据亚洲丌发 银行统计，当前我国约每五分钟就有一人因交通事故死亡。随着公路里程的增长 和机动车保有量的增加，我国的道路交通安全问题将会更加突出。 超速行驶是高速公路交通事故发生的一个重要原因，因此世界各国的交通法 规都对车辆的行驶速度加以限制，限速也是最为有效的安全措施之一。然而，目 自订我国的限速值设定主要在法定限速和设计速度的基础上进行调整，调整值多凭 经验确定，缺乏统一的标准和客观的数学模型加以量化：而且广泛采用的全线限 速方法，并没有考虑不同车辆、道路、气候条件、交通流等因素对车速的影响， 其限速值不能反映道路实际行车条件和车辆运行特性，缺乏合理性，从而出现限 速标志可信度下降、执法压力增大等一系列问题。 为克服以上不足，本文提出一种基于虚拟仿真的动态限速值设定方法。在对 影响车速的各种因素及高速公路车辆运行特性进行综合分析的基础上，探寻影响 车辆安全行驶的关键因素：在主要考虑道路和车辆因素的6 玎提下，通过理论分析 与仿真试验相结合，得到车辆安全行驶状态的评价指标和判别标准；在多体动力 学仿真软件a d a m s 平台上，建立车辆模型、道路模型、车一路耦合模型、仿真试 验模型和车辆安全状态识别模型，并构建起高速公路车一路条件下安全速度仿真 识别系统；通过特征路段模拟场景的建立、仿真方案的设计及仿真试验步骤的建 立，实现仿真试验；借助实际道路模型，举例说明基于虚拟仿真的高速公路车一 路条件下动态限速值设定方法，并与工程研究方法和现场调查得到的结果相比 较，从而验证了仿真识别系统的可行性。 仿真试验结果表明，基于虚拟仿真得到的限速值与依据工程研究方法及现场 调查的结果相一致，能够充分反映高速公路车辆的运行特性，具有很好的可行性， 为限速值的设定提供了新的方法。同时本文提出的高速公路限速应根据实际的车 辆、道路、交通、气候等条件进行动态控制，也为高速公路限速研究提供了一种 崭新的思路。 关键词：高速公路；动念限速；虚拟仿真；a d a m s ab s t r a c t i nc h i n a ，r o a dt r a f f i cs a f e t yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ti m p a c ti np e o p l e sl i f e a c c o r d i n gt ot h ea s i a nd e v e l o p m e n tb a n ks t a t i s t i c s ，o n ep e r s o nd i e da sar e s u l to f t r a f f i ca c c i d e n t sa b o u te v e r yf i v em i n u t e si no u rc o u n t r y w i t ht h eg r o w t ho fh i g h w a y m i l e a g ea n dt h ei n c r e a s ei nt h en u m b e ro fm o t o rv e h i c l e s ，c h i n a sr o a dt r a f f i cs a f e t y p r o b l e m sw i l lb e c o m em o r es e r i o u s s p e e d i n gi sa ni m p o r t a n tr e a s o no ft h eh i g h w a yt r a f f i ca c c i d e n t ，s oe v e r yc o u n t r y i nt h ew o r l dh a sm a d et r a f f i cl o w st oc o n t r o lt h ev e h i c l es p e e d s p e e dc o n t r o li sa l s o o n eo ft h em o s te f f e c t i v es e c u r i t ym e a s u r e s h o w e v e r ，t h ec u r r e n ts p e e dc o n t r o l s t a n d a r d sa r em a i n l ys e tb a s e do nt h el e g a ls p e e dl i m i ta n dt h ed e s i g ns p e e di no u r c o u n t r y t h es p e e dl i m i ti sl a c ko ft h eu n i f i e ds t a n d a r d sa n do b j e c t i v em a t h e m a t i c a l m o d e lt oq u a n t if y ，s oi tc a n n o te x p r e s st h ea c t u a lr o a dd r i v i n gc o n d i t i o n sa n dv e