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序
祝贺余群教授七十华诞和执教四十八周年
第一部分 地面机器系统
一、地面机器系统的研究现状及展望
1.国外地面车辆系统的研究概况
早在19世纪初叶，由于驿车的大量使用，人们开始关注车轮在变形路面上滚动时的阻力问题。捷克的Gerstner在1813年就提出车轮尺寸、载荷、轮辙深度与行驶阻力间的关系。20世纪初叶，由于轮式拖拉机的出现和广泛应用，车轮在松软地面的行驶阻力及其农机具的工作阻力问题再次受到有关研究人员的重视。1913年德国的Bernstein提出了车轮的下陷深度与接地压力之间的关系式，后经一些学者修正为至今仍在应用的指数方程。英国的Mickleihwaite于1944年提出应用经典土力学中的剪切应力一应变关系来计算和预估履带行走机构的最大推进力。
在第二次世界大战的后期，美国军事部门发现土壤状况将制约战车的行动，一些不可预估的土壤状态和变化，常使制定的作战计划遭到破坏。于是，一些单位，如美军水道试验站提出了应用锥头贯入计探测某作战地段的土壤的参数（圆锥指数I），然后以此为依据判断战车的通过能力。这种方法简单，适合于野外测量，至今仍被广泛采用。但其所依据的是某地段的实测数据，判断的结果属于经验方法的范畴，不具有普遍意义。1950—1952年，Bekker在美国的斯蒂文斯工学院工作期间，推导出比库伦公式更具有普遍意义的剪切应力—应变关系式，依此推导出行走机构的推进力公式。随后，1952—1954年，Bekker在约翰霍布金斯大学作战研究处工作时，研究了沉陷与行驶阻力的关系问题，他借鉴土木工程方面的公式推导出含承载面最小宽度的垂直载荷—土壤沉陷变形关系式；为了测定土壤参数，研制出了相应的贝克仪。Bekker在理论研究的基础上研制出能提高越野车辆性能的间隔式履带和铰接式车辆，后来还参加了登陆月球车的研究工作。他的3本著名论著《陆用车辆行驶原理》、《越野行驶》、《地面车辆系统导论》系统、全面地总结了20世纪60年代以前地面车辆系统的研究成果，他的研究成果和论著影响着地面车辆系统的几代工作者和研究者，并为这门新的边缘学科的成立奠定了基础。1961年在意大利的都灵大学召开了土壤车辆系统第一届学术会议，1962年在美国正式成立国际地面车辆学会，商定每3～4年召开一次国际学术会议，至今共召开了13届国际学术会议，出版了季刊《地面力学》，会员分布20多个国家。地面力学学科涉及农业机械、拖拉机、汽车、工程机械、坦克、装甲车辆等领域；研究的地面包括正规公路，以及诸如农田（水田、旱地）、沼泽、滩涂、沙漠、草原、坡地、冰雪地，甚至月球、火星表面等的各种地面。传统的研究内容可概括为：①各类车辆及机具在上述各种地面条件下的通过性和作业能力。②车辆克服障碍（壕沟、树林、岩石等）的能力。③车辆的操纵稳定性。④车辆由于地面不平产生的振动（平顺性）。⑤车辆的水陆两栖能力，等等。
20世纪80年代初期，随着冷战的缓和，一向以军用车辆性能为主要研究内容的地面车辆系统研究人员面临新的抉择，于是农业土壤压实和越野车辆及机具对环境的破坏和影响成为新增加的研究内容。1999年9月在德国慕尼黑召开的第13届国际地面车辆系统国际学术会议“如何面向21世纪”的讨论会上，与会者建议把高新技术引入地面力学的理论研究和试验工作中，并呼吁理论与实际相结合，学会与企业及使用单位相结合。
2.我国地面车辆系统研究概况及研究成果
（1）水田车辆—机具行走机构
这是我国起步最早、成果较显著的地面力学研究项目。在大量的室内和田间试验基础上，我国学者对驱动轮与水田土壤的相互过程进行运动学和动力学分析，确定驱动轮的牵引性能与结构参数（轮子的直径、宽度、轮刺的高度、倾角和数目等）、使用参数（行驶速度、滑转率等）之间的关系，并以此为依据为各种型号的轮式拖拉机、机耕船、耕整机等设计出性能良好、适应南方水田条件的系列驱动轮，为南方水田机械化事业做出了贡献。我国学者在这方面的研究成果引起国外很大的反响，得到很高的评价。
（2）降低工作部件阻力及有关湿土黏附机理
