本發(fā)明屬于道路安全研究與方案優(yōu)化領域，具體涉及一種基于車輛側翻側滑虛擬試驗的公路平曲線半徑安全設計的優(yōu)化方法。

背景技術：

側翻側滑在所有交通事故類型中占據(jù)重要比例，并且容易造成較大的人員、經(jīng)濟損失。據(jù)NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration<美>國家公路交通安全管理局)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，車輛側翻發(fā)生率約5％，但側翻事故所造成的死亡率高達30％。在車輛正常行駛情況下，公路線形的不合理尤其是曲線半徑過小是造成車輛側翻和側滑事故的重要原因，也是最可控的因素。因此優(yōu)化公路平曲線線形對減少車輛側翻和側滑事故，提高交通安全性具有重要意義；另外在公路設計階段對其線形方案進行優(yōu)化可以節(jié)省大量的改建成本。

國內(nèi)外學者在公路的平曲線半徑優(yōu)化方法方面開展了不同程度的研究，以減少施工成本為目標的公路平曲線設計方案優(yōu)化方法研究的比較深入，但是忽略了交通安全因素。明確以提高交通安全為目標的公路平曲線設計方案優(yōu)化方法研究的重點是改善曲線曲率與長度的極限值以及具體條件下的優(yōu)化原則。優(yōu)化方法大多是以經(jīng)驗原則和直接的路線視覺感受為依據(jù)，沒有明確的優(yōu)化結果對比和具體的操作步驟，對技術人員的經(jīng)驗具有很大的依賴性。另一方面優(yōu)化結果的衡量標準大多是以預測的速度為基礎，而目前速度預測模型還不成熟，不能很好的代表隨時變化的現(xiàn)實車速，結果會有很大的誤差。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明公開了一種基于車輛側翻側滑虛擬試驗的公路平曲線半徑安全設計的優(yōu)化方法，該方法可以為處于各個階段公路的平曲線半徑設計方案的安全性提供一種快速有效的優(yōu)化方法。

技術方案：本發(fā)明公開的基于車輛側翻側滑虛擬試驗的公路平曲線半徑安全設計的優(yōu)化方法，包括如下步驟：

(1)確立公路平曲線半徑安全設計的優(yōu)化目標函數(shù)Q(r)：

Q(r)＝a*LTA_r+b*LTR_r；

其中r為公路平曲線半徑，LTA_r為側向加速度比率，a為LTA_r的權重系數(shù)，LTR_r為載荷轉移率，b為LTR_r的權重系數(shù)；

(2)使用Adams/Car構建駕駛員-車輛-目標路段虛擬試驗仿真平臺；

(3)使用步驟(2)中構建的虛擬試驗仿真平臺，進行駕駛員-車輛-目標路段一體化多體系統(tǒng)動力學虛擬試驗，獲取車輛在目標路段上以設計速度v運行時的動力學指標，計算側向加速度比率LTA_r與載荷轉移率LTR_r的值；

(4)根據(jù)步驟(3)計算得到的LTA_r和LTR_r的值，如果滿足條件LTA_r≤0.9且LTR_r≤0.9，計算優(yōu)化目標函數(shù)Q(r)的值，并跳轉至步驟(6)進行進一步優(yōu)化；如果滿足條件LTA_r>0.9或LTR_r>0.9，跳轉至步驟(5)進行進一步優(yōu)化；

(5)公路平曲線半徑r增加Δr，重復步驟(2)-(4)；

(6)計算目前方案中與優(yōu)化目標平曲線相鄰的平曲線二者之間的線段長度l；若滿足條件r≥r_max或l≤l_min，跳轉至步驟(7)；

若r<r_max且l>l_min，公路平曲線半徑r增加Δr，重復步驟(2)-(4)；

其中r_max為平曲線最大半徑，l_min為目前方案下與當前評價目標平曲線相鄰的平曲線二者之間的最短線段長度；

(7)對不同大小r的虛擬試驗仿真結果進行對比分析，選擇使得優(yōu)化目標函數(shù)Q(r)值最小的平曲線半徑r作為最優(yōu)設計方案，優(yōu)化過程結束。