h i cl e o p e r a t i n gr u l e s t oo v e r c o m et h ea b o v es h o r t c o m i n g s ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e wm e t h o d ， w h i c hi sb a s e do nt h ev i r t u a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，t of i n dar e a s o n a b l es p e e dl i m i t t h i sp a p e rh a sf o u n dt h ek e yf a c t o r sw h i c hi m p a c t e dt h es a f e t yo fv e h i c l e st r a v e l i n g b ya n a l y z i n gv a r i o u sf a c t o r sa n dt h eh i g h w a yt r a f f i cr u l e s t h i sp a p e ra l s op r o p o s e d t h es t a n d a r d st oe v a l u a t et h es a f e t yo fv e h i c l e st r a v e l i n gm a i n l yc o n s i d e r e dr o a da n d v e h i c l ef a c t o r sb yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n o nt h eb a s eo fm u l t i b o d y d y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r ea d a m s ，t h ea u t h o rb u i l tv e h i c l em o d e l ，r o a dm o d e l ， r o a da n dv e h i c l ec o u p l i n gm o d e l ，s i m u l a t i o nm o d e l ，v e h i c l es a f e t ys t a t u sr e c o g n i t i o n m o d e la n dt h e h i g h w a yv e h i c l e s r o a dc o n d i t i o n ss a f es p e e ds i m u l a t i o n i d e n t i f i c a t i o ns y s t e m t h e nas i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fa na c t u a lr o a dm o d e lh a sb e e n t a k e nt oi l l u s t r a t et h i sn e wm e t h o d f i n a l l y ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h i ss i m u l a t i o ns y s t e m h a sb e e np r o v e db yc o m p a r i n gt h et r a d i t i o n a lm e t h o d sa n dt h ea c t u a ls u r v e yr e s u l t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es p e e dl i m i tb a s e do ns i m u l a t i o nt e c h n o l o g y c a nf u l l yr e f l e c tt h eh i g h w a yv e h i c l e so p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dh a sag o o d f e a s i b i l i t y t h ea u t h o rb e l i e v e st h a tt h eh i g h w a ys p e e dl i m i ts h o u l db eu n d e rd y n a m i c c o n t r o lb a s e do nt h ea c t u a lc o n d i t i o n so fv e h i c l e s ，r o a d s ，t r a f f i ca n dw e a t h e r s ot h i s p a p e ra l s op r