海域环境对危化品罐式半挂运输车行驶稳定性影响的仿真分析

郭 健，胡金瑞，李 臣

(1.浙江工业大学桥梁工程研究所，浙江 杭州 310023;2.交通运输部公路科学研究院运输车辆运行安全技术交通行业重点实验室,北京 100088)

我国沿海区域拥有相当数量的石化布局产业，在工业生产中有大量的危化品原料和成品需要通过道路运输。据统计，目前80%的危化品运输还是以异地道路运输为主，这其中沿海的多座跨海大桥作为道路运输网的关键路段，在构建高效的物流体系方面发挥着重要的作用，往往是危化品道路运输的唯一通道[1-3]。然而，由于跨海桥梁处于海域环境，其气候条件复杂多变，强风多发、雨雪天路面湿滑、雾天能见度低等因素都对危化品运输车辆的行驶安全产生了极大的影响。以我国华东地区沿海省份发生的危化品罐车道路运输事故尤为突出，占全国事故总数的38.1%[4-5]。跨海大桥也往往成为危化品道路运输事故的多发路段，如在浙江宁波—舟山港区域,以宁波镇海石化基地为起点，经杭州湾跨海大桥至嘉兴和上海地区这条运输线就是危化品道路运输安全需要重点关注的路段，且随着连接大型石化基地——舟山鱼山石化的宁波舟山港主通道跨海工程也即将开通，在该地区跨海大桥上的危化品运输量将急剧增大，危化品罐式半挂运输车的事故防控问题十分严峻。因此,研究该地区海域环境对危化品运输车辆行驶稳定性的影响，对降低危化品道路运输过程中事故的发生率具有重要意义。

目前国内外针对环境因素对车辆行驶稳定性的影响研究主要从测试试验和数值模拟仿真两个方面展开。在测试试验方面，Coleman等[6]按1∶50制作了集装箱车辆模型和桥梁模型，并对其进行了风洞试验，发现随着紊流度的降低车辆行驶稳定性也随之减弱；Peters[7]按1∶1～1∶6比例制作了各类车辆模型，讨论了车辆气动阻力等对车辆行驶稳定性指标的变化规律；曲桂娴等[8]选取经典下坡路段进行了实体挂车试验，讨论了在高速公路弯道下坡路段挂车行驶稳定性问题。由于车辆实体试验存在耗时长、成本高且具有一定的危险性等缺点，随着计算机技术的发展，国内外学者将更多借助数值模拟仿真技术对车辆行驶稳定性进行研究。如Gaylard[9]讨论了CFD在车辆空气动力学研究中的应用，分析了正交侧风作用下的车辆行驶稳定性；Furtado[10]和Easa等[11]采用VDM-road车辆仿真软件，通过设计不同平纵线性组合，确定了保障车辆行驶稳定性的最小曲率半径；Kordani等[12]采用Carsim和Trucksim车辆仿真软件，研究了不同曲率半径、设计速度和纵坡坡度对小客车和单体货车行驶横向稳定性的影响；罗荣锋等[13]利用ADAMS车辆动力学模型，通过改变风速和设计风压中心，得出小风速且风压中心靠近质心时车辆行驶稳定性较好；徐敏等[14]采用Trucksim车辆仿真软件，分析了在山区急转弯路段影响车辆行驶稳定性的安全隐患；姜康等[15]通过Carsim车辆仿真软件建立了轿车动力学仿真模型，对不同环境下轿车的安全车速进行了预测。

国内外学者已开展的研究大多以轿车和单体卡车为车型，并以常规道路运输环境为背景，研究成果对客货车辆道路运输行车安全保障发挥了重要的支撑作用。面对海域环境下的复杂运输条件，石化产业运输区域的危化品罐式半挂车辆，其行车安全受跨海长桥上的强风、雨雾等因素的干扰多，易发生车辆碰撞、追尾、侧翻事故，严重时将会诱发危化品泄漏导致的重大灾难性事故，而海上长桥一般长达数十公里，应急救援难度大，危化品事故对桥梁和海洋环境的破坏更加严重。因此，本文结合实际跨海大桥区域的实测环境数据，采用Trucksim车辆仿真软件建立了危化品罐式半挂运输车动力学仿真模型，以环境因素导致的危化品运输车辆侧向偏移量作为风险评价指标，应用数理统计的方法，综合分析风速、风向、车速、路面摩擦系数这四种因素对危化品运输车辆行驶稳定性的影响规律及敏感性，并建立危化品运输车辆行驶安全车速的预测模型，以为保障危化品道路运输安全提供参考依据。

