高速公路互通立交小半径匝道雨雪天事故风险与限速研究_陈正委.pdf

公路 年月第期 基金项目：国家自然科学基金面上项目，项目编号 ；大唐高鸿智联科技项目，项目编号 ；重庆市高校创新研究群体项目，收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：高速公路互通立交小半径匝道雨雪天事故风险与限速研究陈正委，张杰，徐进（重庆交通大学交通运输学院重庆市 ；大唐高鸿智联科技（重庆）有限公司重庆市 ）摘要：为了探究车辆通过小半径匝道横向失稳形成机制及横向失稳车辆的临界特征，以重庆境内石渝高速（龙桥互通丰都东互通段）的处互通立交小半径匝道作为研究对象，运用 软件探究车辆在不同匝道道路条件下的临界速度，并分别建立小客车和货车的临界速度计算模型，最后结合模型提出车路协同的动态限速方案。研究结果表明：车辆横向偏移量波动较大时极易发生侧滑；建立的临界速度计算模型对于小半径匝道的临界速度计算具有较高的可靠性；货车临界速度具有饱和现象，即当道路摩擦系数大于 时货车的临界速度将不再明显变化；道路摩擦系数小于 时货车的临界条件为侧滑，当道路摩擦系数在 之间时货车的临界条件会由侧滑转变为倾斜；车路协同动态限速方案能够在不同天气条件下进行限速，并能控制限速差值在 以内。关键词：交通工程；小半径匝道；仿真；临界速度计算模型；临界条件；车路协同限速匝道是互通式立体交叉不可缺少的组成部分，是不同方向车辆进行转换的纽带。合理的匝道设计与交通管控是保障车辆安全行驶的先决条件。据统计，互通立交区域内事故超过 发生在匝道路段，匝道的线形条件与天气状况是影响匝道行车安全的关键因素。高速公路主线速度很高，一些驾驶员会以较快的速度驶入小半径匝道，当速度达到某一阈值时，小客车就会发生侧滑，大货车则通常会发生侧翻，尤其是在天气条件恶劣的情况下，道路摩擦系数下降，更加容易诱发车辆侧滑和侧翻。对于匝道行车安全的研究主要分为匝道内车辆行驶特性、匝道事故风险分析、匝道道路条件个方面。关于匝道内车辆行驶特性，徐进等基于实车实验分析了车辆在匝道以及连接部位的行驶特性，明确了车辆加减速的起止点分布。张玉等基于自然驾驶数据探究车辆在迂回式匝道的纵向加速特性，将车辆加速过程分为入弯减速、稳定行驶和出弯加速等个阶段。等用无人机航拍的方式获得小客车和大型车在匝道内的速度特性。匝道车辆行驶特性的研究有助于提出合理的限速方案。对于匝道事故风险分析，丁瑞等通过分析匝道的运行特征将匝道的危险断面分为低、中、高三个风险等级。胡立伟等通过分析快速路出口匝道区域换道行驶和跟驰行驶状态下车辆碰撞的安全限制条件，建立快速路出口匝道区域行车风险评价模型。方涛等通过对比分析境内外的匝道风险控制算法，总结出一套能够改善高速公路运行状况的控制方法。等用交通流、道路几何、出行生成和社会人口预测来分析高速公路匝道的实时碰撞风险，发现出口匝道事故率高于入口匝道。对于道路条件，张敏等 等通过分析车辆在积水路面上的横向稳定性和操纵性机理，建立了一种在积水条件下考虑行车安全的车辙安全性评价方法。方成等 采用单因素实验法分析了雨天条件下匝道平纵线形和车速对行车安全性的影响。李诗佳等 运用 软件仿真车辆通过匝道时的工况，得到了环形匝道行驶的临界条件并提出了安全改善对策。蒋刚等 用 仿真分析了 型喇叭口立交匝道的事故形成机制，并提出了靶向性的安全改善对策。吴初娜等 用 仿真，以轮胎的垂直荷载转移率和横向偏移量作为指标，探究了车速对于客车过弯时横向稳定性的影响。综上所述，匝道运行特征虽能够真实地反映驾驶员驾驶特性，但考虑到驾驶安全性很难获取到事故临界状态的数据，无法精确进行事故风险分析。对于道路条件的分析，大多是分析单一车型的事故形成机制，无法进行不同车型形成事故的差异性对比。本文结合匝道驾驶特性，以 作为仿真平台，分析不同车型事故形成机制的差异性，建立不同道路条件下小客车和货车的临界速度模型，并以临界速度为参考提出车辆协同限速方案。