o v i d e san e ww a y o ft h i n k i n gi nt h es t u d yo fh i g h w a y s p e e dc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：h i g h w a y ；s p e e dc o n t r o l ；s i m u l a t i o n ；a d a m s 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：_ 瑾 f lg q ： ，听年f 月，e l 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：5 健 r 期：工p 口年f 月，6f t 指导教师签名： 同期：砷年 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名：弓隹 f 1 期：1 0 0 c 年，月，51 7 荔多劾 | 只c2i t 第一章绪论弟一早z 百t 匕 1 1 本文研究的目的和意义 全世界每年死于道路交通伤害的人数高达1 0 0 多万人，有2 3 0 0 万 - 3 4 0 0 力人在 交通事故中受伤，其中中低等收入国家的死亡人数占了近8 6 。据世界卫生组织 ( w h o ) 2 0 0 4 年全球道路交通伤害研究报告指出，预测从2 0 1 0 年至2 0 2 0 年，全球道 路交通事故伤害死亡人数将从1 0 0 万增加至1 j 2 3 4 万( 占所有死亡的3 4 ) ；在中等 收入和低等收入国家，道路交通事故死亡平均将上升8 0 左右1 。 从8 0 年代以来，我国道路交通事故数和死亡人数已超过美国，居世界第一位。 在我国，道路交通安全问题已经成为影响人们生活的重要问题之一。仅2 0 0 7 年， 我幽就发生交通事故3 2 7 2 0 9 起，造成8 1 6 4 9 人夕匕亡、3 8 0 4 4 2 人受伤。虽然近年米我 国的道路交通事故数和死亡人数呈现下降趋势，但随着生活水平的提高，人们对 自身出行的安全越加关注。据抽样调查，在影响人们安全感的几大因素( 交通事 故、刑事犯罪、公共秩序混乱、火灾、其它) 中，道路交通事故自2 0 0 6 年起跃居 第一位，成为影响人们安全感的最重要因素。图1 1 是在影响人们安全感的几大因 素中，认为交通事故是最重要因素的人所占比例。从图中可以看出，人数明显呈 现上升趋势。 图1 1 在影响人们安全感的几大因素中认为交通事故是最重要因素的人所占比例 高速公路事故多发是我国道路交通事故的主要特点之一。截至2 0 0 7 年底，我 国公路通车总罩程达3 5 8 万公里，其中高速公路5 3 7 力公罩，居世界第二位。公路 已成为我国交通运输体系的主要组成部分。然而，随着公路罩程的增长和机动车 保有量的增加，我国高速公路交通安全状况十分严峻。由图1 2 可以看出，1 9 9 4 年 2 0 0 6 年，我国高速公路交通事故死亡人数一直呈增长态势，在这1 2 年问增长了1 1 3 倍，年均增长2 3 2 8 。 围12 裁国高速公路事故数 在一些发达国家一般高速公路的交通事故发生率仅为普通公路的l 3 1 2 ， 甚至更低；而我国在过去几年中，高速公路交通事故百公里发生率约为普通公路 的4 倍且重大、恶性交通事故时有发生。 山于高速公路全封闭、全立交、横向干扰少，因而在低密度交通流状态r 为 车辆超速行驶创造了条件。超速行驶是高速公路交通事故发生的一个主要原因。 蹦l ：沩我田某高速公路交通事故成因分析“1 。从中可以看出，由超速行驶引发的 交通事故占到了事故总数的2 0 。而且由超速行驶导致的交通事故多为车辆问追尾 碰撞和单方交通事故，其中重、特大事故较为突出，由此造成的人员伤亡和社会 经济损失相当严重。 帮口n j 芘l 田 舶 围13 某高速公路事故成因分析 * j 施4 啮 超速对交通安全的危害非常大，因此世界各国的交通法规都对车辆的行驶速 度加以限制。限速也是晟有效的安全措施之一。目前我国高速公路限速标准是依 掘中华人民共和国道路交通安全法的规定，执行“高速公路限速标志标明的 最高时速不得超过1 2 0 公里”。东西部地区由于地形差异，限速标准也有所不同， 东部沿海平原微丘地区绝大部分高速公路最高限速1 2 0 k m h ，西部位于山岭重丘区 的高速公路最高限速8 0 k m h ，香港地区和台湾地区高速公路最高限速l l o k m h 。 这种限速方法虽然在一定程度上改善了道路交通安全状况，但由于没有考虑 到不同的车辆、道路、气候条件、交通环境等因素对驾驶员车速选择的影响，因 而缺乏合理性，容易造成限速过高或过低的情况。限速过高会使司机对车速的控 制更加随意，限速过低可能违背绝大多数驾驶员的速度期望，导致驾驶员对限速 的漠视。因此，只有将“人一车一路一环境”作为一个整体进行考虑，在对各种 影响车速的因素进行综合分析的基础上，对高速公路实施合理的、动念的限速控 制，j 能实现限速的根本目的，即寻求车辆安全行驶与运输效益间的平衡点。 