摘要 摘要 交通事故是當(dāng)今社會(huì)的一大公害，嚴(yán)重地威脅著人們生命和財(cái)產(chǎn)的安全當(dāng) 前，我國(guó)交通事故嚴(yán)重，每年平均死傷數(shù)十萬(wàn)人，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)十億元。在道路 上總是存在某些地點(diǎn)或路段屢屢發(fā)生性質(zhì)類似的交通事故，如果能夠識(shí)別出道路 中的事故多發(fā)路段，有針對(duì)性地進(jìn)行改善和治理則可以大大降低整條道路的事故 率。因此，研究合理有效的事故多發(fā)路段識(shí)別方法是道路安全研究中最重要的內(nèi) 容之一。 目前，對(duì)事故多發(fā)路段的識(shí)別存在著多種多樣的判定方法和理論，但大多是 依賴對(duì)交通事故的歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。盡管以交通事故的歷史數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)方 法有其優(yōu)越性，但是，所要求的交通事故數(shù)據(jù)的歷史時(shí)間比較長(zhǎng)，交通條件也隨 著道路使用時(shí)間的變化有所變化，由此對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析也有一定的影響和局限性。 根據(jù)道路運(yùn)營(yíng)結(jié)果進(jìn)行事后識(shí)別，不但改善道路所需要的投入資金高，而且交通 事故已經(jīng)發(fā)生并造成了大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。 本文將汽車動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)應(yīng)用于事故多發(fā)路段的識(shí)別，提出了事前預(yù)測(cè)道 路事故多發(fā)路段的仿真識(shí)別方法。在基于多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件a d d s 的基礎(chǔ)上， 構(gòu)建了較為精確的道路模型、車輛模型、車一路耦合模型，然后進(jìn)行道路事故多發(fā) 路段的仿真試驗(yàn)，由仿真試驗(yàn)得出不同道路條件對(duì)應(yīng)的汽車運(yùn)行狀態(tài)的速度、加 速度、位移等特征曲線圖。最后，依據(jù)事故多發(fā)路段仿真識(shí)別方法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn) 行分析從而判定某路段是否為事故多發(fā)路段。 利用仿真技術(shù)識(shí)別事故多發(fā)路段，既能從交通事故中道路的安全因素角度出 發(fā)識(shí)別和預(yù)測(cè)事故多發(fā)路段，又避免了現(xiàn)實(shí)交通事故的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，可 以大大提高道路改善的投資效益。這將有助于及時(shí)、準(zhǔn)確掌握道路危險(xiǎn)路段分布 和形成原因，合理改善，實(shí)現(xiàn)提高道路交通安全水平的目的。 關(guān)鍵詞：事故多發(fā)路段識(shí)別；仿真；道路交通事故 摘要2 a b s t r a c t t h ct r a f f i ca c c i d e n ts e r i o u s l yt h r e a t e n sp e o p l e sl i f es e c u r i t ya n dp r o p e r t ys e c u r i t y , s oi tb e c o m e sas o c i a lh a r mn o w a tp r e s e n tt h et r a 伍ca c c i d e n ti ss e r i o u si nc h i l 1 a t h e a v e r a g en u m b e ro fp e o p l ed e a d a n dh a r m e dc o u n t s10 0 ，0 0 0e v e r yy e a ra n de c o n o m y l o s ea m o u n tt os e v e r a lb i l l i o n si 岫s i m i l a ra c c i d e n t sr e p e a t e d l yt a k ep l a c eo ns o m e l o c a t i o n s i fw ec a ni d e n t i f yt h ea c c i d e n tb l a c ks p o t sa n dm a k es e c t i o n a lr e p a i r s ，t h e a c c i d e n tr a t i oc a nb er e d u c e dl a r g e l ya n du n d e rc o n t r 0 1 t h e r e f o r e , s t u d y i n gr e a s o n a b l e a n dv a l i dm e t h o d so fi d e n t i f i c a t i o no fa c c i d e n tb l a c ks p o t si so n eo ft h em o s ti m p o r t c o n t e n t si nt h er o a ds a f e t yr e s e a r c h p r e s e n t l y , t h e r ea r em a n yi d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sa n dt h e o r i e s ，b u tm o s to ft h e m d e p e n do nt h ea n a l y s i so fh i s t o r i c a la c c i d e n td a t a a l t h o u g ht h ee v a l u a t i o nb a s e do n h i s t o r i c a ld a t ah a si t sa d v a n t a g e ，t h er e q u i r e dd a t ah a sai o n g e rh i s t o r i c a lt i m e ，a n dt h e t r a f f i cc o n d i t i o nc h a n g e sw i t ht h ec h a n g eo fr o a du s i n gt i m e , t h er e s u l ts t a t i s t i c a n a l y s i si s a f f e c t e da n dl i m i t e d t h ep o s t m o r t e mi d e n t i f i c a t i o na c c o r d i n gt ot h e o p e r a t i o n a lr e s u l tn e e d sl o t so fm o n e yt oi m p r o v et h er o a dc o n d i t i o n , m e a n w h i l et h e t r 衄ca c c i d e n th a st a k e np l a c e a n dr e s u l t e di ni a r g en u m b e ro fc a s u a l t i e sa n de c o n o m i c l o s s i nt h i s p a p e r , t h ea u t h o ra p p l i e st h et e c h n i q u eo fa u t o m o b i l ed y n a m i c st o i d e n l ：i f i c a t i o no ft h ea c c i d e n tb l a c ks p o t s a n dp u t sf o r w a r dt h em e t h o do fs i m u l a t i o nt o i d e n t i f yt h ea c c i d e n tb l a c ks p o t si na d v a n c e 0 nt h eb a s eo fm u l t i - b o d yd y n a m i c s s o f t w a