李平凡，黃 鋼，宋耀鑫，郝會龍

（公安部交通管理科學(xué)研究所 道路交通安全公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫214151）

基于車路耦合方法的車輛制動失效影響分析

李平凡，黃 鋼，宋耀鑫，郝會龍

（公安部交通管理科學(xué)研究所 道路交通安全公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫214151）

目的 車輛制動失效是交通事故的重要致因之一，為定量研究特定道路交通環(huán)境下，車輛制動不良、制動失效等因素對車輛行駛穩(wěn)定性的影響。方法 基于無人機(jī)航測影像構(gòu)建高精度交通道路場景三維模型，同時基于Trucksim/Simulink構(gòu)建車輛及其制動系模型，可實(shí)現(xiàn)不同輪胎制動力的單獨(dú)配置。以典型案例為載體分析了大客車在長下坡與彎坡路段，大客車部分車輪制動下降情況下的車輛運(yùn)動狀態(tài)，并與實(shí)際事故形態(tài)做了比對。結(jié)果 仿真結(jié)果表明，在大客車右后輪制動失效而其他輪制動良好的情況下，在長下坡彎坡組合路段，大客車制動性能明顯降低，側(cè)向加速度峰值可達(dá)1.0 g，橫向載荷轉(zhuǎn)移率峰值可達(dá)1.0，車輛行駛穩(wěn)定性嚴(yán)重不良。結(jié)論 證實(shí)了該方法的正確性與可行性。

交通事故；車路耦合；TrucksimSimulink聯(lián)合仿真；橫向載荷轉(zhuǎn)移率；側(cè)向加速度

我國每年發(fā)生10余起重特大交通事故，在這些交通事故中，大客車事故占了較大比例[1]。交通事故調(diào)查中，調(diào)查人員重點(diǎn)關(guān)注事故中的人、車、路因素。車和路屬于事故致因中的客觀因素，實(shí)施調(diào)查具有較好的可操作性。但國內(nèi)目前的重特大交通事故調(diào)查中，對于車和路的因素是分開調(diào)查的，缺乏綜合有效的分析方法。因此，交通事故中的車路耦合分析具有重要的實(shí)際意義。

關(guān)于車路協(xié)同[2]與車路耦合[3]研究分析，國內(nèi)外已進(jìn)行了相關(guān)研究。車路協(xié)同是采用先進(jìn)的無線通信和新一代互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，全方位實(shí)施車車、車路動態(tài)實(shí)時信息交互，并在全時空動態(tài)交通信息采集與融合的基礎(chǔ)上開展車輛主動安全控制和道路協(xié)同管理，充分實(shí)現(xiàn)人車路的有效協(xié)同，保證交通安全，提高通行效率，從而形成的安全、高效和環(huán)保的道路交通系統(tǒng)[4]?，F(xiàn)階段，車路協(xié)同技術(shù)主要應(yīng)用于先進(jìn)的智能交通系統(tǒng)中，與之相關(guān)的研究多采用仿真技術(shù)手段開展。運(yùn)用車路耦合仿真技術(shù)分析車輛的行駛穩(wěn)定性是常見的分析方法，可應(yīng)用于道路安全評價(jià)[5]、交通安全模型建立[6]、車輛主被動安全[7]等研究中。道路交通事故調(diào)查中涉及人車路等因素之間的關(guān)系錯綜復(fù)雜，且事故原因往往是多方面因素相互作用導(dǎo)致的。

目前，少有研究機(jī)構(gòu)針對我國重特大道路交通事故中人車路因素進(jìn)行耦合分析，一方面是缺少相關(guān)的調(diào)查資料，另一方面是重特大道路交通事故中融合人、車、路等因素的建模相對復(fù)雜，難以完成符合事故形態(tài)的仿真模型建立。因此，筆者將從重特大道路交通事故調(diào)查著手，利用Trucksim/Simulink分析工具，重點(diǎn)研究事故中道路三維模型建立、車輛制動失效模型建立，分析在特定的道路工況中，車輛制動失效對車輛行駛安全性的影響，以期建立科學(xué)的、可視的重特大道路交通事故仿真分析技術(shù)方法。

1 問題描述與建模

以發(fā)生于2016年貴州某地的一起重大交通事故為研究對象，事故路段設(shè)計(jì)為連續(xù)彎坡組合路段。且經(jīng)過調(diào)查可知，事故中大型普通客車（以下簡稱大客車）在事故發(fā)生時右后輪存在制動不良情況。事故發(fā)生時，車輛的沖出道路側(cè)翻至道路左側(cè)邊坡中。