本文对高速公路车一路条件下动态限速的研究就是出于以上考虑。在充分了 解高速公路车辆运行特性的基础上，对影响车速的各种因素进行了分析，同时借 助虚拟仿真技术，对高速公路上车辆的安全行驶状态进行判别，提出了一种动念 的限速值设定方法，从而为寻求合理的高速公路限速值提供了新的思路，对保障 交通安全具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外现行高速公路限速情况 国内外现行的高速公路最高时速规定如图1 4 所示：。 近年来，随着我国道路交通条件的改善、车辆性能的提高，以及人们时间观 念的增强，人们对现有高速公路所实行的限速标准有了新的认识，对高速公路合 理限速的呼声越来越高。 什么是合理限速，怎样进行合理的限速控制，一直是世界各国关注的问越。 然而各个国家实际国情不同，对限速的规定和措施也有所不同。即使是同一国家， 在不同阶段、不同时期、不同地区及不同经济条件下，对限速值也会有不同的规 定。因此我们只能借鉴国外先进的限速值设定方法，并依据自身的特点加以完善， 以寻求适合我国高速公路管理的合理限速值。 簸高时速 ( k m h ) 国家( 地区) 名称 无限制德围( 仅限于部分道路) 1 5 0 惑大利 l3 0法国，端上，奥她年1 j ，德国( 部分道路) 保加利亚比利时务兰、卢森链殴班 牙葡萄牙南斯拉夫瑶七( 部分道路) l2 0 中罔德围( 部分道路) 、加拿大澳大利 贬 英国瑞典、捷克波兰、中国爵湾省香 1 1 0 港特男町行政嚣 1 0 i ) 日本，希腊、丹麦荷兰匈牙利 罗马尼巫土耳其挪威( 法国葡萄牙 9 0 领到驾照两年以内的新手，在公路干线卜 行车时遥不得超过9 0 公里) 8 8 美国 图1 4 世界各国行车最高时速 1 2 2 限速值设定方法研究现状 目前，我国的限速值设定办法主要是在法定限速值和设计速度的基础上，根 据车流量、交通事故、沿路地区发展水平等因素进行调整。然而，影响因素对限 速值的影响程度缺乏客观的数学模型加以量化，调整值多凭经验确定，限速值合 理与否与设计人员的主观经验有着很大关系。由于缺少适当的数学模型和统一的 标准，限速值确定一直是交通安全管理工作的一个难题。 国际上在限速值设定方面提出了法定限速、最佳限速、工程调查研究、专家 系统确定等方法。8 1 法定限速方法 法定限速是由国家或地方政府以法律条文的形式，为一个大范围区域( 如市 区、郊外) 内的各类型道路规定车辆行驶速度值。确定法定限速值时需要对道路设 计速度、车辆运营速度、交通事故及执法情况等因素综合考虑。 最佳限速方法 最佳限速是o p p e n l a n d e r 于1 9 6 2 年提出的，以成本与利益关系为基础，从社会 经济学角度出发，寻求综合效益最大化的速度管理方法。该方法需要以驾驶人对 于出行时间成本、燃料消耗成本和生命价值的判断为基础。但是这些变量难以量 化，因而在实践中很难被应用。 工程研究方法 工程研究方法主要是以8 5 位速度为基础，并根据事故发生情况、沿路地区的 丌发水平、道路线形及最大法定限速进行调整来确定道路限速值。人们通过对车 辆运营速度的调查统计和回归分析发现，运营车速累积频率分布曲线的斜率一般 在第8 5 位及第1 5 位附近突变，这表示超过第8 5 位和小于第1 5 位车速的车辆所 占比例小，所以一般以第8 5 位车速作为设定最高限速的依据，而以第1 5 位车速 作为设定最低限速的依据。美国交通工程师协会技术委员会建议，限速区域内的 限速要以工程研究为基础，对于以过境交通为主的高等级道路，可以用8 5 位速度 作为限速值，而对于低等级道路，需要在8 5 位速度的基础上考虑道路线形、交通 状况和沿路地区的丌发水平等因素。 专家系统确定方法 专家系统确定方法是利用一套模拟专家思考过程的计算程序来确定指定区域 的限速值。澳大利亚道路研究部对道路安全计算机应用软件进行了完善，该软件 可以为道路管理部门确定限速值提供决策程序，应用时需输入现有限速值、运行 速度、土地使用、可到达性、路面特征、交通事故历史记录及其他相关因素。 此外，针对高速公路限速控制是一个非线性时变系统，难以用数学模型准确 建模的特点，人们还提出了基于人工神经网络的限速控制方法。这种方法利用神 经网络对复杂问题的自适应和自学习能力，使系统具有适应时变特性的能力，从 而实现对高速公路更为有效的限速控制。 综上几种方法中，目自，j 被国外广泛采用的是以8 5 位运营速度为基础的工程研 究方法。然而，设置限速时把8 5 位车速作为主要考虑对所有的道路不一定都是合 适的。例如，在速度离散大的道路上，如果把8 5 位车速作为限速就会增加安全隐 患；对于混合交通、交通量大和路侧干扰严重的道路也不适合采用8 5 位车速作为 限速。 根据高速公路的发展以及国外的研究经验表明：对高速公路的速度限制不宜 采用单一的限速值：在制定限速值时除了需要参考相关的技术信息，诸如设计速 度、运营速度( 8 5 位车速) 、安全经验( 即事故频率和结果分析) 以及执法经验外， 还应该根据高速公路实际的道路、交通、气候等条件进行合理的动态调整，从而 实现对高速公路的动态控制。 