减轻车辆行走机构和机具在湿土中工作时的黏附及降低工作阻力是地面机器系统的重要研究内容。我国学者曾探索应用电渗法、工作部件改性和改形及仿生法来减轻黏附，降低阻力。经过多年的研究表明，对于与土壤有一定静接触时间的挖掘机、装载机，电渗法应用较好，但对于静接触时间很短的运动部件却难以产生好的效果。在表面改性方面提出五层界面等理论，所采用的镀铁等方法取得一定的效果。近年来，仿生法减黏降阻有了很大的进展，已被列入国家自然科学基金重点项目。经测试研究认为，土壤动物身体表面的物质含磷量高及几何非光滑，所分泌的黏液及运动中身体的蠕动等都是减黏降阻的原因，故提出工作部件仿生改形改性的设想和结构，例如，在推土板表面分布微凸起物形成非光滑面进行改形，采用高聚物涂层、等离子喷涂等进行改性，均取得较好的效果。
为了减轻机耕船体或耕整机滑板底部的黏附，也提出了几种方法，其一是利用水力学原理使船体底部与土壤间形成水层减轻黏附，另一种是在船体底部布置喷气嘴形成隔离气层减小黏附，经试验证明均有一定的效果。
（3）特种行走机构和特种车辆形态
为了另辟新径进一步解决车辆在松软路面上的性能，我国学者研究一些特殊的行走机构，其中有步行式、半步行式、海龟式行走机构等。能改善行驶平顺性的可伸缩半步行机构曾在加拿大举行的博览会上荣获金奖。
为了满足某些部门的要求，例如，近海石油开采需要能装载30t补给物资的运载工具，我国目前正研究驱动轮推进的气垫车，它既充分发挥了气垫车在滩涂、沼泽等地区有较好承载能力的优点，又改善了气垫车的推进力和克服了“发漂”等缺点。
为了解决我国东北、西北、华北等永久或季节冻土地区的农田沟渠挖掘、石油管道铺设、军事壕沟的挖掘等问题，我国已设计出可在冻土上挖掘2m深、0.25m宽的壕沟，然后埋设炸药爆破，满足前述需要的渠和壕沟的冻土挖掘机组。
（4）试验设备和测试方法
为了适应地面机器系统研究工作的需要，我国建立了室外的大型土槽和室内的大、中、小型土槽。不少土槽设备结构原理先进、功能齐全，不低于国外的同类土槽设备。另外还研制了用于一般土壤的真三轴仪、人工智能型贯入仪等，用于冰冻土的三轴仪、剪切试验台和自动贯入仪等，以及测定轮胎（或犁铧）—土壤界面应力的三维应力盒等。在测试技术上，提出用于测量土壤外载时其内部的变形和应力场，近年来又引进了图像处理新技术，使这种方法由定性分析提高到定量分析。
（5）地面力学的理论
我国的学者和研究人员在地面力学方面进行了大量的、卓有成效的理论研究工作，为解决生产实际问题提供了理论基础。“地面机器系统研究会”成立至今，我国的地面机器系统学者在国内和国际的学术会议上及国内外的刊物上发表论文近500篇。近几届的国际地面车辆系统学术会议上，我国学者所发表的论文数目约占会议论文总数的1/3，一些论文水平较高，受到很好的评价。
理论研究的内容十分广泛。在水田土壤力学特性方面，除沿用经典土力学建立有关性能精度学模型外，还把水田土壤作为流变体，应用流变力学的方法进行研究，近来又把统计力学引入水田土壤流变性的研究中，使研究工作更趋深入。在水田叶轮、半步行行走机构的运动学和动力学的研究方面，目前在国际上居于前列。
在地面车辆系统中应用有限元法也取得进展，从二维平面扩展到三维非线性，建立专门的地面力学模型，在大型有限元程序NFAP和ADINA拼装上地面力学模型，这为解决行走机构及耕作部件的土壤动力学问题提供了手段。
在旱地行走机构性能方面，应用量纲分析法建立了一套预测轮式拖拉机在砂壤土上的预测公式，深入探讨驱动轮胎在土壤和砂土的滑转沉陷机理以及农业土壤压实机理问题。
由于取得很大的成就，我国学者在国际地面车辆系统学科中已具有一定的学术地位，在近几届的国际会议上，我国学者被邀请担任会议执行主席、专题报告人等，我国已在国际地面车辆系统学会的理事会中占有一席之地。
3.展望
（1）土壤和地面的力学特性
由于缺乏精确适用的土的本构关系，很难把计算力学等手段应用于地面力学的研究中，因此建立精确的土的本构关系是今后需要深入研究的问题。另外，用什么方法（流变力学、统计力学或其他）来研究水田土壤的流变性质也是今后需要解决的问题。
（2）特殊形态的行走机构和车辆
