萬遠航， 邵毅明*， 徐 進,2， 鐘 欣

(1.重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074；2.重慶交通大學交通運輸工程重慶市重點實驗室，重慶 400074；3.重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401120)

車輛行駛速度受車輛結構、動力性能影響，同時又受道路幾何條件限制，反映駕駛人主觀意愿和駕駛行為習慣的運行參數(shù)[1]。不同于乘用車，重載貨車由于車身結構大、質心高等特性，并不具備良好的操縱穩(wěn)定性。尤其在下坡路段，其龐大的重力勢能轉化會增加制動器工作負荷，導致制動器工作性能下降，車輛失控風險增大。為改善長大下坡重載貨車行駛安全，國內外學者開展了大量的研究工作，主要集中在制動器溫升模型[2-6]、道路安全坡長[7-8]和車輛縱坡路段速度預測模型[9-11]三方面，缺少從駕駛人掛檔決策層面開展長大下坡重載貨車行駛安全研究。然而，駕駛人作為車輛操縱主體， 其駕駛行為與車輛安全存在高度相關性，以蘭海高速事故為例[12]，駕駛人因誤掛檔位導致制動器失效，從而引發(fā)車輛連環(huán)碰撞。因此，研究重載貨車掛檔速度變化特征，對提高駕駛人長大下坡掛檔決策能力、改善道路交通安全具有一定的實用價值。

基于此，構建人-車-路協(xié)同仿真系統(tǒng)，依托縱坡道路模型單因素變化，分析載重量、掛檔檔位、路面坡度與掛檔車速之間的耦合強度，探討掛檔車速波動特性及掛檔機理，研究不同坡度重載貨車掛檔車速變化范圍，提出基于前視預瞄理論的長大下坡駕駛人掛檔仿真模式，并以一條長大下坡實例道路作為算例，為駕駛人掛檔決策及相關道路安全研究提供參考。

1 車-路協(xié)同仿真系統(tǒng)建立

1.1 整車動力學模型

貨車作為公路運輸主流車輛，由于車身結構大、質心高等特性，并不具備轎車良好的操縱穩(wěn)定性，是長大下坡事故的典型車輛。故選擇重載貨車為研究對象，整車模型建模均是在Trucksim車輛模型庫完成，車輛主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 車輛主要參數(shù)

1.2 道路模型

仿真道路模型由單一縱坡道路模型和實例道路模型兩部分構成，單一縱坡道路模型為坡度固定的縱坡道路，用于分析掛檔車速與車路環(huán)境因素的關聯(lián)及影響；實例道路模型用于評價車輛長下坡路段行駛安全。仿真道路具體建模步驟為：①利用空間三維路面計算程序軟件，提取該路段面節(jié)點空間坐標；②將所得節(jié)點導入Trucksim生成不同路面單元；③通過給每個路面單元賦值的方式來模擬現(xiàn)實不同環(huán)境道路場景。

圖1 實例路段平縱面線形

圖1實例路段平縱面線形，數(shù)據(jù)來源于四川省涼山某長下坡路段。從圖1中可以看出，該路段包含多段長大下坡，高低差起伏大，利于開展大型車輛長大下坡行駛安全仿真研究。

1.3 發(fā)動機模型

由于貨車掛檔下坡是通過發(fā)動機運動時內部摩擦和空氣泵氣損失所產(chǎn)生反拖力矩來鉗制驅動輪速增長，因此，在求解各個時刻掛檔車速之前，需在測功機上測得仿真車輛發(fā)動機節(jié)氣門開度為零時的發(fā)動機轉速-制動力矩關系曲線。車輛發(fā)動機不同節(jié)氣門開度下的轉速和力矩Map如圖2所示。

圖2 發(fā)動機不同節(jié)氣門開度下的轉速和力矩曲線

1.4 掛檔車速預測模型

忽略橫向、縱向空氣動力學等因素影響，根據(jù)整車動力傳遞特性、差速器運動特性和扭矩分配特性可以推出掛檔車速方程如式(1)～式(2)所示：

(1)

(2)

My_load_LF=-FxLF×(hwc+ZLF)+MyresisLF+MybkF

(3)

(4)

式中:R為車輪半徑；Tg為傳動器輸出扭矩；Ndiff_R后軸差速器傳動比；Itrans_drv_R為后輪驅動軸轉動慣量；Iaxle_RR為右后軸轉動慣量；Iaxle_LR為左后軸轉動慣量；IwR為后輪轉動慣量；My_load_RR、My_load_LR為由輪胎力矩和剎車力矩引起的扭矩負荷；hwc為空載車輪半徑；ZLF為輪胎形變長度，MybkR為后輪制動力矩；MyresisLR為左后輪滾動阻力矩。

掛檔車速采用等步長模式求解，仿真步長設置為0.001 s。由于仿真步長小，故各周期內可認為車輛近似做勻變速直線運動。假設重載貨車以初速度u0掛檔下坡，其在長大下坡路段i時刻速度迭代方程可由式(5)描述：

ui+1=u0+aiΔt

(5)