1.1 道路線型恢復(fù)與建模

道路線型恢復(fù)使用多旋翼航空飛行器，按照預(yù)定飛行航帶飛行并拍攝多幅影像，如圖1所示。

基于無人機(jī)航空攝影測量理論，具有一定重疊度的多張影像構(gòu)成了立體像對，結(jié)合攝影中心的GPS信息和每張影像的姿態(tài)數(shù)據(jù)，可以解算每個物方點(diǎn)的空間坐標(biāo)。論文采用無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件Pix4DMapper對拍攝照片進(jìn)行地形建模，得到了測區(qū)內(nèi)數(shù)字表面模型（DSM），如圖2所示。由于數(shù)字表面模型上每個物方點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)已知，并且每個點(diǎn)的坡度和坡向參數(shù)可以計(jì)算得到，因此，本文沿?cái)?shù)字表面模型中道路中心線連續(xù)采樣，得到的一系列采樣點(diǎn)即可恢復(fù)道路線性。

圖1 部分航拍影像

圖2 道路數(shù)字表面模型

通過以上方法獲取道路線型數(shù)據(jù)后，即可在Trucksim車輛動力學(xué)仿真軟件中建立道路的三維模型，Trucksim中建立的道路平縱曲線如圖3所示。

圖3 道路線型

1.2 事故車輛建模

根據(jù)事故調(diào)查資料，獲取事故車輛的外觀尺寸、動力性能、輪胎規(guī)格等相關(guān)信息，整車參數(shù)見表1，根據(jù)表1中的參數(shù)，在Trucksim中對事故車輛進(jìn)行整車建模。

表1 整車參數(shù)

2 Trucksim/Simulink大客車制動失效建模

2.1 大客車制動力分配模型

事故大客車在事故發(fā)生時右后輪出現(xiàn)了嚴(yán)重的制動不良情況，因而大客車制動失效模型的建立即可簡化為前后制動器制動力的比例分配問題。根據(jù)汽車?yán)碚撓嚓P(guān)知識可知，理想的前后制動器制動力分配關(guān)系式為[8]：

式中，F(xiàn)μ1為前制動器制動力（N）；Fμ2為后制動器制動力（N）；φ為地面附著系數(shù)；G為汽車重力（N）；a為質(zhì)心到前軸的距離（m）；b為質(zhì)心到后軸的距離（m）；hg為車輛質(zhì)心高度（m）。

根據(jù)式（1）可解得大客車制動器良好情況下理想的前后制動力分配情況為：

根據(jù)式（2）在Simulink中建立理想情況下（即制動性能良好）的大客車制動力制動模型，如圖4所示。圖4中將計(jì)算得到的前后軸制動器制動力Fμ1、Fμ2作為 Trucksim 的輸入，即可控制車輛的制動情況。

圖4 大客車前后軸制動器制動力分配模型

2.2 大客車制動失效模型

事故大客車安裝有防抱死裝置，且事故發(fā)生時，防抱死裝置正常工作，因而在建立右后輪制動失效模型時必須考慮大客車在彎道上的ABS功能。根據(jù)ABS裝置的狀態(tài)方程（見式（3））[8]及ABS控制原理可知，當(dāng)汽車制動開始時，若車輪的角減速度低于某一閾值（-a）時，取此時的輪速作為初始值，計(jì)算車輪的滑移率s。當(dāng)車輪的角減速度已達(dá)閾值-a而車輪的滑移率s小于設(shè)定的閾值s1時，輪缸壓力保持不變；當(dāng)s大于s1時，減小輪缸壓力，此時車輪角減速度降低，恢復(fù)到-a后即保持制動壓力；此后車輪會因慣性而加速，此時重復(fù)上述過程，直至車輛停止。

式中，ω為汽車輪轉(zhuǎn)速（m/s）；T0為制動器的初始制動力矩（N·m）；ω0為汽車初始輪速（m/s）；為車輛質(zhì)量（kg）；g 為重力加速度（m·s2）；r為車輪半徑（m）；φp為峰值附著系數(shù)；sp為滑移率閾值；φs為滑動附著系數(shù)；I為車輪的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；t為時間（s）。