r ea d a m s ，t h ea u t h o rb u i l d sp e r f e c tr o a dm o d e l , v e h i c l em o d e l ，r o a da n d v e h i c l ec o u p l i n gm o d e l ，t h e nh a v ear o a db l a c ks p o t ss i m u l a t i o nt e s ta n dg e t st h e v e h i c l e sv e l o c i t y , a c c e l e r a t i o n , d i s p l a c e m e n td a t am a pb yt h es i m u l a t i o nt e s t f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h er o a db l a c ks p o t ss i m u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o nm e t h o d s ，t h ea u t h o ra n a l y s i s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n di d e n t i f yw h e t h e rt h er e a di sab l a c ks p o t u s i n ga c c i d e n ts i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt oi d e n t i f yt h ea c c i d e n tb l a c ks p o t sn o to n l y t a k e st h es a f e t ya n dp r e d i c t i o ni n t oa c c o u n lb u ta l s oa v o i d st h ec a s u a l t i e sa n dl o s s i t i n c r e a s e st h ea c c u r a c yt oi m p r o v et h er o a da n di n c r e a s e si n v e s t m e n tb e n e f i t s s oh e l p s t or e a l i z ee n h a n c i n gt h er o a dt r a f f i cs a f e t yl e v e l k e yw o r d s ：r o a db l a c ks p o t si d e n t i f i c a t i o n ；s i m u l a t i o n ；t r a f f i ca c c i d e n t 重慶交通學(xué)院學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究 工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人 或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集 體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：稍整 日期：枷舌年年月弓e l 重慶交通學(xué)院學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保 留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借 閱。本人授權(quán)重慶交通學(xué)院可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù) 進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密甌在j 乙年解密后適用本授權(quán)書(shū)。 本學(xué)位論文屬于 不保密口。 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“”) 學(xué)位論文作者簽名：僦至 指導(dǎo)教師躲研數(shù)咚 日期：加占年午月弓e t日期：叻g 年仁月多e t 第一章緒論 第一章緒論 1 1 課題提出的背景 聯(lián)合國(guó)的一份報(bào)告指出，交通事故不僅給個(gè)人和家庭造成無(wú)法彌補(bǔ)的傷害， 也給各個(gè)國(guó)家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失。全世界每年有1 2 0 多萬(wàn)人死于交通事故， 約2 0 0 0 萬(wàn)到5 0 0 0 萬(wàn)人因交通事故致殘。全球每年因此而造成的經(jīng)濟(jì)損失約5 1 8 0 億美元，其中發(fā)展中國(guó)家占1 0 0 0 億美元，高于這些國(guó)家獲得的發(fā)展援助總和。世 界衛(wèi)生組織的研究結(jié)果也表明，道路交通事故比空難、海難事故嚴(yán)重得多，造成 的死亡人數(shù)甚于戰(zhàn)爭(zhēng)，造成的經(jīng)濟(jì)損失約占全國(guó)6 d p 的1 至3 。為此，各國(guó)政府 無(wú)不把預(yù)防和減少交通事故作為重要的執(zhí)政目標(biāo)川“。 我國(guó)道路交通安全形勢(shì)嚴(yán)峻。到上世紀(jì)末，世界道路交通事故從總體上來(lái)說(shuō) 或趨于下降，或趨于穩(wěn)定，而我國(guó)道路交通事故近年來(lái)卻仍處于上升趨勢(shì)。我國(guó) 汽車保有量約占全世界的2 ，但道路交通事故死亡人數(shù)卻占全世界的1 5 ，多年 高居世界第一。北京市公安局公安交通管理局高級(jí)工程師翟忠民在首屆全國(guó)道路 交通安全宣傳教育論壇上透露，多年人中國(guó)每年因交通事故死亡人數(shù)超過(guò)1 0 萬(wàn)人， 平均每天死亡3 0 0 人，相當(dāng)于一架民航客機(jī)失事的人員死亡數(shù)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明， 每5 分鐘就有一人喪身車輪，每1 分鐘都會(huì)有一人因?yàn)榻煌ㄊ鹿识鴤麣?，每年?交通事故所造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百億元n 兒制。如果不盡早采取行之有效的措施，道 路交通事故還可能爆炸式增長(zhǎng)。預(yù)防交通事故，降低交通事故死亡率，已經(jīng)成為 全社會(huì)面臨的一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。 道路基礎(chǔ)設(shè)施及周圍環(huán)境是道路交通的載體，在道路交通安全中占據(jù)重要的 地位。據(jù)澳大利亞有關(guān)研究顯示：交通事故中與道路環(huán)境有關(guān)的事故約占2 8 ， 因此，世界各國(guó)在道路交通安全方面都非常重視道路對(duì)交通安全的影響。 盡管道路交通事故存在其隨機(jī)性，但在實(shí)際情況中，總是存在某些地點(diǎn)或路 段屢屢發(fā)生性質(zhì)類似的交通事故，這些地點(diǎn)和路段就是交通事故多發(fā)路段。第十六 屆國(guó)際道路會(huì)議葡萄牙的報(bào)告中指出，雖然近三年間發(fā)生事故3 次或3 次以上的 路段只占道路網(wǎng)總長(zhǎng)的0 2 5 ，但是在其上發(fā)生的事故數(shù)卻占了總數(shù)的2 5 。為此， 事故多發(fā)路段的簽別對(duì)于研究交通事故與道路的關(guān)系具有典型意義，它是事故的 集中表現(xiàn)，事故達(dá)到一定數(shù)量特別是事故的某些特征的重復(fù)出現(xiàn)，有利于分析事 故的特點(diǎn)、原因，從而獲得規(guī)律性的東西。這也就是本課題提出的出發(fā)點(diǎn)。 如果在道路的某些點(diǎn)或路段事故呈現(xiàn)集中的特點(diǎn)( 特別是某一類事故呈集中 的特點(diǎn)) ，則可以肯定地說(shuō)這些事故與道路交通環(huán)境顯然存在某種聯(lián)系，常與道路 線形、交叉口設(shè)計(jì)、交通安全設(shè)施和道路周邊環(huán)境等因素密切相關(guān)。因此，這也 第一章緒論 2 是道路設(shè)計(jì)和管理部門特別關(guān)注的問(wèn)題。 