恶劣天气对应急医疗物资公路运输的影响

郭 健，胡金瑞

（浙江工业大学桥梁工程研究所，浙江杭州 310023）

0 引言

新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情的暴发，对全国各地都产生了巨大的影响。对于疫情的重灾区——湖北武汉以及疫情严重城市——浙江温州等地，各类防疫物资都面临着紧缺的局面，对口罩、防护服、消毒液、呼吸抢救设备等医用物质的需求尤为迫切。因此全国各省市采取各种运输方式紧急驰援，截至2020 年2 月底，全国累计向湖北地区运送防疫和生活物资54.14万t，其中通过公路运输的有23.67 万t，占比43.7%，由此可看出公路运输在整个医疗救援物资运输系统中发挥着重要作用。然而由于时处冬春交替期，气候条件变化大，大寒潮、雨雪冰冻、大雾天等经常出现，会造成路面湿滑、驾驶员视野不清晰等影响[1-2]。物资救援运输往往都是跨省运输，运输线路长达几百甚至数千公里，其中存在较多的高风险路段，如强侧风路段、连续陡坡路段、急转弯路段等，这些因素均对公路应急救援运输提出了巨大挑战[3-4]。应急运输不同于常规运输，遇极端恶劣天气，常规运输可通过错峰安排运输计划来保障运输安全[5-6]；而应急运输为确保物资的到达时间，需在恶劣气候条件下行车，存在较大的安全隐患。因此分析恶劣天气对医疗运输车行驶安全的影响，对保障应急救援物资运输安全，更有效地开展应急救援工作具有重要意义。

由于实车试验存在较大的安全风险，且成本较高、周期长，目前国内外关于恶劣天气对行车安全影响的研究主要还是从理论分析和数值仿真这两方面展开。在理论推导方面，Carlson 等[7-9]构建了不同天气下车辆跟驰特性与交通安全的关系模型，提出可变限速方案，提高了整体行车安全性。Young[10]计算分析了车辆侧翻的临界风速，得到了不同车型在特定风速下的侧翻结果。江浩等[11]对各种气候下在跨海大桥行驶的车辆进行安全性影响分析，得到各类环境下的安全极值风速。肖志军等[12]从车辆空气动力学出发，对强风条件下车辆侧滑和侧翻极限条件进行了理论公式求解。随着计算机技术的不断发展，数值仿真开始成为越来越重要的研究手段。Gaylard[13]讨论了CFD在车辆空气动力学中的应用，分析了正交侧风作用下的车辆稳定性。Kordani 等[14]采用Carsim 和Trucksim 车辆仿真软件，研究了不同路面摩擦系数对小客车和单体货车横向稳定性的影响。何杰等[15]利用ADAMA/Car 仿真软件，模拟了晴天、雨天、雪天、结冰的路面条件，通过单移线变道动作，得到航向角等动力响应，分析了不同天气的路面环境对行车安全性的影响，但未考虑驾驶员因素。罗荣锋等[16]利用ADAMS仿真软件，对车辆过大桥受侧风作用时的运动特性进行了模拟，分析了分压中心与车辆侧风稳定性的关系，得出了在通常风速下车辆不会发生危险的结论。

现有研究大多仅考虑单方面天气因素对行车安全的影响，且较少考虑驾驶员因素。本文基于Trusksim 动力仿真模型，构建车-路-风的耦合模型，在考虑驾驶员因素的闭环条件下进行单移线仿真试验模拟车辆变道，考虑晴天、雨天、雪天、结冰、强侧风及救援运输涉及的货载质量因素对行车安全的影响，以车辆横向位移量和侧倾角的响应输出来评价车辆发生侧滑和侧翻的危险性。

1 指标选取

1.1 受力分析

车辆在行驶过程中所受的力如图1 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作用合力的横向分力时，车辆会发生侧滑。为了保证车辆不发生侧滑，需满足[11]：

式（1）～式（2）中：G为车重（N）；a为道路纵坡角（°）；b为道路横坡角（°）；R为道路转弯半径（m）；v为车辆行驶速度（m/s），uy为地面侧向摩擦系数；为汽车侧风系数；τ为合成流入角；ρ为空气密度（kg/m3）；A为汽车迎风面积（m2）；vres为合成速度（m/s），=v2+ω2；ω为风速（m/s）。