1 危化品罐式半挂车道路运输事故分析及评价指标

1.1 事故原因分析

通过参考有关文献[5]、分析事故数据库等方式，整理分析了我国2004—2019年间发生的危化品罐式半挂车道路运输事故，发现危化品罐式半挂车在运输过程中主要受驾驶人、车辆、罐体、道路、环境这五类因素的影响，各类影响因素所引起的危化品罐式半挂车道路运输事故数比例分布，见图1。

图1 各类影响因素引起的危化品罐式半挂车道路 运输事故数比例分布Fig.1 Proportion of highway transportation accidents of dangerous chemical semi-trailer trucks caused by various factors

针对这五类影响因素，相比于一般车辆道路运输事故诱因，考虑到海域环境的复杂多变，危化品罐式半挂车在跨海大桥上运行的显著性差别是环境因素的不同，车辆行驶时常受到强侧风、雨雪天气引起的路面湿滑、雨雾天能见度低等因素的影响，其发生侧滑冲撞栏杆或其他车辆的事故概率远高于内陆运输[16]。因此，分析海域环境因素对危化品罐式半挂运输车行驶稳定性的影响具有重要的实际意义。

1.2 车辆横向稳定的力学模型

在危化品罐式半挂运输车行驶过程中，其受力如图2所示。当路面提供的附着力无法平衡车辆重力、强侧风力和惯性力三者合力作用所产生的横向分力时，车辆就会发生侧滑。为了保证车辆不发生侧滑，即需满足以下条件：

图2 侧风作用下危化品罐式半挂运输车受力分析示意图Fig.2 Diagram of dynamic analysis of tank trucks for highway transportation of dangerous chemicals in side wind

(1)

式中:a为道路横坡角(°);b为道路纵坡角(°);R为道路转弯半径(m);g为重力加速度(m/s2);G为车重(N);vv为车辆行驶速度(m/s)；μy为地面侧向摩擦系数(即路面摩擦系数);Fy为车辆侧向力(N);FN为轮胎荷载(N);Fw为侧向风力(N),其计算公式为

(2)

1.3 评价指标选取

目前针对车辆行驶稳定性的评价指标主要有车辆侧向偏移量、横摆角速度、侧倾角、侧向加速度等。基于以上危化品道路运输车辆受力分析，其中车辆横向偏移量能较直观地反映车体在各类影响因素作用下的行驶稳定性。因此，本文选取车辆横向偏移量作为风险评价指标，其值越大，说明车辆发生侧滑的危险性越高。

跨海大桥的标准车道宽为3.75 m，危化品运输车的最大宽度为2.5 m。车辆沿着车道中轴线行驶，车体距车道外边线的距离为0.625 m。张琨[17]选定0.5 m作为普通货车横向偏移量的安全阈值，由于本文所考虑的是危化品罐式半挂运输车，其本身具有一定的危险性，因此设定0.3 m横向偏移量即侧滑偏移量作为该罐车的安全阈值，以保障罐车的行车安全。

2 系统建模

本文采用Trucksim车辆仿真软件构建系统模型，Trucksim软件是货车动力学仿真的行业标准软件。本文从道路模型、侧风模型、罐车模型这三部分完成系统模型的建立。其中，侧风模型和道路模型的建立均以杭州湾跨海大桥为工程背景。

2.1 道路模型

本研究取桥面横坡角a=1.15°、纵坡角b=1.6°大桥线形成S形分布[18]，由于大桥全长达36 km，车辆行驶线形基本可以看成直线，因此在Trucksim软件的3D道路模块中选取1 200 m的直线段道路作为仿真路线。考虑到随着天气的改变道路的路面摩擦系数μy也随之改变[19]，故设定4种天气条件下的路面摩擦系数值分别为0.18(路面存在雪)、0.4(路面湿滑)、0.6(路面干燥)、0.8(路面较好)，并根据不同的仿真工况进行参数调整。

2.2 侧风模型

在杭州湾地区某跨海大桥上设置了超声速三向风速仪，测试得到的该跨海大桥上风速变化情况，见图3。通过整理分析后，得出该跨海大桥上年平均风速为2.8～3.5 m/s，平均最大风速为17.7～22.6 m/s，因此设定3级(20 km/h)、5级(40 km/h)、7级(60 km/h)、9级(80 km/h)4种风速等级。