1 2 3 高速公路限速方法 为了减少道路交通事故的发生，目前我国交通管理部门采取的限速方法主要 有以下几种9 1 ： 全线限速 全线限速是目i j 我国采用最为广泛的一种限速方法。在具体应用时，主要依 据设计速度来确定限速值的大小，对一整条路实施单一的限速值，并在出入口、 交叉口等关键位置设置限速标志。全线限速具有法律效力，是交警执法的主要依 据，属强制限速。 全线限速具有以下特点： 1 ) 优点实施方便。 2 ) 缺点限速值不能反映道路实际行车条件，与车辆实际运行速度不一致，总 体表现为限速值偏低，其后果是招致司机的强烈不满与抱怨，从而出现限速标志 可信度下降、执法压力增大、对执法公信力的挑战等一系列问题。 特殊点段局部限速 特殊点段局部限速是我国目自订所广泛采用的另外一种限速方法，通常配合全 线限速使用。该方法主要适用于事故多发点段、长大隧道以及线形指标与整条道 路相比明显偏低或多采用低限、极限技术指标的路段。该限速方法也具有法律效 力，属强制限速。除长大隧道外，局部限速路段的长度一般不超过5 k m 。由于局部 限速值通常低于其他一般路段的限速值，且长度较短，因此通常在起始处设置限 速标志，并在结束处设置解除限速标志。 国外在特殊点段局部限速时，也有采用建议限速的。设置建议速度的目的是为 了引导司机在潜在危险点( 如弯道、匝道、陡坡处) 根据建议限速标志上标明的数 值自行选择安全车速。建议速度通常不具备法律效力，属非强制限速。国外研究 表明：建议速度标志对经常过往、熟悉路况的司机更为有效。事实上这一结论反 映出一种学习效应，即当驾驶员首次以高于建议速度值的速度通过控制路段时会 感到舒适性较差，那么当驾驶员再次通过时就有可能按照建议速度行驶。目日，j 国 内也在积极探讨和尝试采用建议速度的方法。 局部限速具有以下特点： 1 ) 优点对于减少事故多发路段的事故数量、确保运行安全发挥了积极作用。 2 ) 缺点以设计速度为限速值确定的依据，并进行一定程度的折减( 在一般路 段限速值的基础上进行下调) ，至于折减多少多凭经验，其合理性值得推敲；部分 限速值过低。速度不是导致事故发生的惟一因素，车速低并不意味着事故发生的 可能性就小，另外驾驶员并非完全按限速值来控制车速，因此一味地降低限速值 并不是解决交通安全问题的良方。 分路段限速 分路段限速是将整条道路或一较长路段划分成若干小的路段单元，每个路段 单元依据各自的道路线形、交通量等因素采取不同的限速值。 需要指出的是，我国在修建公路时通常一整条道路采用同一设计速度、同一 技术等级，因此全线限速与特殊点段局部限速相结合的限速方法在实际运用中占 主导地位，分路段限速采用的不多。加之当前限速值的确定通常参照设计速度， 使得该限速方法仅在分路段采用不同设计速度或技术等级时才有少量应用。 分路段限速具有以下特点： 1 ) 优点各限速路段的限速值更符合本路段线形、交通流、事故等因素所反映 的行车条件。 2 ) 缺点限速路段的划分是一项十分困难的工作。在划分时通常需要丌展详细 的车速调查、事故分析及事故多发路段的识别、线形指标与标准的符合性检验等 技术工作，并且需要结合工程技术人员的经验来确定，目前尚无定量的方法或严 格的准则可以参照。 分车道限速 分车道限速是指在不同车道采用不同限速值的限速方法。限速标志通常采用 门架式或借助跨线桥附着于桥梁上，车道上方正对的限速标志标明了该车道的限 速值，也可采用在路面上施划文字标记的方式。 分车道限速具有以下特点： 1 ) 优点减小同一车道车辆f n j 的速度差( 离散性) ，减少车辆变换车道操作，有 助于提高车辆运行的安全性。如果将最内侧超车道改为正常行驶车道( 双向4 车道 的高速公路，内侧车道设置为超车道的做法在国内非常普遍) ，在交通量较大时还 有助于提高道路的通行能力。 2 ) 缺点不同车道限速值不同，但曲线处的超高却相同，如果某个车道的限 速值偏高或偏低则可能出现欠超高或过超高的现象，带来一定安全隐患：每个车 道的限速值应该是一个范围而不是单一的确定值，因此限速值的确定较为复杂， 需要考虑交通量水平、车道数、车辆速度分布比例等因素。 分车型限速 分车型限速是指根据交通流运行特点、车辆运行安全以及运营管理的需要， 对不同车型实施不同的限速值。要实行分车型限速，首先必须对各类车辆的制动、 抗撞击、防侧滑等主要的安全性能进行认真严格的测定，评定其安全指标。这 工作的技术要求较高，工作量较大，目前尚未进行系统的研究。 国外目前通常按照客车和大型货车( 重型卡车及拖挂车) 划分车型。我国借鉴 国外的做法，般在高速公路上设置的限速标志指明“小客车最高限速1 2 0 k m h ， 货车最高限速9 0 k m h ，最低限速6 0 k m h ”。大客车限速标志虽没有给出，但道 路交通安全法实施条例第7 8 条明确规定“高速公路上行驶的小型载客汽车最高 车速不得超过1 2 0 k m h ，其他机动车不得超过l o o k m h ”。这说明除小客车以外的 其他客车最高限速为l o o k m h 。 在分车型限速与安全的关系问题上，目前尚未得到一致的结论，仍需要进行 更多的研究。