（载运工具运用工程专业论文）基于adamscar的高速公路安全行驶速度仿真分析研究.pdf

摘要 高速公路是我国综合交通运输系统的重要组成部分。高速公路运输在带来高 效、快捷、方便的同时，也带来了诸如交通事故增加等负面的影响。与发达国家 相比，我国高速公路安全问题尤为突出。高速公路限速是提高高速公路安全水平 的重要措施之一，及时地研究高速公路车速与安全之间的关系，进而结合我国国 情，探讨我国高速公路限速方法对于提高高速公路安全水平具有重要意义。 论文总结了现阶段我国高速公路存在的安全问题和国内外关于车速与安全关 系的研究与应用情况。从车辆行驶状态与道路耦合的角度出发，分析了影响车辆 安全运行的关键因素，从这些影响因素中提取了与行车速度相关的参数，通过参 考国内外的研究成果和应用车辆系统动力学的相关理论的方法建立了参数与车辆 运行速度的关系模型。在多体动力学仿真软件a d a m s c a r 软件平台上，应用v c 2 0 0 5 编制了与之匹配的生成三维道路模型的路面谱模块、控制仿真车辆运行的驾驶员 控制模块和对仿真速度进行合理性判断的安全速度判定模块，同时对各个应用模 块进行了集成，增强了安全速度仿真系统的可操作性。在该仿真系统的平台上， 通过选择车型、建立仿真道路特征路段、选择驾驶员控制策略的步骤即可实现仿 真试验。 论文选取成渝高速的弯道和长下坡作为实际仿真路段，仿真实验的结果表明所 判定的车辆的安全行驶速度与中华人民共和国推荐性行业标准j t g tb 0 5 - 2 0 0 4 公 路项目安全性评价指南中标定的车辆行驶速度范围吻合，本文建立的安全速度 仿真系统具有很好的可行性。论文的研究成果可为我国高速公路限速值的研究提 供新的思路和方法，为我国其它高速公路限速方案的制定提供借鉴，为我国高速 公路限速标准的建立提供有益的支持。 关键词：高速公路；限速：a d a m s c a r ；仿真 a b s t r a c t f r e e w a y sa r ep l a y i n ga l li m p o r t a n tr o l ei nc o m p r e h e n s i v et r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi n 0 1 1 i n a t i o n h o w e v e r , b e s i d e sh i g he f f i c i e n c ya n df l e e t n e s sa n dc o n v e n i e n c e s ，t h e r ea r e l a r g en u m b e r so fa c c i d e n t sa n dc a s u a l t i e so nf r e e w a y s c o m p a r e dw i t ht h ed e v e l o p e d c o u n t r i e s ，f r e e w a ya c c i d e n t sa r ee s p e c i a l l ys e v e r ei nc h i n a s p e e dl i m i ti so n eo ft h e i m p o r t a n tm e a s u r e st oi m p r o v et r a f f i cs a f e t yl e v e l i ti ss i g n i f i c a n tt oi m p r o v et h es a f e t y l e v e lo nf r e e w a y sb ya n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p e e da n d s a f e t yi nt i m ea n d d i s c u s s i n gs p e e dl i m i tm e t h o d sa c c o r d i n ga st h es i t u a t i o no fc h i n a f i r s t l y , s a f e t yp r o b l e mt h a te x i s to nf r e e w a yi nc h i n aa n dt h er e s e a r c h e sa b o u tt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p e e da n ds a f e t yb o t ha th o m ea n da b r o a da r es u m m a r i z e di nt h e d i s s e r t a t i o n f r o mt h ev i e wo fv e h i c l et r a v e l i n gs t a t ec o u p l e dw i t ht h er o a dc o n d i t i o n ， t h ek e yf a c t o r si n