研究对象以重庆境内石渝高速（龙桥互通丰都东互通段）的处互通立交的小半径匝道作为实例化对象，见图。对于重庆境内的山区高速公路而言，主要的不利条件为道路线形受限、天气状况较差导致立交匝道交通事故频次较高。选取的个匝道具有典型的代表性，其部分道路参数见表。图互通线路图及研究对象匝道表研究对象道路参数互通名称立交类型匝道平曲线最小半径超高限速 龙桥互通型喇叭形 涪陵南互通半直连式 涪陵东互通型喇叭形 清溪互通迂回式 南沱互通型喇叭形 丰都西互通型喇叭形 丰都互通型喇叭形 丰都东互通型喇叭形 虚拟行驶仿真方法 道路模型在 的 模块中选择 对道路进行建模，见图。建模参数包括平曲线半径、缓和曲线长度、超高、车道宽度、摩擦系数等。其中匝道的平曲线组合方式为直线缓和曲线圆曲线缓和曲线直线的组合方式。在缓和曲线上设置超高过渡段，在圆曲线路段设置超高。匝道道路模型的搭建符合 公路立体交叉设计细则（）的设计要求。公路 年第期 年第期陈正委等：高速公路互通立交小半径匝道雨雪天事故风险与限速研究图道路设计要素与 模型 车辆仿真模型使用 软件模拟小客车和货车在匝道上的运行过程，根据车辆动力学响应参数评估车辆的行驶稳定性和安全性。其中 用于小客车的行驶仿真，选取全尺寸 作为仿真车型。相比于轿车，重心高、操控差，紧急情况下的动态表现也不及轿车，更容易发生车辆失衡事故，事故后果也更为严重。用于货车的行驶仿真，货车仿真对象选用高速公路常见的二型箱式货车，该类货车重心高、车速快是侧翻事故的主要车型。仿真车辆参数及车辆模型见表、图。表仿真车辆参数参数 取值 箱式货车取值车辆平均轮距 整车质量 簧载质量 质心高度至侧倾中心距离 整车质心高度 轴距 车辆悬架等效侧倾刚度（）转动惯量 （）转动惯量 （）转动惯量 （）整车质心高度 仿真工况设置研究表明车辆在匝道出入口减速长度为 ，经过减速后车辆会以相对稳定的速度进入匝道圆曲线路段。考虑到研究对象具有较长的减速车道，以及车辆横向失稳一般发生在入弯以后，因此仿真工况设置为车辆以恒定的车速通过摩擦系数为 、，半 径 为、，不同摩擦系数和半径组合的匝道。图仿真车辆及模型安全临界速度计算模型 车辆模型包括包括车体、空气动力学、传动系、制动系、转向系、悬架、轮胎等大系统，通过其仿真得到的临界速度会比其他的临界速度计算模型更加精确。因此本文以 仿真得到特征情况下的临界速度，再以此进行曲面拟合得到临界速度计算模型。小客车侧滑临界速度计算模型车辆通过小半径弯道时，当道路提供的横向附着力小于车辆所需的向心力，车辆就会做离心运动，表现为车辆侧滑、横向位移剧烈波动。侧滑临界速度是指车辆在转弯发生侧滑的最小行驶速度，其值大小受道路线形条件、车辆力学条件的影响。保证车辆低于侧滑临界速度通过匝道是匝道限速的必要条件，因此有必要计算车辆的侧滑临界速度。横向稳定性判断指标小客车的横向稳定性可由横向位移来评价，车辆发生侧滑时其横向位移会发生较大波动，见图，本文以横向位移大于 作为侧滑的判断依据。图车辆运行状态及横向偏移量 小客车侧滑临界速度计算模型由上章搭建的仿真环境探究小客车在不同半径、不同道路摩擦系数下侧滑临界速度。探究方法为：改变弯道半径、摩擦系数组合，给车辆输入不同速度进行仿真。当车辆横向偏移量超过 时，记录此时车辆的速度、弯道半径、摩擦系数等。以弯道半径、道路摩擦系数作为自变量，侧滑临界速度作为因变量运用曲面拟合建立小半径匝道侧滑临界速度预测模型，曲面拟合优度 。如图。图小客车侧滑临界速度曲面拟合由曲面拟合得到小半径匝道小客车侧滑临界车速计算模型：（）式中：为小客车侧滑临界速度（）；为弯道最小半径（）；为道路摩擦系数。货车过弯临界速度计算模型货车在通过弯道时其横向失稳表现为侧滑、车身严重倾斜和侧翻等现象，货车的安全过弯临界速度应结合这种失稳状态的临界速度进行计算。货车过弯车速达到某个值时，内侧车轮开始离地，这一速度称为倾斜临界速度。货车车速达到倾斜临界速度时可以通过减速将车“挽救”回安全状态，而货车车速达到侧翻临界速度后车辆失控侧翻将很难避免。因此本文在限速方案设计时选取较为保守的倾斜临界速度作为限速参考。