一种基于车辆动力学仿真和事故树的公路立体线形安全评价方法

摘要

本发明公开了一种基于车辆动力学仿真和事故树的公路立体线形安全评价方法，其特征在于：首先建立车辆‑3D公路‑驾驶员控制耦合仿真模型，获取车辆在公路上运行时反馈的动力学特征指标：车辆纵向速度、质心侧偏角、横摆角速度、轮胎垂直力；然后根据所获得的动力学特征指标分别计算各公路桩号位置处侧滑、侧翻、追尾事故的事故概率，再基于事故树模型计算获得各公路桩号位置处的综合事故概率；最后将公路按照直线和平曲线路段分段后，以每一路段内各公路桩号位置处的综合事故概率计算该路段事故概率，以反映公路立体线形的安全性。本发明方法究既适用于新建公路设计阶段安全评价，可以定量、准确的评价公路线形设计安全水平；也适用于已运营阶段公路安全评价，可为今后的安全改善决策提供定量化指导。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于车辆动力学仿真和事故树的公路立体线形安全评价方法，属于公路立体线形设计安全评价领域。

背景技术

国内外研究表明，不良线形条件的影响是70％公路交通事故的直接或间接原因，定量、准确评价公路线形条件安全水平有利于及时发现公路设计缺陷并改善，对提高公路交通安全水平、降低公路事故发生率、减少经济财产损失有重要意义。由于公路建成运营后，即使发现公路设计缺陷，重新更改公路线形和重建公路基础设施成本代价巨大，因此，在公路设计阶段就应准确评估其线形设计安全水平，检查出公路几何线形存在的问题，从而提前消除安全隐患。

基于车辆动力学虚拟仿真技术、驾驶模拟技术的公路线形条件安全评价方法为公路安全评价、设计提供了新的定量分析手段。申请号为CN201410045593.3的发明专利提出一种基于多体系统动力学的道路线形安全分析方法，把道路视作可视化的动力学模块，通过车辆纵向加速度、侧向加速度、侧倾角、侧滑角、俯仰角、横摆角、横摆角速度、横摆角加速度、转向盘转角及转向齿条行程等动力学响应指标，分析道路线形设计的一致性、协调性和安全性；但该方法评价指标的选取较为随意，且各指标间具有相关性。申请号为CN201510116266.7的发明专利提出一种基于驾驶模拟技术的道路线形安全审核方法，其基于驾驶模拟技术获取速度标准差、平均速度、纵向加速度标准差、横向加速度标准差等驾驶行为参数和方向盘转角标准差、方向盘转角阈值、油门标准差等车辆运行参数，基于ANOVA和Pearson方法得到二级指标，再利用模糊网络分析法构建道路线形安全审核评价体系；但采用模糊评价对各指标的安全性影响程度进行打分，缺乏客观性。申请号为CN201510456733.0的提出一种基于驾驶舒适性的双车道公路交通安全评价方法，该方法以驾驶员心率变化率为基准，利用驾驶模拟舱分析了不同驾驶员行驶在平曲线路段、反向平曲线路段、纵坡路段、弯坡路段的心率变化率，建立了心率变化率与平曲线半径、行车速度、反向平曲线之间的直线长度、坡度、平曲线半径之间的关系模型；但驾驶员存在身体状况个体差异，此外，仅采用驾驶员心率变化单一指标也难以准确描述公路线形安全性。

发明内容

本发明为避免上述现有方法所存在的不足之处，提出一种基于车辆动力学仿真和事故树的公路立体线形安全评价方法，以期可以用路段事故概率定量、准确的评价公路线形设计安全水平。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于车辆动力学仿真和事故树的公路立体线形安全评价方法，其特点在于：首先在车辆动力学仿真软件CarSim中建立车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型，获取车辆在公路上运行时反馈的动力学特征指标，包括：车辆纵向速度、质心侧偏角、横摆角速度、轮胎垂直力；根据所获得的动力学特征指标分别计算各公路桩号位置处侧滑、侧翻、追尾事故的事故概率，然后再基于事故树模型计算获得各公路桩号位置处的综合事故概率；最后将公路按照直线和平曲线路段分段后，以每一路段内各公路桩号位置处的综合事故概率计算该路段事故概率，以反映公路立体线形的安全性。具体包括如下步骤：