f l u e n c i n gt h es a f eo p e r a t i o no fv e h i c l e sa r ea n a l y z e da n dt r a v e l i n g s p e e d - r e l a t e dp a r a m e t e r sa r ee x t r a c t e df r o mt h e s ei n f l u e n c i n gf a c t o r s o nt h i sb a s e ，t h e m o d e l sb e t w e e np a r a m e t e r sa n dv e h i c l es p e e da r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h r e s u l to fh o m ea n da b r o a da n dv e h i c l es y s t e md y n a m i c st h e o r y i nt h ec i r c u m s t a n c eo f 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 c a r , t h er o a dm o d e l ，d r i v e rm o d e la n ds p e e d d e t e r m i n i n gm o d e la r ed e v e l o p e db yu s i n gv c 2 0 0 5a n dt h e s em o d e l sa r ei n t e g r a t e dt o e n h a n c et h eo p e r a b i l i t yo ft h i ss a f es p e e ds i m u l a t i o ns y s t e m i nt h i s p l a t f o r mo f s i m u l a t i o ns y s t e m ，t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tc a nb er u nb ys e l e c t i n gc a rm o d e l ，s e t t i n g u pr o a dm o d e la n ds e l e c t i n gd r i v e rc o n t r o l l i n gs t r a t e g y ac o m e ra n dal o n gd e c l i v i t yo fc h e n g y uf r e e w a ya r es e l e c t e da ss i m u l a t i o ns e c t i o n i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es i m u l a t e ds a f es p e e d sa r et a l l yt ot h e s p e e ds c o p eo f t h ej t g tb 0 5 2 0 0 4 h i g h w a yp r o j e c ts a f e t ye v a l u a t i o ng u i d e ) ) w h i c h i sd e s i g n a t e da si n d u s t r ys t a n d a r d sb yp e o p l e sr e p u b l i co fc h i n a , t h es p e e ds i m u l a t i o n s y s t e mh a sag o o df e a s i b i l i t yi nt h ed i s s e r t a t i o n t h ep r o d u c t i o no ft h ep a p e rc a n p r o v i d ean e wm e t h o dt or e s e a r c ht h ef r e e w a ys p e e dl i m i t ；c a nb eu s e df o rr e f e r e n c et o s p e e dl i m i te s t a b l i s h m e n tf o ro t h e rf r e e w a y sa n ds u p p o r t i n gi s s u eo ft h es p e e dl i m i t c r i t e r i o ni nc h i n a k e yw o r d s ：f r e e w a y ；s p e e dl i m i t ；a d a m s c a r ；s i m u l a t i o n 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，均己在文中以明确 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： 栖i 葫玖 日期：阳7 年弓月加日 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：韬丽乱 日期：卅年岁月加日 莉到 月矽日 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 j 盆。 