常规的行走机构以及水田叶轮、半步行机构等均未达到完善的程度，今后还需继续深入研究。但这些行走机构难以满足一些特殊地面（如沼泽、滩涂、海底等）的要求，因此有必要研究诸如步行式机构等特殊形态的行走机构和用行走机构推进的气垫车等特殊形态的车辆。
（3）高新技术在理论、试验中的应用
把计算机仿真技术、虚拟与现实技术、机器人及其控制理论、仿生学等技术和理论应用于地面机器系统的研究中。
另外，为了进一步推动地面机器系统学科在我国的发展，还需要强调理论联系实际、学会的工作与企业、生产和使用单位相结合，并吸引更多的青年研究工作者加入到地面机器系统的研究工作中来。
参考文献
[1] Bekker M G.Introduction to terrain—vehicle systems Press 1969
[2] Raymond N Yong.ISTVS for the 21st century.Journal of Terramechanics，1994，31（2）：51～53
[3] Klaus—J Melzer，ISTVS：35 years and more…….Journal of Terramechanics，1997，34（2）：57～71
[4] Henry C Hodges. Global extensions Of the historic silk road in the 21st century will be a challenge to 20th century terrain-vehicle systems technology. Beijing，P. R. China： Proceedings of the 12th International Conference for ISTVS，1996
[5] 陈秉聪.土壤—车辆系统力学.北京：农业机械出版社，1981
[6] 陈秉聪，陆怀民.水田非常规行走机构——步行机耕船的研究.农业机械学报，1987，18（2）：1～10
[7] 沈杰，余群.湿软土壤压力—下陷—时间关系的建立.农业机械学报，1989，20（4）：15～19
[8] 李振镛，劳勤业，魏亚璋等.降低船拖滑行阻力及船体比压的研究.农业机械学报，1991，22（2）：15～21
[9] 刘越琪，诸葛茜，诸葛镇等.孔式气幕减阻装置结构参数的试验研究.农业机械学报，1993，24（1）：1～5
[10] 鲁植雄，潘君拯.土壤强度分维研究.农业机械学报，1993，24（3）： 1～6
[11] 徐达，黄炳华，蒋崇贤等.地面值数据库系统.农业机械学报，1994，25（4）： 1～4
[12] 李强，宁素俭，赵洪伟等.步行轮式气垫车系统力学模型的建立.农业机械学报，1996，27（3）： 1～6
[13] 任露泉，丛茜，吴连奎等.仿生非光滑推土板减黏降阻的试验研究.农业机械学报，1997，28（2）： 1～5
[14] 王国林，任露泉，陈秉聪，蜣螂体表几何非光滑结构单元分布的分形特性.农业机械学报，1997，28（4）： 5～9
二、TERRAIN EVALUATION-I
INTRODUCTION
This report reviews progress in terrain evaluation as reflected in eight papers submitted to Session 1 of the 10th International Conference of the International Society for Terrain-Vehicle Systems. The papers can be approximately divided into three categories：
● Terrain morphology；
● Methods for reducing soil adhesion；
● Artificial soil and soil test rig.
Papers treating more than one topic are classified according to their major content.