当侧翻力矩（侧风力矩和惯性力矩）可能超过车辆自身质量提供的稳定力矩时，汽车会发生侧翻。为了保证车辆不发生侧翻，需满足[11]：

式（3）中：hg为质心高度（m）；hw为侧风高度（m）；B为轮距（m）。

图1 车体受力分析

1.2 仿真工况

单移线仿真是指驱动汽车在规定的时间内，通过走一个S形曲线样式来模拟汽车的变道动作，如图2所示。

图2 单移线仿真车辆运动轨迹

试验为闭环试验，将人-车作为系统考虑，在Trucksim 中引入驾驶员模型，仿真采用驾驶员转向模型来控制车辆动作，该模型轨迹跟随程度高，并设定驾驶员的反应时间为0.15s，预瞄时间为1.5s。在转向模块中输入单移线轨迹坐标数据，得到如图3所示的目标轨迹。

图3 仿真距离与横向位移的关系

1.3 评价指标

目前针对车辆稳定性的评价指标有侧向偏移量、横摆角速度、侧倾角、侧向加速度等。基于以上受力分析，其中横向位移量能较直观反映车体的侧滑偏移，侧倾角能直观反映车辆发生侧翻的危险性[17-19]。因此，本文选取横向位移量和侧倾角作为评价指标，评价车辆发生侧滑与侧翻的危险性，其值越大，发生危险的可能性越大。

2 系统建模

本文采用Trucksim 软件构建系统模型，Trucksim 是货车动力学仿真的行业标准软件。本文通过道路模型、侧风模型、厢式货车模型这三部分完成系统模型的建立。

2.1 道路模型

本文使用Trucksim 中的二维平整路面作为道路模型，如图4 所示。由于医疗物资运输过程中车辆可能遭遇各类天气条件的影响，通过改变路面摩擦系数来模拟各类天气条件，建立相应的道路模型。根据相关文献，可知正常干燥路面的摩擦系数为0.6，雨天湿滑路面摩擦系数为0.4，雪天路面摩擦系数为0.28，低温结冰路面摩擦系数为0.18[12]。

(3)农村基层组织(村委会)。大力发展日间照料中心、老年人活动中心,开展文化娱乐活动、丰富老年人的精神世界。

图4 道路模块界面

2.2 侧风模型

救援运输常需跨省，这使得运输线长达几百甚至数千公里，线路上可能存在多个过江、跨海桥梁或隧道进出口等受强侧风影响频繁的路段。参考相关文献可知[20-21]，90°风向角对行车安全性最为不利，本文设置90°的风角，改变侧风模型的极值来模拟各类风速等级。

考虑受新冠肺炎疫情影响区域的重要交通通道，统计分析了浙江沿海重要通道杭州湾某跨海大桥冬季风速数据，如图5 所示。整理分析后得出年平均风速为2.8～3.5m/s，平均最大风速为17.7～22.6m/s，因此设定4级（9m/s），7级（17m/s），10级（25 m/s）这三种风速等级。

图5 风速时程图

其中随机变化阵风是自然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，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，如图6所示。

图6 侧风模型图

2.3 货车模型

医疗物资多以厢式货车运输，这里基于大运经典厢式货车的基本参数（见表1），对车辆外形、轮胎、转向、悬架、制动、动力传动等各系统进行参数化建模，建立仿真模型如图7所示。

表1 整车参数表

3 仿真分析

采取控制变量的方法对摩擦系数、风速等级、货载质量进行仿真，分析各因素对车辆发生侧滑与侧翻危险性的影响，具体方案如表2所示。

图7 整车模型

表2 不同参数条件下试验方案

3.1 路面条件对车辆行驶安全性的影响

根据建立的耦合模型，通过改变路面摩擦系数来模拟晴天、雨天、雪天及结冰的天气环境，分别进行仿真试验。在仿真试验中，车辆以60km/h的速度变换车道，车辆的侧倾角和横向位移曲线分别见图8和图9，其中各指标的极值见表3。

图8 不同摩擦系数下的侧倾角

图9 不同摩擦系数下的横向位移

表3 不同路面摩擦系数下各指标极值

从图9 可以看出，车辆以60km/h 的速度在结冰的路面上行驶时，车辆已无法完成变道动作，将失去控制。在雪天环境下，车辆虽能完成变道动作，但其横向位移已达到4.5m，存在偏移车道撞上栏杆和其他车辆的风险。

综上所述，冰雪天气对医疗物资运输车的行驶安全性产生了较大影响。针对这类天气情况，应急运输管理部门需合理安排运输计划，且对于急需的救援物资，需提前做好重点路段的除冰除雪工作，以保障运输安全。