学位论文作者签名：耦甬丸 日期：细7 年弓月2 0 日 指剥雠：荔知 醐：叩 肋日 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 高速公路是一个国家现代化的标志之一，随着我国改革开放的不断深入和经 济的快速发展，高速公路的建设得到了迅猛的发展。高速公路的存在促进了经济 的发展和社会的繁荣，方便了人们的外出，高速公路已成为人们出行与货物运输 的主要通道，在国民经济的发展中占据越来越重要的位置。随着高速公路车流量 的不断增大，高速公路交通事故也日益增加。交通事故的频发，给国家和人民的 生命财产造成了巨大的损失。2 0 0 8 年，全国共发生道路交通事故2 6 5 2 0 4 起，造成 7 3 4 8 4 人死亡、3 0 4 9 1 9 人受伤，直接财产损失1 0 1 亿元。1 9 9 4 2 0 0 7 年，高速公路 交通事故死亡人数一直呈增长态势，其中2 0 0 3 年至2 0 0 7 年，全国高速公路共发 生道路交通事故1 0 5 6 8 7 起，造成3 0 5 8 8 人死亡、7 7 5 0 5 人受伤，直接财产损失2 6 2 亿元，分别占事故总数的4 5 、6 4 、3 4 和2 5 4 。平均每年发生2 11 3 7 起， 造成6 1 1 8 人死亡、1 5 5 0 1 人受伤，直接财产损失5 2 亿元，而超速行驶导致的事 故死亡人数约占总数的1 0 6 。因此，控制高速公路交通事故的发生，提高高速 公路运输安全性对于我国交通运输事业的发展具有重要意义。 美国运输部关于行车速度及速度限制的交通安全研究表明，超速行驶事故约 占高速公路交通事故的1 3 5 。研究发现关于车速与事故数间的关系不是简单的 线性关系，而是一个“u 形曲线，车速接近平均车速时，事故率最低；随着车速 与平均车速的差增大，无论是大于平均车速还是小于平均车速，事故数都呈增加 趋势，即车速离散性越大，事故率越高。因此，要降低事故数，就必须降低速度 离散度，对车辆的运行速度进行严格的控制。 另外，车速还影响交通事故的严重程度和危险性，高速公路上行车速度快， 一旦发生交通事故，危险性较大，高速公路事故的死亡率是一般公路的两倍。因 此，对高速公路车辆的行驶采取有效的措施，进行安全行驶速度的有效控制，对 于预防道路交通事故是十分必要的。 为降低交通事故的发生，中华人民共和国道路交通安全法规定执行“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 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1 1 0 k m h 。道路交通安全法对道路的限速是全线限速。目前，全线限速是 国内采用的最为广泛的一种限速方法，主要是依据设计速度来确定限速值的大小， 2 第一章绪论 对整条路实施单值的限速。 全线限速在一定程度上改善了道路交通安全，降低了交通事故的发生，但全 线限速设计简单，其限速值不能如实反映道路实际行车条件，缺乏合理性，不能 有效保证车辆的安全行驶。因此，研究如何针对不同的车辆类型、天气状况以及 高速公路路段的路况等条件，确定高速公路各路段的安全行驶速度，对行驶车辆 进行动态的限速，对于提高高速公路运输的安全性，提高运输业的经济效益具有 重大意义。 1 2 国内外限速研究现状 1 2 1 国外限速研究现状 美国对限速的研究 限速在美国是交通安全及速度控制最重要的传统策略之一。早在19 0 1 年，康 涅狄格州率先在部分城市实施8 英里d , 时的最高限速，开创了美国限速历史的先 河。根据美国的限速历史分为以下几个阶段：第一阶段为1 9 7 4 年之前；第二阶段 为1 9 7 4 1 9 8 7 年；第三阶段为1 9 8 7 1 9 9 5 年；第四阶段为1 9 9 5 年至今。1 9 7 4 年 美国国会通过法案确立了全国最高速限，即n a t i o n a lm a x i m u ms p e e dl i m i t ，简称 n m s l 。该法案出台的背景主要是出于能源消耗方面的考虑，当时美国机动化水平 已居世界前列，而国际石油供应非常紧张，油价持续走高，能源问题已经严重影 响了经济发展甚至触及国家战略，制定n m s l 的目的在于尽量使车辆行驶在经济 燃油速度。随着石油供应问题的好转，美国逐渐放宽了n m s l 的限制。1 9 8 7 年国 会允许各州将乡村州际公路行车条件较好路段的限速由5 5 英里d , 时( 9 0 公里4 , 时) 提高到6 5 英里4 , 时0 0 5 公里d , 时) 。