一種公路長大下坡的可靠性設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于交通運(yùn)輸工程領(lǐng)域，具體涉及一種公路長大下坡的可靠性設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 可靠性設(shè)計方法自誕生至今，發(fā)展十分迅速。第二次世界大戰(zhàn)美國在運(yùn)輸或儲存 武器過程中電子設(shè)備總會發(fā)生一些故障，影響了其戰(zhàn)斗力，為了解決電子設(shè)備出現(xiàn)的故障， 美國展開了有組織的可靠性研究，這使可靠性技術(shù)逐漸走進(jìn)人們的視線。20世紀(jì)60年代 有關(guān)機(jī)構(gòu)和組織成立了可靠性研究中心，深化了可靠性基礎(chǔ)理論、工作方法，開發(fā)了加速壽 命試驗、快速篩選試驗這兩種更加有效的試驗方法，開拓了旨在研究失效機(jī)理的可靠性這 門新學(xué)科，建立了更加有效的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，開設(shè)了可靠性教育課程。隨著可靠性技術(shù)全面快速 地發(fā)展，其應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛。目前已由原來的電子工程逐步運(yùn)用到機(jī)械工程、軟件工 程、交通運(yùn)輸工程、建筑工程、醫(yī)藥工程、航空工程、石油工程、管理工程等。
[0003] 盡管可靠性技術(shù)目前得到了廣泛地運(yùn)用，但在道路路線設(shè)計上極少運(yùn)用。隨著我 國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，通車?yán)锍碳捌嚤Ｓ辛恐鹉暝黾樱煌ㄊ鹿孰S之而來也越來越多，根據(jù) 相關(guān)調(diào)查，我國已是世界上道路交通事故狀況最嚴(yán)重的國家之一，每年的交通事故數(shù)和傷 亡人數(shù)均居世界首位，在各種道路中，公路長大下坡路段的惡性交通事故一直較為頻發(fā)和 集中，占了我國惡性交通事故總數(shù)的較大比重，長大下坡路段交通事故頻發(fā)的直接原因主 要是坡長且陡引起車輛嚴(yán)重超速，貨車頻繁制動，造成貨車制動器溫度過高、剎車功能失 效，這種現(xiàn)狀背后的深層原因很多，我國當(dāng)前公路路線設(shè)計規(guī)范的不合理是其中重要原因， 這種不合理主要體現(xiàn)在基于確定性設(shè)計思想的縱坡設(shè)計方法。
[0004] 為了提高長大下坡的交通安全水平，針對此問題，提出了基于貨車制動安全的公 路長大下坡可靠性設(shè)計方法，以貨車制動器制動效能下降的臨界安全溫度作為約束條件， 建立貨車下坡過程制動器溫升模型的功能函數(shù)，推導(dǎo)縱坡可靠性計算模型，提出了縱坡可 靠性計算模型的求解方法，通過工程案例分析，示范縱坡可靠性設(shè)計方法的應(yīng)用，并驗證可 靠性設(shè)計方法的合理性。利用縱坡可靠性設(shè)計方法，對現(xiàn)行公路路線設(shè)計規(guī)范的合理性進(jìn) 行了分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行路線設(shè)計規(guī)范對高速公路和一級公路的縱坡的最大坡長缺乏規(guī)定。
[0005] 最后，基于可靠性設(shè)計方法，按一般安全和極限安全兩個安全層次，分別計算了高 速公路組合縱坡的不同平均縱坡值所對應(yīng)的一般安全最大坡長和極限安全最大坡長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對長大下坡的交通事故多發(fā)性及長期性，本發(fā)明提供了一種公路長大下坡的可 靠性設(shè)計方法。該方法考慮公路實際運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的多樣性和離散性，突破目前公路縱坡 設(shè)計的確定性思想，從設(shè)計層面提高我國公路長大下坡路段的交通安全水平，推動我國公 路線形設(shè)計方法從當(dāng)前的確定性設(shè)計思想向可靠性設(shè)計思想轉(zhuǎn)型。