式(5)中:ui為重載貨車在i時刻的瞬時速度；ai為重載貨車在i時刻的瞬時加速度；Δt為仿真步長。

2 駕駛人模型建立

2.1 速度控制方式

為使駕駛人能夠對道路線形做出響應，實現(xiàn)油門加速、制動減速操縱行為相互轉換。閉環(huán)控制器采用“前視-預瞄”策略，即在車輛起始階段計算出短時域內的期望速度曲線，通過駕駛人油門踏板、制動踏板操縱實現(xiàn)對期望車速曲線的跟隨。駕駛人模型采用PI控制，并在基礎上引入速度非線性立方反饋，其期望加速度可由式(6)描述：

(6)

式(6)中:Kp為比例增益系數(shù)；Ki為積分增益系數(shù)；Kp3為立方增益系數(shù)；Verr為期望速度與實際速度誤差；lerr為期望速度與實際速度誤差積分；Ax為期望加速度。

2.2 控制參數(shù)邊界設置

操縱行為是駕駛人對道路條件的響應，連續(xù)延伸的道路可以看作典型路段單元的銜接組合。當相鄰道路段之間道路線形發(fā)生改變時，駕駛員為保證車輛的縱向及橫向穩(wěn)定性，常會采取加速或制動措施來調整車輛行駛速度(車輛進彎減速、出彎加速)，而現(xiàn)有研究常用車輛加(減)速度進行描述[13]。為提高仿真結果精度，依托山區(qū)公路重載貨車駕駛人自然駕駛數(shù)據(jù)，采用所測數(shù)據(jù)95th分位值作為駕駛人加減速度約束邊界，即最大縱向加速度為0.4 m/s2，最大縱向減速度為0.5 m/s2，最大側向加速度為0.5 m/s2[14]。

3 仿真結果及分析

車輛道路安全作為多要素耦合系統(tǒng)，其掛檔車速受多方面因素影響。為研究貨車掛檔自行下坡車速變化特征，依托人-車-路協(xié)同仿真系統(tǒng)，通過改變道路坡度、貨車載重量、掛檔檔位參數(shù)對掛檔車速變化特征進行分析。

3.1 不同坡度掛檔速度變化特征

研究表明，由于I檔位行駛車速過低，Ⅴ檔位以上行駛車速過高，駕駛人大縱坡道路常采用Ⅱ～Ⅴ檔位進行輔助制動[15]。故僅研究Ⅱ～Ⅴ檔位掛檔車速變化特征，仿真道路坡度為4%～8%，路面附著系數(shù)為0.8。

圖3 不同坡度下掛檔速度變化曲線

圖3所示為重載貨車Ⅲ、Ⅴ檔位掛檔車速仿真結果，給出了5條不同坡度下掛檔車速變化曲線。從圖3(a)可以看出，道路坡度4%條件下對應掛檔車速穩(wěn)定值為16.68 km/h，8%對應車速穩(wěn)定值為18.81 km/h，表明重載貨車穩(wěn)定掛檔車速與道路坡度呈正相關，即重力沿水平面分力增長加劇了車輛重力勢能轉化，掛檔穩(wěn)定車速增高。其次，掛檔車速增長趨勢呈先急后緩特征。即貨車初始掛檔自行下坡時，發(fā)動機轉速較低，對應的發(fā)動機制動力矩小，車輛加速度大。隨著車輛掛檔下行，車輪通過差速器、傳動器、離合器裝置進一步帶動發(fā)動機加速旋轉，單位時間內發(fā)動機內部摩擦力和泵氣損失做功增大，車輛增速放緩。

圖4 Ⅱ～Ⅴ檔位掛檔車速穩(wěn)定值

圖4所示為Ⅱ～Ⅴ檔位掛檔車速穩(wěn)定值。為對比檔位高低、道路坡度與掛檔穩(wěn)定車速耦合強度，對不同檔位、道路坡度掛檔車速進行觀測。由圖4可知，車輛Ⅱ～Ⅴ檔位穩(wěn)定車速分別為11.2～13.18、16.68～18.81、23.3～27.1、32.9～39.6 km/h，相同坡度下重載貨車掛檔穩(wěn)定車速最大差值為26.4 km/h，而相同檔位下掛檔穩(wěn)定車速最大差值僅為6.62 km/h。表明掛檔檔位與掛檔車速穩(wěn)定值呈強耦合性，故車輛長大下坡行駛安全研究應充分考慮掛檔檔位對行車安全影響。

3.2 不同載重量掛檔速度變化特征

運輸過程中，駕駛人為追求經(jīng)濟效益常存在超載現(xiàn)象。為模擬不同載重下貨車掛檔車速響應，分別設置車輛載重量為16、18、20、22 t，并以此展開研究，道路坡度為8%，路面附著系數(shù)為0.8。