美国幅员辽阔，各地的公路交通状况因其 地形条件、设计标准、气候、交通、人文特点等方面显现出较大差异，随着人们 对安全、快捷的公路运输的呼声越来越高，在国家层面实施统一的n m s l 不再适 应现实发展要求。对此，1 9 9 5 年，国会取消了5 5 英里d , 时( 9 0 公里小时) 的全国 最高限速，将限速的权限返还到各州。目前，美国大部分州的最高限速为1 1 0 公 里d , 时【1 1 。 美国公路基本上采用v 8 5 限速，它是1 9 4 1 年关于“确定最大安全速度的政策 方针 的产物。美国的研究机构通过观测良好天气条件下的v 8 5 及v 9 0 确定最大安 全速度。而大部分道路管理机构更愿意用v 8 5 限速。美国研究人员的观测统计， 1 0 m p h ( 1 6 k m h ) 最大车速概率分布区( 1 0m i l ep a c e ) 包含了绝大部分( 7 0 以上) 车速 值，研究还发现，车速位于该区间的车辆累积频率越大，车辆速度的离散性越小， 美国部分州的限速指南中也有将该区间上限值作为限速值的主要参考依据的，但 第一章绪论 3 该区间的上限值与而v 8 5 速度相差无几，两者在作为限速值设定基础是致的，如 图1 1 。 总 的 观 测 百 分 数 d 。 身穆蕴闷上鼹像 ，i 蠛2l 参孑jn i 阜t 一强玺，求簟 瘸 豁豸 “一 二墅；警登霾门1 58 l 敖燃星纠- 嘭 i i 雾耄 | t 甲警p4 ： 囊弋l ；笏? ，。 。 绛一一 _ ? l ，。 彳。- ；彰j ， 彩弼。 z笏of ， 图1 1 速度分布直方图及典型的“b e l l ”拟合曲线 1 9 6 4 年s o l o m n 发现在平均速度均方差范围内，以接近v 8 5 的速度行驶有较低 的事故风险。他对涉及到交通事故的车辆的速度样本与均值之间的偏差进行了分 析，并且按照事故率的大小对样本进行了分组，再次分析了各组的速度偏差数据， 得到的结论是：拥有最低的事故率的样本，其速度分布在高于均值的1 5 一2 0 的区间内；当速度偏差大于这个范围时，不论其速度是低于还是高于均值，都会 出现事故率上升的现象。 交通流及变化都是美国设置限速考虑的重要因素，限速实际应该是运行时间 和接受指定道路风险的妥协。限速主要功能是提供速度控制的数值及减少速度离 散性。美国a a s h t o 设计指南( 2 0 0 1 ) 及m u t c d ( f h w a ，2 0 0 0 ) 建议采用自由流交 通状态下的v 8 5 进行限速。运输研究部( t r b ，1 9 9 8 ) 建议：最大限制速度是在良好天 气及可视条件下，驾驶员合理、谨慎驾驶的最大速度；在较小指标的路段，建议 限速。 美国道路机构在制定限制速度时，基于v 8 5 的基础上，通常考虑其它因素，如： 各州法定限速、历史事故、路侧发展等。“t h et r a f f i cd e v i c e c o n t r o l h a n d b o o k2 0 0 1 建议限制速度应接近v 8 5 ，并应考虑交通控制特征、 历史事故、道路条件等因素。美国经过大量的观测及研究显示：以设计速度作为 限速值，从安全角度考虑是偏于保守的，会导致安全与运行效率的矛盾。并认为 大多数的驾驶员可以对路段适宜的安全行驶速度做出准确的判断。如某路段事故 第一章绪论 集中说唰道路安全水平低，这是由于驾驶员的预期速度与实际道路条件所能提 供的最人蜜全允许的偏差超过了允许限度所致。冈此限制速度的没簧和运行速度 的安全评价哭联紧密1 2 i 。 联邦国家对龌速的研究 英国、加拿人、澳大利咂等多数国家限速的原则基本和美国相似，在v “的基 础上，综合考虑道路条件，历史事故记录适当折减。各田均接受s o l o m o n 关十事 故与速度戈系的论证，即事故与速度差的关系呈u 形曲线，车辆在以平均速度一 个标准差速度范围内行驶时，有较低事故率：平均速度加上l o k m h 附近位置( 接近 v s s 速度) ，事故牢虽低，如下图12 所示。而且，发达国家车速分柿非常帽似，即 约7 0 的车辆速度集中在l o i n p h ( 1 6 k m h ) 最大车速概率分布区问i 。 图l2 述度均值偏差1 i 亿车英里币故率问的天系 其他国家埘限速的研究i - i 德捌犬部分高速公路不限速。但是德国的法律条文建 义限速1 3 0 k m h 。虽然发 生在高速公路f ：的事故少，从1 9 7 0 年至2 0 0 3 年一致维持在死亡8 0 0 一9 0 0 人的水 平但考虑到安伞、环保等因索，德国计划在2 0 0 5 午实行| ；6 1 速。柏林到汉堡的高 进公路在2 0 0 3 年般8 0 m p h ( 1 3 0 k m h ) ， 一此园限速而带来良好安仝盏处的实例 年期间交通耶故死【= 率山8 人降到0 人。 加快了德【目进行m 述的进程。在实行限 建以前德国的车辆制造商使车辆自动限制在2 5 0 k m h 范围内。虽然德固高速公 路没有对j ：艮速执法但对于发生交通事故车辆，如其车速超过建议车速。保险赔 偿町以被降低。些地区强制限速以降低车辆经过埘k i 苎叫。7 t - 的噪音。