图3 风速时程图Fig.3 Variation of wind speed over time

随机变化的阵风是海域环境中最常见的阵风形式，具有风速变化快、作用时间长等特点[20]，故本文基于该阵风形式，在Trucksim的weed speed模块中构建了与实际相符合的侧风模型，见图4。

图4 侧风模型图Fig.4 Diagram of crosswind model

2.3 罐车模型

危化品道路运输车即罐式半挂车辆整车模型的建立主要由牵引车、挂车和罐体三部分组成。牵引车和挂车参数见表1和表2，且根据车辆安全运输的标准规定，液体罐车在道路运输过程中罐内应处于几乎满载状态，所以将罐体部分的质量设置为满载质量，不考虑道路运输过程中质心晃动引起的变化[21-22]。

表1 牵引车参数表Table 1 Vehicle parameters of the tractor

表2 挂车参数表Table 2 Vehicle parameters of the trailer

3 海域环境对危化品道路运输车辆行驶稳定性的影响因素分析

车辆在行驶过程中的稳定性受诸多因素的影响，参考国内外相关的研究成果，总结出影响车辆行驶稳定性的主要因素包括风速、路面摩擦系数、车速和风向角等，且各影响因素的作用效果不同。因此，本文通过单因素分析其影响规律，多因素分析其影响显著性。

3.1 单因素分析

根据上述4种影响因素分别对危化品罐式半挂运输车辆行驶稳定性进行了研究，分析不同因素对危化品道路运输车辆横向偏移量及其变化趋势的影响。罐式半挂车辆在高速公路行驶的期望速度为80 km/h,且正常道路条件多为干燥情况，因此本文确定基准指标如下：路面摩擦系数为0.6、车速为80 km/h、风速为60 km/h、风向角为90°，在此基础上进行控制变量分析，具体试验方案见表3。

表3 不同仿真工况下的试验方案Table 3 Test scheme under working conditions ofdifferent parameter simulation

根据表3的试验方案，利用Trucksim软件对不同工况下危化品道路运输车辆的行驶稳定性进行仿真模拟，得到不同因素对危化品道路运输车辆横向偏移量的影响，见图5至图8。

图5 车速对危化品道路运输车辆横向偏移量的影响Fig.5 Influence of vehicle speeds on the lateral offset of the highway transportation vehicles of dangerous chemicals

由图5可见，随着车速的不断增大，危化品道路运输车辆的行驶稳定性逐渐降低；在风速为60 km/h、路面摩擦系数为0.6、风向角为90°的工况下，当车速由80 km/h向100 km/h变化时，车辆横向偏移量峰值就超过了安全阈值0.30 m，车辆有驶入相邻车道发生碰撞或撞上护栏的风险。

图6 风速对危化品道路运输车辆横向偏移量的影响Fig.6 Influence of wind speeds on the lateral offset of the highway transportation vehicles of dangerous chemicals

由图6可见，随着风速的不断增大，危化品道路运输车辆的行驶稳定性逐渐降低；当风速由3级(20 km/h)向7级(60 km/h)变化时,车辆横向偏移量由0.10 m增至0.28 m，并不断接近安全阈值。

由图7可见，随着路面摩擦系数的增大，危化品道路运输车辆发生侧滑的危险性随之降低，当路面摩擦系数为0.18时，即路面存有冰雪的条件下，对车辆发生偏移的影响较为明显，车辆横向偏移量峰值超过安全阈值；当路面摩擦系数超过0.4时，增加路面摩擦系数，车辆横向偏移量基本不变，其峰值基本保持在0.27 m。

图7 路面摩擦系数对危化品道路运输车辆横向偏移 量的影响Fig.7 Influence of road friction coefficients on the lateral offset of the highway transportation vehicles of dangerous chemicals

图8 风向角对危化品道路运输车辆横向偏移量的影响Fig.8 Influence of wind direction angles on the lateral offset of the highway transportation vehicles of dangerous chemicals

由图8可见，90°风向角对危化品道路运输车辆行驶稳定性的影响最大；在风速为60 km/h、路面摩擦系数为0.6、车速为80 km/h的工况下，当风向角由30°向90°变化时，车辆横向偏移量逐渐增大，并接近安全阈值。

3.2 多因素分析

本文采用多因素方差对不同因素对危化品道路运输车辆发生侧滑风险的影响显著性进行分析，每个因素各选取4个水平，具体参照表3，并采用正交试验法，选取L16(45)正交表以减少试验次数,具体分析结果见表4。