具體地，側向加速度比率LTA_r計算如下：

其中，a_r為平曲線半徑為r和設計超高為i時車輛以設計速度v行駛時的側向加速度；a_s為安全側向加速度；a_i為超高加速度；

載荷轉移率LTR_r計算如下：

其中F_ZL為轉向軸上左右輪的垂向力差值最大時的左輪垂向力，F(xiàn)_ZR為轉向軸上左右輪的垂向力差值最大時的右輪垂向力。

具體地，步驟(2)使用Adams/Car構建駕駛員-車輛-目標路段虛擬試驗仿真平臺具體包括如下步驟：

(2-1)調(diào)用Adams/Car軟件中內(nèi)置的車輛模型；

(2-2)調(diào)用Adams/Car軟件自帶的標準整車試驗駕駛員控制模型，在Event Builder中建立駕駛數(shù)據(jù)文件和驅動參數(shù)文件，設置車輛的初始速度、初始平衡狀態(tài)、初始檔位；

(2-3)獲取所要評價路段的道路參數(shù)并使用Adams/Car中的Road Builder建立三維道路模型；所述道路參數(shù)包括緩和曲線的長度、圓曲線半徑、過渡直線段長度等平曲線參數(shù)以及超高值、路面摩擦系數(shù)；

(2-4)根據(jù)目標路段線形設計方案，應用緯地道路Hint CAD輸出道路線形的三維空間逐樁坐標和超高值；

(2-5)根據(jù)逐樁坐標表、超高值、路面摩擦系數(shù)，利用Adams/Car中的路面建模器(Road Builder)創(chuàng)建目標路段的三維道路模型。

具體地，步驟(3)中獲取車輛在目標路段上以設計速度v運行時的動力學指標具體包括如下步驟：

(3-1)進行駕駛員-車輛-目標路段一體化多體系統(tǒng)動力學虛擬試驗；

(3-2)將道路模型、車輛模型、駕駛員模型載入到File Driven Events仿真項，輸出車輛在道路上以設計速度v運行時的動力學特征；所述動力學特征包括轉向軸上左右輪的垂向力差值最大時的左輪垂向力F_ZL和右輪垂向力F_ZR、側向加速度a_r。