山此打 来德 1 4 对逛仃速度的控制更人性化。 第一章绪论 5 法国高速公路是可变限速的。在晴好天气高速公路限速1 3 0 k m h ，阴雨天气限 速降低为1l o k m h 。自从2 0 0 2 年以来，法国政府在城市快速路、公路及其它一些 主要通道上安装了许多自动雷达测速枪，作为警察或宪兵手动测速的补充。2 0 0 5 年一个政府报告建议将限速降至1 1 5 k m h 以节省燃油并降低事故风险，但这一提 议没有被采纳。 新西兰采用根据道路条件、周边环境、交通量等因素将道路分为若干安全等 级，作为限速依据，并且制定了详细的流程图，图1 3 为城乡主干道限制速度设定 流程【4 】。新西兰的限速在2 0 k m h 到l o o k m h 之间。高速公路限速1 0 0 k m h 有些车 辆有更低的限速：卡车和拖车限速9 0 k m h ；校车限速8 0 k m h ，实习车限速7 0 k m h 。 图1 3 新西兰道路限速流程图 6 第一章绪论 1 2 2 国内限速研究现状 面对居高不下的道路交通事故，我国交通管理部门采取了各种保障安全的措 施，限速就是其一。我国对车速与安全的关系研究起步较晚，二十世纪9 0 年代末 期，部分科研院所和高校开始了车速相关问题的研究，主要围绕两个方面，一是 基于运行速度的公路线形设计方法研究，另一方面是车速与交通事故之间的关系 研究【5 卅。 交通部公路司在2 0 0 0 年度标准规范项目中立专题开展高速公路运行速度设 方法和标准专项研究，此项目由交通部公路科学研究所承担，以期在观测数据 的基础上，建立适合我国驾驶员特征和山区高速公路特点的平、纵线形指标速度 预测模型；确定基于运行速度v 8 5 的路线设计方法和设计流程，以确保公路几何线 形设计能够满足车辆实际行驶速度的要求，同时解决各设计要素之间的相容性问 题，改善路线设计质量，提高公路路线设计的安全性与协调性。研究分别针对直 线段车辆加减速运行过程、平曲线、纵坡以及平纵组合与运行速度的关系等做了 详细的研究，并对运行速度设计流程中的两个关键问题：直线段与曲线段的划分 标准和公路路线设计的安全评价标准进行了详细阐述，在此基础上形成了“公路 路线运行速度设计标准条文 和条文编写说明，为在国内推广基于运行速度的路 线设计方法奠定了理论基础和实施操作指南。研究成果之一是出版了公路项目 安全性评价指南( j t g f rb 0 5 2 0 0 4 ) ) ) 。 哈尔滨工业大学的裴玉龙教授【_ 7 】等根据不同地形类别、不同交通量和几何线形 条件，调查了国内代表各片区特点的1 5 条正在运营的高速公路。通过对1 0 7 个断 面的现场调查与人量实测数据分析，研究我国高速公路不同地形类别和不同线形 情况下的车速分布情况、车速变化规律以及相关的影响因素。将平直路段小型车 的运行车速作为高速公路平直段限制车速取值的依据，用回归分析的方法建立了 运行车速与平曲线半径、运行车速与坡度之间的关系模型，从运营管理的角度提 出了确定高速公路曲线段和坡度段合理限制车速具体的方法和建议值。 同济大学的杜博英【8 j 等在前期研究方法的基础上，将速度和速度梯度两个自变 量同时加以考虑，并就其影响因素和控制参数展开分析，建立了新的高速公路事 故率与运行车速的函数关系： ，、 i ：y ( 2 0 9 ) 旷唧- i1 一形l ( 1 1 ) y ) 式中：，为事故率，次1 0 6 v e h k m ； v 为运行车速，k m f h l 矿为平均运行车速，k m h 。 第一章绪论 7 交通部公路规划研究院的范振宇等探讨了路段运行车速的测算方法，并根据 调查数据，得到高速公路“半径一运行车速 关系函数： 小客车：v 8 5 = 1 4 7 4 1 r o 3 1 9 4( 相关系数r 2 = 0 8 9 ) 大货车：v 8 5 - - 4 9 4 1 r 0 4 2 4 5 ( 相关系数r 2 = 0 8 7 ) 1 2 3 存在的主要问题 公路限速，其根本目的是保证交通安全，但是长期以来，我国都是以道路设 计速度作为确定路段限速标志限速值的依据，并据此全线以某一固定值进行限速， 但这显然是不合适的。这种方式既没有针对性，也不经济、不安全。设计车速和 限制车速的适用对象不同：前者着眼于公路设计；后者着眼于公路的使用。前者 受设计标准的制约，考虑地形地貌、投资等综合条件下的行车安全；后者则是希 望使用者合理地选择行驶车速，并从统计的观点加以确定。设计车速和限制车速 的定义、适用范围不同，所以机械地用设计速度作为限制车速是不合理的。因而 造成限速值采用设计速度与多数路况不吻合的情况，越来越多的高速公路使用者 提出以设计速度作为限速值过于保守，现有限速过低的意见。 据调查，对限速9 0 以上抱怨来自过低的限速值。限速未能如实反映道路几何 线型、交通量、交通组成、事故记录等要素所构成的行车环境。这当中有其历史 原因，我国采用设计速度作为公路设计各要素的控制指标，即设计速度一旦确定， 平纵曲线、坡度、视即、车道宽等也随之确定，而设计、管理人员也习惯性的将 设计速度值直接搬过来用作限制速度，并设置限速标志。