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(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車(chē)輛數(shù)量隨之迅速增多，汽車(chē)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(lèi)交通事故不斷發(fā)生，其影響已經(jīng)涉及到不同類(lèi)型的部門(mén)、各行業(yè)和個(gè)人，甚至與全人類(lèi)全社會(huì)都密切相關(guān)。其實(shí)，乘車(chē)與不乘車(chē)本身都存在一個(gè)安全問(wèn)題，現(xiàn)代車(chē)禍及交通事故“是一場(chǎng)不休眠、無(wú)休止的戰(zhàn)爭(zhēng)”“汽車(chē)是殺人的可移動(dòng)式的工具”[1]，交通事故的危害性涉及面廣，周期時(shí)間長(zhǎng)，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(duì)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(gè)全人類(lèi)社會(huì)性的大問(wèn)題[2]。

針對(duì)現(xiàn)代公路交通運(yùn)輸?shù)陌踩枨?，尋求行駛?chē)輛車(chē)頭時(shí)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(guò)對(duì)大量的實(shí)測(cè)六軸貨車(chē)整車(chē)質(zhì)量及車(chē)頭時(shí)距數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵聚類(lèi)中心的計(jì)算分析和確定，明確整車(chē)質(zhì)量對(duì)車(chē)頭時(shí)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(wú)論從經(jīng)濟(jì)方面、還是從人道方面，或者從這個(gè)社會(huì)層面來(lái)看，都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 車(chē)頭時(shí)距

車(chē)頭時(shí)距是評(píng)價(jià)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(lái)說(shuō)，所謂車(chē)頭時(shí)距指的是在同一車(chē)道上行駛的車(chē)輛隊(duì)列中，兩輛連續(xù)車(chē)輛車(chē)頭端部通過(guò)某一標(biāo)準(zhǔn)斷面所用的時(shí)間間隔。一般用ht 表示，車(chē)頭時(shí)距的單位為s/Veh。車(chē)頭間距一般使用平均車(chē)頭時(shí)距來(lái)描述，平均車(chē)頭時(shí)距等于平均車(chē)頭間距與平均車(chē)速之商。

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

跟馳狀態(tài)下行駛車(chē)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(chē)輛跟馳行駛的基本特征，另外也是車(chē)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(chē)輛與前導(dǎo)車(chē)的距離為S(t)，n為前導(dǎo)車(chē)，n+1 為后隨車(chē)，兩車(chē)在剎車(chē)操作后的相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 線(xiàn)性跟車(chē)模型示意圖

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

2 車(chē)輛交通特性

行人、車(chē)輛、道路的時(shí)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(chē)輛有小汽車(chē)、客車(chē)和貨車(chē)等不同類(lèi)型車(chē)輛，車(chē)輛駕駛員的視線(xiàn)高度，車(chē)輛本身的尺寸、整備質(zhì)量、最高行駛車(chē)速、加速度、加速時(shí)間和性能以及其他一些特性都決定了車(chē)道寬度、豎向凈空、路梁荷載，這些因素也通過(guò)各種形式影響行駛車(chē)輛車(chē)頭時(shí)距的不斷變化。

為確保不同等級(jí)公路上各類(lèi)車(chē)輛行駛的安全性，前后兩輛車(chē)輛必須保持一定的車(chē)頭時(shí)距，并需要時(shí)刻做好制動(dòng)剎車(chē)的準(zhǔn)備，行駛車(chē)輛的制動(dòng)性能主要體現(xiàn)在制動(dòng)距離或者制動(dòng)減速上，還體現(xiàn)在制動(dòng)效能的穩(wěn)定性和制動(dòng)時(shí)汽車(chē)的方向穩(wěn)定性上，制動(dòng)過(guò)程實(shí)際上是汽車(chē)行駛的動(dòng)能通過(guò)制動(dòng)器轉(zhuǎn)化為熱能，當(dāng)溫度升高后，能否保持在冷狀態(tài)時(shí)的制動(dòng)效能對(duì)于高速時(shí)制動(dòng)或長(zhǎng)下坡連續(xù)制動(dòng)都至關(guān)重要，因?yàn)橹苿?dòng)效能喪失引發(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(chē)輛制動(dòng)距離等于反應(yīng)距離與制動(dòng)距離（剎車(chē)距離）之和，在道路交通安全要素中，除行人和自行車(chē)交通以外，其他行駛?cè)蝿?wù)都由駕駛員來(lái)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(chē)輛車(chē)輪發(fā)生跑偏，車(chē)輛將會(huì)有側(cè)滑信息，這也能影響行駛車(chē)輛的制動(dòng)距離[8]。

表1 為駕駛員視野與行車(chē)車(chē)輛速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，車(chē)速與駕駛員視野之間的關(guān)系成反比，車(chē)速越高，駕駛員視野范圍越小，同時(shí)隨著整車(chē)質(zhì)量的增加，由于質(zhì)量慣性的影響，對(duì)駕駛員行車(chē)制動(dòng)操作將提出更高的要求。

表1 駕駛員視野與行車(chē)速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 整車(chē)質(zhì)量對(duì)車(chē)輛制動(dòng)效果影響分析