從事故多發(fā)路段本身來(lái)看，它所占道路的長(zhǎng)度通常很少，卻集中了較大比例 的交通事故，具有極大的危害性。 從工程的角度講，事故多發(fā)路段的診斷與改造是改善道路安全狀況的有效技 術(shù)途徑，大部分情況下也是最為經(jīng)濟(jì)的。 診斷并對(duì)診斷出的事故多發(fā)路段采取有針對(duì)性的改善措施，能以最小的投入， 最大限度地降低全路的事故率，可取得較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。從全國(guó)來(lái)看，2 0 0 5 年中國(guó)共發(fā)生道路交通事故4 5 萬(wàn)起，造成9 8 ，7 3 8 人死亡、4 7 萬(wàn)人受傷、直接經(jīng) 濟(jì)損失1 8 8 億元( 2 3 3 8 億美元) 。如能通過(guò)事故多發(fā)路段的診斷和整治使其事故 率下降2 0 ，則全國(guó)可平均減少事故1 2 萬(wàn)多起，減少直接經(jīng)濟(jì)損失6 8 億元，社 會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯而易見(jiàn)。 對(duì)事故多發(fā)路段上發(fā)生的典型事故案例進(jìn)行分析，一方面可以找到事故的主 要原因并加以整治，從而改善現(xiàn)有道路的安全水平。更重要的一方面是通過(guò)事故 多發(fā)路段研究可以獲得事故與道路交通條件之間的聯(lián)系，找出道路交通、規(guī)劃、 設(shè)計(jì)、建設(shè)、維護(hù)中的缺陷，而從各單項(xiàng)指標(biāo)看，這些缺陷往往并不違反現(xiàn)有的 規(guī)劃、設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，其研究結(jié)果可為道路安全評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持，通過(guò)道路 安全評(píng)價(jià)，將一些安全隱患消滅在規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段，顯然，這方面的意義要大于 事故后的道路環(huán)境整治。 1 2 國(guó)內(nèi)外道路交通事故多發(fā)路段識(shí)別研究的現(xiàn)狀 事故多發(fā)路段又稱為黑點(diǎn)( 段) ，是指在一定的時(shí)間段內(nèi)該路段上的交通事故 大大超過(guò)同類道路的其他路段，而且發(fā)生事故的原因大半是由于道路條件和交通 環(huán)境造成的 對(duì)交通事故多發(fā)路段的研究在國(guó)內(nèi)外都開(kāi)始得很早，并成為道路安全研究的 重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)事故多發(fā)路段己有較多認(rèn)識(shí)和研究，存在著多種多樣的判定 方法和理論： ( 1 ) 組織道路交通工程的安全專家對(duì)道路情況進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)，并且根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 對(duì)道路的交通安全性做出評(píng)估，從中進(jìn)行事故多發(fā)點(diǎn)的判定的專家經(jīng)驗(yàn)法。 ( 2 ) 安全系數(shù)法( 前蘇聯(lián)) ，考慮車速沿道路的連續(xù)變化性問(wèn)題，在車速前 后變化劇烈的地點(diǎn)必然是一個(gè)事故多發(fā)點(diǎn)：但是這種方法需要完整的道路數(shù)據(jù)庫(kù) 和交通數(shù)據(jù)庫(kù)，使用過(guò)程比較復(fù)雜嗍陽(yáng)。 ( 3 ) 事故率系數(shù)法( 前蘇聯(lián)) ，以交通事故統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，每一路段的道路交 第一章緒論 通事故相對(duì)概率可用總計(jì)的事故率系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)，如果綜合事故率超過(guò)2 5 4 0 ( 屬 于道路改造期) 或1 5 - 2 0 ( 屬子道路新建期) 時(shí)，可以認(rèn)為該路段是事故多發(fā)點(diǎn)。 ( 4 ) 預(yù)測(cè)道路斷面事故率( 交通部科研所) ，定義斷面事故率為以該斷面為 中心的一公里路段內(nèi)通過(guò)每百萬(wàn)輛車發(fā)生的交通事故的次數(shù)，并依照斷面事故率 的高低排序，從中進(jìn)行事故多發(fā)點(diǎn)的篩選和判定。 ( 5 ) 事故數(shù)或事故率法，把統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)事故地點(diǎn)發(fā)生的事故次數(shù)或事故率按 高低排序，指定前幾個(gè)地點(diǎn)為事故多發(fā)點(diǎn)。事故法的優(yōu)點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單直觀，易于 統(tǒng)計(jì)計(jì)算，但由于各類道路的交通特性、交通量差別很大，造成事故數(shù)以及其平 均數(shù)相差懸殊，故其“正常值 指標(biāo)的界定有一定的難度；事故率法考慮了交通 狀態(tài)條件，相對(duì)比較科學(xué)，泰國(guó)采用此法；一般地綜合應(yīng)用事故數(shù)和事故率法相 結(jié)合起來(lái)判定事故多發(fā)路段u 。 ( 6 ) 事故數(shù)一事故率法綜合考慮了事故法和事故率兩種方法，對(duì)每一個(gè)研究 的道路單元進(jìn)行事故數(shù)和事故率計(jì)算，通過(guò)圖示的方法確定兩者的分布，可操作 性強(qiáng) 8 】o ( 7 ) 事故概率法( 法國(guó)) ，以各路段區(qū)間上在給定時(shí)間段內(nèi)發(fā)生一次事故的 概率大小為依據(jù)確定事故多發(fā)點(diǎn)，其基本思想是任何給定的路段上的發(fā)生事故數(shù) 應(yīng)服從泊松分布，由此建立事故概率模型，并應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法得到經(jīng)驗(yàn)值z(mì) ，若 計(jì)算得到的z 值結(jié)果大于l ，則該路段稱為一個(gè)“事故多發(fā)點(diǎn) ，按照這種概率算 法，通常得到的事故多發(fā)點(diǎn)個(gè)數(shù)較多，因此必須檢查事故分布異常的路段。 ( 8 ) 質(zhì)量控制法( r a t eq u a l i t yc o n t r o lm e t h o d ) ，在美國(guó)的一些州得到了 運(yùn)用。這是一種按照質(zhì)量控制理論進(jìn)行事故多發(fā)點(diǎn)篩選的方法憎。，早在六、七十 年代，美國(guó)公路總局的交通安全研究人員就開(kāi)始提出并在實(shí)際工作中應(yīng)用質(zhì)量控 制法來(lái)分析交通事故的路段分布規(guī)律，進(jìn)行道路交通事故多發(fā)點(diǎn)的判定，該方法 的實(shí)質(zhì)是應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)分析方法研究交通事故分布規(guī)律，具有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)依據(jù)。 近些年來(lái)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)交通事故多發(fā)點(diǎn)的概率分析方法又進(jìn)行了補(bǔ)充和完善， 以事故發(fā)生機(jī)率為基礎(chǔ)的定量研究和失效分析等方法，以及相關(guān)數(shù)學(xué)分析模型也 已相繼被提出和采納應(yīng)用。該方法既考慮了事故數(shù)，同時(shí)又考慮了交通流量。 r o = a + 居士擊 億1 ) 式中：a 為同類型路段的平均事故率；k 為統(tǒng)計(jì)常數(shù)，取1 9 6 ( 9 5 置信度) ； m 為特定地點(diǎn)在調(diào)查期內(nèi)的平均交通量( 路段以億輛計(jì)) ( 9 ) 交通沖突技術(shù)( t c t ) ，它是另一種技術(shù)，既能夠獲得大量統(tǒng)計(jì)數(shù)，而又 第一章緒論 4 具有事故危險(xiǎn)特性，可以獲得更好的效果，是判定方法中比較突出的方法之一。 