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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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的专利技术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的专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术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，Pn为第n段路段事故概率，dn为第n段路段长度，dn表达式为dn＝Sn1-Sno(3)式(3)中，Sno和Sn1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，γmax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，βmax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，FZR(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，FZL(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，RASD(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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.一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。2.根据权利要求1所述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，其特征在于包括如下步骤：(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：Pn=1dn∫Sn0Sn1P(S)ds---(2)]]>式(2)中，Pn为第n段路段事故概率，dn为第n段路段长度，dn表达式为dn＝Sn1-Sno(3)式(3)中，Sno和Sn1分别为第n段路段的起始点桩号和终止点桩号。3.根据权利要求2所述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，其特征在于：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，γmax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，βmax为质心侧偏角安全边界值。4.根据权利要求2所述的一种基于车辆动力学仿真和事故树...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈一锴，王凯，石琴，丁建勋，史婷，黄森，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34