(1)在车辆动力学仿真软件CarSim中建立车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型，获取车辆在公路上运行时反馈的动力学特征指标，包括：车辆纵向速度、质心侧偏角、横摆角速度、轮胎垂直力；

(2)根据所获得的动力学特征指标分别计算各公路桩号位置处侧滑、侧翻、追尾事故的事故概率，通过事故树建立一个综合考虑侧滑、侧翻、追尾事故的事故树模型，按式(1)计算各公路桩号位置处的综合事故概率：

P(S)＝1-∏[1-P_侧滑(S)][1-P_侧翻(S)][1-P_追尾(S)](1)

式(1)中，P(S)表示公路桩号S位置处的综合事故概率，P_侧滑(S)表示公路桩号S位置处侧滑事故概率，P_侧翻(S)表示公路桩号S位置处侧翻事故概率，P_追尾(S)表示公路桩号S位置处追尾事故概率；

(3)将公路按照直线和平曲线路段划分为N段，按式(2)逐段计算事故概率，以各路段事故概率评价公路立体线形安全性：

式(2)中，P_n为第n段路段事故概率，d_n为第n段路段长度，d_n表达式为

d_n＝S_n1-S_no(3)

式(3)中，S_no和S_n1分别为第n段路段的起始点桩号和终止点桩号。

进一步的，步骤(2)中P_侧滑(S)表达式为：

P_侧滑(S)＝1-∏[1-P_{横摆角速度}(S)][1-P_{质心侧偏角}(S)](4)

式(4)中，P_{横摆角速度}(S)是以横摆角速度反应的车辆侧滑事故概率，P_{质心侧偏角}(S)是以质心侧偏角反应的车辆侧滑事故概率；

式(5)中，|γ(S)|是从车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型获取的随桩号变化的横摆角速度的绝对值，γ_max为横摆角速度安全边界值；式(6)中，|β(S)|是从车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型获取的随桩号变化的质心侧偏角的绝对值，β_max为质心侧偏角安全边界值。

进一步的，步骤(2)中P_侧翻(S)表达式为：

式(7)中，LTR(S)为侧向荷载转移比；式(8)中，F_ZR(S)_i表示从车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型获取的随桩号变化的右侧轮胎垂直力，F_ZL(S)_i表示从车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型获取的随桩号变化的左侧轮胎垂直力，i＝1表示前轮，i＝2表示后轮。

进一步的，步骤(2)中P_追尾(S)表达式为：

式(9)中，R_ASD(S)是公路桩号S处可提供的公路视距，SSD(S)为公路桩号S处安全停车所需的停车视距；SSD(S)基于车辆纵向速度计算获得。

进一步的，步骤(1)在车辆动力学仿真软件CarSim中建立车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型，获取车辆在公路上运行时反馈的动力学特征指标的方法，包括如下步骤：

(11)在车辆动力学仿真软件CarSim中建立车辆模型，具体包括如下步骤：

步骤11-1：获取车辆外形尺寸、悬架系统、轮胎系统、发动机关键建模参数；

步骤11-2：依据得到的关键建模参数，通过CarSim软件，创建和装配车辆模型；

(12)在车辆动力学仿真软件CarSim中创建能够反映公路立体线形的3D公路模型，具体包括如下步骤：

步骤12-1：从公路AutoCAD设计文件中导出公路中心线X-Y平面坐标表，输入CarSim中公路平面线形坐标定义界面中，生成3D公路模型平面线形；

步骤12-2：从公路AutoCAD设计文件中导出公路中心线高程随桩号变化表，输入公路中心线高程坐标定义界面中，生成3D公路模型纵断面线形；

步骤12-3：在CarSim软件公路横断面设置模块中，设置公路横向坡度，生成3D公路模型横断面线形；

步骤12-4：在CarSim软件公路摩擦系数模块中设置路面摩擦系数；

(13)在车辆动力学仿真软件CarSim中建立驾驶员控制模型，具体步骤如下：

步骤13-1：输入公路设计速度为仿真初始速度；

步骤13-2：方向控制设置为预先跟随公路中心线行驶；

步骤13-3：速度控制设置为自动切换离合器和自动换挡；

(14)运行车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型，获取车辆在公路上运行时反馈的动力学特征指标，包括：车辆纵向速度、质心侧偏角、横摆角速度、轮胎垂直力。