t c t 是當(dāng)今國(guó)際上的一種新興的交通安全評(píng)價(jià)方法，由于它具有快速、定量分析的 優(yōu)點(diǎn)，在許多國(guó)家得到了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。在上述方法理論的基礎(chǔ)上，應(yīng)用交通仲突 技術(shù)對(duì)路段交通狀況進(jìn)行沖突觀測(cè)分析，建立了路段交通事故多發(fā)點(diǎn)的判定方法， 以對(duì)道路交通事故多發(fā)點(diǎn)進(jìn)行判定，有助于提出安全改善措施。交通沖突技術(shù)法 計(jì)算公式如下： 稻形= w 2 ( c d + 9 w 2 ( c 2 ) + 1 4 4 w 2 ( c 3 ) ( 1 2 ) 式中：俗形一沖突嚴(yán)重度； 形( c ) 為第1 種沖突特征的危險(xiǎn)度； 如果沖突嚴(yán)重度硒形 6 2 ，就是事故多發(fā)路段，應(yīng)優(yōu)先采取整治措施；否則 是正常路段，不是事故多發(fā)路段。 近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化、集成化和人機(jī)交互的概念已經(jīng)深入人 心，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)在都正在嘗試把計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用到道路交通安全的研究中。 2 0 0 3 年5 月8 日，美國(guó)聯(lián)邦公路管理局( f h w a ) 公布了2 0 0 3 版交互式公路交 通安全設(shè)計(jì)軟件( t h ei n t e r a c t i v eh i g h w a ys a f e t yd e s i g nm o d e l ，i h s 蹦) ， 這個(gè)新軟件能夠?yàn)橹莺偷胤浇煌ü賳T更好地對(duì)兩車道鄉(xiāng)村公路的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估決 策，提高安全設(shè)計(jì)水平?！斑@種軟件是如何采用新技術(shù)提高公路安全水平的最佳 例子，刀f h w a 局長(zhǎng)m a r ye p e t e r s 說(shuō)，“這個(gè)軟件能夠幫助設(shè)計(jì)工程師和規(guī)劃人 員對(duì)兩車道鄉(xiāng)村公路設(shè)計(jì)中的安全要素進(jìn)行量化，從而進(jìn)行更準(zhǔn)確的決策。一 英國(guó)運(yùn)輸研究實(shí)驗(yàn)室t r l ( t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hl a b s ) 開(kāi)發(fā)的m a a p ( m i c r o c o m p u t e ra c c i d e n ta n a l y s i sp a c k a g e ) 軟件在對(duì)大量交通事故數(shù)據(jù)進(jìn)行 統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交通事故狀態(tài)分析和交通事故誘因的分析，同時(shí)還 可以結(jié)合道路地理信息系統(tǒng)g i s 開(kāi)展道路交通事故的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該軟件在英國(guó)、 津巴布韋、牙買加、斐濟(jì)等地得到了良好的工程運(yùn)用。 中國(guó)公安系統(tǒng)開(kāi)發(fā)使用的交通事故信息系統(tǒng)t a i s ( t r a f f i ca c c i d e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是基于對(duì)道路事故發(fā)生情況的一般統(tǒng)計(jì)、分析，并以此提 出報(bào)表，目前不具備全面的關(guān)于事故誘因分析功能，同時(shí)由于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性方面 的原因以及在數(shù)據(jù)收集方面的缺陷，難以據(jù)此開(kāi)展實(shí)質(zhì)性的分析。 總的來(lái)說(shuō)，上面所介紹的事故多發(fā)路段判定方法，都是以事故統(tǒng)計(jì)資料為基 礎(chǔ)的判定方法。 經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間收集到足夠的實(shí)際事故資料和其他影響因素的詳細(xì)數(shù)據(jù)，事 故預(yù)測(cè)的結(jié)果一般比較精確，用于判定時(shí)也能夠達(dá)到很高的精度。 但是，以事故統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ)的直接判定法在實(shí)際操作中并不是想象的那樣 第一章緒論 理想，事故統(tǒng)計(jì)有諸多的缺陷。 第一，道路交通事故的稀有性導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)周期過(guò)長(zhǎng)。在現(xiàn)實(shí)生活中，道路交通 事故的發(fā)生是相當(dāng)稀少的，這很容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷。而要使事故統(tǒng)計(jì)樣本量增 大，就得擴(kuò)大研究范圍或延長(zhǎng)事故統(tǒng)計(jì)分析時(shí)間，這樣又會(huì)產(chǎn)生新的矛盾；其一， 擴(kuò)大范圍會(huì)導(dǎo)致結(jié)論過(guò)于籠統(tǒng)而無(wú)具體針對(duì)性；其二，延長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)周期，就會(huì)因?yàn)?交通事故發(fā)展趨勢(shì)隨著交通環(huán)境的變化而使分析研究結(jié)果推動(dòng)預(yù)見(jiàn)性或正確性。 第二，事故統(tǒng)計(jì)的不完善限制了樣本生成。我國(guó)現(xiàn)成的交通事故統(tǒng)計(jì)存在很 大的不完善性，影響對(duì)道路交通事故多發(fā)點(diǎn)的正確判定。因?yàn)楝F(xiàn)成的統(tǒng)計(jì)法規(guī)定 的嚴(yán)格限制條款使得樣本生成數(shù)量受到削減；各地方在交通事故立案和資料管理 上存在較大的誤區(qū)，為片面追求本地區(qū)交通事故四項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的下降而人為地漏 記瞞報(bào)事故數(shù)據(jù)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。 第三，即使經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間收集到足夠的交通事故資料，但由于交通系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)變化，道路交通事故發(fā)生又具有很大偶然性和不重現(xiàn)性，所以也難保證結(jié)論的 時(shí)效可靠性。 1 3 本課題研究意義 為了減少道路交通事故和提高道路交通安全水平，對(duì)道路交通事故進(jìn)行預(yù)測(cè) 十分必要，從而預(yù)防交通事故的發(fā)生和降低交通事故發(fā)生率。道路因素在交通安 全中不可忽略。必須從道路的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和投入使用后的管理監(jiān)控進(jìn)行 研究分析。道路設(shè)施建成后的安全質(zhì)量由道路規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量所決定。如果 道路在設(shè)計(jì)和施工中，存在安全隱患就很大可能在投入使用后直接或間接造成交 通事故。道路設(shè)計(jì)雖然按照道路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，但規(guī)范只能代表一個(gè)時(shí)期的安 全水平，另外使用規(guī)范的人設(shè)計(jì)水平和方法也有不同。