客运车辆纵向行驶安全域辨识分析

赵彬　施雯　刘艳娟

摘 要：随着我国经济迅速发展，公路基础设施也得以逐步完善，中国公路运输业高速发展。客运车辆的行驶安全成为当下汽车领域研究的又一新的热点和难点。客运车辆纵向避撞预警系统是客运车辆主动安全辅助系统中较为重要的组成部分，其可以及时辨别客运车辆行驶状态，计算与前方行驶客运车辆的安全距离，并及时对客运车辆驾驶员进行预警。从而达到减少客运车辆发生事故的概率。文章围绕客运车辆纵向避撞系统相关研究，对客运车辆纵向行驶安全域进行建模分析，通过分析比较前后车的不同行驶状态及不同的天气条件和路面条件，进行不同的纵向安全域模型计算，得到不同状态下的客运车辆纵向行驶的安全域。关键词： 客运车辆;安全域;制动分析中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）01-138-04

Abstract： With the rapid development of China's economy， highway infrastructure has been gradually improved， China's highway transport industry has developed rapidly. The driving safety of vehicles has become a new hot and difficult point in the field of automobile research nowadays. Longitudinal Collision avoidance warning System of passenger vehicle is an important part of vehicle active safety auxiliary system. It can identify the driving state of the vehicle in time， calculate the safe distance with the driving vehicle ahead， and make early warning to the vehicle driver. So as to reduce the probability of accidents in passenger vehicles. In this paper， the longitudinal collision Avoidance system of passenger vehicle is studied， and the longitudinal driving safety area of passenger vehicle is modeled and analyzed. By analyzing and comparing the different driving states and different weather conditions and road conditions of the front and rear cars， the longitudinal safety domain model is calculated and the safety area of the passenger vehicles under different conditions is obtained.Keywords： Passenger vehicle; Safety area; Brake analysisCLC NO.： U467  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）01-138-04

1 前言

1.1 課题的提出及研究意义

近些年来，中国经济的高速发展，在经济发展的前提基础下，公路基础设施也得以逐步完善，中国公路运输业高速发展。然而与此同时，公路交通的高速发展以和我国汽车保有量的迅速增加，客运车辆的数量的迅速增长所引发的道路交通安全问题也越来越严峻。

客运车辆高速行驶及较多的载客人数导致一旦客运车辆发生交通事故，必将造成重大的人员财产损失。客运车辆的高速或者超速行驶会导致客运车辆纵向行驶的行车间距不足，从而引发道路交通事故的发生。因此，对客运车辆纵向行驶安全域的辨识技术的研究是保障高速行驶的客运车辆的行驶安全的核心问题。

1.2 研究目标及研究内容

本论文的研究目标是通过利用动力学在考虑到不同天气条件（晴天、雨天、雪天、冰天）及路面条件（干燥、潮湿、积雪、结冰）确定不同行驶关系下的前后两客运车辆的纵向行驶制动安全域。通过分析前后两车不同的制动初速度和各自的制动减速度的关系，分为两种情况五种状态对客运车辆纵向行驶安全域的计算进行建模，建立客运车辆纵向行驶安全域的计算模型。

2 客运车辆纵向制动过程分析

2.1 制动过程分析

通常情况下认为，客运车辆的的紧急制动过程是指客运车辆以一定的制动减速度从初始车速逐渐减小为零的过程，而这个过程所经历的时间成为制动时间。然而在实际过程中，当驾驶员接收到需要紧急制动的信号时，并没有立即行动，而是需要经过一个时间段t1后才意识到需要进行紧急制动，并移动右脚，再经过t2时间后把脚从加速踏板向制动踏板移动。从驾驶人接收到需要进行紧急制动信息到驾驶人右脚移动到制动踏板所消耗的时间包括t0=t1+t2，t1称为驾驶员反应时间。这段时间一般为0.3s -1.0s。在驾驶员右脚移动到制动踏板上之后，随着驾驶员踩踏板的动作，踏板力逐渐增大至踏板力最大值，由于制动踏板存在自由行程，制动蹄是由回位弹簧拉着，蹄片与制动鼓间存在间隙，所以要经过t3的时间地面制动力才能够起作用，使客运车辆开始产生减速度。时间段t4是制动器制动力增长过程所需要的时间。t0”=t3+t4总称为制动器作用时间。制动器作用时间一方面取决于驾驶员踩制动踏板的速度，另外更重要的是受制动系统结构的影响。t0”一般在0.2s-0.9s的范围之内。在制动力达到最大值到客运车辆停止的这段时间t5，制动减速度基本保持不变，保持制动减速度的最大值amax，这段时间t5称为全制动时间。

由上述可知，客运车辆制动过程包括三个阶段：驾驶员反应时间阶段、制动系统协调时间阶段和全制动时间阶段。其中，驾驶员反应时间包括两部分：从驾驶员接收到需要做出制动信号所做出反应的时间t1及驾驶员得右脚由加速踏板移动到制动踏板所花费的时间t2，即驾驶员反应时间t0=t1 +t2;制动系统协调时间是指制动系消除间隙所需时间t3和制动力由零开始上升至最大值所需的时间t4，即制动系统协调时间t0”=t3+t4;全制动时间是指客运车辆以最大制动减速度amax减速至客运车辆停止所花费的时间t5。