比如在对待卡车实施更低限速的问题上，支持者认为卡车与小汽车 相比加减速性能差、操作不够灵活、制动距离长，因此会导致更多的事故发生和 更为严重的后果；而反对者则认为，由于对卡车实施了更低的限速，导致车辆间 速度差更大，加剧了因换道、超车等操作造成的冲突，可能引发更多的事故。 分车型限速具有以下特点： 1 ) 优点考虑了不同类型车辆i b j 的性能差异，有助于改善特定类型车辆的安全 运行状况。 2 ) 缺点车型分类的不确定性和多样性往往是实施分车型限速的主要障碍。 其他限速方法 1 ) 特殊天气条件下限速 由于不良天气条件( 如雨、雪、雾) 给行车安全带来了较大不利影响，因此国 内很多道路除舰定了常规的限速外( 良好天气条件下) ，还给出了不良天气条件下 的限速值。 2 ) 分时段限速 在不同的时间段实施不同的限速标准，较为常见的做法是按照白天和夜i b j 戈0 分时段。美国的一些州在某些类型的道路上就采用了这一限速方法。由于夜间的 视认性差，且统计结果表明夜间相对于白天而言事故率更高，事故严重性更大， 有必要对夜间的车速进行严格控制。然而，司机通常不愿意在夜l 自j 降低车速，因 此仍需要丌展进一步的研究以确定分时段限速的效果。目前国内尚无此方面的应 用案例。 。 3 ) 可变限速 伴随技术的发展，可变限速系统萨得到越来越广泛的应用。可变限速是指在 高速公路上设置可变限速标志来限制行车速度，从而使主线上的交通流速度能随 车流密度的变化而变化，以保证交通流的均匀、稳定，同时还能提高道路通行能 力。目前，国内高速公路路侧设置了一定数量的可变限速标志，标志除显示限制 速度值外，还可以显示其他多方面的信息。但可变限速目自仃存在的主要问题是： 限速值多凭经验设定，不能客观、动态地反映行车条件的变化情况：虽然有研究 建立了可变限速值的控制数学模型，但模型的适用性没有经过实践验证，可行性 值得推敲；另外，可变限速是否具有执法效力仍存在争议。 1 2 4 基于虚拟试验技术的汽车动力学仿真研究现状1 2 1 汽车的动力学研究起步于上个世纪初期。早期的汽车动力学研究中只是将汽 车本身作为被控对象：后来各国学者发现这种研究方法的不完全性，逐步考虑到 采用“驾驶员一汽车一道路”的闭环系统，将汽车作为该闭环系统中的被控部分， 考虑汽车本身时又将汽车的各大部件加入考虑，如汽车的轮胎，汽车的悬架，汽 车的制动性能，汽车的动力性能等。 汽车的动力学研究主要采用两种方法：一类是以试验为主的主观评价方法； 另一类是以理论分析为主的客观评价方法。主观评价就是让试验评价人员根据试 验时自已的感觉来评价汽车的性能及其影响因素。但如果研究仅停留在试验阶段， 或根据过去的经验来应对新的设计要求，而不去揭示汽车设计或影响其性能的内 在规律，必然会有许多未知的因素使试验结果与过去的试验相矛盾，同时大量重 复的试验将使汽车设计耗资巨大、周期较长。客观评价通过理论分析确定汽车评 价指标与汽车结构的函数关系，即根据已知的物理定律来描述相关的力学特性并 建立分析模型。模型由力与运动的代数或微分方程式表示，通过这些方程式来评 价汽车的性能，提供了改变汽车结构及结构参数以提高汽车性能的手段。但是汽 车动力学是一门相当复杂的学科，要想通过理论分析得到符合实际的结果必须考 虑很多因素。人们为了不同的研究目的建立了线性二自由度、线性三自由度、线 性四自由度和十七自由度、二十一自由度等模型。这些模型有的已经十分复杂， 但不管多复杂，都采用了很多假设，而且不具备通用性。另外，对汽车制造而言， 每次新产品设计完成后，都需要专业人员对新品汽车建立或选择所需的多自由度 汽车模型、轮胎模型、道路模型、驾驶员模型，然后再选择合适的算法，运用计 算机语言( 主要是c 语言、m a t l a b 语言、f o r t u n e 语言等) 编程并完成相关分析。 虽然现在计算机技术迅速发展，但由于所建立的模型总是存在缺陷且需要一定时 间刊能完成新车的动力学分析，因此人们丌始考虑设计各种新型软件来代替这一 过程，于是出现了多种版本的汽车动力学仿真分析软件，其中a d a m s c a r 是最具 代表性的一种软件。 机械系统动力学自动分析软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发的非常著名的虚 拟样机分析软件。目前，a d a m s 已经被世界各行业许多主要制造商采用，占据了机 械系统动态仿真软件5 1 的市场份额。a d a m s 一方面是虚拟样机分析的应用软件， 用户可以很方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析：另一方面，又 是虚拟样机的分析开发工具，其丌放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行 业用户进行特殊虚拟样机分析的二次开发工具平台。 国外早就丌始了“虚拟试验 技术的研究与应用，并形成了一系列商业化的 虚拟试验仿真系统软件，这是汽车领域运用虚拟样机新技术的大趋势。