CN102568218B - 快速道路横风下安全行车速度确定方法 - Google Patents

Abstract

快速道路横风下安全行车速度确定方法，针对横风下车辆发生侧滑的现象，建立快速道路上车辆在横风条件下发生侧滑现象的必要条件，并在此基础上根据道路线形特征、天气状况、横风大小和车型特性确立合理的安全行车速度，保证车辆横向行驶稳定性，提高横风条件下快速道路上车辆的行驶安全性。本发明克服了现有限速方法无法保证车辆横向行驶稳定性的技术缺陷与不足，可以用来作为快速道路上经常出现横风路段的限速方法，以提高车辆的行驶安全。

Description

快速道路横风下安全行车速度确定方法

技术领域

本发明属于交通安全技术领域，涉及道路横风对车辆行驶的影响，为一种快速道路横风下安全行车速度确定方法。

背景技术

恶劣天气行对快速道路行车安全性产生严重影响，不良天气下单位时间内不良天气的事故数是晴天的好几倍甚至是几十倍，且多为重大和恶性事故。2007年，不良天气下的交通事故造成全国约17600人死亡，85200人受伤，直接财产损失达3.18亿人民币。快速道路现有的限速方法往往不考虑天气的影响，因而研究如何确立不良天气下快速道路限速方法对于保证道路行车安全性是具有重大意义的。

目前，已有关于快速道路不良天气下的限速方法往往是通过美国高速公路与交通运输协会（AASHTO）的停车视距模型来实现的，因而这些方法仅仅考虑了车辆纵向上的行驶安全性。然而，快速道路上横风会对车辆横向稳定性产生影响，基于AASHTO的停车视距模型的限速方法在确定快速道路上横风下车辆安全行车速度上是不适用的，因而目前还没有关于确立快速道路上横风下安全行车速度的方法。

汽车在低速行驶时，汽车所受的气动力对汽车的运行稳定性常常可以忽略，分析汽车受力时只考虑汽车所受地面阻力。随着汽车的行驶速度不断提高，气动力对汽车运行稳定性的影响越来越大，尤其是当汽车高速行驶在有侧向风作用的快速道路上时，由于高速气流的侧向气动力作用，汽车将会出现操纵稳定性问题，甚至有可能出现严重的交通事故。因而在横风下对高速公路上的车辆采取速度管理措施是必要的。本发明为此提出了一种快速道路横风下安全行车速度确定方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：横风对快速道路的行车安全有很大影响，然而目前还没有针对横风影响的快速道路安全行车速度确定方法。

本发明的技术方案为：快速道路横风下安全行车速度确定方法，包括以下步骤：

1）对于需要进行横风车速控制的路段，获取其路面参数，包括路线转弯半径R，路线横坡α以及路面摩擦系数μ_s，其中路面摩擦系数μ_s在不同天气状况下对应不同的值；

2）确立快速道路上常见车型的基本参数，包括车辆质量m，单位为kg，正投影面积A，单位为m²，升力系数k_CL，侧向系数k_CS，这4个参数可以通过查阅规范直接获取；

3）车辆受到横风侧向气动力、车辆惯性力、车辆重力以及横风产生的气动升力和路面摩擦力的共同作用，在侧向气动力和惯性力共同作用下，车辆产生侧向滑移，失去正常行驶能力，侧滑的必要条件为：

F_I+F_s≥F_f+G_α                                 （1）

根据路面参数和车辆参数计算车辆惯性力：

$F_I=m{U}_{\mathrm{car}}^2/R---\left(2\right)$

其中，U_car为车辆速度，这里采用快速公路上限速值；

根据路面参数和车辆参数计算车辆惯性力，以及车辆重力沿斜坡方向上的重力分量：

G_α=mgsinα                                   （3）

计算车辆由于横风作用下受到的侧向气动力大小：

F_s=1/2C_sρU²A                                 （4）

其中ρ为空气密度，取1.2kg/m³；U为绝对风速，即风速U_wind和车速U_car的合成速度，C_S为侧向气动力系数，C_s=k_CSβ，β为风向角，β=tan^-1U_wind/U_car；