3.2 风速等级对车辆行驶安全性的影响

选取晴天路面（摩擦系数为0.6）、车速60km/h，测量风速分别在0,9m/s,17m/s,25m/s 时车辆的侧倾角和横向位移量，得到车辆的侧倾角曲线和横向位移曲线，见图10和图11，其中各指标的极值见表4。

图10 不同风速等级下的侧倾角

图11 不同风速等级下的横向位移

表4 不同风速等级下各指标极值

从图10 和表4 可以看出，随着风速等级逐渐增大，车辆的侧倾角曲线逐渐偏移坐标轴。且当风速由9m/s 变化到17m/s 时，侧倾角呈单侧逐渐变大的趋势，已无法体现车辆正常稳定变道时的双侧来回变化规律。说明车辆在强风作用下，车辆重心朝正向一侧倾斜。当风速由17m/s 变化到25m/s 时，侧倾角极值由-0.58°增大至-1.5°，增幅较大，说明在风速17m/s 作用下车辆处在临界不稳定状态。所以对于经常出现强侧风的路段，需提前设置警示标志，加强对驾驶员的预警，以保障重要应急医疗物资的运输安全。

从图11可以看出，在车速为60km/h、晴天路面条件下，风速由0 向25m/s 增大时，车辆均完成了变道动作。

综上所述，可以看出车速60km/h、晴天路面条件下，随着侧风等级的提升，虽然在驾驶员的控制下车辆均完成了变道动作，但从侧倾角曲线中可以看出车辆的行驶稳定性已受到影响，发生侧翻的危险性逐渐增大。

3.3 物资种类对车辆行驶安全性的影响

针对医疗救援物资种类繁多，既有口罩、防护服等低密度物资，又有消毒液等高密度物资的特点，通过改变货载质量来模拟各类医疗物资，根据方案3 来进行仿真试验，车辆的侧倾角和横向位移曲线见图12 和图13，其中各指标的极值见表5。

图12 不同货载质量下的侧倾角

图13 不同货载质量下的横向位移

表5 不同货载质量下各指标极值

从图12和图13以及表5可以看出，货载质量的变化对车辆稳定性的影响类似于风速等级变化的影响，但从极值点的数值变化可以看出其对车辆侧翻的影响要弱于风速等级变化的影响。所以合理调配运输车辆、不超载运输对于保障医疗物资应急运输安全至关重要。

3.4 显著性分析

基于以上仿真结果，对事故类型中较为突出的侧翻事故进行影响因素显著性分析。通过离差和方差分析法，分析各因素对车辆侧翻影响的显著性，得到侧倾角分析结果如表6所示。

表6 侧倾角的离差和方差分析结果

从表6 可以看出各因素对车辆侧翻影响的程度由大到小依次为风速、摩擦系数、货载质量。

3.5 小结

大规模医疗物资运输往往发生在严重突发事件的背景下，如重大公共卫生事件、自然灾害等，具有“时间紧迫、需求量大”等特点，其更多考虑的是医疗物资到达的时间和到达量。恶劣天气对运输安全的影响，对于常规公路运输而言可根据天气预报，通过改变运输线路或推迟运输计划等方式来保障运输安全。而对于应急救援运输，则更多需要沿线运输管理部门的积极配合来保障运输安全。例如针对冰雪路面，交管部门提前做好除冰除雪工作；针对强侧风区域，应做好对驾驶员的提前预警工作。

4 结语

本文基于车辆动力学原理，针对重大突发公共卫生事件应急救援运输，在闭环仿真试验环境下对厢式医疗运输车在不同恶劣天气下的行驶稳定性进行了仿真试验，结果表明随着天气由晴天向结冰的转变，车辆行驶安全性逐渐降低，发生侧翻和侧滑的风险均提高。在雪天路面摩擦系数为0.28，车速为60km/h 的情况下进行车辆变道，运输车辆存在与其他车道车辆或路侧护栏碰撞的危险，应给予避免。

风速等级的提高对车辆发生侧翻事故影响尤为明显，因此运输管理部门需要对运输线路的强侧风路段提前做好预警工作，风速大于17m/s（7级风）时车辆运行危险显著增加，驾驶过程中要特别重视强风路段，以保障医疗物资运输安全。

专门运输消毒液体及医用设备等大密度医疗物资的车辆，随着货载质量的增大，车辆重心逐渐上移，使车辆行驶侧倾稳定性降低。因此合理安排组合运输物资，降低车辆重心，可以显著提高医疗物资运输安全性。

本文对恶劣天气的种类及道路种类考虑不全面，在后续的研究中将进一步分析大雾和弯道等对车辆行驶安全性的影响；同时进一步分析仿真数据，建立各类环境因素下的安全车速预测模型。