例如，道路的線形設(shè)計(jì)不 符合駕駛員的駕駛習(xí)慣和心理；設(shè)計(jì)車速中重要參數(shù)道路抗滑性能未考慮當(dāng)?shù)啬?時(shí)間內(nèi)的季節(jié)氣候的變化。在道路施工過(guò)程中，更多的考慮經(jīng)濟(jì)因素，而往往忽 略或降低道路的安全水平。例如，道路的施工質(zhì)量( 如幾何形狀參數(shù)、路面抗滑 性能等) 在施工過(guò)程中不能做到及時(shí)、有效和準(zhǔn)確的檢驗(yàn)。顯然，通過(guò)歷史數(shù)據(jù) 鑒別設(shè)計(jì)和施工中道路的事故多發(fā)路段的辦法是不可能的。道路投入使用以后， 通過(guò)己發(fā)生的交通事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，能夠鑒別出部分事故多發(fā)路段，但改善 投入的資金高，而且改善之前已經(jīng)造成很大交通事故的損失。另外隨著建成道 路的運(yùn)營(yíng)，道路的性能( 尤其路面) 也會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，從而存在潛在的事故 多發(fā)路段出現(xiàn)的可能。原不是事故多發(fā)的路段和以前治理過(guò)的事故多發(fā)路段，經(jīng) 過(guò)一段時(shí)問(wèn)后，有可能成為或再次成為事故多發(fā)路段。 第一章緒論 6 為此，應(yīng)事前在道路建設(shè)前就對(duì)潛在的事故多發(fā)路段進(jìn)行識(shí)別，檢驗(yàn)道路的 設(shè)計(jì)和施工的安全質(zhì)量；對(duì)于在用道路，必須鑒別事故多發(fā)路段和確定改善的優(yōu) 先次序，進(jìn)行及時(shí)治理和改善，并預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的新的事故多發(fā)路段從而制定預(yù) 防性措施。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車動(dòng)力學(xué)研究中得到不 斷發(fā)展和應(yīng)用。事故仿真技術(shù)，為道路交通事故多發(fā)路段的鑒別提供了一個(gè)有效 的方法和手段；既能從交通事故中道路的安全因素角度出發(fā)鑒別和預(yù)測(cè)事故多發(fā) 路段，又避免了現(xiàn)實(shí)中交通事故的損失。因此，進(jìn)行道路事故多發(fā)路段仿真識(shí)別 研究對(duì)于交通安全工作具有舉足輕重的意義。 第二章道路事故多發(fā)路段仿真識(shí)別系統(tǒng) 7 第二章道路事故多發(fā)路段仿真識(shí)別系統(tǒng) 2 1 道路事故多發(fā)路段仿真識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)想 近年來(lái)，道路交通安全評(píng)價(jià)的研究在我國(guó)獲得廣泛關(guān)注，我國(guó)道路交通事故 多發(fā)路段的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步但是我國(guó)關(guān)于道路交通事故多發(fā)路段的鑒定 識(shí)別還存在諸多的不足。從國(guó)內(nèi)外事故多發(fā)路段的研究成果中作者發(fā)現(xiàn)，由于評(píng) 價(jià)交通事故的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，研究方法各異，導(dǎo)致了這些成果難以系統(tǒng)地論證交通 事故與其他相關(guān)因素的內(nèi)在聯(lián)系，甚至不同的論文得出的結(jié)論是截然相反的。另 一方面，當(dāng)時(shí)應(yīng)用比較廣泛的評(píng)價(jià)道路安全性的方法包括：從歷史的事故資料求 出一個(gè)事故率平均值；由經(jīng)驗(yàn)豐富的專家進(jìn)行評(píng)價(jià)；用前后對(duì)比研究進(jìn)行評(píng)價(jià)。 這些道路安全評(píng)價(jià)方法都是針對(duì)已經(jīng)建成的道路而言，一個(gè)很大的問(wèn)題是這些方 法都無(wú)法對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行安全評(píng)價(jià)u w 當(dāng)前，計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化、集成化和人機(jī)交互的概念已經(jīng)深入人心運(yùn) 用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以大大簡(jiǎn)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，大幅度縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周 期，大量減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費(fèi)用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)性能， 獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。仿真技術(shù)試驗(yàn)次數(shù)可以不受限制、試驗(yàn)過(guò)程可重 復(fù)性，將仿真試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于道路事故多發(fā)路段識(shí)別研究，不僅克服了傳統(tǒng)研究 方法的不足，而且可以最大限度地節(jié)約成本開(kāi)支，減少對(duì)人體及環(huán)境的危害1 。 因此，作者構(gòu)想設(shè)計(jì)一個(gè)道路事故多發(fā)路段仿真識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了評(píng)價(jià)己建 成道路的安全狀況之外，主要用于對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，目的是在方案設(shè)計(jì) 階段盡可能消除安全隱患，減少道路建成以后交通事故的發(fā)生和道路改建的費(fèi)用。 仿真系統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng) 參 信息反饋 圖2 1 事故多發(fā)路段仿真識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)想 完整的道路事故多發(fā)路段仿真識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)該是結(jié)構(gòu)化的，它包含仿真和識(shí)別 兩大系統(tǒng)，如圖2 1 所示。仿真系統(tǒng)在考慮人、車、路、氣候等各個(gè)因素對(duì)道路安 全的影響基礎(chǔ)上建立道路模型、車輛模型、車一路耦合模型，這三個(gè)子模型之間 既有聯(lián)系又相互獨(dú)立。另一大系統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)是結(jié)合仿真系統(tǒng)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)的系統(tǒng)， 該評(píng)價(jià)系統(tǒng)能幫助道路設(shè)計(jì)人員從道路安全的角度評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案并在設(shè)計(jì)階段對(duì) 方案進(jìn)行調(diào)整。最后，仿真識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)該具備良好的人機(jī)交互功能，用戶可以在 第二章道路事故多發(fā)路段仿真識(shí)別系統(tǒng)8 設(shè)計(jì)的任何階段調(diào)用仿真識(shí)別系統(tǒng)并自行決定評(píng)價(jià)的參數(shù)。這樣，仿真識(shí)別系統(tǒng) 就是一個(gè)功能比較完善的道路事故多發(fā)路段評(píng)價(jià)系統(tǒng)。 