计算车辆由于横风作用下受到的气动升力大小：

F_L=1/2C_LρU²A                                  （5）

其中，C_L为侧向气动力系数，C_L=k_CLβ；

计算车辆的路面摩擦力F_f=μ_s(mgcosα-F_L)         （6）

其中，μ_s为路面摩擦系数，F_L为车辆由于横风作用下受到的气动升力大小；

4）根据式（2）～（6）计算引起车辆侧滑的力F=F_I+F_S和车辆抗侧滑力R=F_f+G_a，比较在当前限速条件下，引起车辆侧滑的力F与车辆抗侧滑力R的大小，如果侧滑力F＜抗侧滑力R，则当前限速不需要修改，即将当前限速作为横风作用下快速道路上车辆的安全行驶速度；如果侧滑力F≥抗侧滑力R，需要对限速进行调整进入步骤5）；

5）设安全行驶速度为U_car’，将U_car’作为未知数带入公式（2）、（3）、（4）、（6）中的U_car，计算侧滑力F和抗侧滑力R关于U_car’的表达式，并令F=R，得到如下方程式：

$m{U_{\mathrm{car}}^2}^{\′}/R+\frac{1}{2}\mathrm{\ρA}{k}_{\mathrm{CS}}{\tan }^{-1}\frac{U_{\mathrm{wind}}}{{U_{\mathrm{car}}}^{\′}}(U_{\mathrm{wind}}^2+{U_{\mathrm{car}}^2}^{\′})$

$={\mathrm{\μ}}_s[\mathrm{mg}\cos \mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ρAk}}_{\mathrm{CL}}{\tan }^{-1}\frac{U_{\mathrm{wind}}}{{U_{\mathrm{car}}}^{\′}}(U_{\mathrm{wind}}^2+{U_{\mathrm{car}}^2}^{\′})]+\mathrm{mg}\sin \mathrm{\α}---\left(7\right)$

解方程式（7），得到横风作用下快速道路上车辆的安全行驶速度U_car’，若方程式（7）没有解，则表明在这种情况下，车辆即使在静止情况下也会发生侧滑现象，应该关闭此段快速道路。

其中，晴天时快速道路面摩擦系数μ_s取值0.5，雨天时摩擦系数μ_s取值0.35，雪天时摩擦系数μ_s取值0.15，路面出现结冰时摩擦系数μ_s取值0.08。

进一步的，通过道路气象监测站实时检测路面状况和横风大小，计算当前限速值是否满足横风下安全行车的条件，进行定时调整，即实现一种反馈调整，实现对横风条件下的快速道路的实时安全限速。

本发明提供一种快速道路在横风下安全行车速度的确定方法，针对大风下车辆发生侧滑的现象，通过建立行驶在快速道路上车辆在横风下发生侧滑现象的必要条件，并在此基础上根据道路线形特征、天气状况和横风大小等情况确立合理的安全行车速度，提高横风下快速道路上行驶车辆的安全性。本发明独创性在于如何确立横风下的限速值，目前还没有研究显示如何对横风条件下快速道路设置合理限速值，本发明对现有快速道路的路况、限速值及横风情况进行分析，得到横风状态下车辆侧滑的力F和车辆抗侧滑力R，进而对快速道路的限速值进行调整，使之保证横风状态下的安全行车，通过道路气象监测站实时检测路面状况和横风大小，比对当前限速值是否满足横风下安全行车的条件，进行调整，即实现一种反馈调整，可以有效实现对横风条件下的快速道路的安全限速。

本发明从车辆在快速道路上横向的行驶稳定性角度提出了保证车辆横风条件下安全的行车速度确立方法，用来作为快速道路上横风经常出现路段的限速方法，提高车辆的行车安全。

附图说明

图1为横风弯道下车辆侧滑的俯视方向受力分析图。

图2为横风弯道下车辆侧滑的道路横截面方向受力分析图。

图3为本发明快速道路横风下安全行车速度确定方法流程框图。

具体实施方式

横风是快速道路上车辆运行稳定性的重要影响因素。本发明提出一种快速道路横风下安全行车速度确定方法，可以根据快速道路路线情况、天气状况和横风等级大小来确立横风下快速道路上安全行车的速度。