物質(zhì)在相互發(fā)生作用的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生物質(zhì)、能量之間的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化，原有的平衡狀態(tài)就會(huì)被改變或打破，以形成具有新的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和結(jié)構(gòu)形態(tài)的物質(zhì)。根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能守恒方程的原理可知，一定的質(zhì)量對(duì)應(yīng)于一定的能量，反之來(lái)說(shuō)一定的能量也對(duì)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(duì)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(chē)輛制動(dòng)的距離受車(chē)輛制動(dòng)前的瞬時(shí)速度（一般也稱(chēng)為初速度）、車(chē)輛整車(chē)質(zhì)量、輪胎性能狀況、制動(dòng)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(chē)輛制動(dòng)力和車(chē)重。車(chē)輛制動(dòng)力指剎車(chē)片與剎車(chē)盤(pán)之間的摩擦力以及輪胎與路面之間的摩擦力，車(chē)輛整車(chē)質(zhì)量對(duì)制動(dòng)力的大小產(chǎn)生積極效果和作用[10]。表2為我國(guó)《商用車(chē)輛和掛車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》（GB 12676-2014）中，關(guān)于不同車(chē)型在空載狀態(tài)時(shí)對(duì)制動(dòng)距離的要求數(shù)據(jù)信息。

表2 不同車(chē)型（空載時(shí)）制動(dòng)距離要求

基于基本生活經(jīng)驗(yàn)人們也可以認(rèn)識(shí)到，行駛運(yùn)動(dòng)快的汽車(chē)剎車(chē)難度增加那是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)速度越快，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難被改變。車(chē)輛在行駛過(guò)車(chē)中的實(shí)際剎車(chē)，輪胎沒(méi)剎死，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）本身功能就是防抱死車(chē)輛失控，尤其是滾動(dòng)摩擦剎車(chē)效果或者從滾動(dòng)摩擦進(jìn)入滑動(dòng)摩擦的時(shí)間受車(chē)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(shuō)明了整車(chē)質(zhì)量對(duì)車(chē)輛制動(dòng)、車(chē)頭時(shí)距及交通安全產(chǎn)生的重要影響。

5 整車(chē)質(zhì)量與車(chē)頭時(shí)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(zhǎng)，人民物質(zhì)生活水平也在全面提高，汽車(chē)成為人民出行的必備交通工具，致使公路上行駛的車(chē)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(chē)輛的整車(chē)質(zhì)量也呈現(xiàn)出多樣化的表現(xiàn)。本研究通過(guò)收集某條高速公路24 h 內(nèi)全部六軸貨車(chē)的行駛速度、整車(chē)重量和車(chē)頭時(shí)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(chē)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(jiàn)部分六軸貨車(chē)的最大時(shí)速也達(dá)到了100 km/h以上。

圖2 24 h內(nèi)車(chē)輛行駛速度（升序）趨勢(shì)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(chē)輛行駛速度的升序進(jìn)行排列，再通過(guò)模糊C均值聚類(lèi)（FCM）聚類(lèi)算法對(duì)整車(chē)質(zhì)量分布散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行類(lèi)中心計(jì)算確定，并采用Matlab 軟件中自帶的shape preserving函數(shù)勾畫(huà)出類(lèi)中心保形曲線(xiàn)，全部車(chē)輛整車(chē)質(zhì)量樣本數(shù)據(jù)分布如圖3所示。

圖3 升序車(chē)速條件下整車(chē)質(zhì)量數(shù)據(jù)分布

通過(guò)對(duì)圖3 分析可進(jìn)一步看出，車(chē)輛行駛速度較低的時(shí)段，整車(chē)重量也較大，隨著行駛車(chē)速的增長(zhǎng)，整車(chē)重量隨之下降，聚類(lèi)中心保形曲線(xiàn)呈現(xiàn)出波形下降趨勢(shì)，直至達(dá)到一個(gè)基本穩(wěn)定的形態(tài)。這說(shuō)明車(chē)輛行駛速度受到整車(chē)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(chē)重量與車(chē)頭時(shí)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(chē)輛整車(chē)質(zhì)量和車(chē)頭時(shí)距無(wú)明顯相關(guān)性。

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

通過(guò)對(duì)整車(chē)質(zhì)量與車(chē)頭時(shí)距的相關(guān)性分析分析足以說(shuō)明以下問(wèn)題：一是受整車(chē)質(zhì)量的限制，車(chē)輛載重量較大時(shí)，車(chē)輛行駛速度較低；二是隨著車(chē)輛載重量的減輕，車(chē)輛行駛速度將有所提高，隨著整車(chē)質(zhì)量的進(jìn)一步減輕，車(chē)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(shí)候駕駛員駕駛安全性可控量會(huì)被進(jìn)一步壓縮，而車(chē)頭時(shí)距表示的是前后兩車(chē)通過(guò)某一斷面的時(shí)間差，其不隨行車(chē)速度和車(chē)輛載重而呈現(xiàn)大幅波動(dòng)。

車(chē)輛行駛速度、整車(chē)質(zhì)量及車(chē)頭時(shí)距的分布現(xiàn)象符合車(chē)輛動(dòng)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(chē)輛非自由行駛狀態(tài)模型入手，詳細(xì)介紹了車(chē)輛跟馳模型表現(xiàn)的原理和方法，分析了行駛車(chē)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(chē)質(zhì)量對(duì)駕駛員駕駛操作和車(chē)頭時(shí)距產(chǎn)生的影響。文章在行車(chē)速度升序排列的條件下，采用FCM 聚類(lèi)算法對(duì)整車(chē)質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行類(lèi)中心確定，結(jié)果顯示車(chē)輛行駛速度受整車(chē)質(zhì)量的制約，載重量與行駛速度呈負(fù)相關(guān)性，而車(chē)輛載重和行車(chē)速度對(duì)車(chē)頭間距不產(chǎn)生波動(dòng)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)。