基于车辆侧翻侧滑虚拟试验的公路平曲线半径安全设计的优化方法与流程

本发明属于道路安全研究与方案优化领域，具体涉及一种基于车辆侧翻侧滑虚拟试验的公路平曲线半径安全设计的优化方法。

背景技术：

侧翻侧滑在所有交通事故类型中占据重要比例，并且容易造成较大的人员、经济损失。据NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration<美>国家公路交通安全管理局)数据统计显示，车辆侧翻发生率约5％，但侧翻事故所造成的死亡率高达30％。在车辆正常行驶情况下，公路线形的不合理尤其是曲线半径过小是造成车辆侧翻和侧滑事故的重要原因，也是最可控的因素。因此优化公路平曲线线形对减少车辆侧翻和侧滑事故，提高交通安全性具有重要意义；另外在公路设计阶段对其线形方案进行优化可以节省大量的改建成本。

国内外学者在公路的平曲线半径优化方法方面开展了不同程度的研究，以减少施工成本为目标的公路平曲线设计方案优化方法研究的比较深入，但是忽略了交通安全因素。明确以提高交通安全为目标的公路平曲线设计方案优化方法研究的重点是改善曲线曲率与长度的极限值以及具体条件下的优化原则。优化方法大多是以经验原则和直接的路线视觉感受为依据，没有明确的优化结果对比和具体的操作步骤，对技术人员的经验具有很大的依赖性。另一方面优化结果的衡量标准大多是以预测的速度为基础，而目前速度预测模型还不成熟，不能很好的代表随时变化的现实车速，结果会有很大的误差。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种基于车辆侧翻侧滑虚拟试验的公路平曲线半径安全设计的优化方法，该方法可以为处于各个阶段公路的平曲线半径设计方案的安全性提供一种快速有效的优化方法。

技术方案：本发明公开的基于车辆侧翻侧滑虚拟试验的公路平曲线半径安全设计的优化方法，包括如下步骤：

(1)确立公路平曲线半径安全设计的优化目标函数Q(r)：

Q(r)＝a*LTA_r+b*LTR_r；

其中r为公路平曲线半径，LTA_r为侧向加速度比率，a为LTA_r的权重系数，LTR_r为载荷转移率，b为LTR_r的权重系数；

(2)使用Adams/Car构建驾驶员-车辆-目标路段虚拟试验仿真平台；

(3)使用步骤(2)中构建的虚拟试验仿真平台，进行驾驶员-车辆-目标路段一体化多体系统动力学虚拟试验，获取车辆在目标路段上以设计速度v运行时的动力学指标，计算侧向加速度比率LTA_r与载荷转移率LTR_r的值；

(4)根据步骤(3)计算得到的LTA_r和LTR_r的值，如果满足条件LTA_r≤0.9且LTR_r≤0.9，计算优化目标函数Q(r)的值，并跳转至步骤(6)进行进一步优化；如果满足条件LTA_r>0.9或LTR_r>0.9，跳转至步骤(5)进行进一步优化；

(5)公路平曲线半径r增加Δr，重复步骤(2)-(4)；

(6)计算目前方案中与优化目标平曲线相邻的平曲线二者之间的线段长度l；若满足条件r≥r_max或l≤l_min，跳转至步骤(7)；

若r<r_max且l>l_min，公路平曲线半径r增加Δr，重复步骤(2)-(4)；

其中r_max为平曲线最大半径，l_min为目前方案下与当前评价目标平曲线相邻的平曲线二者之间的最短线段长度；

(7)对不同大小r的虚拟试验仿真结果进行对比分析，选择使得优化目标函数Q(r)值最小的平曲线半径r作为最优设计方案，优化过程结束。

具体地，侧向加速度比率LTA_r计算如下：

其中，a_r为平曲线半径为r和设计超高为i时车辆以设计速度v行驶时的侧向加速度；a_s为安全侧向加速度；a_i为超高加速度；

载荷转移率LTR_r计算如下：

其中F_ZL为转向轴上左右轮的垂向力差值最大时的左轮垂向力，F_ZR为转向轴上左右轮的垂向力差值最大时的右轮垂向力。

具体地，步骤(2)使用Adams/Car构建驾驶员-车辆-目标路段虚拟试验仿真平台具体包括如下步骤：

(2-1)调用Adams/Car软件中内置的车辆模型；

(2-2)调用Adams/Car软件自带的标准整车试验驾驶员控制模型，在Event Builder中建立驾驶数据文件和驱动参数文件，设置车辆的初始速度、初始平衡状态、初始档位；