2 1 1 仿真識(shí)別系統(tǒng)的研究思路 根據(jù)前面的設(shè)想，建立仿真識(shí)別系統(tǒng)的主要思路，即在基于多體動(dòng)力學(xué)理論 的商用軟件a d a m s 環(huán)境下建立適合汽車運(yùn)行的多種工況的道路模型、多自由度的整 車多體動(dòng)力學(xué)分析模型以及車一路耦合模型。通過(guò)車輛在道路上的仿真運(yùn)行，根 據(jù)車輛運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定性和安全性的分析，研究道路事故多發(fā)路段的分布和形成原 因，找出可能發(fā)生交通事故的地點(diǎn)，分析確定道路事故多發(fā)路段，使道路事故多 發(fā)路段的事前識(shí)別和預(yù)測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。 2 1 2 仿真識(shí)別系統(tǒng)的核心內(nèi)容 仿真識(shí)別系統(tǒng)的核心內(nèi)容是將整個(gè)系統(tǒng)分為道路模型、車輛模型、車一路耦 合模型、試驗(yàn)仿真模型、預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型、參數(shù)輸入模型、數(shù)據(jù)輸出模型這7 個(gè)子模 型。 通過(guò)調(diào)用7 個(gè)子模型來(lái)對(duì)道路的安全性進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)，然后調(diào)整設(shè)計(jì)方案， 使之符合道路安全審計(jì)規(guī)范。以上7 個(gè)子模型都設(shè)計(jì)成單獨(dú)的程序軟件包，以保證 能和a d a m s 軟件完好地集成在一起，能夠獨(dú)立工作，并且都采用交互式工作方式， 用戶能夠隨時(shí)從模型中獲得有用的反饋信息，調(diào)整輸入?yún)?shù)來(lái)改變車輛運(yùn)行的工 況或者選擇不同的車輛模型進(jìn)行仿真。圖2 2 是道路事故多發(fā)路段仿真識(shí)別系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)示意圖 壅墮堡墼hl 初步設(shè)計(jì)方案 駕 車一路禍合模型 仿真識(shí)別系統(tǒng) 最終設(shè)計(jì)方案 圖2 2 道路事故多發(fā)路段仿真識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 2 1 3 仿真識(shí)別系統(tǒng)各子模型介紹 下面簡(jiǎn)要介紹7 個(gè)子模型的功能。 ( 1 ) 參數(shù)輸入模型和數(shù)據(jù)輸出模型 數(shù)據(jù)地翟梗型 第二章道路事故多發(fā)路段仿真識(shí)別系統(tǒng) 9 參數(shù)輸入模型主要是提供車型、駕駛員行為模式、道路等信息輸入提供一個(gè) 界面窗口其中駕駛員行為模式的輸入主要是為了讓道路設(shè)計(jì)人員根據(jù)自己的需 要選定不同的駕駛員行為、不同的車速來(lái)進(jìn)行仿真。車輛的實(shí)際行駛是人、車、 道三者相互不斷協(xié)調(diào)配合的過(guò)程，根據(jù)道路條件的變化，駕駛員通過(guò)“感受一和 “判斷一，及時(shí)發(fā)出“指令一，對(duì)車輛控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之準(zhǔn)確、及時(shí)、迅 速地改變行駛方向或立即減速、停車，以保證安全行車。在仿真系統(tǒng)中，作者參 照實(shí)際情況，利用a d a m s d r i v e r ( 駕駛員模塊) ，使用確定駕駛員行為的特征文件 來(lái)確定各種操縱工況，在道路曲線上進(jìn)行復(fù)雜道路仿真實(shí)驗(yàn)，車輛的初始速度根 據(jù)道路的等級(jí)進(jìn)行選定，一般為該等級(jí)道路的設(shè)計(jì)車速，轉(zhuǎn)向、油門、換檔、離 合、剎車由程度( 進(jìn)程) 進(jìn)行控制。道路信息包括道路基本信息，如道路名稱、 道路等級(jí)、設(shè)計(jì)日交通量、地形類別等，道路平面線形、道路縱斷面線形、道路 橫斷面線形，路面材料，道路已經(jīng)投入使用的年數(shù)，路面的破損程度等；能夠改 變道路使用條件進(jìn)而影響駕駛員行為的信息，如天氣狀況：霧天的能見(jiàn)度、北方 冬季寒冷氣候下的路面冰雪覆蓋狀況、雨天的路面濕滑程度、非機(jī)動(dòng)車及行人的 交通輛、及其對(duì)駕駛員行為的影響程度等，為了與下面的車一路耦合模塊接合起 來(lái)，用戶( 道路設(shè)計(jì)人員維護(hù)人員) 輸入的道路數(shù)據(jù)需轉(zhuǎn)化為多體動(dòng)力學(xué)軟件a d a m s 路面模塊所能識(shí)別的r d f 格式的文件。 數(shù)據(jù)輸出模型主要是針對(duì)仿真系統(tǒng)輸出的速度、位移、加速度等表征汽車運(yùn) 行狀態(tài)的數(shù)據(jù)與曲線圖和識(shí)別系統(tǒng)輸出的道路事故多法路段的判定結(jié)果給予一個(gè) 輸出界面窗口 ( 2 ) 道路模型 通過(guò)輸入被評(píng)價(jià)的道路數(shù)據(jù)信息，生成符合仿真識(shí)別系統(tǒng)要求的道路模型。 道路模型中可以創(chuàng)建各種工況下汽車運(yùn)行的道路，例如長(zhǎng)下坡路段、積水路 段、不平路面、急彎路段等。本文的模型創(chuàng)建大都基于多體動(dòng)力學(xué)軟件a d a m s ，而 a d a m s 中道路模型的構(gòu)建主要是通過(guò)輸入與軟件相吻合的路面譜文件來(lái)完成的。構(gòu) 造既滿足一定隨機(jī)分布規(guī)律，又符合仿真模型在a d a m s 中運(yùn)行的路面譜文件是本文 的難點(diǎn)之一這一項(xiàng)工作涉及到很多道路安全方面的知識(shí)，需要咨詢相關(guān)的專業(yè) 技術(shù)人員，了解公路設(shè)計(jì)方面的軟件“路線大師一，再結(jié)合動(dòng)力學(xué)軟件a d a m s 來(lái)完 成。手工編制適合a d a m s c a r 仿真軟件的路面譜文件是一項(xiàng)十分巨大的工作，而且 重復(fù)性很大本文通過(guò)編寫(xiě)程序來(lái)完成計(jì)算，并直接生成a d a m s 能接受的路面譜文 件，大大提高了工作效率。這一部分的內(nèi)容將在第三章中詳細(xì)闡述。 ( 3 ) 車輛模型 提供各種車型供用戶選擇，用戶也可以通過(guò)輸入車輛參數(shù)創(chuàng)建自己的車輛模 第二章道路事故多發(fā)路段仿真識(shí)別系統(tǒng) l o 型。 一個(gè)復(fù)雜的汽車系統(tǒng)通常由動(dòng)力裝置、車身、傳動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、懸架機(jī)構(gòu)、 承載機(jī)構(gòu)、制動(dòng)裝置、行駛系等子系統(tǒng)組成。每一個(gè)子系統(tǒng)又有多種結(jié)構(gòu)形式， 比如懸架就有雙橫臂式、麥克弗遜式、滑柱擺臂式、縱臂式、單斜臂式、鋼板彈 簧式；轉(zhuǎn)向系又可分為循環(huán)球式、齒輪齒條式、蝸桿指銷式等；驅(qū)動(dòng)橋按總體布 置可以分為整體式、斷開(kāi)式、擺動(dòng)半軸式等；差速器的結(jié)構(gòu)形式又有行星齒論式、 滑塊凸輪式、蝸輪式、滾柱自由輪式等。將不同結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)組合可以得到具有 特定類型及特定用途的汽車模型。比如轎車、微型車、大貨車、掛車等。即便是 同一用途的車型又可以多種不同的結(jié)構(gòu)形式，比如轎車的前懸架可以采用麥弗遜 式或雙橫臂式，后懸架可以采用麥克弗遜式、滑柱擺臂式或縱臂式等。 利用a d a m s 軟件能夠精確的建立各子系統(tǒng)的剛?cè)狁詈隙囿w模型。在車輛模 型的創(chuàng)建中涉及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、橫向穩(wěn)定桿、前懸架、后懸架、傳動(dòng)系、車身模型等 的創(chuàng)建。這一部分內(nèi)容將在第四章中詳細(xì)闡述。 