一般所指制动距离时开始踩着制动踏板到完全停车的距离。它包括制动器起作用和持续制动两个阶段中汽车所行驶过的距离s2和s3。

由上式可以看出，决定汽车制动距离的主要因素是：制动器其作用时间、最大制动减速度即附着力（或最大制动器制动力）以及起始制动车速。

2.2 不同天气条件及不同路面条件对纵向安全域的影响分析

客运车辆在公路上高速行驶时，纵向行驶安全域的影响条件较多。对纵向行驶安全域的辨识不仅仅要考虑客运车辆行驶的安全性，还要考虑驾驶员的主观意识和主观感受对纵向行驶安全域的影响。

恶劣天气如降雨天气、降雪天气、冰雹天气、大雾天气、路面结冰等天气条件，会不同程度影响路面的摩擦系数以及駕驶员事视野和反应时间，从而容易导致客运车辆较为严重的恶性碰撞事故的发生。

公路上可能发生的恶劣天气主要有暴雨、暴雪、大雾、强风、雷电、积雪、冰冻等[13]。

上述这些的恶劣自然天气会导致道路环境与客运车辆运行环境的变化，例如道路积雪、积水等条件下，客运车辆的路面摩擦系数将会大幅度下降，易引发道路交通事故。不良路面条件会导致路面附着系数减小，从而使客运车辆的制动时间和制动距离难以确定。分析客运车辆制动安全距离值随路况和车速变化的规律，并将其应用于客运车辆纵向行驶避撞系统，可减少由于路面条件所造成的交通事故和人身财产损失。

高速公路制动减速度根据路面类型、客运车辆轮胎类型、客运车辆轮胎粗糙度、客运车辆纵向行驶车速以及路面的潮湿情况而变化。当客运车辆滑动率保持在15%-20%之间时，地面附着系数处于最大值，即制动减速度可达最大值：amax=?g。

3 客运车辆纵向安全域方案构建

3.1 客运车辆行驶状态信息的确定

本文以前后两车的不同的行驶运动状态为研究基础。

（1）本车与前车的车速确定

通过客运车辆行驶状态信息采集系统，确定本车与前车行驶车速。

（2）本车与前车制动减速度的确定

本车与前车的制动减速度可有间隔时间内车速的变化量来确定，即：

（3）前车行驶状态的确定

前车的行驶状态克分为四种状况：静止状态、匀速行驶状态、加速行驶状态和减速行驶状态。本篇文章仅对可能造成客运车辆纵向行驶是发生危险的行驶状态进行讨论分析，即前车进行匀速行驶和减速行驶时。由此可分为以下种情况进行分析：

（1）前车处于匀速行驶状态，本车车速高于前车车速。

（2）前车处于减速行驶状态，本车车速低于前车车速。

（3）前车处于减速行驶状态，本车车速等于前车车速。

（4）前车处于减速行驶状态，本车车速高于前车车速。

3.2 客运车辆可行纵向安全域方案构建

客运车辆在纵向行驶时的安全域的安全限制条件是客运车辆与前方客运车辆的行驶距离应当大于等于两车在紧急制动时的临界安全域。

根据《公路工程技术标准》（JT G/B01 - 2003）[14]和《公路路线设计规范》（JTG D20 - 2006）[15]的规定，驾驶员的反应时间取2.5s;制动踏板消除自由行程时间取0.05s;制动力上升时间取0.2s。两车相对静止时纵向安全域的临界值一般取2到5米。

根据前车的运动状态，本文将分为两种情况四种状态对客运车辆进行可行纵向安全域的方案构建。

（1）前车n进行匀速行驶，本车n+1的行驶车速高于前车n的行驶车速，并且两车相对速度较小。前车速度不变，本车做减速运动，在本车减速的过程中，在时间达到某一时刻t4'时，本车车速vn+1与前车车速vn在数值上达到相等时，即两车速相等。在此过程中，本车n+1处于制动力上升时期。未达到全制动状态。

4 总结

本文通过分析考虑了不同天气条件和不同路面条件等因素对于纵向行驶的客运车辆的影响，依照前车不同的运行状态（匀速行驶或者匀减速行驶）对两客运车辆纵向行驶进行了分为两种情况五种状态进行了纵向行驶安全域模型的建立。得到客运车辆纵向行驶安全域的计算模型如下：

参考文献

[1] Yuan Lin Chen， Shun Chung Wang， Chong An Wang.Study on Vehicle Safety Distance Warning System. IEEE Intelligent Transpor -tation System.2008，17（6）：1706-1712.

[2] Akria Higashimata， Satoshi Tange.Design of a headway distance control system for ACC.HSAE Review，2001，22：15-22.

[3] 熊烈强，王富，李杰.考虑前后车速关系的客运车辆跟驰模型[J].华中科技大学学报（自然科学版），2005，33（9）：87-90.

[4] 许伦辉，罗强，吴建伟，等.基于最小安全距离的客运车辆跟驰模型研究[J].公路交通科技，2010，27（10）：95-100.

[5] JT G/B01-2003，公路工程技术标准[S].北京：人民交通出版社，2003.

[6] JT G/D20-2006，公路路线设计规范[S].北京：人民交通出版社，2006.