圖5 不同載重量掛檔速度變化曲線

從圖5(a)可以看出，重載貨車掛Ⅲ檔位下行時，載重量16 t對應掛檔車速穩(wěn)定值為18.9 km/h，22 t對應掛檔車速穩(wěn)定值為20.1 km/h，表明貨車載重量與掛檔車速穩(wěn)定值呈正相關性。圖5(b)所示為該工況下車輛Ⅱ～Ⅴ檔位掛檔車速穩(wěn)定值，各檔位車速分別為13.3～13.9、18.9～20.0、27.4～29.2、40.1～43.3 km/h。其中，Ⅱ檔位穩(wěn)定掛檔車速最大差值為0.6 km/h，Ⅴ檔位穩(wěn)定掛檔車速最大差值為3.2 km/h?；诖?，可以認為載重量與重載貨車掛檔車速穩(wěn)定值呈弱耦合性，為改善重載貨車長大下坡行駛安全，應著重從道路縱斷面設計及掛檔決策優(yōu)化入手。

4 實例路段仿真及分析

分析可知，優(yōu)化道路縱斷面設計及掛檔決策是改善重載貨車長大下坡行駛安全的有效措施。然而，真實長大下坡駕駛過程中，由于駕駛人難以感知細小的坡度變化，故需要交通標識或人機系統(tǒng)進行引導。因此，在原有人-車-路協(xié)同仿真基礎上，結合駕駛人掛檔決策，設計了長下坡駕駛人掛檔模式，并與當前通用仿真模式(定速巡航)對比，分析大型車輛長下坡行駛安全，進而為駕駛人掛檔決策、道路縱斷面設計提供依據(jù)。仿真路段選取行駛里程為56 km的實例道路作為算例，其中定速巡航模式車速設置為80 km/h(期望車速)，檔位不固定；掛檔下行模式車輛最低車速設置為28 km/h，檔位固定為V檔。

圖6 實例道路仿真結果

圖6所示為實例道路運行計算結果，包括車輛速度、道路高程值、發(fā)動機節(jié)氣門開度、車輪制動壓力變化曲線。從圖6(a)中道路高程值曲線變化可以看出，在行駛里程為21～52 km長下坡路段，定速巡航模式車輛在經(jīng)過長上坡路段后，憑借長下坡重力勢能轉化，速度回升至80 km/h；而掛檔模式車輛在進入下坡前，駕駛人完成減速降檔操作并以五檔位掛檔下行，速度降至30 km/h。兩種模式速度曲線均呈現(xiàn)不同程度波動。究其原因在于，實例道路長下坡坡度并不是固定不變的，當?shù)缆菲露容^小時，重力勢能轉化有限，無法提供當前車輛動能損耗，而駕駛人“感知-決策-操縱”又存在一定的滯后性，導致車輛車速波動增大。此外，實例道路長下坡路段平面線形具有一定程度的蜿蜒，相比直線路段，彎道行駛的車輛需克服額外的功率，從而加劇了車輛速度衰減。

圖6(b)所示為兩種仿真模式下駕駛人長大下坡過程中不同時域操縱行為特征譜，可以發(fā)現(xiàn)在行駛里程42.2～47.4 km路段，掛檔模式下的車輛節(jié)氣門開度波動范圍更廣。究其原因在于，相同車速下，車輛低檔位掛檔下行動能損耗較大，駕駛人若要維持車速穩(wěn)定需要持續(xù)踩踏油門進行加速。

制動器失效是引發(fā)長大下坡重載貨車行車安全的主要因素，而駕駛人制動踏板使用幅頻特性是決定制動器溫升變化的關鍵。從圖6(b)駕駛人制動踏板特征譜曲線可以看出，定速巡航模式下制動壓力值基本保持在零刻度線上，且隨道路環(huán)境變化呈現(xiàn)出不同幅度波動。然而，長時間制動勢必導致制動器工作性能減小甚至失效，從而引發(fā)車輛失控，顯然，采用定速巡航模式評價車輛長下坡行駛安全并不具備可靠性。而掛檔模式下駕駛人長大下坡路段制動踏板全程處于零刻度線，表明制動踏板全稱處于空置狀態(tài)，雖然在一定程度上犧牲了車輛速度，但卻保證了長下坡車輛行駛安全?；诖?，車輛長下坡行駛仿真安全評價應在駕駛人掛檔決策基礎上，結合駕駛人操縱行為特征譜共同完成。

5 結論

(1)構建了人-車-路協(xié)同仿真系統(tǒng)，探討了掛檔車速的波動特性及掛檔機理，得到了不同坡度各檔位掛檔車速變化范圍，為駕駛人掛檔決策提供參考。

(2)運行速度是制動器溫升模型的關鍵參數(shù)，現(xiàn)有研究通常用平均車速替代，無法反映出車輛每個時刻真實的運行狀況，存在一定局限性。掛檔車速變化特征可為同類重載貨車制動器溫升研究提供依據(jù)。

(3)提出了在駕駛人掛檔決策基礎上結合駕駛人操縱行為特征譜的新型仿真模式，為長大下坡車輛行駛安全仿真提供一種新的思路。