美国福特 公司早在2 0 世纪7 0 年代木就已在其新丌发的新型卡车上采用了虚拟试验技术， 之后通用汽车公司、克莱斯勒汽车公司及德国、同本等国的汽车公司，都纷纷” 始研究与应用虚拟试验技术。各大汽车公司都投巨资构建其高度自动化的虚拟样 机系统，有近3 0 家大的汽车公司拥有二次丌发a d a m s c a r 系统的能力，并将其应 用于整车的设计与开发。目前这些先进的汽车公司都已将虚拟试验技术广泛应用 于新产品开发，可以说虚拟试验技术已从研究、支持，发展成为实际科研应用中 的成熟技术。 我国在“虚拟试验 技术方面的研究起步较晚，多数是在国外成熟软件开发 基础之上的应用研究。诸如汽车操纵稳定性、行驶平顺性及汽车制动性能方面的 仿真研究，大多局限于对汽车本身参数的优化和轮胎的受力分析。本文将“虚拟 试验”技术应用于高速公路动态限速的研究当中，扩展了其应用范围，同时也为 高速公路限速值的设定提供了一种新的方法和思路。 1 3 本文研究的主要内容 本文提出了一种基于虚拟仿真技术的动态限速值设定方法。即在多体动力学 仿真软件a d a m s 基础上，通过建立车辆模型、道路模型、车一路耦合模型、仿真 试验模型等，构建起一个高速公路车一路条件下动态限速值仿真识别系统。该系 统能够实现对车辆在高速公路上运行过程的仿真，并得到相应的车辆行驶动力学 响应曲线。通过对仿真结果的分析，并结合汽车动力学原理，能够对车辆的行驶 状态进行判别，从而得到车辆能够安全通过仿真路段的最高车速，并以此作为车 辆在该路段上的建议限制值。 本文共分为六章内容。第一章说明了本课题选取的目的和意义，介绍了国内 外现行的限速标准、限速方式及限速值设定方法的研究现状。第二章介绍了车速 与交通安全的关系以及超速行驶对交通安全的影响，指出限速是保障交通安全的 一种非常重要且有效的方式。第三章对车速的影响因素及高速公路上车辆的运行 特性进行了分析，指出限速值在设定时应该注意的问题：同时从车一路耦合的角 度出发，通过对道路和车辆因素对交通安全的影响分析，确定了高速公路车辆安 全行驶状念的判别标准。第四章在a d a m s 平台上建立了车辆模型、道路模型、车 一路耦合模型等，并构建了高速公路车一路条件下安全速度仿真识别系统。第五 章建立了实际的道路模型，通过对其中某一路段进行仿真试验，举例说明了基于 虚拟仿真的高速公路车一路条件下动念限速值的设定方法，并验证了该方法的可 行性。第六章全文总结，提出了本文的创新点及需完善之处。 第二章币速与交通安全分析 第二章车速与交通安全分析 2 1 设计车速、运营车速与限制车速 车速决定了车辆运行的经济性和安全性，当车辆以合理的速度行驶时，不仅 降低了资源的消耗，增大了道路的通行能力，还保证了车辆的安全性。道路的设 计车速、运营车速和限制车速是最为常用的三个速度指标。了解其基本概念及相 互之间的关系是确立合理限速值的自仃提和依据，对于研究道路交通安全十分必要。 根据美国各州公路运输工作者协会( a a s h t o ) 对设计车速的定义，设计车速是 指根据公路某一指定路段的设计特点，在有利环境条件下所允许的最大安全行驶 车速，即公路路段设计特点所决定的最差路段的最大安全行驶车速。而根据美国 最新版的“绿皮书”公路和街道几何设计政策称，设计车速是一个选择 的速度，用来确定设计道路的各种几何特征，并把“安全”这个词从上一版的定 义中删去了，避免以为超过设计车速是“不安全”的。 运营车速，是指通过道路某个断面上车辆实际的速度，是驾驶员根据实际道 路情况自我选择的行车速度。不同驾驶员在行驶过程中依据所驾车辆及行车路段 的不同，其运营车速也是不相同的。运营速度中应用最广泛的是平均车速和第8 5 位车速两个指标。澳洲和欧洲的许多国家也使用运营车速来进行道路的设计。 限制车速综合考虑了驾驶员行为和良好条件下的安全运营，是从道路安全和 营运效率的角度限制公路某一路段的最高允许车速。限速指标在一定程度上反映 了道路条件、管理水平、公众的接受程度等，一般使用限速标志、标线或可变情 报板( v m s 或c m s ) 来告知驾驶员，为其驾驶提供建议，引导着驾驶员的行为。 国内外均对上述速度进行过论述和研究。n c h r pr e p o r t s 0 4 中对设计车速和运 营车速两个指标的定义及演变进行了详尽的分析1 3 1 ，并对二者与限制车速的关系 进行了研究。结果表明：运营车速与限制车速相关性好，尤其是8 5 位车速：设计 车速与限制车速相关程度不高：设计车速与运营车速无明显相关性。 f 是由于设计车速与限制车速的制定标准和立足点不同( 前者着眼于公路设 计，后者着眼于公路的使用者) ，许多司机会发现在良好的天气、路况等条件下， 即使运营车速超过设计车速也不会感到驾驶不舒适或不安全。这也是为什么不能 完全依靠设计车速来决定限制车速的原因。 2 2 车速与交通安全的关系 速度是人们选择出行路线和运输方式的主要因素之一。汽车在公路上行驶， 车速过高或过低都会对交通安全造成不利影响 14 1 。高速行驶降低了驾驶员的判断 能力，增长了刹车距离：而车速过低会造成超车频繁，增加安全隐患。因此，研 第_ 二章乍速与交通安全分析 究车速与交通事故的关系对于人们的出行安全十分必要。 