(2-3)获取所要评价路段的道路参数并使用Adams/Car中的Road Builder建立三维道路模型；所述道路参数包括缓和曲线的长度、圆曲线半径、过渡直线段长度等平曲线参数以及超高值、路面摩擦系数；

(2-4)根据目标路段线形设计方案，应用纬地道路Hint CAD输出道路线形的三维空间逐桩坐标和超高值；

(2-5)根据逐桩坐标表、超高值、路面摩擦系数，利用Adams/Car中的路面建模器(Road Builder)创建目标路段的三维道路模型。

具体地，步骤(3)中获取车辆在目标路段上以设计速度v运行时的动力学指标具体包括如下步骤：

(3-1)进行驾驶员-车辆-目标路段一体化多体系统动力学虚拟试验；

(3-2)将道路模型、车辆模型、驾驶员模型载入到File Driven Events仿真项，输出车辆在道路上以设计速度v运行时的动力学特征；所述动力学特征包括转向轴上左右轮的垂向力差值最大时的左轮垂向力F_ZL和右轮垂向力F_ZR、侧向加速度a_r。

优选地，LTA_r的权重系数a为0.4，LTR_r的权重系数b为0.6。

优选地，所述车辆为重型货车或小型汽车。

优选地，Δr取值为50米。

优选地，安全侧向加速度a_s＝ug；其中u为横向力系数阈值，u＝0.25-0.204×10^-2v+0.36×10^-5v²。

优选地，超高加速度a_i＝ig；其中i为设计超高，g为重力加速度。

有益效果：与现有技术相比，本发明公开的优化方法具有以下有益效果：1、采用侧向加速度比率、载荷转移率作为评价侧翻侧滑性能的主要评价指标简洁明确，能够快速定量计算得到评价结果；融合仿真模拟与传统规范两种优化方法，充分发挥仿真模拟直接可量化与传统规范极值明确的优势；2、采用虚拟仿真的方法针对车辆侧翻侧滑性能对公路平曲线半径设计进行优化，能够应用于处于设计、在建、运营各个阶段的公路，操作简单，应用广泛，优化半径逐渐变化，通过量化的指标精确的特点能够更高概率的靠近理论最佳方案；3、道路平曲线半径逐渐增加，细化不同设计方案，能够较为精确地找到最优方案；4、实施过程明确、具体、简单易操作，对技术人员的专业经验依赖性小；5、以侧向加速度为基础定义侧向加速度比率LTA_r，作为体现侧滑性能的指标，以转向轴轮胎垂向力为基础得到的载荷转移率LTR_r作为体现侧翻侧滑性能的指标；6、根据车辆运行过程中的轮胎垂直载荷、车辆侧向加速度等动力学指标，从侧翻侧滑性能方面量化安全性，从而快速高效地对公路平曲线线形设计设计方案进行优化，优化函数参数能很好地体现侧翻侧滑性能，操作过程简单易操作，该方法能从提高安全性出发准确快速地对公路平曲线半径设计方案进行优化。

附图说明

图1是本发明公开的基于车辆侧翻侧滑虚拟试验的公路平曲线半径安全设计优化方法的流程图；

图2是曲线半径＝400m时三维道路模型示意图；

图3曲线半径＝400m时仿真试验转向轴左轮垂向力变化图；

图4曲线半径＝400m时仿真试验转向轴右轮垂向力变化图；

图5曲线半径＝400m时仿真试验车辆侧向加速度变化图；

图6曲线半径＝600m时三维道路模型示意图；

图7曲线半径＝600m时仿真试验转向轴左轮垂向力变化图；

图8曲线半径＝600m时仿真试验转向轴右轮垂向力变化图；

图9曲线半径＝600m时仿真试验车辆侧向加速度变化图；

图10曲线半径＝800m时三维道路模型示意图；

图11曲线半径＝800m时仿真试验转向轴左轮垂向力变化图；

图12曲线半径＝800m时仿真试验转向轴右轮垂向力变化图；

图13曲线半径＝800m时仿真试验车辆侧向加速度变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

公路平曲线半径设计方案不合理是造成车辆发生侧翻侧滑的主要原因，而由于运行性能差、质量大，货车成为发生侧翻侧滑事故的主要车型，因此本实施例以重型货车作为代表车型进行动力学分析，但同样适用于小汽车。