如图3，本发明的快速道路横风下安全行车速度确定方法为：

1）确立快速道路上经常出现横风的路段基本参数，包括路线转弯半径R，路线横坡α以及路面摩擦系数μ，横坡也称侧坡倾角，其中路面摩擦系数μ的确定需要考虑天气状况的影响，晴天下快速道路面摩擦系数μ取值0.5，雨天下摩擦系数μ取值0.35，雪天下摩擦系数μ取值0.15，而路面出现结冰时候摩擦系数μ取值0.08。

2）确立快速道路上常见车型的基本参数，包括车辆质量m（单位为kg），正投影面积A（单位为m²），升力系数k_CL，侧向系数k_CS，这4个参数可以通过查阅规范直接获取；

3）横风条件下快速道路上车辆在弯道行驶时的受力状况如图1和图2所示，受到横风侧向气动力、惯性力(车辆变道等转向)、重力(桥面横向坡度)、横风产生的气动升力和路面摩擦力的共同作用。在侧向风力和惯性力共同作用下,汽车产生侧向滑移,失去正常行驶能力。侧滑的必要条件为：

F_I+F_s≥F_f+G_α  （1）

根据前面路面参数和车辆参数计算车辆惯性力： $F_I=m{U}_{\mathrm{car}}^2/R---\left(2\right)$

U_car为车辆速度，用快速公路上原有限速带入，下面出现U_car同样采用快速公路上原有限速带入。

4）根据前面路面参数和车辆参数计算车辆惯性力计算车辆重力沿斜坡方向上的重力分量，G_α=mgsinα    （3）

5）计算车辆由于横风作用下受到的侧向气动力大小：

F_s=1/2C_sρU²A  （4）

其中ρ为空气密度，一般取1.2kg/m³；其中U为绝对风速，即风速和车速的合成速度，

C_S为侧向气动力系数，计算方法为C_s=k_CSβ，β为风向角，β=tan^-1U_wind/U_car。

6）计算车辆由于横风作用下受到的气动升力大小：

F_L=1/2C_LρU²A                             （5）

其中，C_L为侧向气动力系数，计算方法为C_L=k_CLβ。

7）计算车辆的路面摩擦力F_f=μ_s(mgcosα-F_L)  （6）

其中，μ_s为路面摩擦系数，F_L为6）中车辆由于横风作用下受到的气动升力大小。

8）根据（2）～（6）计算引起车辆侧滑的力F=F_I+F_S和车辆抗侧滑力R=F_f+G_a，比较在当前限速条件下，引起车辆侧滑的力F与车辆抗侧滑力R的大小，如果侧滑力F＜抗侧滑力R，则当前限速不需要修改，即将当前限速作为横风作用下快速道路上车辆的安全行驶速度；如果侧滑力F≥抗侧滑力R，需要对限速进行调整，按下面9）对限速进行调整。

9）设安全行驶速度为U_car’，将U_car’作为未知数带入公式（2）、（3）、（4）、（6）中的U_car，计算侧滑力F和抗侧滑力R关于U_car’的表达式，并令F=R，得到如下方程式：

$m{U_{\mathrm{car}}^2}^{\′}/R+\frac{1}{2}\mathrm{\ρA}{k}_{\mathrm{CS}}{\tan }^{-1}\frac{U_{\mathrm{wind}}}{{U_{\mathrm{car}}}^{\′}}(U_{\mathrm{wind}}^2+{U_{\mathrm{car}}^2}^{\′})$

$={\mathrm{\μ}}_s[\mathrm{mg}\cos \mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ρAk}}_{\mathrm{CL}}{\tan }^{-1}\frac{U_{\mathrm{wind}}}{{U_{\mathrm{car}}}^{\′}}(U_{\mathrm{wind}}^2+{U_{\mathrm{car}}^2}^{\′})]+\mathrm{mg}\sin \mathrm{\α}---\left(7\right)$

解方程式（7），将得到U_car’值作为横风作用下快速道路上车辆的安全行驶速度。若方程式（7）没有解，则表明在这种情况下，车辆即使在静止情况下也会发生侧滑现象，应该关闭此段快速道路。

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例采用一段设计速度为120km/h的高速公路，其基本参数的选取均来自于中国《公路线性设计规范》（JTGD20-2006），取路线横坡α=0.02，路线转弯半径R=1000m。