进一步的，步骤(13)中方向控制和速度控制均采用前视预瞄的跟随策略。

与现有技术相比，本方法有益效果体现在：

1、本方法应用CarSim车辆动力学仿真软件构建车-路-驾驶员耦合模型，综合考虑“人-车”系统风险与公路立体线形的交互作用，具有建模简单、灵活、易于修改和扩展等优势，应用、推广前景良好。

2、本发明选取的指标(车辆纵向速度、质心侧偏角、横摆角速度、轮胎垂直力)能准确表征侧滑、侧翻、追尾事故发生可能性，并建立指标值与各类事故发生概率的关系模型，依据事故树理论计算事故发生的总概率，具有可靠的理论依据。

3、将本方法应用于南洛高速蚌宁段(桩号：K36+000-K200+778)，计算的路段事故概率和实际路段事故数的斯皮尔曼相关系数为0.70。因此，本发明所采用的一种基于车辆动力学仿真和事故树的公路立体线形安全评价方法，能够准确评价公路线形设计安全水平。

附图说明

图1为本发明基于车辆动力学仿真和事故树的公路立体线形安全评价方法的流程图；

图2为凸型竖曲线路段公路可提供视距计算示意图；

图3为凹型竖曲线路段公路可提供视距计算示意图；

图中标号：凸型竖曲线可提供的公路视距VT_ASD，凸型竖曲线半径R_v，司机的眼睛高度h₁，被观测物体的高度x，第一辅助计算角α₁，第二辅助计算角α₂，凹型竖曲线路段可以提供的公路视距VS_ASD，凹型竖曲线半径R_S，车前灯向上扩散角度β，车前灯高度h₂，第三辅助计算角α₃，第四辅助计算角α₄。

具体实施方式

本发明基于车辆动力学仿真和事故树的公路立体线形安全评价方法，通过实例：南洛高速公路安徽段，起始桩号：K36+000-K200+778的公路进行线形安全分析，南洛高速公路安徽段K36+000-K200+778全程164778米，设计速度120km/h。K36+000-K48+500为双向六车道，路基宽34.5米；K48+500-K200+778双向四车道，路基宽28米。全路段土路肩宽0.75m，右侧硬路肩宽3m，车道宽3.75m，中央分隔带宽3m，护栏宽度1m，横向坡度2％。

如图1所示，本实施例包括如下主要步骤：

(1)在车辆动力学仿真软件CarSim中建立车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型，获取车辆在公路上运行时反馈的动力学特征指标的方法，包括如下步骤：

(11)在车辆动力学仿真软件CarSim中建立车辆模型，具体包括如下步骤：

步骤11-1：获取车辆外形尺寸、悬架系统、轮胎系统、发动机关键建模参数，以CarSim自带小轿车模型为例，其关键建模参数如表1。

表1 CarSim自带小轿车模型关键建模参数

步骤11-2：依据得到的关键建模参数，通过CarSim软件，创建和装配车辆模型；

(12)在车辆动力学仿真软件CarSim中创建能够反映南洛高速公路安徽段K36+000-K200+778立体线形的3D公路模型，具体包括如下步骤：

步骤12-1：从南洛高速公路安徽段K36+000～K200+778的AutoCAD设计文件中导出公路中心线X-Y平面坐标表，输入CarSim中公路平面线形坐标定义界面中，生成3D公路模型平面线形；

步骤12-2：从南洛高速公路安徽段K36+000～K200+778的AutoCAD设计文件中导出公路中心线高程随桩号变化表，输入公路中心线高程坐标定义界面中，生成3D公路模型纵断面线形；

步骤12-3：南洛高速公路安徽段K36+000～K200+778全路段公路横向坡度2％，在CarSim软件公路横断面设置模块中，设置公路横向坡度为2％，生成3D公路模型横断面线形；

步骤12-4：在CarSim软件公路摩擦系数模块中设置路面摩擦系数，干燥路面的摩擦系数为0.8，积雨路面摩擦系数降为0.6，积雪路面的摩擦系数为0.2，结冰路面的摩擦系数为0.1。本实施例仿真分析干燥路面，路面摩擦系数设置为0.8。