優(yōu)選地，LTA_r的權重系數(shù)a為0.4，LTR_r的權重系數(shù)b為0.6。

優(yōu)選地，所述車輛為重型貨車或小型汽車。

優(yōu)選地，Δr取值為50米。

優(yōu)選地，安全側向加速度a_s＝ug；其中u為橫向力系數(shù)閾值，u＝0.25-0.204×10^-2v+0.36×10^-5v²。

優(yōu)選地，超高加速度a_i＝ig；其中i為設計超高，g為重力加速度。

有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明公開的優(yōu)化方法具有以下有益效果：1、采用側向加速度比率、載荷轉移率作為評價側翻側滑性能的主要評價指標簡潔明確，能夠快速定量計算得到評價結果；融合仿真模擬與傳統(tǒng)規(guī)范兩種優(yōu)化方法，充分發(fā)揮仿真模擬直接可量化與傳統(tǒng)規(guī)范極值明確的優(yōu)勢；2、采用虛擬仿真的方法針對車輛側翻側滑性能對公路平曲線半徑設計進行優(yōu)化，能夠應用于處于設計、在建、運營各個階段的公路，操作簡單，應用廣泛，優(yōu)化半徑逐漸變化，通過量化的指標精確的特點能夠更高概率的靠近理論最佳方案；3、道路平曲線半徑逐漸增加，細化不同設計方案，能夠較為精確地找到最優(yōu)方案；4、實施過程明確、具體、簡單易操作，對技術人員的專業(yè)經(jīng)驗依賴性??；5、以側向加速度為基礎定義側向加速度比率LTA_r，作為體現(xiàn)側滑性能的指標，以轉向軸輪胎垂向力為基礎得到的載荷轉移率LTR_r作為體現(xiàn)側翻側滑性能的指標；6、根據(jù)車輛運行過程中的輪胎垂直載荷、車輛側向加速度等動力學指標，從側翻側滑性能方面量化安全性，從而快速高效地對公路平曲線線形設計設計方案進行優(yōu)化，優(yōu)化函數(shù)參數(shù)能很好地體現(xiàn)側翻側滑性能，操作過程簡單易操作，該方法能從提高安全性出發(fā)準確快速地對公路平曲線半徑設計方案進行優(yōu)化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明公開的基于車輛側翻側滑虛擬試驗的公路平曲線半徑安全設計優(yōu)化方法的流程圖；

圖2是曲線半徑＝400m時三維道路模型示意圖；

圖3曲線半徑＝400m時仿真試驗轉向軸左輪垂向力變化圖；

圖4曲線半徑＝400m時仿真試驗轉向軸右輪垂向力變化圖；

圖5曲線半徑＝400m時仿真試驗車輛側向加速度變化圖；

圖6曲線半徑＝600m時三維道路模型示意圖；

圖7曲線半徑＝600m時仿真試驗轉向軸左輪垂向力變化圖；

圖8曲線半徑＝600m時仿真試驗轉向軸右輪垂向力變化圖；

圖9曲線半徑＝600m時仿真試驗車輛側向加速度變化圖；

圖10曲線半徑＝800m時三維道路模型示意圖；

圖11曲線半徑＝800m時仿真試驗轉向軸左輪垂向力變化圖；

圖12曲線半徑＝800m時仿真試驗轉向軸右輪垂向力變化圖；

圖13曲線半徑＝800m時仿真試驗車輛側向加速度變化圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式，進一步闡明本發(fā)明。

公路平曲線半徑設計方案不合理是造成車輛發(fā)生側翻側滑的主要原因，而由于運行性能差、質量大，貨車成為發(fā)生側翻側滑事故的主要車型，因此本實施例以重型貨車作為代表車型進行動力學分析，但同樣適用于小汽車。

如圖1所示，為本發(fā)明公開的基于車輛側翻側滑虛擬試驗的公路平曲線半徑安全設計優(yōu)化方法的流程圖，包括如下步驟：

步驟1、確立公路平曲線半徑安全設計的優(yōu)化目標函數(shù)Q(r)：

Q(r)＝a*LTA_r+b*LTR_r；

其中r為公路平曲線半徑，LTA_r為側向加速度比率，a為LTA_r的權重系數(shù)，LTR_r為載荷轉移率，b為LTR_r的權重系數(shù)；考慮發(fā)生側翻和側滑交通事故的嚴重程度，本實施例中確定反映側滑性的指標LTA_r的權重系數(shù)a為0.4，反映側翻性的指標LTR_r的權重系數(shù)b為0.6。

側向加速度比率LTA_r計算如下：

其中，a_r為平曲線半徑為r和設計超高為i時車輛以設計速度v行駛時的側向加速度；a_s為安全側向加速度，a_s＝ug，u為橫向力系數(shù)閾值；根據(jù)美國國家高速公路和交通運輸協(xié)會(AASHTO)規(guī)定，u＝0.25-0.204×10^-2v+0.36×10^-5v²；a_i為超高加速度，a_i＝ig，g為重力加速度；