实际上设计速度控制的 只是一个设计路段中线型技术指标最不利的地方，且能够确保设计车辆以设计速 度行驶时，安全舒适的通过，而设计车辆通常采用载重汽车，因此，对于性能良 好的小汽车而言，在一条路的绝大部分路段是能够以超过限速的速度安全行驶的。 另外，对于部分路段( 如大长坡等) ，全线限速值过高，不能为车辆的安全行驶提 供参照，易造成交通事故。 按照中华人民共和国道路交通安全法实施条例的规定，高速公路最高车 速不得超过每小时1 2 0 公里，最低车速不得低于每小时6 0 公里。多数地方性限速 值设置的限速值更多的是依赖设计速度，并结合特殊条件进行绝对数值的折减。 与发达国家普遍采用的基于v 8 5 速度确定限速值不同，会导致限速值与实际道路条 件不符从而使驾驶员不愿遵守限速。 总体上讲，我国法律法规对道路限速进行的相关规定，以设计速度作为限速 的主要依据，内容规定偏重大的原则，不够明确，缺乏合理性。 虽然国外已经对车速进行了约半个世纪的研究，取得一些相关成果，国内一 8 第一章绪论 些单位也进行了初步的研究，但是由于我国的特殊国情及我国高速公路的特点， 不能直接照搬国外的车速理论模型，在我国还没有形成一整套关于解决限速问题 的理论方案，还需要进行具体理论研究和工程实践，不断总结我国高速公路的安 全车速理论，提出合理的解决对策。 1 3 论文主要研究内容和结构安排 本论文拟针对目前高速公路限速不合理问题，运用a d a m s c a r 软件建立车辆 模型、道路模型、车一路耦合模型及仿真试验模块，构建高速公路车一路安全速 度仿真系统，通过仿真分析的方法，确定不同车辆在不同路段的安全行驶速度建 议值，为高速公路的合理动态限速提供依据。本论文共分为五章，论文各章节的 关系如图1 4 所示。各章的主要内容如下： 图1 4 论文各章节的关系 第一章：论文的研究背景、目的和意义，简述目前我国高速公路车辆限速的 主要问题，介绍本论文的主要内容和结构安排。 第二章：简要介绍基于道路条件下的车辆行驶稳定性的基本理论以及车辆行 驶稳定性的影响因素，总结了车辆稳定行驶条件下的最大速度。 第三章：应用v c 对a d a m s c a r 进行二次开发，建立高速公路安全速度仿真 系统。运用a d a m s c a r 软件建立安全速度仿真系统的车辆模型、道路模型、驾驶 员模型、车路耦合模型以及仿真试验模型；依据道路条件下车辆安全行驶状态的 判别方法，应用v c 生成安全速度判定模型；在v c 环境下对上述模型进行集成， 生成高速公路安全速度仿真系统。 第一章绪论 9 第四章：提出对危险隐患路段( 大长坡、积水等) 的安全速度仿真试验方案， 通过对某一实际路段进行仿真，分析其仿真数据，给出该路段的最大安全行驶速 度建议值。 第五章：对全文进行总结和展望，总结本文的主要研究成果，同时指出本文 的不足和下一步的研究工作。 1 4 本章小结 本章首先简述了本文的研究背景、目的和意义，然后分析了国内外对高速公 路限速研究的现状，针对目前高速公路限速不合理的问题，提出了本论文的主要 研究内容。 1 0 第二章车辆行驶稳定性安全行驶特征参数 第二章车辆安全行驶状态的判定 高速公路上运行的车辆是受交通人机系统约束的，交通人机系统是由人、车、 路、环境和管理组成的复杂动态系统。车辆的行驶安全性与车辆的行驶速度密切 相关，车辆的行驶速度越高，危险系数越高，尤其是超过某一临界速度，危险系 数将快速提高，其主要原因为：高速行驶时汽车的制动距离过长，使制动非安全 区扩大；高速行驶使汽车的操纵性、稳定性等变差；高速行驶使行驶条件变差， 如视野变窄、视距变短等；高速行驶还易造成爆胎。 车辆行驶稳定性是指汽车在行驶过程中，在外部因素作用下，汽车尚能保持 正常行驶状态和方向，不致失去控制而产生滑移、倾覆等现象的能力，即恢复原 来运动状态的能力，可分为纵向稳定性和横向稳定性。汽车在上下坡时，抵抗前 后倾覆的稳定性称为纵向稳定性；在道路有侧向斜度或转弯行驶时，抵抗侧向倾 覆和侧滑的稳定性称为横向稳定性。因此，高速公路车辆行驶的安全性与运行车 辆的行驶稳定性有较大关系。为了确定不同车辆在不同路况下安全行驶速度，需 要对车辆行驶稳定性进行分析，并根据车辆安全行驶相关的特征参数判定车辆安 全行驶状态。 2 1 汽车行驶稳定性 汽车的纵向稳定性：汽车在行驶过程中，随着运动状态的改变，地面作用在 前、后车轮上的法向反作用力也相应地发生变化，当前轮的法向反作用力为零时， 则汽车就要绕后轴( 后桥) 倾覆，当后轮的法向反作用力为零时，汽车就要绕前轴 倾覆。因此，当汽车重心至后轴的距离越大，重心高度越低，则汽车不致发生绕 后轴倾翻所能上升的坡度便越大，汽车的纵向稳定性也就越好。 汽车的横向稳定性：汽车在行驶时，常受到侧向力的作用，侧向力有重力的 侧向分力、离心力、侧向风力和不平道路的侧向冲击力等多种。汽车在侧向力的 作用下，车轮的侧向反作用力达到或超过侧向附着力时，汽车将沿侧向力的作用 方向而滑移。侧向力同时将引起左、右车轮地面法向反作用力的改变，当一侧车 轮的法向反作用力变为零时，将发生侧向翻车。如果轮距宽，重心高度低，控制 车速，增大转弯半径，抗侧翻的能力就增大。为了保证行驶安全，必须根据道路 条件，选择适当的行驶速度。