基于CarSim软件的道路安全评价技术的现状与展望

黄晓明，洪正强

(1.东南大学 交通学院，江苏 南京 211189；2.国家道路与交通工程实验教育示范中心，江苏 南京 211189)

0 引 言

道路设计安全评价主要围绕路线线形设计可靠性和路面病害及抗滑性能等方面进行，是道路工程中非常重要的一环。然而，目前对道路设计安全评价做出的假设仍然存在一些问题，即将车辆假设为一个刚体，仅考虑其刚体运动，而忽略了轮胎和悬架对于车身稳定性的作用以及转向时轮胎的不同受力特点，因此在涉及车辆受力和抗滑方面的设计会有一定的不精确性。

CarSim由Mechanical Simulation Corporation开发，为汽车工业中应用最广泛的系统级车辆动力学仿真软件，技术本质实际上由三部分组成：①分别是作为车辆、道路、环境和驾驶员物理模型建立和控制的VehicleSim；②负责使用虚拟相机和绘图程序显示计算结果的VS Visualizer；③以及与用户计算数据直接相关的GUI系统。软件最大的特点是模拟具有实时性、准确性，并且省去了建模调试和用户自编模型等一系列繁琐流程，让用户能直接上手应用。

近年来，研究人员越来越重视车辆在道路上行驶的安全性与舒适性，并以此为工程设计的参考之一；加之CarSim的模拟已经扩展到包括复杂地形、行人、交通标志和信号的模拟以及自动驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶车辆模拟场景所需的内置传感器等，这些更新令原本只能建立简单、精度较低的地形的情况得到了很大的改善，为其在道路设计及安全性评价中的应用打下了基础。

1 CarSim在道路设计可靠性评价中的应用

一般而言，按照规范设计的道路能够通过审核，但是部分道路在实际行驶中有可能存在一定的风险，如存在采用极限值设计或者不良的平纵组合设计等情况。评价一个路段设计是否合理，CarSim的道路建模能力和实时反馈的计算能力能够从安全性和舒适性两方面提供参考。

1.1 道路线形设计安全性评价

在使用CarSim对道路线形设计进行评价时，研究人员主要对车辆的侧向稳定性进行评价。在这个目标下，研究者们主要通过建立真实道路线形模型，并采用不同车辆及驾驶员模型进行仿真安全实验。不同研究者对评价方法有一定区别。

YIN Yanna等[1]通过正交分析设计方法，研究车速与道路几何参数之间的相互作用对车辆横向稳定性的影响，认为平曲线设计与车速共同作用会显著影响车辆的侧翻风险。

A.A.KORDANI等[2]对模拟试验进行多元回归分析，研究了三维道路模型的侧摩阻力系数与纵坡的关系，提出了不同车型侧摩系数估算的新模型。此外，还研究了车辆各轴的侧摩擦系数，总结了常见车型的打滑现象及其严重程度。

王晓玉[3]为确定高速公路互通式立交设计的安全性以及相应的风险控制策略，以某立交的设计文件及现场数据为基础，借助CarSim对该立交的匝道进行了综合安全评价。依据以上研究，确定了立交匝道高风险段位置，并提出了相应的风险控制方案。

此外，在平纵组合设计中，CarSim具有较多的应用案例，并且对于山区公路的平纵组合设计问题，CarSim模拟可以很好地代替实地试验，验证设计的合理性。

1.2 限速设计安全性评价

现有的限速策略中，存在着汽车稳定性评价指标不准确、轮胎模型过于简化等问题。因此，有研究者从既有路段的速度设计合理性出发，提出安全车速值。

L.YUE等[4]利用CarSim对不同车速汽车的侧滑、侧翻事故进行了仿真分析，验证了临界安全速度和安全模型。该研究对高等级、低等级和特殊环境中的山区公路设计速度都进行了归纳总结。

王露等[5]主要对恶劣天气的临界车速进行研究，分别分析了大风、雨天和雪天情况下，不同路段行驶时能够保证车辆稳定性的安全速度。

李平[6]主要对大型车的安全速度进行研究，并根据某路段的统计资料构建了驾驶场景进行研究。研究发现大型车的安全速度阈值与车辆荷载的分布与大小有很大关系，并给出了荷载状况与安全速度间的关系。