載荷轉移率LTR_r計算如下：

其中F_ZL為轉向軸上左右輪的垂向力差值最大時的左輪垂向力，F(xiàn)_ZR為轉向軸上左右輪的垂向力差值最大時的右輪垂向力。

當a_r>a_s+a_i時車輛發(fā)生側滑，此時LTA_r∈[0,1]；為保證在超速、特殊天氣等情況下車輛也不發(fā)生側滑，需要滿足條件LTA_r≤0.9；當一側輪垂向力為0時車輛將發(fā)生側翻，此時LTR_r∈[0,1]；為保證車輛不發(fā)生側翻，需要滿足條件LTR_r≤0.9。

步驟2、使用Adams/Car構建駕駛員-重型貨車-目標路段虛擬試驗仿真平臺，具體包括如下步驟：

(2-1)調(diào)用Adams/Car軟件模型庫中內(nèi)置的重型貨車模型；

(2-2)調(diào)用Adams/Car軟件自帶的標準整車試驗駕駛員控制模型，在Event Builder中建立驅動控制文件和驅動參數(shù)文件，設置車輛的初始速度、初始平衡狀態(tài)、初始檔位；創(chuàng)建的驅動控制文件和驅動參數(shù)文件以120km/h為參考控制依據(jù)，驅動控制文件描述了在仿真試驗時，依據(jù)試驗條件和道路線形駕駛汽車的文本文件，主要對車輛模型中的轉向、油門、制動、變速器、離合器和結束條件六個數(shù)據(jù)塊進行實時在線控制；驅動參數(shù)文件是在驅動控制文件基礎之上，以智能化控制的方式，明確指定車輛在所測道路某一時刻應處的位置或應有的車速；

(2-3)獲取所要評價路段的道路參數(shù)并使用Adams/Car中的Road Builder建立三維道路模型；所述道路參數(shù)包括緩和曲線的長度、圓曲線半徑、過渡直線段長度等平曲線參數(shù)以及超高值、路面摩擦系數(shù)；

(2-4)根據(jù)目標路段線形設計方案，將道路的CAD圖紙以及相應的設計項目導入到緯地軟件Hint CAD中，利用“表格/輸出逐樁坐標表”和“表格/輸出路基設計表”選項卡，得出道路中線的XYZ坐標以及對應的超高值；

(2-5)根據(jù)逐樁坐標表、超高值、路面摩擦系數(shù)，利用Adams/Car中的路面建模器(Road Builder/Road Points)定義道路中線軌跡點的位置、道路的寬度、超高以及摩擦力系數(shù)等參數(shù)，創(chuàng)建目標路段設計方案的三維道路模型，如圖2所示；

步驟3、使用步驟2中構建的虛擬試驗仿真平臺，進行駕駛員-重型貨車-目標路段一體化多體系統(tǒng)動力學虛擬試驗，獲取車輛在目標路段上以設計速度v運行時的動力學指標，計算側向加速度比率LTA_r與載荷轉移率LTR_r的值，具體包括如下步驟：

(3-1)進行駕駛員-車輛-目標路段一體化多體系統(tǒng)動力學虛擬試驗；

(3-2)將公路平曲線半徑r＝400m時的道路模型、重型貨車模型、駕駛員模型載入到File Driven Events仿真項，輸出車輛在道路上以設計速度120km/h運行時的動力學特征，此處動力學特征包括轉向軸上左右輪的垂向力差值最大時的左輪垂向力F_ZL和右輪垂向力F_ZR、側向加速度a_r；如圖3、圖4、圖5所示；

(3-3)運用公式(1)和(2)計算側向加速度比率LTA_r與載荷轉移率LTR_r的值；此時計算出的值為LTA_r＝1.18，LTR_r＝0.29；

步驟4、根據(jù)步驟3計算得到的LTA_r和LTR_r的值，如果滿足條件LTA_r≤0.9且LTR_r≤0.9，說明當前設計方案的平曲線半徑?jīng)]有明顯的安全問題，只需要計算優(yōu)化目標函數(shù)Q(r)的值，并跳轉至步驟6進行進一步優(yōu)化；如果滿足條件LTA_r>0.9或LTR_r>0.9，說明當前設計方案的平曲線半徑的安全性差，平曲線半徑的大小需要增加，直到滿足安全性要求，即跳轉至步驟5進行進一步優(yōu)化；