(13)在车辆动力学仿真软件CarSim中建立驾驶员控制模型，具体步骤如下：

步骤13-1：输入南洛高速公路安徽段K36+000～K200+778的设计速度120Km/h为仿真初始速度；

步骤13-2：方向控制设置为预先跟随公路中心线行驶；

步骤13-3：速度控制设置为自动切换离合器和自动换挡；

(14)运行车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型，获取车辆在公路上运行时反馈的动力学特征指标，包括：车辆纵向速度、质心侧偏角、横摆角速度、轮胎垂直力。

(2)首先根据所获得的动力学特征指标分别计算各公路桩号位置处侧滑、侧翻、追尾事故的事故概率，通过事故树建立一个综合考虑侧滑、侧翻、追尾事故的事故树模型，计算各公路桩号位置处的综合事故概率，具体包括如下步骤：

(21)根据从车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型所获得的质心侧偏角、横摆角速度计算各公路桩号位置S处侧滑事故的事故概率P_侧滑(S)，表达式为：

P_侧滑(S)＝1-∏[1-P_{横摆角速度}(S)][1-P_{质心侧偏角}(S)](4)

式(4)中，P_{横摆角速度}(S)是以横摆角速度反应的车辆侧滑事故概率，P_{质心侧偏角}(S)是以质心侧偏角反应的车辆侧滑事故概率；

式(5)中，|γ(S)|是从车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型获取的随桩号变化的横摆角速度的绝对值，γ_max为横摆角速度安全边界值，γ_max的表达式为：

γ_max＝0.85μ_ygcosθ/v_x(5-1)

式(5-1)中，μ_y表示公路横向摩擦系数，且μ_y＝0.65μ，μ为路面摩擦系数；g为9.8m/s²；θ角为公路横向坡度，％，v_x为车辆纵向行驶速度，Km/h。

式(6)中，|β(S)|是从车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型获取的随桩号变化的质心侧偏角的绝对值，β_max为质心侧偏角安全边界值，β_max的表达式为：

β_max＝tan^-1(0.02μ_yg)(6-1)

(22)根据从车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型所获得的轮胎垂直力计算各公路桩号位置S处侧翻事故的事故概率P_侧翻(S)，表达式为：

式(7)中，LTR(S)为侧向荷载转移比；式(8)中，F_ZR(S)_i表示从车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型获取的随桩号变化的右侧轮胎垂直力，F_ZL(S)_i表示从车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型获取的随桩号变化的左侧轮胎垂直力，i＝1表示前轮，i＝2表示后轮。

(23)根据从车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型所获得的车辆纵向速度以及南洛高速公路安徽段公路设计数据，计算各公路桩号S位置处追尾事故的事故概率P_追尾(S)，表达式为：

式(9)中，R_ASD(S)是公路桩号S处可提供的公路视距，SSD(S)为公路桩号S处安全停车所需的停车视距；SSD(S)基于车辆纵向速度计算获得。

具体的，公路桩号S处可提供的公路视距R_ASD(S)的确定方法为：获取南洛高速公路安徽段K36+000～K200+778全段的平曲线半径、纵曲线类型和纵曲线半径等公路设计数据，计算各公路桩号S处可提供的公路视距R_ASD(S)。

对于直线路段，可提供的公路视距取驾驶员视距极限400m。

对于平曲线、凸型竖曲线、凹型竖曲线路段，首先计算路段可提供的公路视距，然后比较计算视距和驾驶员视距极限400m的大小，取两者之中的最小值为该路段最终的可提供的公路视距。

对于平纵组合路段，首先分别计算路段平曲线和纵曲线可提供的公路视距，然后比较平曲线可提供的公路视距、纵曲线可提供的公路视距和驾驶员视距极限400m的大小，取三者之中的最小值为该路段最终的可提供的公路视距。

其中：

平曲线路段可提供的公路视距的计算方法为：

式(10)中，H_ASD为平曲线路段可以提供的停车视距，m；W_l为车道宽度，m；W_c为侧向净宽，m；R_h为平曲线半径，m。当车辆右转时，路侧护栏及绿化会影响视线；而左转时中央分隔带绿化和护栏会影响视线，根据车辆左右不同转向，W_c计算如下：