考慮事故大客車右后輪制動失效表現(xiàn)為右后輪的制動蹄片與制動鼓無法正常吃合，即可理解為右后輪上分配的制動力降低。在建立大客車制動失效模型時，將右后輪的輪缸壓力進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，即可模擬右后輪制動失效情況。大客車制動失效模型首先建立在如式（3）所述的ABS控制策略上，由Trucksim輸入輸出的變量名如表2、表3所示。建立的帶ABS系統(tǒng)的大客車制動失效模型如圖5所示。

表2 Trucksim輸出

表3 Trucksim輸入

圖5 帶ABS的制動失效模型

3 仿真結(jié)果分析

上述建模過程完成了事故路段、事故車輛及車輛動力學(xué)性能的模型建立，隨后在Trucksim仿真軟件中進(jìn)行事故過程仿真。設(shè)定駕駛?cè)搜氐缆酚覀?cè)1.5 m行駛，方向盤隨道路中心線進(jìn)行自動調(diào)整，初始行駛速度為60 km/h，行駛2 s后，駕駛?cè)瞬扇≈苿哟胧?，制動協(xié)調(diào)時間為0.1 s，制動壓力為10 MPa，車輛為7速自動擋。分別分析在制動性能良好的情況下及右后輪制動失效情況下的車輛行駛穩(wěn)定性。

事故大客車在事故發(fā)生時，同時出現(xiàn)側(cè)滑和側(cè)翻，因而需選取合適的評價(jià)指標(biāo)來評價(jià)測量的穩(wěn)定性。側(cè)向加速度（ay）是判斷車輛側(cè)滑的常用指標(biāo)，車輛橫向載荷轉(zhuǎn)移率（LTR）是判斷車輛側(cè)翻的常用指標(biāo)。側(cè)向加速度和橫向載荷轉(zhuǎn)移率的計(jì)算式見式（4）、（5）。

式中，ω為橫擺角速度（rad/s）；R為轉(zhuǎn)彎半徑（m）。

式中，F(xiàn)zl為左側(cè)輪胎垂向載荷（N）；Fzr為右側(cè)輪胎垂向載荷（N）。

對于大客車而言，當(dāng)側(cè)向加速度超過0.3g時可認(rèn)為車輛出現(xiàn)側(cè)滑[4]。橫向載荷轉(zhuǎn)移率的數(shù)值在[-1，1]之間，當(dāng) LTR=±1時，表明車輛的載荷完全轉(zhuǎn)移到某一側(cè)，此時汽車發(fā)生側(cè)翻；當(dāng)LTR=0時，左右兩側(cè)載荷均衡，車輛行駛穩(wěn)定。實(shí)際情況下，當(dāng)車輛的橫向載荷轉(zhuǎn)移率達(dá)到0.8時，若不進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，車輛繼續(xù)在相同工況下行駛也會發(fā)生側(cè)翻，因而本文在研究車輛的橫向載荷轉(zhuǎn)移率時，將0.8作為閾值，當(dāng)LTR超過此數(shù)值時，認(rèn)為車輛存在側(cè)翻可能。

首先分析事故大客車在制動性能良好的情況下，在事故路段上的行駛情況，選取大客車的縱向速度、側(cè)向加速度、滑移率及縱向加速度作為輸出，輸出結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，大客車在0.2 s后執(zhí)行制動，車速呈線性降低，約3 s后速度將為0（圖6左上圖），證明事故大客車在制動性能良好時，車輛很快能停止下來；但從圖6（右上、左下）可看出，連續(xù)的彎坡組合路段使車輛出現(xiàn)一定的側(cè)滑情況，最大側(cè)向加速度有超過0.3 g的情況。但隨著車速降低，車輛行駛趨于穩(wěn)定；車輛的滑移率在防抱死系統(tǒng)控制下，基本控制在最佳滑移狀態(tài)。以上分析說明了車輛在制動性能良好的情況下，大客車能在3 s內(nèi)制動停車，車輛行駛穩(wěn)定性良好。受道路連續(xù)彎坡組合的影響，車輛會出現(xiàn)一定的側(cè)滑現(xiàn)象。因車輛能在較短的時間內(nèi)制動停止，因而車輛不會出現(xiàn)側(cè)翻，不作大客車橫向載荷轉(zhuǎn)移的分析。

隨后進(jìn)行了車輛右后輪制動不良情況下的Trucksim/Simulink仿真，仿真工況與上述制動性能良好時的工況相同，仿真模型見圖5，仿真結(jié)果見圖7，圖7中，左上、右上、左下、右下分別為大客車的縱向速度、側(cè)向加速度、滑移率及縱向加速度輸出。