1.3 交通设施设置安全性评价

除了研究路线设计及速度设计本身对车辆行驶安全性影响，CarSim直观、优质的可视化效果能为交通设施设计的评价带来很大的帮助。比较典型的是对中央分隔带设计的安全性进行研究。例如J.S.STINE等[7]研究了公路中央分隔带的安全性，利用CarSim模拟超过10万次车辆侵入中央分隔带的事故。这些事故统计了所有可能的侵入角度、出发速度、转向输入和制动输入。仿真结果表明：公路中央分隔带的整体安全性取决于车辆侧翻和侵入中央分隔带情况的发生，并且分隔带横截面形状、坡度和宽度都会对这些事件产生重大影响。

A.ABDI等[8]同样也研究了中央分隔带的安全性，其研究结果表明，影响货车侧向摩阻力的最主要因素分别是侵占角和车速，并提出最危险的情况是在25°的侵蚀和0.8 m的路肩宽度处。根据研究结果，道路设计人员应将路肩宽度、路肩类型和横断面作为设计参数，且单向横坡、铺面路肩、路肩宽度大于0.8 m是农村公路货车驶离的适宜因素。

使用CarSim对交通设施的安全性研究较少，但是其直观、优质的可视化效果能为设施设计的评价带来很大的帮助，在应用层面具有很好的前景。

2 CarSim在路面工程检测、评价及养护中的应用

CarSim可以对道路高度信息进行设计，这除了能够对道路竖曲线、纵坡、横坡和超高进行设计，还可以进行精确的车辙、坑槽、不平整等细节设计。使用该功能可以设计出如图1的车辙，实际模拟证明其模型建立具有很高精确性[9]。

图1 用CarSim建立的车辙模型

2.1 路面平整度评价与检测

路面平整度是评定路面质量的主要技术指标之一，它关系到行车的安全、舒适以及路面所受冲击力的大小和使用寿命。针对表面平整度对车辆行驶的影响，研究者主要是从国际平整度指数IRI入手进行分析。

T.KANAI等[10]针对IRI进行了计算机模拟，将IRI从0.5以0.5为间隔增加到4.0，共8个水平。采用弹簧末端布朗振子的随机运动，计算每一级IRI的路面轮廓；后使用TruckSim在不同的运行速度下进行行驶模拟。在上述模拟动载的基础上，利用多层弹性计算机程序计算了沥青层底面拉应变和路基顶面压缩应变，并对路面的损伤进行了分析。

Y.LU等[11]建立了IRI的回归模型，将一维路面不平度引入CarSim中，生成三维虚拟道路。在验证了道路模型的准确性后，通过CarSim仿真，在不同IRI下生成多个车辆侧滑角，得出侧滑角的波动与IRI的大小有显著的关系。最后计算了不同等级路面的IRI值，并在SPSS中建立了车辆侧滑角与IRI的回归方程。

G.WANG等[12]评估了使用适当固定在移动车辆内的智能手机来确定IRI的适用性。其研究也说明了CarSim可以精确地还原实际的车辆行驶轨迹及驾驶员行为，并且它的使用允许在相对较短的时间内进行大量的受控模拟。

2.2 路面坑槽评价与检测

路面坑槽的检测评价传统上采用实地试验采集病害资料，后进行分析。利用CarSim在路面上建立坑槽模型，可以直接模拟出车辆行驶在坑槽病害上行驶的状态，有针对性地提出病害解决方案。

A.FOX等[13]开发了一个系统，利用来自嵌入式车辆传感器的加速计数据来检测和定位多车道环境中的坑槽。利用CarSim设定了上万个大小、形状、位置各异坑洞情况下，模拟了车辆在各种场景下行驶上千里的情况，为推导系统模型提供了基础，并应用于真实世界中坑槽检测中。

M.KOTHA等[14]同样开发了一个坑槽检测系统“PotSense”。在研发的过程中，利用CarSim的车辆动力学指标作为坑槽评价指标，研究了车辆的纵摇、横摆和横摇及其随时间的变化，分析了影响最大的因素。其中，车辆的俯仰和偏航可靠地反映了车辆遇到坑洞或减速带时的行为，为判断坑槽提供了准确依据。

2.3 路面车辙评价与养护

关于道路表面特性的研究，更多研究者关注的是车辙的影响。早在2006年，T.KAZUYA等[15]就以二次函数及样条函数建立路面车辙模型，以量化路面之车辙特性；并利用1998年PIARC-evel试验的路面轮廓数据，对所建立的两种模型的适应性以及对车辆动力学仿真方法的适应性进行了验证。结果表明，样条函数适用于描述路面车辙特性。该研究也同时证明了CarSim采用样条函数建立车辙的精确性。这为之后采用CarSim作为车辙研究工具打下了基础，例如洪正强等[9]较为系统地利用CarSim研究了结构型车辙和流动型车辙对于行驶安全性和舒适性的不同影响，提出了5种评价车辆稳定性的指标，并针对不同潮湿状况、不同速度、不同行驶路段对车辙提出了具体的养护阈值。