2 2 1 车速与事故危险性的关系 车速越高，发生交通事故的危险性就越大，但是危险性与车速并不成线性关 系。澳大利亚r t a 的研究表明u ”，车速与事故危险性的关系如表2 1 所示。从中 可以看出，速度每增大5 k m h ，发生事故的危险性基本上是原来的两倍。因此，微 小的速度变化都会对交通安全带来显著的影响。 表2 1 车速与事故危险性的关系 行车速度( k i n h )相对事故危险性 6 0 i 0 0 ( 基数) 6 52 0 0 7 0 4 1 6 7 5 1 0 6 0 8 0 3 1 8 1 8 5 5 6 5 5 大多数关于车速对交通事故影响的统计研究都认为，车速提高将导致事故数 量上升。另外这些研究达成一个共识，即车速对严重事故的影响大于轻微事故。 挪威交通安全手册提出了一条描述事故数量与车速关系的曲线，并得出结论：平 均车速每增长1 0 ，有人员受伤的事故数将增加2 5 ，有人员死亡的事故数将增加 3 5 1 6 1 。欧洲交通委员会在1 9 9 5 年也指出，车速对有严重伤亡的事故影响较大， 并得出，车辆高速行驶时平均车速每增加l k m h ，有人员死亡的事故数将增加5 - - 6 的结论。 2 2 2 车速与事故严重程度的关系 显然，车速与交通事故严重程度之间存在着相应的关系，这是由物理学定律 所决定的。众所周知，运动物体的动能与其质量和速度的平方成正比。在交通事 故中，物体动能因摩擦、发热和变形而消失，通常在交通事故中消失的动能越多， 事故对车内乘员所造成的伤害也就越严重。而且由于动能与速度的平方成讵比， 囚此车内乘员受到伤害的可能性及严重程度都随着速度的增加呈指数性增长( 如 图2 1 ) 。 第二章车速与交通安全分析 0 9 0 8 荽麓 oo t 5 $ 0 4 0 3 0 2 0 1 0 车速变化( k i n h ) 图2 1 事故严重程度与速度变化的关系 1 9 6 4 年，s o l o m o n 对车速与交通事故所造成伤害的严重程度之间的关系进行 了验证，指出交通事故所造成的后果会随着车速的增加趋于严重。并得出结论： 车速超过9 6 k m h 后，交通事故的严重程度会随着速度的增加而快速增加；而当车 速达到l1 2 k m h 后，发生死亡交通事故的几率会急剧上升。 1 9 9 4 年，b o w l e 和w a l t 对国家交通事故报告系统七年时问段内涉及违停车辆 的交通事故进行了分析1 1 7 1 。研究发现，发生交通事故时人员受伤的几率取决于汽 车的速度改变值( b v ) ，在a v 小于1 6 k m h 时，人员受到中度或更重程度伤害的 可能性小于5 ；但当y 超过4 8 k m h 后，人员受到中度或更重程度伤害的可能性 将超过5 0 。 瑞典v i s i o nz e r o 项目也曾对此进行过专门研究。即根据人体最大承受能力， 为了保证人员安全，当车辆与人可能发生碰撞时，车辆速度不得超过3 0 k m h ；车 辆与车辆侧撞时，车辆速度不得超过5 0 k m h ；车辆间正碰时，车辆速度不得超过 7 0 k m h ；车辆与路侧设施碰撞时，车辆速度不得超过l o o k m h ”。 2 2 3 车速与事故数的关系 关于车速与事故数，人们直观的感觉是：速度越高，相应的事故数越多。其 实很早就有研究表明，车速与事故数之间不是简单的线性关系。1 9 6 4 年，s o l o m o n 曾通过对6 0 0 英罩路段上与事故相关的1 0 0 0 0 名驾驶员的调查发现，车速与事故 数之白j 是一个“u ”形曲线( 见图2 2 ) 盯。车速接近平均速度时，事故率最低： 随着车速与平均速度间差值的增大，无论是大于还是小于平均速度，事故数都呈 增加趋势。 1 4 第一二章乍速与交通安全分析 名0 0 0 _ * 苔i o o 姑 篓l 0 0 0 1 0 v i _h 蕊 ；一天 绣乡 丫m 一的- 3 0 一2 0 i o0i o2 03 0 柏 与平均车蘧差值( i 啊l ，h ) 图2 2 速度与事故的关系 近年来的研究还表明，事故数与速度的离散性相关，速度离散性大，就会频 繁发生车辆超车或被超车的现象，容易引发交通事故。 2 3 超速行驶对交通安全的影响 所谓超速行驶，是指车辆在道路上的行驶速度超过了交通法规在该道路上所 规定的限制速度。超速行驶所带来的危害是多方面的： 超速行驶使驾驶员的视力下降，视野变窄，视认性降低 据交通心理学研究表明，汽车行驶速度提高时，驾驶员的视力要比静止状念 时的视力下降，并且车速越高视力下降越大。车速与驾驶员视力的关系如表2 2 所 示1 2 0 。 表2 3 显示了驾驶员注视点及视野的关系。从中可以看出，随着车速的提高， 驾驶员的注视点远移，视野变窄，很容易形成“隧道视”。特别在高速公路上，长 时间的高速行驶更会加剧“隧道视”现象。 表2 2 车速与驾驶员视力的关系 行车速度( k m h )视力 o1 2 ( 基数) 2 0 1 o 3 0 0 9 4 0 o 8 7 2o 5 第二章下速与交通安全分析 表2 3 车速与驾驶员注视点、视野的