如图1所示，为本发明公开的基于车辆侧翻侧滑虚拟试验的公路平曲线半径安全设计优化方法的流程图，包括如下步骤：

步骤1、确立公路平曲线半径安全设计的优化目标函数Q(r)：

Q(r)＝a*LTA_r+b*LTR_r；

其中r为公路平曲线半径，LTA_r为侧向加速度比率，a为LTA_r的权重系数，LTR_r为载荷转移率，b为LTR_r的权重系数；考虑发生侧翻和侧滑交通事故的严重程度，本实施例中确定反映侧滑性的指标LTA_r的权重系数a为0.4，反映侧翻性的指标LTR_r的权重系数b为0.6。

侧向加速度比率LTA_r计算如下：

其中，a_r为平曲线半径为r和设计超高为i时车辆以设计速度v行驶时的侧向加速度；a_s为安全侧向加速度，a_s＝ug，u为横向力系数阈值；根据美国国家高速公路和交通运输协会(AASHTO)规定，u＝0.25-0.204×10^-2v+0.36×10^-5v²；a_i为超高加速度，a_i＝ig，g为重力加速度；

载荷转移率LTR_r计算如下：

其中F_ZL为转向轴上左右轮的垂向力差值最大时的左轮垂向力，F_ZR为转向轴上左右轮的垂向力差值最大时的右轮垂向力。

当a_r>a_s+a_i时车辆发生侧滑，此时LTA_r∈[0,1]；为保证在超速、特殊天气等情况下车辆也不发生侧滑，需要满足条件LTA_r≤0.9；当一侧轮垂向力为0时车辆将发生侧翻，此时LTR_r∈[0,1]；为保证车辆不发生侧翻，需要满足条件LTR_r≤0.9。

步骤2、使用Adams/Car构建驾驶员-重型货车-目标路段虚拟试验仿真平台，具体包括如下步骤：

(2-1)调用Adams/Car软件模型库中内置的重型货车模型；

(2-2)调用Adams/Car软件自带的标准整车试验驾驶员控制模型，在Event Builder中建立驱动控制文件和驱动参数文件，设置车辆的初始速度、初始平衡状态、初始档位；创建的驱动控制文件和驱动参数文件以120km/h为参考控制依据，驱动控制文件描述了在仿真试验时，依据试验条件和道路线形驾驶汽车的文本文件，主要对车辆模型中的转向、油门、制动、变速器、离合器和结束条件六个数据块进行实时在线控制；驱动参数文件是在驱动控制文件基础之上，以智能化控制的方式，明确指定车辆在所测道路某一时刻应处的位置或应有的车速；

(2-3)获取所要评价路段的道路参数并使用Adams/Car中的Road Builder建立三维道路模型；所述道路参数包括缓和曲线的长度、圆曲线半径、过渡直线段长度等平曲线参数以及超高值、路面摩擦系数；

(2-4)根据目标路段线形设计方案，将道路的CAD图纸以及相应的设计项目导入到纬地软件Hint CAD中，利用“表格/输出逐桩坐标表”和“表格/输出路基设计表”选项卡，得出道路中线的XYZ坐标以及对应的超高值；

(2-5)根据逐桩坐标表、超高值、路面摩擦系数，利用Adams/Car中的路面建模器(Road Builder/Road Points)定义道路中线轨迹点的位置、道路的宽度、超高以及摩擦力系数等参数，创建目标路段设计方案的三维道路模型，如图2所示；

步骤3、使用步骤2中构建的虚拟试验仿真平台，进行驾驶员-重型货车-目标路段一体化多体系统动力学虚拟试验，获取车辆在目标路段上以设计速度v运行时的动力学指标，计算侧向加速度比率LTA_r与载荷转移率LTR_r的值，具体包括如下步骤：