[0007] 實現(xiàn)上述目的技術(shù)方案是：
[0008] -種公路長大下坡的可靠性設(shè)計方法，包括如下步驟：
[0009] 1)構(gòu)建關(guān)于坡度、坡長、車速、車總重、制動器初始溫度、環(huán)境溫度的制動轂溫升函 數(shù)關(guān)系式；
[0010] 2)建立貨車下坡過程制動安全的可靠性模型；
[0011] 3)利用蒙塔卡洛法計算縱坡上貨車制動安全的可靠度，基于可靠性設(shè)計方法，按 一般安全和極限安全兩個安全層次，分別計算了高速公路組合縱坡的不同平均縱坡值所對 應(yīng)的一般安全最大坡長和極限安全最大坡長；
[0012] 4)將步驟1)中的公式（2)、公式（3)、公式（4)式代入步驟1)中的公式（1)中，用 步驟3)中，溫度小于制動安全溫度Ts的概率，評價縱坡設(shè)計的安全性，利用制動安全的目 標(biāo)可靠度，反算出不同的平均坡度對應(yīng)的坡長，完成縱坡的不同平均坡度及對應(yīng)的坡長的 設(shè)計。
[0013] 步驟1)中，基于室內(nèi)和野外試驗構(gòu)建出了制動轂溫升函數(shù)關(guān)系式，該關(guān)系式包含 坡度、坡長、車速、車總重、制動器初始溫度、環(huán)境溫度等參數(shù)（見式1)。其中，制動轂的初始 溫度及環(huán)境溫度都是通過試驗調(diào)查數(shù)據(jù)得到；假定貨車總重服從正態(tài)分布，期望與方差是 依據(jù)試驗調(diào)查數(shù)據(jù)在MATLAB平臺調(diào)用函數(shù)命令計算得到（見式4);基于國內(nèi)學(xué)者的研究 成果，貨車在長大下坡行駛的速度符合正態(tài)分布，期望與標(biāo)準(zhǔn)差都存在一定的關(guān)系（見式 2、3)〇
[0014] T=T(v,G,i,L,T〇,Ta) (1)
[0015] 貨車在長大下坡平均速度關(guān)于坡度的關(guān)系式，速度標(biāo)準(zhǔn)差關(guān)于平均速度的關(guān)系式 即
[0017] 根據(jù)有關(guān)研究貨車在長大下坡的行駛速度服從正態(tài)分布，即
[0018] V~Ν(μν，σν)⑶
[0019] 貨車實際載重假設(shè)它服從正態(tài)分布，即
[0020] G~N(yG，〇G)⑷
[0021] 式中：T-制動器溫度（°C) ;T( ·)-函數(shù)關(guān)系；v-貨車的平均車速（km·h3 ; V-貨車的行駛速度（km·h3 ;G-貨車的總重（N) ;i-平均坡度（％ ) ;L-坡長（km)T。一 制動器的初始溫度（°C) ;Ta-環(huán)境溫度（°C) ;N( ·)-正態(tài)分布；μν-貨車的平均車速 (km·h:)；σv一貨車車速的標(biāo)準(zhǔn)差（km·h3;μG一貨車總重的平均值（N);σG一貨車總重 的標(biāo)準(zhǔn)差（N);
[0022] 步驟2)中，以貨車制動器制動效能下降的臨界安全溫度作為約束條件，建立貨車 下坡過程制動安全的可靠度表達(dá)式：
[0023] P=P(T^Ts) =P(Z^ 0) (5)
[0024] 式中：Z=T_TS;Ts-制動器制動效能下降的臨界安全溫度（°C) ;P( ·)-貨車制 動安全的可靠度，也即貨車在長大下坡路段行駛過程中貨車的制動轂溫度小于或等于^的 概率。
[0025] 步驟（3)中，利用蒙塔卡洛法計算貨車制動安全的可靠度。通過編程產(chǎn)生服從已 知分布的各隨機(jī)變量的隨機(jī)數(shù)，并將其代入功能函數(shù)Z中，在樣本N中找到滿足功能函數(shù) Z< 0的個數(shù)M，當(dāng)N時，根據(jù)Bernoulli大數(shù)定律求得制動安全可靠度，表達(dá)式為：