在一般情况下，转向前必须降低行驶速度，以减少 转弯时的离心力，特别是在潮湿和冰雪路面上尤应如此。汽车在无横坡的路面上 转向行驶时，更应降低速度，否则有可能造成翻车事故【9 】。 第二章车辆行驶稳定性安全行驶特征参数 11 2 2 车辆行驶稳定性的影响因素 影响汽车稳定性的因素很多，主要有下列几种： 重心的位置一降低汽车重心的位置可提高横向和纵向稳定性； 汽车的轴距一加长轴距可提高纵向稳定性，但使汽车的转向性能变差； 道路状况一路道平坦、干燥，弯道半径大，纵坡小，以及适当的弯道外侧 超高均能提高汽车行驶的稳定性： 行驶情况一在崎岖的、溜滑的，以及转弯道路上，控制行驶速度将提高汽 车的稳定性； 轮距一轮距越宽，横向稳定性越好； 同时制动的车轮数和制动效果的一致性。 此外，由于轮胎有侧向弹性，因此在发生侧向滑移前，汽车就己发生侧偏 现象。侧偏的程度取决于侧向力的大小、和轮胎的侧偏刚度，并以侧偏角表示。 若汽车前轴侧偏角大于后轮侧偏角，这种汽车的转向特性称为“不足转向”；反之， 若后轴侧偏角大于前轴侧偏角，则称为“过度转向”。对于“过度转向”的汽车， 若作用在汽车上的侧向力过大( 即转弯时侧向加速度过大) ，容易发生一个后轮离 地而使汽车倾覆。因此，具有“过度转向 特性的汽车是不稳定的。一般汽车在 设计时为保证稳定性，总是具有轻微的“不足转向 特性。降低重心高度、重心 位置前移、正确地规定前、后轮气压和恰当地选择前后悬架的结构和刚度就能使 汽车具有“不足转向”的特性。本文着重于道路状况和行驶情况对车辆行驶稳定 性的研究。 2 3 车辆的纵向稳定性影响分析 车辆的纵向稳定表现为：倾覆和滑移( 倒溜) 。 2 3 1 纵向倾覆 临界状态：汽车前轮法向反作用力z ，为零，即： z i l g f 2c o s 。+ g 唿s i na o = 0 z i l = g 1 2c o s o ! 。一g 唿s i nc r o = 0 其中“= 昔螂。毫 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 1 2 第二章车辆行驶稳定性安全行驶特征参数 2 3 2 纵向滑移 z 2 图2 1 汽车斜坡上行驶时的受力简图 临界状态：下滑力等于驱动轮与路面的附着力： gs i na 口= 伊q 因为，s i n a 9 t g a p = ，则纵向滑移临界状态条件： 嘲9 = 罟妒 纵向滑移的极限状态倒溜发生条件为： g s i n 口口= 6 p g 2t g a 9 = 缈 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 因此，当坡道倾角口或道路纵坡度i 乇时，汽车可能产生纵向滑移。 为确保车辆的纵向稳定性，一般毛= 每接近于1 ，而易= 罟缈远小于1 。即汽车为确保车辆的纵向稳定性，一般= 莨接近于1 ，而易2 吉。缈远小于1 。即汽车 在坡道上行驶时，在发生纵向倾覆之前，首先发生纵向滑移现象。因此，汽车行 驶时纵向稳定性的条件为： q = 和 ( 2 6 ) 第二章车辆行驶稳定性安全行驶特征参数 1 3 2 4 车辆的横向稳定性影响分析 汽车的横向稳定性是指汽车抵抗横向侧滑和侧倾的能力。汽车横向稳定性主 要受路面附着系数、转向半径和路面横向倾角等因素的限制。汽车的横向稳定性 有一定的限度，如果汽车在转弯时的运动状态超过这一限度，就会出现侧滑或侧 倾的险情，这是产生弯道事故的主要原因之一。保持汽车的横向稳定性，主要取 决于道路条件和驾驶员的操纵水平两个方面。 2 4 1 汽车的抗侧滑稳定性分析 如下图图2 2 所示，是汽车平地转向时的受力情况。图中，h 为汽车质心高度( m ) ， b 为轮距( m ) ，c 为汽车质心距转弯外侧车轮与地面接触中心的距离( m ) ，m g 为汽车 作用于地面的总重力( n ) ，n 。、n 。为地面的支承反力( n ) ，p 。、p 2 分别为由离心力 引起的左右轮产生向夕i - 贝u 滑移的趋势。 图2 2 汽车平地转弯时的受力简图 按照力学原理，汽车平地转向行驶时的离心力大小为： p 聊孚 式中：y 一离心力( n ) ； v 一汽车转向速度( m s ) ； ，z 一汽车总质量( k g ) ； r _ 汽车转向半径( m ) 。 ( 2 7 ) 14 第二章车辆行驶稳定性安全行驶特征参数 由( 1 ) 式可知，汽车离心力与转向速度的二次方成正比。随着转向速度的提高， 离心力将急剧增大。当离心力的大小达到车轮与地面间的横向附着极限时，汽车 将因车轮横向滑移( 侧滑) 而失去稳定性。 汽车平地转向行驶时，车轮与地面的总侧向附着力为： j 厂= m g 缈 ，( 2 8 ) 式中：y 一总侧向附着力( n ) ； m 一汽车总质量( k g ) ； g 一重力加速度( 9 8 m s ) ； 矿，一侧向附着系数。 显然，当y ，= y ，时，汽车将失去横向稳定性。因此汽车不出现侧滑的条件 是： 1 ，2 m 半m 。g 。缈y ( 2 9 ) d 1 ，- j 此时的转向速度称为抗侧滑稳定速度极限( v m 。