TERRAIN MORPHOLOGY
It is well known that terrain profiles are not only the sources of vehicles vibration，fatigue of vehicle frame but also affect vehicle traction. For this reason，in recent years many researchers attempted to describe the terrain profiles in different ways. Ohmiya [1]，Padmore and Fujimoto have described terrain profiles by the slope of Power Spectral Density（PSD）. In the paper by Ohmiya in Session 1，the terrain profiles were investigated using Fractals. The properties of Fractals，characterized by self-similarity and irregularity，are briefly introduced. In Table 1 the slopes of PSD（W）are all about 2，and the frequency distribution of PSD is almost the same for various terrain scales. The authors considered that terrain profiles satisfy the “self-similarity” requirement of Fractals，as the slope of PSD of terrain profiles was not influenced by the scale. The terrain also displays the “irregularity” as shown in Fig.1.The authors concluded that the terrain might be considered Fractal. Another interesting conclusion come to by Ohmiya is that，from Fig.2，the undulation of terrain profiles appears like the locus of Brownian motion，the characteristics of terrain profiles and of smoothed Brownian motion are very similar，and it is possible to generate terrain profiles in this manner by computer simulation. Terrain roughness may develop by random non-periodic and probability forces，as the characteristics of terrain profiles and Brownian motion are similar. It appears that smoothed Brownian motion suggests the development mechanism of terrain roughness.
Fig.1 Comparison of meadow profile and smoothed Brownian motion
Slope of PSD of terrain profiles
Fig.2 Self-similarity of terrain profile（meadow）
Nitami [2] in contrast to conventional methods，tries to quantify mountainous terrain and road alignment by using Fractal geometry. Roads in mountainous regions have roughness proportional to terrain roughness，but the location of road networks is not influenced by terrain. In addition，fractalness of mountainous terrain is not unique，and road alignment is likely to make many detours where terrain roughness is great. The paper includes useful information about the structure of mountainous terrain，and the authors have explained differences of logging methods by using terrain magnitudes，gradient of terrain slopes and consistency of terrain surfaces.
Eiyo and Yong [3] present a new method for measuring road surface roughness. In recent years many methods have been developed for measuring the road surface roughness. They are classified as the conventional optical method，the profilometer method，the servo-seismic method，the slope integration method and the fifth-wheel method. However，these methods require tedious procedures，or need a relatively large data processing machine，or are not easily replicated in the laboratory. In addition，the data measured by contact methods may be distorted somewhat due to the enveloping（smoothing）effect of the contracting portion（i.e. rolling wheel）with the ground surface. For this reason，Eiyo and Yong developed a non-contact ultrasonic device（Fig.3）to accurately measure road profiles in the laboratory and in the field. From the measuring results in the laboratory，it was found that the measuring method and the equipment could supply useful and relatively accurate road surface data. However，as mentioned by the authors，several improvements such as reduction of noise by adding a suitable noise filter，increase of measuring speed and increase of detectable distance range are required. Furthermore，it seems very important to set the base line for obtaining the reference plane for field measurement.
The paper by Kawamura et al. [4] deals with the damages of railway embankments caused by heavy rainfall in the San-in District of Japan. After analyzing the results of site investigation，they considered that the failure occurrence was strongly dependent on rainfall runoff through the surrounding valleys，and the conventional design procedure for embankments should quantitatively consider the degree of influence of rainfall run-off on the stability. Also，they proposed a prediction method to establish a practical design procedure for embankment stability against heavy rainfall.
Fig.3 Principle of contactless ultrasonic distance detector
METHOD FOR REDUCING SOIL ADHESION
Adhesion of soil to the surface of implement components may seriously lower their working efficiency and quality and increase energy consumption. It was reported that energy used for overcoming the adhesion and friction between soil tillage tools is estimated to be about 30 % ～ 50% of the gross energy consumed in agricultural production. Therefore，researching the mechanism of soil adhesion and developing a technique for reducing soil adhesion are of important significance. In recent years，a number of Chinese researchers investigated these topics in different ways，such as electro-osmosis，surface treatment（chromate. treatment，etc.），surface coating（Teflon tape，ceramic tile and enamel）and reducing adhesion of soil on the basis of Bionics principles.
Adhesive tests show that if the film thickness of water at the soil-metal surface is increased，the adhesive force between them is greatly decreased. Soil-osmosis is an effective method to increase this water film. Cong et al [5] carried out a series of electro-osmosis experiments to investigate the influence of different factors，such as moisture content of soil，voltage，and time of electro-osmosis，on soil adhesion to metal. According to the results of their electro-osmosis experiment the authors conclude that，with the increase of time，voltage and magnitude of current，soil-metal adhesion first decreases in the linear form，then approaches a limit value equal to the cohesion force solution of soil water. In the paper，through well-distributed design，the non-linear empirical equation of soil electroosmosis is established
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Although soil-osmosis can reduce the adhesion force，at the same time，it unavoidably consumes energy. Based on experimental data，the following mathematical model describing the relation between adhesive force and energy consumption is used P= Ae.