由表4可知，不同因素对危化品道路运输车辆发生侧滑风险的影响显著性强弱顺序为:车速>风向角>风速>路面摩擦系数，其中车速、风向角的影响为显著，风速和路面摩擦系数的影响为一般显著。由此可以得出结论，限制危化品道路运输车辆车速为降低车辆侧滑事故率的首要措施，其次还可通过设置风速检测系统、路面检测系统来对风环境和路面环境进行实时监控，并与车载终端进行实时信息传送，以保障车辆的行驶安全。

表4 不同因素对危化品道路运输车辆发生侧滑风险的 影响显著性分析Table 4 Influnce analysis of different factors on sideshiprisk of highway transportation vehicles ofdangerous chemicals

4 危化品道路运输车辆行驶安全车速预测模型

4.1 车辆行驶稳定性模型

根据上述仿真数据，筛选出各类仿真数据中危化品道路运输车辆横向偏移量最大值Lmax，并采用SPSS软件对单因素分析和多因素分析的32组数据进行回归分析，得到危化品道路运输车辆行驶稳定性模型。该模型的拟合优度R2为0.974，具有较高的准确度。具体模型如下:

Lmax=0.011vv+0.004vw-0.055μy+0.004φ-1.222

(3)

4.2 车辆行驶安全车速预测

根据上述单因素分析可知，90°风向角对危化品道路运输车辆行驶安全最为不利，因此本文考虑在90°恒定风向角下，根据公式(3)并以Lmax安全阈值为前提，确定不同风速等级和路面摩擦系数条件下危化品道路运输车辆的安全车速，见表5。

参考杭州湾跨海大桥对危险品道路运输车辆的车速管理规定，其限速为60～80 km/h，由表5可以得出结论：在90°风向角的极端条件下，当风速等级不大于8级时，驾驶员只需按规定速度行驶即可；当风速大于8级时，运输管理部门需采取相应的措施来保障车辆行驶安全。

表5 不同风速等级条件下危化品运输车辆的 行驶安全车速Table 5 Safe driving speed of diangerous chemicaltransportation vehicles under differentwind speed levels

4.3 极端风速条件下车辆行驶安全车速的危险等级划分

针对8级以上的风速等级即极端风速，本文设定90°风向角和最小路面摩擦系数条件下危化品道路运输车辆的安全车速作为限速标准，根据车辆安全车速来划分危险等级，并制定相应的预防对策，见表6。

表6 极端风速条件下车辆安全车速的危险等级划分Table 6 Classification of vehicle safe driving speedunder extreme wind speed

在Ⅰ级风险等级情况下，为一般危险，管理部门需在侧风区域设置强侧风警示标识，来提醒驾驶员提高警惕；在Ⅱ级风险等级情况下，为较为危险，管理部门需通过可变信号牌实时发布车辆行驶最高时速60 km/h提醒驾驶人员，以提高行车安全；在Ⅲ级风险等级情况下，为危险，此类情况下不建议危化品运输车辆上桥，可考虑通过更改运输路线或推迟运输计划，以保障危化品运输的安全。

5 结 论

(1) 本文基于车辆动力学，并结合杭州湾跨海大桥工程背景，对危化品道路运输车辆即罐式半挂车辆在不同风速、风向角、车速和路面摩擦系数条件下的行驶稳定性进行了仿真模拟，结果表明：危化品罐式半挂运输车辆发生侧滑的危险性与风速、车速、风向角的变化呈正相关关系，与路面摩擦系数的变化呈负相关关系。

(2) 采用多因素方差对不同因素对危化品运输车辆行驶稳定性影响的显著性进行了分析，确定了4种因素对危化品道路运输车辆发生侧滑风险的影响强弱顺序依次为车速>风向角>风速>路面摩擦系数。因此，限制危化品道路运输车辆的车速为保障车辆行驶安全的首要措施，同时路面监测系统、风速监测系统等一系列桥梁智能化设备的使用也将会提升车辆行驶的安全性。

(3) 利用车辆行驶稳定性模型对不同环境因素下危化品道路运输车辆的安全车速进行了预测，得出8级风速为车辆安全行驶的临界风速。但对于大于8级的风速等级即极端风速下车辆安全车速可划分为3个危险等级，针对每一个危险等级需制定相应的对策，来保障危化品道路运输的安全。