侧滑) ，其值由( 3 ) 可得： v m a x 侧滑2 、文g 哆 ( 2 1 0 ) jn 依据车速极限的影响因素来确定速度极限可用于确定路段的安全行驶行驶速度。 由于种种原因，汽车转弯时，离心力引起的前、后车轮达到轮胎与地面附着 极限的先后可能不同，因此汽车失去横向稳定后也可能呈现出不同的运动状态。 当前轮先达到附着极限时，因前轮发生侧滑，汽车的横摆角速度减小，转向半径 增大，汽车向外侧甩出，发生所谓的“偏航”现象，严重时汽车会驶出路外。若 后轮先达到附着极限，后轮将向外侧侧滑，使汽车的横摆速度增加，转向半径减 小，发生所谓的“甩尾”现象。由于转向半径减小，使离心力进一步增加，甩 尾加剧，严重时诱发汽车激转，甚至侧翻。 上述分析的是汽车在平地上转弯时的抗侧滑速度极限，如果转弯路面有一定 的横向倾角9 ，如路拱和超高( 受力简图如图3 、图4 所示) ，则汽车侧滑速度极 限值将为： a ) 【侧滑= ( 2 1 1 ) 当路面向转弯内侧倾斜时，上式中的t a n 口取正值，反之取负值。当弯道半 径一定时，若路面向转弯内侧倾斜( 如图3 所示) ，汽车自重沿横向坡度方向的分 ；于j m g s i n 汐的方向与汽车转弯时的离心力沿横向坡度方向的分力y j c o s o 的方向相 第二章车辆行驶稳定性安全行驶特征参数 15 反，使引起汽车侧滑的合力减小，汽车的抗侧滑稳定性有所提高；若路面向转弯 外侧倾斜( 如图2 4 所示) ，汽车自重沿横向坡度方向的分力m g s i n 秒的方向与汽 车转弯时的离心力沿横向坡度方向的分力 c o s 6 7 的方向相同，导致汽车侧滑的合 力增加，使汽车抗侧滑稳定速度极限降低。 图2 3 汽车在有内侧横坡路面上转弯时的受力简图 图2 4 汽车在有外侧横坡路面上转弯时的受力简图 从以上分析可知，汽车横向稳定性可用汽车的抗侧滑稳定速度极限的高低来 表示。由( 3 ) 式可以看出，影响汽车横向稳定速度极限高低的因素主要是转向半径 r 和侧向附着系数纬。 实践证明，侧向附着系数纬与车轮的滑移率和滑转率有关。对前者，人们从汽 16 第二章车辆行驶稳定性安全行驶特征参数 车制动稳定性分析中了解较多，而对后者，则可能知之甚少。因为人们往往注重 于滑转率与牵引力的关系，而忽视了滑转率对侧向附着系数的影响，所以对汽车抗 侧滑稳定性的分析和认识并不太深入。实际上，汽车在道路上行驶时，因受到路面 附着条件的限制，发动机驱动力大于路面附着力而出现车轮滑转，影响纵向和侧向 附着系数大小变化的现象，与汽车制动时，车轮与地面之间产生滑移，其纵向和侧 向附着系数产生相应变化的情况非常类似，如果将这种变化情况用曲线在同一张 图上表示，则呈现“镜像 关系，如图2 5 所示。 、厂 侧向附着系数妒， 今芝概 ，。 t 一。，驱动 。 1 i，制动。、 一，7 l 。一1i 滑转率0滑穆率腻 图2 5附着系数随滑移率和滑转率变化的关系 由图2 5 可见，当车轮出现滑转时，随着滑转率的增大，车轮与地面间的侧向 附着系数将急剧减小。假如汽车是在上坡路段转弯，因上坡阻力较大，需要增大 驱动力，此时驾驶员必然加大油f - j ；若路面附着力较小，发动机对车轮的驱动力 可能达到路面的附着力极限，使车轮出现滑转，轮胎与路面间的侧向附着系数随 之迅速减小，抵抗侧滑的能力很快降低，尽管此时汽车转弯的速度可能不高，产生 的离心力不大，汽车也可能侧滑，产生“偏航 或“甩尾”。这种危险情况往往 是驾驶员难以料到的，应当充分予以重视。 式( 2 1 0 ) 表明，随着汽车转向半径r 的变化，汽车转向抗侧滑稳定速度极限高 低也随之变化。这种变化通常是瞬时变化，既与转弯路段的道路弯道半径有关， 又与汽车转向特性有关。如何适应这种变化，一般是由驾驶员适时转动转向盘来 实现的。r 较大，转弯时允许的抗侧滑稳定速度极限就会较高，反之则小。为了 保证汽车安全转向，倘若条件允许，应尽量使转向半径r 较大，以利汽车以较理想 第二章车辆行驶稳定性安全行驶特征参数 17 的速度转向。如果弯道太急，转弯半径较小，这时驾驶员应当预先降低行车速度， 使转向时的离心力不致过大。转弯时，驾驶员千万不能一边紧急制动一边骤然转 向。据统计，7 0 的车辆发生侧滑都是在转弯带紧急制动的时候。因为紧急制动时， 对于没有安装制动防抱死装置的汽车，其车轮可能抱死产生滑移，抗侧滑稳定性降 低；骤然转向，汽车横摆速度增加，转向半径急剧减小，离心力突然增大。二者 合一，汽车会立刻失去横向稳定性，出现侧滑，甚至侧翻【i m l 6 】。 2 4 2 汽车的抗侧倾稳定性分析 按图2 2 所示，汽车平地转弯时受力情况，设汽车转弯时的速度为v ( m s ) ，r 为汽车转向半径( m ) ，对轮胎与地面接触点中一5 , 0 。取矩，其汽车转弯时的力矩平衡 方程式为： j ，xh + 2 b m g c = 0( 2 1 2 ) 即等棚+ z ，b m g c = 0 ( 2 1 3 ) 汽车转弯行驶过程中，由于所产生的离心力的影响，会使得内侧车轮的支承 力：减小，当转弯速度达到一定限度时，：为零，式( 2 1 3 ) 为： 华h = m g c ( 2 1 4 ) r 式( 2 1 4 ) 左边是汽车转弯时离心