(3-1)进行驾驶员-车辆-目标路段一体化多体系统动力学虚拟试验；

(3-2)将公路平曲线半径r＝400m时的道路模型、重型货车模型、驾驶员模型载入到File Driven Events仿真项，输出车辆在道路上以设计速度120km/h运行时的动力学特征，此处动力学特征包括转向轴上左右轮的垂向力差值最大时的左轮垂向力F_ZL和右轮垂向力F_ZR、侧向加速度a_r；如图3、图4、图5所示；

(3-3)运用公式(1)和(2)计算侧向加速度比率LTA_r与载荷转移率LTR_r的值；此时计算出的值为LTA_r＝1.18，LTR_r＝0.29；

步骤4、根据步骤3计算得到的LTA_r和LTR_r的值，如果满足条件LTA_r≤0.9且LTR_r≤0.9，说明当前设计方案的平曲线半径没有明显的安全问题，只需要计算优化目标函数Q(r)的值，并跳转至步骤6进行进一步优化；如果满足条件LTA_r>0.9或LTR_r>0.9，说明当前设计方案的平曲线半径的安全性差，平曲线半径的大小需要增加，直到满足安全性要求，即跳转至步骤5进行进一步优化；

由(3-3)的计算，此时LTA_r>0.9，说明当前设计方案的平曲线半径的安全性差，平曲线半径的大小需要增加，跳转至步骤5进行进一步优化；

步骤5、公路平曲线半径r增加50米，设计超高i根据公路路线设计规范中圆曲线半径与超高的关系表取值重复步骤2-步骤4；

当公路平曲线半径r的值增加到r＝600m时，三维道路模型示意图、仿真试验转向轴左轮垂向力变化图、仿真试验转向轴右轮垂向力变化图和仿真试验车辆侧向加速度变化图如图6-图9所示。此时利用公式(1)和(2)计算得到LTA_r＝0.89，LTR_r＝0.18。由于LTA_r≤0.9且LTR_r≤0.9，则说明当前设计方案的平曲线半径没有明显的安全问题，只需要计算优化目标函数Q(r)的值，此时Q(r)＝0.4*LTA_r+0.6*LTR_r＝0.46；

步骤6、计算目前方案中与优化目标平曲线相邻的平曲线二者之间的线段长度l；若满足条件r≥r_max或l≤l_min，跳转至步骤7；若r<r_max且l>l_min，公路平曲线半径r增加50米，重复步骤2-步骤4；

其中r_max为平曲线最大半径，本实施例中设定r_max＝10000m；l_min为目前方案下与当前评价目标平曲线相邻的平曲线二者之间的最短线段长度，根据公路设计规范(JTGD60-2006)，设计速度大于等于60km/h时，同向圆曲线之间的l_min(以m计)以不小于设计速度(以km/h计)的6倍为宜；反向圆曲线之间的l_min(以m计)以不小于设计速度(以km/h计)的2倍为宜，本实施例中设定l_min＝240m。

此时l＝300m，即l>l_min，所以继续增加公路平曲线半径r的值，设计超高i根据公路路线设计规范中圆曲线半径与超高的关系表取值，重复步骤2-步骤4。当r的值增加到r＝800m时，三维道路模型示意图、仿真试验转向轴左轮垂向力变化图、仿真试验转向轴右轮垂向力变化图和仿真试验车辆侧向加速度变化图如图10-图13所示。此时利用公式(1)和(2)计算得到LTA_r＝0.53，LTR_r＝0.12。由于LTA_r≤0.9且LTR_r≤0.9，则说明当前设计方案的平曲线半径没有明显的安全问题，只需要计算优化目标函数Q(r)的值，此时Q(r)＝0.4*LTA_r+0.6*LTR_r＝0.28；

因为当r＝800m时与相邻反向平曲线之间的直线长度l＝240m，l_min＝240m，l≤l_min，进行步骤7；

步骤7、对不同大小r的虚拟试验仿真结果进行对比分析，选择使得优化目标函数Q(r)值最小的平曲线半径r作为最优设计方案，优化过程结束。

在前述步骤中，如果有k个r值满足条件LTA_r≤0.9且LTR_r≤0.9，记为r_j，j∈[1,k]；其对应的Q(r)值为Q(r_j)。比较Q(r_j)值的大小，选择使得优化目标函数Q(r)值最小的平曲线半径r作为最优设计方案。

本实施例中当r＝800m时，Q(r)值最小，因此平曲线半径的最优设计方案为r＝800m时的设计方案。