由圖7可知，大客車右后輪制動失效后，整車制動效果明顯下降，車速由60km/h增加至80km/h，車輛未發(fā)生抱死或空轉(zhuǎn)情況，但是側(cè)向加速度在5~9s時均超過了0.4g，且峰值的側(cè)向加速度超過1.0g，說明車輛發(fā)生嚴(yán)重的側(cè)滑。

Simulink中建立式（5）所述的橫向載荷轉(zhuǎn)移率計(jì)算模型，繼續(xù)分析在制動失效情況下大客車橫向載荷情況。計(jì)算結(jié)果見如圖8所示。

圖6 制動良好時車輛行駛狀態(tài)

圖7 制動失效時車輛行駛狀態(tài)

由圖8可知，大客車右后輪制動失效后，在長下坡彎道組合路段，車輛的橫向載荷轉(zhuǎn)移率峰值多處達(dá)到1.0，說明大客車在該路段行駛時，多處存在側(cè)翻可能，車輛行駛穩(wěn)定性嚴(yán)重不良。

仿真結(jié)果驗(yàn)證了該事故是道路線形和車輛制動失效共同導(dǎo)致的。在長下坡連續(xù)彎坡組合路段，大客車行駛時會出現(xiàn)側(cè)滑。當(dāng)大客車右后輪制動失效時，整車的制動性能嚴(yán)重下降，在事故路段行駛時，車輛側(cè)翻幾率增大。

圖8 橫向載荷轉(zhuǎn)移率變化情況

4 結(jié)論

研究了基于航測影像恢復(fù)道路線型的方法，并依據(jù)航測三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Trucksim仿真軟件中建立事故路段模型。利用Simulink建立了大客車帶ABS的制動系統(tǒng)及失效的制動系統(tǒng)模型，并分析了事故大客車在制動系失效前后車輛的行駛穩(wěn)定性，得到如下結(jié)論：

（1）事故是道路線形不合理和車輛制動系失效共同導(dǎo)致了，大客車行駛時，側(cè)向加速度峰值可達(dá)1.0 g，橫向載荷轉(zhuǎn)移率峰值多處達(dá)到 1.0，車輛存在嚴(yán)重的側(cè)翻可能性。

（2）模型針對的事故形態(tài)有限，需針對不同的事故形態(tài)，建立不同的車、路模型，且駕駛?cè)耸鞘鹿手蟹浅Ｖ匾囊蛩兀鎸?shí)的駕駛?cè)四Ｐ托杓皶r引入要研究中。

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Analysis of the Influence of Vehicle Braking Failure Based on Vehicle-road Coupling Method

LI Ping-fan,HUANG Gang,SONG Yao-xin,HAO Hui-long
（Key Laboratory of Ministry of Public Security for Road Traffic Safety,Institute of Traffic Management Research,Ministry of Public Security,Wuxi 214151,China）

Objective The disabled vehicle braking system is one of important causes of traffic accidents.This study aimed at quantitatively analyzing the effects of the disabled vehicle braking system on the driving stability under certain traffic circumstances.Method The high-precision 3D model of the traffic scene was built based on aerial images.The vehicle and its braking system were built based on Trucksim/Simulink,which was capable of distributing different braking force on different wheels.A representative traffic accident was analyzed to study the vehicle’s motion on a long downhill and curve slope road,when the accident bus’s braking performance partially dropped.The simulation of the vehicle’s state was compared to that in the actual traffic accident.Result It was showed that the vehicle’s braking performance decreased significantly,when its right rear wheel was in disabled braking condition and other wheels performed well.What’s worse,the peak value of the vehicle’s lateral acceleration reached 1.0g and the peak value of lateral load transfer rate reached 1.0,which indicated the vehicle was in a serious driving instability.Conclusion The results of the simulation proved the correctness and feasibility of the proposed simulation method.

traffic accident;vehicle-road coupling;TrucksimSimulink joint simulation;LTR;lateral acceleration

TP391

A

10.3969/j.issn.1671-2072.2017.06.010

1671-2072-（2017）06-0061-07

2017-03-17

公安部科技強(qiáng)警課題（2016GABJC29）

李平凡（1979—），男，副研究員，主要從事道路交通事故鑒定研究。 E－mail：lpfnew@163.com。

（本文編輯：馮 浩）