横向稳定性判断指标判断货车侧滑的指标与小客车一样，选取横向偏移量作为指标。货车重心偏向车尾方向，车辆过弯倾斜时内侧后轮会先离地，因此选取地面给予内侧后轮反作用力为作为货车倾斜判断指标。如图。图车辆运行状态及地面支持力 公路 年第期 年第期陈正委等：高速公路互通立交小半径匝道雨雪天事故风险与限速研究 货车过弯临界速度与特征搭建和小客车仿真时相同的道路条件，改变弯道半径和摩擦系数组合，给货车输入不同速度进行仿真，记录横向位移等于 或路面反作用力为时货车的速度、弯道半径、摩擦系数等数据。运用拟合曲面的方式建立小半径匝道货车临界速 度 预 测 模 型，曲 面 拟 合 优 度 。如图。图货车临界速度曲面拟合由曲面拟合得到小半径匝道货车临界车速计算模型：（）（）（）式中：为货车临界速度（）；为弯道最小半径（）；为道路摩擦系数。由拟合曲面可以看出货车的临界速度变化趋势和小客车有所不同，具体体现为货车达到倾斜临界速度后，其临界速度就不再随道路摩擦系数变化，如图所示。图不同道路条件货车的临界速度图中侧滑区表示：道路摩擦系数小于 ，应以侧滑临界速度作为临界速度，在侧滑区内临界速度与道路摩擦系数和弯道半径正相关。过渡区表示：道路摩擦系数在 内时，临界速度由侧滑临界速度过渡到倾斜临界速度，临界速度会小幅度地降低。倾斜区表示：道路摩擦系数大于 时，应以倾斜临界速度作为临界速度，在倾斜区内临界速度与弯道半径正相关，但不会随道路摩擦系数的改变而变化。车路协同限速与预警 研究对象现有限速方案根据现场的实地调查，处小半径匝道的主线高速公路限速为 ，匝道限速为 和 ，静态限速标志牌布置在分流鼻右侧车道外，如图所示。现有限速方案存在以下不足：（）主线与匝道限速差值过大，调查发现处匝道与其连接主线的限速差值为 和 ，过大的速度差值会使驾驶员突然减速，降低行车舒适性甚至导致同车道上行驶速度较大的跟进车辆发生追尾事故；（）限速指令不随道路条件发生变化，在天气变化较大的山区高速公路，道路的摩擦系数会发生变化，对应的匝道限速也应该改变。图现有匝道限速方案 研究对象临界速度计算由上章分析得出，临界速度与弯道半径和道路摩擦系数具有很强的相关性。弯道半径由道路平面线决定，对于建成的匝道弯道半径很难改变，而道路的摩擦系数会随环境的变化而变化，是临界速度变化的主要来源。研究表明不同路面状态其道路摩擦系数取值不同，如表所示。表不同路面状态的摩擦系数路面状态摩擦系数冰雪路面 湿沥青路面 干燥沥青路面 将小半径匝道小客车侧滑临界车速计算模型记为模型一，小半径匝道货车临界车速计算模型记为模型二。常用的过弯临界速度计算模型还有以下种，模型三：基于受力平衡的临界速度计算模型；模型四：基于车轮载荷的临界速度计算模型。现用模型三、模型四以及本文建立模型一、模型二计算研究对象车辆的临界速度，如表所示。表研究匝道种模型车辆临界速度路面状态弯道半径临界速度（）临界速度（）临界速度（）临界速度（）冰雪路面（摩擦系数 ）湿沥青路面（摩擦系数 ）干燥沥青路面（摩擦系数 ）注：、分别由模型一、模型二、模型三、模型四计算得出。由表可以看出，模型一、模型三、模型四计算的侧滑临界速度相差不大，说明本文建立的模型对半径 内的小半径匝道临界速度计算具有一定可靠性。相比于其他个模型，本文建立的模型具有计算更为简便、所需参数更少的优点。根据计算的临界侧滑速度可以看到，在雨天和晴天下车辆的临界速度都大于最低限速（），在冰雪天气时临界速度低于最低限速，因此静态限速方案存在安全风险。模型二计算相同半径弯道上的货车临界速度在湿沥青路面和干燥沥青路面上无明显区别。而相同条件下，由模型三计算的在湿沥青路面货车临界速度要小于模型四计算的在干燥沥青路面临界速度。这是由于模型三与模型四没有考虑货车倾斜的临界条件，若按照模型三、模型四计算的临界速度行驶，车辆有侧翻风险。因此，模型三、模型四只适用于小客车侧滑速度的计算。对比、可以看到，小客车和货车在雨雪天气环境下车辆的临界速度差异性较小，在晴天小客车的临界速度比货车