式(11)中，W_s为路肩宽度，m；W_b为护栏宽度，m；W_m为中央分隔带宽度，m。

如图2所示，凸型竖曲线路段可提供的公路视距的计算方法为：

VT_ASD＝(α₁+α₂)R_v(12)

式(12)-(14)中，VT_ASD为凸型竖曲线可提供的停车视距，m；R_v为凸型竖曲线半径，m；司机的眼睛的高度h₁取1.08m，被观测物体的高度x取0.6m。

如图3所示，凹型竖曲线路段可提供的公路视距的计算方法为：

VS_ASD＝(α₃+α₄)R_S(15)

α₃＝β(16)

OE＝cosα₃(R_S-h₂)(18)

式(15)-(18)中，VS_ASD为凹型竖曲线路段可以提供的视距，m；R_S为凹型竖曲线半径，m；β为车前灯向上扩散角度，最大1.5度；h₂为车前灯高度，取0.6m。

进一步，公路桩号S处安全停车所需的停车视距SSD(S)指驾驶员从看到前方障碍物开始制动到安全停车车辆所行驶的距离，包括驾驶员反应距离和制动距离，SSD(S)的计算方法为：根据从车辆-3D公路-驾驶员控制耦合仿真模型所获得的车辆纵向速度和从南洛高速公路安徽段设计资料中获取的公路坡度，计算各公路桩号S位置处安全停车所需的停车视距SSD(S)；

式(19)中，V(S)为公路桩号S处的车辆纵向速度，Km/h；t为驾驶员反应时间，取2.5s；i(S)是公路桩号S处的公路坡度，上坡取正，下坡取负，％；a为制动减速度，取3.4m²/s。

(24)通过事故树建立一个综合考虑侧滑、侧翻、追尾事故的事故树模型，按式(1)计算各公路桩号位置处的综合事故概率：

P(S)＝1-∏[1-P_侧滑(S)][1-P_侧翻(S)][1-P_追尾(S)](1)

式(1)中，P(S)表示公路桩号S位置处的综合事故概率，P_侧滑(S)表示公路桩号S位置处侧滑事故概率，P_侧翻(S)表示公路桩号S位置处侧翻事故概率，P_追尾(S)表示公路桩号S位置处追尾事故概率；

(3)将南洛高速公路安徽段按照直线和平曲线路段划分，共100段，其中平曲线路段53段、直线段47段，按式(2)逐段计算事故概率，以各路段事故概率评价公路立体线形安全性：

式(2)中，P_n为第n段路段事故概率，d_n为第n段路段长度，d_n表达式为

d_n＝S_n1-S_no(3)

式(3)中，S_no和S_n1分别为第n段路段的起始点桩号和终止点桩号。

(4)从当地交警部门获得南洛高速公路安徽段K36-K201段2005年12月至2010年12月沿线事故数，共129起，为便于计算事故数与事故概率的相关性，同样将公路划分为53段平曲线路段和47段直线段并重新统计每段事故数。

步骤(3)计算获得各段事故概率以及步骤(4)获取的各段事故数如表2。

表2步骤(3)计算获得各段事故概率以及步骤(4)获取的各段事故数

(5)采用斯皮尔曼等级相关系数(Spearman)来检验路段事故概率和事故数之间的相关性，检验结果如表3。

表3路段事故概率和实际事故数斯皮尔曼检验结果

**.在置信度(双测)为0.01时，相关性是显著的

(6)由表3可知，应用本发明基于车辆动力学仿真和事故树的公路立体线形安全评价方法对南洛高速安徽段进行立体线形安全性评价，可以直接计算获得路段事故概率，并且计算获得的路段事故概率和实际事故数具有较高的相关性，表明事故概率可以用来直接、定量的描述公路立体线形安全性。

(7)本发明还可以根据评价需要，设置相应阈值和识别隐患点，可以实现不同路段间相对安全性比较。同时，本发明既适用于新建公路设计阶段安全评价，也适用于已运营阶段公路安全评价，可为今后的安全改善决策提供定量化指导。