由(3-3)的計算，此時LTA_r>0.9，說明當前設計方案的平曲線半徑的安全性差，平曲線半徑的大小需要增加，跳轉至步驟5進行進一步優(yōu)化；

步驟5、公路平曲線半徑r增加50米，設計超高i根據(jù)公路路線設計規(guī)范中圓曲線半徑與超高的關系表取值重復步驟2-步驟4；

當公路平曲線半徑r的值增加到r＝600m時，三維道路模型示意圖、仿真試驗轉向軸左輪垂向力變化圖、仿真試驗轉向軸右輪垂向力變化圖和仿真試驗車輛側向加速度變化圖如圖6-圖9所示。此時利用公式(1)和(2)計算得到LTA_r＝0.89，LTR_r＝0.18。由于LTA_r≤0.9且LTR_r≤0.9，則說明當前設計方案的平曲線半徑?jīng)]有明顯的安全問題，只需要計算優(yōu)化目標函數(shù)Q(r)的值，此時Q(r)＝0.4*LTA_r+0.6*LTR_r＝0.46；

步驟6、計算目前方案中與優(yōu)化目標平曲線相鄰的平曲線二者之間的線段長度l；若滿足條件r≥r_max或l≤l_min，跳轉至步驟7；若r<r_max且l>l_min，公路平曲線半徑r增加50米，重復步驟2-步驟4；

其中r_max為平曲線最大半徑，本實施例中設定r_max＝10000m；l_min為目前方案下與當前評價目標平曲線相鄰的平曲線二者之間的最短線段長度，根據(jù)公路設計規(guī)范(JTGD60-2006)，設計速度大于等于60km/h時，同向圓曲線之間的l_min(以m計)以不小于設計速度(以km/h計)的6倍為宜；反向圓曲線之間的l_min(以m計)以不小于設計速度(以km/h計)的2倍為宜，本實施例中設定l_min＝240m。

此時l＝300m，即l>l_min，所以繼續(xù)增加公路平曲線半徑r的值，設計超高i根據(jù)公路路線設計規(guī)范中圓曲線半徑與超高的關系表取值，重復步驟2-步驟4。當r的值增加到r＝800m時，三維道路模型示意圖、仿真試驗轉向軸左輪垂向力變化圖、仿真試驗轉向軸右輪垂向力變化圖和仿真試驗車輛側向加速度變化圖如圖10-圖13所示。此時利用公式(1)和(2)計算得到LTA_r＝0.53，LTR_r＝0.12。由于LTA_r≤0.9且LTR_r≤0.9，則說明當前設計方案的平曲線半徑?jīng)]有明顯的安全問題，只需要計算優(yōu)化目標函數(shù)Q(r)的值，此時Q(r)＝0.4*LTA_r+0.6*LTR_r＝0.28；

因為當r＝800m時與相鄰反向平曲線之間的直線長度l＝240m，l_min＝240m，l≤l_min，進行步驟7；

步驟7、對不同大小r的虛擬試驗仿真結果進行對比分析，選擇使得優(yōu)化目標函數(shù)Q(r)值最小的平曲線半徑r作為最優(yōu)設計方案，優(yōu)化過程結束。

在前述步驟中，如果有k個r值滿足條件LTA_r≤0.9且LTR_r≤0.9，記為r_j，j∈[1,k]；其對應的Q(r)值為Q(r_j)。比較Q(r_j)值的大小，選擇使得優(yōu)化目標函數(shù)Q(r)值最小的平曲線半徑r作為最優(yōu)設計方案。

本實施例中當r＝800m時，Q(r)值最小，因此平曲線半徑的最優(yōu)設計方案為r＝800m時的設計方案。