地面侧向附着极限随着轮胎与路面的侧向附着系数，即摩擦系数的变化而变化，不同的恶劣天气下路面的侧向附着系数是不相同的，根据已有研究，考虑雪天下的路面摩擦系数为μ_s=0.15。

高速公路上较为常见的车型为轿车和客车，2种种车辆代表车型的基本参数为：

表1典型车型的参数取值

车型	质量/kg	正投影面积/m2	升力系数KCL	侧向系数KCS
					轿车	1140	2.05	0.02	0.034
中型客车	7100	5.55	0.04	0.18

1.计算轿车的安全车速，按照前面的计算步骤（1）～（8）计算在蒲福风力8级横风下（20.7m/s），轿车行驶在该段高速公路上受到的侧滑力和抗侧滑力：

（1）轿车受到的侧滑力F=F_I+F_S=2.8KN，抗侧滑力为R=F_f+G_a=1.8KN。

（2）F>R，因而原有120km/h的限速不能够保证横风下轿车的安全行车。

（3）将安全行驶速度为U_car’带入公式（2）、（3）、（4）、（6）中的U_car，计算侧滑力F和抗侧滑力R关于U_car’的表达式，并令F=R，解如下方程式：

$m{U_{\mathrm{car}}^2}^{\′}/R+\frac{1}{2}\mathrm{\ρA}{k}_{\mathrm{CS}}{\tan }^{-1}\frac{U_{\mathrm{wind}}}{{U_{\mathrm{car}}}^{\′}}(U_{\mathrm{wind}}^2+{U_{\mathrm{car}}^2}^{\′})$

$={\mathrm{\μ}}_s[\mathrm{mg}\cos \mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ρAk}}_{\mathrm{CL}}{\tan }^{-1}\frac{U_{\mathrm{wind}}}{{U_{\mathrm{car}}}^{\′}}(U_{\mathrm{wind}}^2+{U_{\mathrm{car}}^2}^{\′})]+\mathrm{mg}\sin \mathrm{\α}$

得到U_car’=16m/s=57.6km/h，因而在8级横风下该段高速公路对于轿车的限速应该调整为50km/h。

2.计算中型客车的安全车速，同样按照前面的计算步骤（1）～（8）计算在蒲福风力8级横风下（20.7m/s），中型客车行驶在该段高速公路上受到的侧滑力和抗侧滑力：

（1）中型客车受到的侧滑力F=F_I+F_S=36.9KN，抗侧滑力为R=F_f+G_a=11.1KN。

（2）F>R，因而原有120km/h的限速不能够保证横风下中型客车的安全行车。

（3）将安全行驶速度为U_car’带入公式（2）、（3）、（4）、（6）中的U_car，计算侧滑力F和抗侧滑力R关于U_car’的表达式，并令F=R，解如下方程式：

$m{U_{\mathrm{car}}^2}^{\′}/R+\frac{1}{2}\mathrm{\ρA}{k}_{\mathrm{CS}}{\tan }^{-1}\frac{U_{\mathrm{wind}}}{{U_{\mathrm{car}}}^{\′}}(U_{\mathrm{wind}}^2+{U_{\mathrm{car}}^2}^{\′})$

$={\mathrm{\μ}}_s[\mathrm{mg}\cos \mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ρAk}}_{\mathrm{CL}}{\tan }^{-1}\frac{U_{\mathrm{wind}}}{{U_{\mathrm{car}}}^{\′}}(U_{\mathrm{wind}}^2+{U_{\mathrm{car}}^2}^{\′})]+\mathrm{mg}\sin \mathrm{\α}$

方程没有解，因而在这种情况下，该段高速公路对于中型客车应该封闭通行。

本发明可以实现实时安全限速，通过道路气象监测站实时检测路面状况和横风大小，计算当前限速值是否满足横风下安全行车的条件，进行定时调整，即实现一种反馈调整，实现对横风条件下的快速道路的实时安全限速。

Claims (3)