這里需要說(shuō)明的是本文的重點(diǎn)在于研究道路的安全性，本文建立的車輛模型 在操縱穩(wěn)定性、平順性、制動(dòng)性等方面可以滿足汽車仿真行駛研究的要求。 ( 4 ) 車一路耦合模型 車一路耦合模型主要是研究分析不同輪胎與不同路面之間的相互作用機(jī)理， 最終將車輛和路面耦合起來(lái)。為簡(jiǎn)化研究的難度且抓住問(wèn)題本質(zhì)，本文暫不考慮 車輛行駛時(shí)脫離路面跳動(dòng)的情況，也就是說(shuō)如果車輛不發(fā)生事故( 側(cè)翻、駛出車 道) 時(shí)，假定輪胎和路面之間始終接觸正常這一部分內(nèi)容將在第五章中詳細(xì)闡 述。 ( 5 ) 試驗(yàn)仿真模型 試驗(yàn)仿真模型中將利用已建立的車輛模型在典型路段上仿真運(yùn)行，可以通過(guò) 高速動(dòng)畫(huà)直觀地再現(xiàn)各種試驗(yàn)( 例如：天氣、道路狀況，駕駛員經(jīng)驗(yàn)) 整車的動(dòng)力 學(xué)響應(yīng)，再加上仿真系統(tǒng)輸出的位移、速度、加速度和反作用力曲線，能夠清楚 的分析得出車輛的運(yùn)行狀態(tài)。這一部分的內(nèi)容將會(huì)在第六章詳細(xì)闡述。 ( 6 ) 預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型 通過(guò)仿真試驗(yàn)，可以了解汽車在道路上在運(yùn)行狀態(tài)，并且得到汽車運(yùn)行狀態(tài) 相關(guān)的速度、加速度、位移等曲線特征圖有了汽車運(yùn)行狀態(tài)的曲線特征圖，從 眾多的汽車動(dòng)力學(xué)指標(biāo)中，就可以分析篩選事故多發(fā)路段的評(píng)價(jià)指標(biāo)了。 在預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型中應(yīng)該有多種供用戶選擇的多發(fā)路段仿真識(shí)別方法和準(zhǔn)則， 其有關(guān)內(nèi)容本文將在第六章中闡述 綜上所述，完整的道路事故多法路段仿真識(shí)別系統(tǒng)涉及氣候、環(huán)境、道路、 車輛、駕駛員心理等等方方面面的知識(shí)，由于時(shí)間關(guān)系本文對(duì)于道路模型、車輛 第二章道路事故多發(fā)路段仿真識(shí)別系統(tǒng) 1 l 模型、車一路耦合模型及試驗(yàn)仿真模型完成了創(chuàng)建，對(duì)于預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型只提出了 具一定參考價(jià)值的事故多發(fā)路段仿真識(shí)別方法和準(zhǔn)則，而對(duì)于參數(shù)輸入模型和數(shù) 據(jù)輸出模型，由于它們涉及了較繁瑣的軟件接口問(wèn)題而沒(méi)有來(lái)得及完成研究，有 待于后續(xù)研究。 2 2 多體動(dòng)力學(xué)理論, h a d e s 軟件簡(jiǎn)介 總的來(lái)說(shuō)，本文事故多發(fā)路段仿真識(shí)別系統(tǒng)中各子模型的建立是基于多體動(dòng) 力學(xué)軟件a d a m s 的基礎(chǔ)上的，因此在這里有必要將多體動(dòng)力學(xué)的研究應(yīng)用和 a d a m s 軟件及計(jì)算方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 2 2 1 多體動(dòng)力學(xué)的研究應(yīng)用 ( 1 ) 多體動(dòng)力學(xué)的誕生 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)包括多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，是研究多體系 統(tǒng)( 一般由若干柔性和剛性物體相互連接所組成) 運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。多體動(dòng)力學(xué) 是在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的與運(yùn)動(dòng)和生物力學(xué)、航天器控制、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、 車輛設(shè)計(jì)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域密切相關(guān)且起著重要作用的新的分支。 以歐拉( l e u l 盯1 7 0 卜1 7 8 3 ) 為代表的經(jīng)典剛體動(dòng)力學(xué)發(fā)展至今已有二百 多年的歷史了兩個(gè)世紀(jì)以來(lái)，經(jīng)典剛體動(dòng)力學(xué)在天體運(yùn)動(dòng)研究、陀螺理論及簡(jiǎn) 單機(jī)構(gòu)的定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)研究等方面，取得了眾多的成果。但由于現(xiàn)代工程技術(shù)中大多 數(shù)實(shí)際問(wèn)題的對(duì)象是由多個(gè)物體組成的復(fù)雜系統(tǒng)，要對(duì)它們進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng) 力學(xué)分析，僅靠古典的理論和方法已很難解決迫切需要發(fā)展新的理論來(lái)完成這 個(gè)任務(wù) 社會(huì)生產(chǎn)的實(shí)際需要是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的實(shí)際動(dòng)力。二十世紀(jì)中期，航天、機(jī) 器人、車輛工程等領(lǐng)域的迅速發(fā)展對(duì)剛體動(dòng)力學(xué)提出了新的要求，而電子計(jì)算機(jī) 技術(shù)的發(fā)展為新的力學(xué)方法的產(chǎn)生提供了必要的條件。六十年代末至七十年代初， 美國(guó)的r e 羅伯森、t r 凱恩、聯(lián)邦德國(guó)的j 維登伯格、蘇聯(lián)的e 波波夫等人先 后提出了各自的方法來(lái)解決這些復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。他們的方法雖然各不相 同，但有一個(gè)共同特點(diǎn)，所推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型都適用于電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行建模和計(jì)算。 于是，將古典的剛體力學(xué)、分析力學(xué)與現(xiàn)代的電子計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的力學(xué)新分 支多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)便誕生了。這門新興的交叉性學(xué)科，是剛體力學(xué)、分析力 學(xué)、彈性力學(xué)、矩陣?yán)碚摗D論、計(jì)算數(shù)學(xué)和自動(dòng)控制等多學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物， 是目前應(yīng)用力學(xué)和機(jī)械、車輛等工程領(lǐng)域最活躍的分支之一。 ( 2 ) 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展的現(xiàn)狀 航天、航空領(lǐng)域的飛行器穩(wěn)定性、姿態(tài)控制等的要求，地面車輛和某些機(jī)械 第二章道路事故多發(fā)路段仿真識(shí)別系統(tǒng)1 2 領(lǐng)域?yàn)樘岣哌\(yùn)行速度、精確程度與減輕重量和降低能耗的要求，以及機(jī)器人領(lǐng)域 的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆動(dòng)力學(xué)及控制問(wèn)題，是推動(dòng)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā) 展的主要?jiǎng)恿?