[0027] 式中：P為貨車制動安全的可靠度，Μ為滿足功能函數(shù)Z<0的次數(shù)，N為樣本數(shù)。
[0028] 有益效果
[0029] 本發(fā)明提供了一種公路長大下坡的可靠性設(shè)計方法，考慮公路實際運(yùn)行狀態(tài)參數(shù) 的多樣性和離散性，突破目前公路縱坡設(shè)計的確定性思想，從設(shè)計層面提高我國公路長大 下坡路段的交通安全水平，推動我國公路線形設(shè)計方法從當(dāng)前的確定性設(shè)計思想向可靠性 設(shè)計思想轉(zhuǎn)型。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明的設(shè)計方法流程圖。
[0031] 圖2是本發(fā)明貨車下坡時能量轉(zhuǎn)換示意圖。
[0032] 圖3是本發(fā)明可靠度計算程序流程圖。
[0033] 圖4是實施例2的車輛總重分布圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述，但不是對本發(fā)明的限定，
[0035] 實施例
[0036] 1)構(gòu)建關(guān)于坡度、坡長、車速、車總重、制動器初始溫度、環(huán)境溫度的制動轂溫升函 數(shù)關(guān)系式；
[0037] 2)建立貨車下坡過程制動安全的可靠性模型；
[0038] 3)利用蒙塔卡洛法計算縱坡上貨車制動安全的可靠度，基于可靠性設(shè)計方法，按 一般安全和極限安全兩個安全層次，分別計算了高速公路組合縱坡的不同平均縱坡值所對 應(yīng)的一般安全最大坡長和極限安全最大坡長；
[0039]4)將步驟1)中的公式（2)、公式（3)、公式（4)式代入步驟1)中的公式⑴中，用 步驟3)中，溫度小于制動安全溫度Ts的概率，評價縱坡設(shè)計的安全性，利用制動安全的目 標(biāo)可靠度，反算出不同的平均坡度對應(yīng)的坡長，完成縱坡的不同平均坡度及對應(yīng)的坡長的 設(shè)計。
[0040] 步驟1)中，基于室內(nèi)和野外試驗構(gòu)建出了制動轂溫升函數(shù)關(guān)系式，該關(guān)系式包含 坡度、坡長、車速、車總重、制動器初始溫度、環(huán)境溫度等參數(shù)（見式1)。其中，制動轂的初始 溫度及環(huán)境溫度都是通過試驗調(diào)查數(shù)據(jù)得到；假定貨車總重服從正態(tài)分布，期望與方差是 依據(jù)試驗調(diào)查數(shù)據(jù)在MATLAB平臺調(diào)用函數(shù)命令計算得到（見式4);基于國內(nèi)學(xué)者的研究 成果，貨車在長大下坡行駛的速度符合正態(tài)分布，期望與標(biāo)準(zhǔn)差都存在一定的關(guān)系（見式 2、3)〇
[0041] T=T(v，G，i，L，T0，Ta) (1)
[0042]貨車在長大下坡平均速度關(guān)于坡度的關(guān)系式，速度標(biāo)準(zhǔn)差關(guān)于平均速度的關(guān)系式 即
[0044] 根據(jù)有關(guān)研究貨車在長大下坡的行駛速度服從正態(tài)分布，即
[0045] V~Ν(μν，σν) (3)
[0046] 貨車實際載重假設(shè)它服從正態(tài)分布，即
[0047] G~Ν(μ<；，σG)⑷
[0048] 式中：T-制動器溫度（°C) ;T( ·)-函數(shù)關(guān)系；v-貨車的平均車速（km·h3 ; V-貨車的行駛速度（km·h3 ;G-貨車的總重（N) ;i-平均坡度（％ ) ;L-坡長（km)T。一 制動器的初始溫度（°C) ;Ta-環(huán)境溫度（°C) ;N( ·)-正態(tài)分布；μν-貨車的平均車速 (km·h:)；σv一貨車車速的標(biāo)準(zhǔn)差（km·h3;μG一貨車總重的平均值（N);σG一貨車總重 的標(biāo)準(zhǔn)差（N);
[0049] 步驟2)中，