1.快速道路横风下安全行车速度确定方法，其特征是包括以下步骤：

1）对于需要进行横风车速控制的路段，获取其路面参数，包括路线转弯半径R，路线横坡α以及路面摩擦系数μ_s，其中路面摩擦系数μ_s在不同天气状况下对应不同的值；

2）确立快速道路上常见车型的基本参数，包括车辆质量m，单位为kg，正投影面积A，单位为m²，升力系数k_CL，侧向系数k_CS，这4个参数可以通过查阅规范直接获取；

3）车辆受到横风侧向气动力、车辆惯性力、车辆重力以及横风产生的气动升力和路面摩擦力的共同作用，在侧向气动力和惯性力共同作用下，车辆产生侧向滑移，失去正常行驶能力，侧滑的必要条件为：

F_I+F_s≥F_f+G_α                                 （1）

根据路面参数和车辆参数计算车辆惯性力：

$F_I=m{U}_{\mathrm{car}}^2/R---\left(2\right)$

其中，U_car为车辆速度，这里采用快速公路上限速值；

根据路面参数和车辆参数计算车辆惯性力，以及车辆重力沿斜坡方向上的重力分量：

G_α=mgsinα                                   （3）

计算车辆由于横风作用下受到的侧向气动力大小：

F_s=1/2C_sρU²A                                 （4）

其中ρ为空气密度，取1.2kg/m³；U为绝对风速，即风速U_wind和车速U_car的合成速度，C_S为侧向气动力系数，C_s=k_CSβ，β为风向角，β=tan^-1U_wind/U_car；

计算车辆由于横风作用下受到的气动升力大小：

F_L=1/2C_LρU²A                                 （5）

其中，C_L为侧向气动力系数，C_L=k_CLβ；

计算车辆的路面摩擦力F_f=μ_s(mgcosα-F_L)        （6）

其中，μ_s为路面摩擦系数，F_L为车辆由于横风作用下受到的气动升力大小；

4）根据式（2）～（6）计算引起车辆侧滑的力F=F_I+F_S和车辆抗侧滑力R=F_f+G_a，比较在当前限速条件下，引起车辆侧滑的力F与车辆抗侧滑力R的大小，如果侧滑力F＜抗侧滑力R，则当前限速不需要修改，即将当前限速作为横风作用下快速道路上车辆的安全行驶速度；如果侧滑力F≥抗侧滑力R，需要对限速进行调整进入步骤5）；

5）设安全行驶速度为U_car’，将U_car’作为未知数带入公式（2）、（3）、（4）、（6）中的U_car，计算侧滑力F和抗侧滑力R关于U_car’的表达式，并令F=R，得到如下方程式：

$m{U_{\mathrm{car}}^2}^{\′}/R+\frac{1}{2}\mathrm{\ρA}{k}_{\mathrm{CS}}{\tan }^{-1}\frac{U_{\mathrm{wind}}}{{U_{\mathrm{car}}}^{\′}}(U_{\mathrm{wind}}^2+{U_{\mathrm{car}}^2}^{\′}){U_{\mathrm{car}}^2}^{\′}$

$={\mathrm{\μ}}_s[\mathrm{mg}\cos \mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ρAk}}_{\mathrm{CL}}{\tan }^{-1}\frac{U_{\mathrm{wind}}}{{U_{\mathrm{car}}}^{\′}}(U_{\mathrm{wind}}^2+{U_{\mathrm{car}}^2}^{\′})]+\mathrm{mg}\sin \mathrm{\α}---\left(7\right)$

解方程式（7），得到横风作用下快速道路上车辆的安全行驶速度U_car’，若方程式（7）没有解，则表明在这种情况下，车辆即使在静止情况下也会发生侧滑现象，应该关闭此段快速道路。

2.根据权利要求1所述的快速道路横风下安全行车速度确定方法，其特征是晴天时快速道路面摩擦系数μ_s取值0.5，雨天时摩擦系数μ_s取值0.35，雪天时摩擦系数μ_s取值0.15，路面出现结冰时摩擦系数μ_s取值0.08。

3.根据权利要求1所述的快速道路横风下安全行车速度确定方法，其特征是通过道路气象监测站实时检测路面状况和横风大小，计算当前限速值是否满足横风下安全行车的条件，进行定时调整，即实现一种反馈调整，实现对横风条件下的快速道路的实时安全限速。

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