3 CarSim在水漂与路面抗滑性能研究中的应用

沥青路面抗滑问题的研究，主要集中于橡胶沥青路面摩擦机理、路面附着特性、胎-路相互作用机理以及抗滑能力不足带来的整车制动稳定性问题等领域。CarSim除自身具备较为强大的计算与可视化能力外，能与MATLAB/Simulink联合仿真，对动水压力进行控制(图2)，因此多被应用于胎-路相互作用的研究中。例如范兴根[16]设计了一种新的路面附着系数计算方法，利用Burckhardt模型拟合了6种路面μ-s曲线，并利用Carsim-Simulink进行仿真验证。仿真结果显示，该方法能够有效计算不同路面的峰值附着系数，具有良好而广泛的适用性。

图2 CarSim-Simulink进行抗滑性能联合仿真示例

在CarSim-Simulink联合仿真解决道路抗滑问题的有关研究当中，笔者团队进行了较为系统、完备的研究。团队一直致力于沥青路面抗滑性能的研究，提出了考虑橡胶-路面摩擦特性与水膜动水压力的雨天车辆制动模拟方法。在ABAQUS中建立不同的轮胎模型，并利用X射线CT扫描仪等设备对不同的路面进行扫描，得到表面纹理[17]；运用路表分形摩擦理论计算出橡胶-路面的动摩擦系数，分析了不同行驶速度及水膜厚度下轮胎-水膜-路面接触力变化规律[18]；并基于CarSim与Simulink联合仿真，引入轮胎水漂时的水流托举力，模拟整车在积水路面上制动过程，以评估雨天车辆制动性能与路面抗滑需求，为路面抗滑养护与车辆制动决策提供了参考依据[19-20]。

随着无人驾驶技术的兴起，CarSim已被广泛应用于无人驾驶车辆的控制中[21-22]；而在道路工程领域，CarSim-Simulink联合仿真也可以被应用于无人驾驶车辆的制动场景研究中，讨论无人驾驶条件下的路面抗滑需求。笔者团队针对无人驾驶的制动原理，通过构建真实的道路纹理模型，利用Simulink进行无人驾驶控制，对无人驾驶车辆在直线路段正常制动、直线路段紧急制动、弯道转向制动等典型制动情况进行分析(图3)，提出了无人驾驶车辆在不同制动条件下的制动安全性指标[23-24]。

图3 无人驾驶车辆制动过程

4 结 语

随着研究者及设计人员的观念逐渐从恪守规范逐渐更多地转向考虑实际工程是否符合行驶合理性的需要，利用CarSim进行模拟仿真的方式逐渐被应用于道路工程中的许多方向，进行可靠性验证及养护判断中。随着该车辆动力学软件的不断迭代，对于道路要素及交通设施工程的模拟能力逐步提升，因此该软件受到越来越多道路工程研究者的青睐，近些年来利用该软件进行道路工程领域的研究越来越成为一种趋势，特别是近五年的有关文献中，以CarSim为研究工具的研究数量显著上升。

CarSim在道路工程中的应用势必更加广泛，因为人-车-路的有机结合和未来需求方向仍需要深入探究。在今后的研究中，有以下几方面可以作为深入研究和探讨的切入点：

1)建立精确的匝道出入口模型，分析匝道设计的合理性。相较于行驶在一般道路曲线上，车辆在匝道上行驶时都需要经历减速与转弯的过程，这个过程容易发生侧滑、失稳；而近年来越来越多地区进行高速公路提速，原有的匝道线形、限速和路面抗滑设计可能无法满足提速后的需求。目前相关的研究较少，作者认为可以结合较为成熟的无人机视频采集与提取技术，获取匝道上大量的车辆行驶信息，以此还原驾驶员普遍的驾驶行为，判断匝道设计是否符合高速提速后的需求。

2)从长远发展来看，CarSim与道路工程的结合不会仅限于现有的传统驾驶体系，未来交通领域与车辆工程的结合研究，特别是与无人驾驶车辆的结合研究是必然的趋势，这体现在道路工程领域中，已经开始有研究者提出建立无人驾驶专用路线和路面结构的设计，也有针对无人驾驶制动特征进行的路面抗滑性能研究。对于传统有人驾驶体系，CarSim已经证明了其在上述两方面设计的实用性，故对于无人驾驶的路线、路面设计，CarSim有巨大发展前景及应用空间。