多體動(dòng)力學(xué)理論得到充分發(fā)展的必要條件是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。計(jì)算機(jī) 數(shù)學(xué)運(yùn)算能力日益強(qiáng)大，使得對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的大型復(fù)雜計(jì)算成為可能。因此，從這 個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是一門基于數(shù)值計(jì)算的力學(xué)分支。 近二十年來(lái)，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，其應(yīng)用也日益廣泛。 在汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、航天飛行器動(dòng)力學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)等領(lǐng) 域中都已報(bào)道了大量多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究成果。隨著其自身的發(fā)展和完善，多 體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)日益受到力學(xué)界和工程界的重視自多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)形成以后，7 0 年代初一些多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的分析軟件相繼問(wèn)世，在這一時(shí)期，有關(guān)柔性多體 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的理論工作已經(jīng)展開(kāi)【1 2 】7 0 年代后期一些通用多體系統(tǒng)軟件中已經(jīng)有 了柔性體的計(jì)算功能。在國(guó)際上，1 9 7 7 年由國(guó)際理論與應(yīng)用力學(xué)大會(huì)( 砌m 蝴) 主持召開(kāi)了第一次國(guó)際多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研討會(huì)( 慕尼黑，德國(guó)) ；1 9 8 3 年 n a t o - n s f a r d “機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)分析與優(yōu)化講習(xí)會(huì)一( 依阿華，美國(guó)) 對(duì) 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用。1 9 8 5 年由i u t a m 和i f t o m m ( 國(guó) 際機(jī)器與機(jī)構(gòu)理論聯(lián)合會(huì)) 聯(lián)合主持召開(kāi)的第二次國(guó)際多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研討會(huì)( 烏 迪內(nèi)，意大利) ，會(huì)上展示了各種多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究的最新成果。在這次會(huì)上， 多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究也十分的活躍。三次會(huì)議為多休系統(tǒng)動(dòng)力的發(fā)展奠定了 基礎(chǔ)，并且出現(xiàn)了一些多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的通用程序。這些程序多數(shù)是在多剛體系 統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的8 0 年代中期和后期是多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展較 快的時(shí)期，不僅發(fā)表了大量的有關(guān)文獻(xiàn)【1 3 】1 1 4 】【1 卯，還出版了有關(guān)專著1 1 6 1 截止到目 前，許多大型通用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件已經(jīng)包括了有關(guān)柔性體的分析技術(shù)功能1 1 7 1 。 1 9 8 9 1 9 9 0 年由德國(guó)斯加圖特大學(xué)( u n i v e r s i t yo fs t u t t g a r t ) 的s c h i e h e n 教授主持， 完成了 r 心 z 1 迤 ftf fff | il ，f f i f 1f | t ft 圖5 2f i a l a 模型化輪胎 f i a l a 的輪胎模型把帶束或緩沖層簡(jiǎn)化為一段在彈性基礎(chǔ)上受有集中載荷( 側(cè) 向力) 的梁，如圖5 3 所示。 1 c l 一 、| | 一， 了 v 圖5 3 在彈性基礎(chǔ)上受集中載荷的粱 與f i a l a 的輪胎模型不同，f r a n k 建議把輪胎簡(jiǎn)化為彈性支承上的無(wú)限長(zhǎng)梁的 一部分，并且考慮到輪胎變形時(shí)受拉以及受分布載荷作用而彎曲等特點(diǎn)。另外， p a c e j x a 將輪胎的變形考慮為張緊的弦。提出所謂“弦模型。但這些都過(guò)于復(fù)雜， 很難在實(shí)際中應(yīng)用。 第五章車一路耦合模型 4 5 輪胎動(dòng)力學(xué)模型有點(diǎn)接觸模型、剛性輥?zhàn)影葺喬ツＰ?、固定印跡面接觸模 型、粘彈性模型、變接地印跡面接觸模型、薄殼模型、彈性胎體彈性胎面刷子輪 胎模型、輪胎的穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)側(cè)偏模型、模態(tài)參數(shù)模型和有限元模型1 0 種類型。 輪胎的模型化，給輪胎的數(shù)字化建模提供了有力工具。 5 2 2a d a m s 輪胎模型 a d a m s 提供了5 種輪胎模型：d e l f t 輪胎模型、f i a l a 輪胎模型、s m i t h e r s 輪 胎模型、u a 輪胎模型和u s e rd e f i n e d ( 用戶自定義) 輪胎模型，其中f i a l a 輪胎模 型、u a 輪胎模型和u s e rd e f i n e d ( 用戶自定義) 輪胎模型為解析模型，d e l f t 輪胎 模型、s m i t h e r s 輪胎模型為試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?f i a l a 模型是f i a l a 在1 9 5 1 年由簡(jiǎn)化的輪胎理論模型導(dǎo)出的無(wú)量綱解析式。 這種模型比較簡(jiǎn)單，在不把內(nèi)傾角作為主要因素并且把縱向滑移和橫向滑移分開(kāi) 對(duì)待的情況下，對(duì)于簡(jiǎn)單的操縱性分析可以得到合理的結(jié)果。u a 輪胎模型是在1 9 8 8 年由美國(guó)a r i z o n a 大學(xué)的n i k r a v e s h 和g i m 等人研制開(kāi)發(fā)的一種更精確的輪胎模 型，它使用摩擦圓概念計(jì)算由側(cè)偏角、滑移率、外傾角及垂直方向變形等綜合影 響下的力和力矩，在計(jì)算中，該模型考慮了縱向和橫向綜合滑移的情況。解析輪 胎模型的輪胎特性文件需要11 個(gè)參數(shù)，它們是模型類型、自由半徑、胎冠半徑、 徑向剛度、縱向滑移剛度、側(cè)偏剛度、外傾剛度、滾動(dòng)阻力矩系數(shù)、徑向相對(duì)阻 尼系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)。 d e l f t 輪胎模型是利用t i e m o r b i t 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來(lái)建立的，它的輪胎特性文件分為 11 個(gè)塊，每一個(gè)塊確定輪胎的一種特征屬性。這1 1 個(gè)塊是；單位、模型類型、尺 寸、垂直向?qū)傩浴⒖v向滑移率范圍、滑移角范圍、垂直力范圍、比例系數(shù)、縱向 力系數(shù)、橫向力系數(shù)和回正力矩系數(shù)。 s m i t h e r s 輪胎模型使用s m i t h e r s 科研服