Tests show that energy consumption has an optimum range in which with least energy，the adhesive force could be reduced to minimal values.
A large number of animals living in soil，with evolving over millions upon millions of years，possess a strong ability to reduce adhesion of soil to their bodies，Investigating the anti-adhesion mechanism of soil animals and applying it to the structural design of soil-engaging components，selection and surface modification techniques of solid materials for anti-adhesion，and results of bionics studies of soil adhesion are of great interest. The paper of Tong et al. [6] on the basis of bionic principles，discussed the anti-adhesion mechanism of soil animals. The authors considered that different groups of soil animals have different anti-adhesion mechanisms. For example，some animals have strong hair growing on their epidermis，which does not stick to soil. Some soil animals' bodies exhibiting bioelectricity can produce electroosmosis in soil. Others can produce a secretion on their skin to prevent their bodies from sticking to soil，and the great deformation of their bodies may absorb some energy to decrease soil adhesion. Some kinds of soil animals may have several of the above characteristics.
One or several techniques can be applied on the basis of bionic principles，such as unsmoothed surface，electro-osmosis，lubricating，strong hair and great elastic deformation to soil-engaging components of terrain machines. Chemical constituents and microstructure on the epidermis of soil animals are one of the functions of reducing soil adhesion. The epidermis of the head and jaws of the dung beetle contains a large amount of phosphorus，the phosphorus content of the head being about 22% ～45% .According to this information the authors choose phosphoric white iron as a kind of anti-adhesion material. Results of adhesion experiments show that，the soil adhesive force of phosphoric white iron is less than of conventional white iron and steel No.45.This indicates that phosphorus can decrease adhesive force between soil and white iron.
ARTIFICIAL SOILS AND SOIL TEST RIG
第二部分 车辆系统动力学及计算机仿真
一、多刚体系统动力学在车辆列车机组建模中的应用
1.车辆列车机组的动力学模型
（1）列车机组的广义坐标和伪速度
设X0，Y0，Z0为地面参考坐标系，X，Y，Z为固结在主车非悬挂质量上的动坐标系。设X轴与车身的侧倾轴线重合，方向向前为正，Z轴的轴线通过主车的质心，方向向下为正；坐标系满足右手螺旋规则。
设机组系统的广义坐标为χ，у，Φ1，φ1，p，z，Φ2，φ2，φ3，θ1～θ8。其中：χ，у分别为主车动坐标系原点相对于参考坐标在X和Y方向的位移，Φ1，φ1，p分别为主车悬挂质量的侧倾角、横摆角和纵倾角；z为主车悬挂质量的垂直位移；Φ2为挂车悬挂质量的侧倾角，φ2为牵引架悬挂质量的横摆角，φ3为挂车悬挂质量的横摆角，θ1～θ8为各车轮的旋转角。
设U（r=1，2，…，17）为机组系统的伪速度，由下列各式表示：
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机组各刚体的运动均可用伪速度表示。
（2）机组各刚体的偏速度和偏角速度
以各个刚体的质心为原点分别建立刚体坐标系（i，j，k）下标i为刚体序号，方向如图1所示。用伪速度表示出每一刚体的速度和角速度在各自坐标系上的投影，即
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式中：V，V，V，w，w，w均由伪速度表示。例如对于刚体1，其速度和角速度分别为
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式中：h——刚体1质心至X轴的距离；
e1——刚体1质心至Z轴的距离。
整理各个刚体的速度和角速度表达式中伪速度前面的系数，就得到各个刚体相对于伪速度的偏速度和偏角速度，分别列入表2和表3。
表2 刚体的偏速度V
表2 刚体的偏速度V（续）-1
表中：
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a1，b1——主车质心至前、后轴之距；
a2——牵引架质心至前挂接点之距；
a3——撞车质心至前挂接点之距；
L2——牵引架前后挂接点之距；
L3——挂车挂接点至轮轴之距；
e2——刚体4质心至牵引架质心之距；
e3——刚体6质心至挂车质心之距；
h2——刚体4质心至侧倾轴线之距；
h3——刚体6质心至侧倾轴线之距；
表3 刚体的偏角速度w1
表3 刚体的偏角速度w1（续）-1
（3）刚体的主动力与惯性力
机组所受的主动力有重力、悬架弹性力、轮胎侧向和纵向弹性力以及驱动或制动力，它们分别作用在相应的刚体上，形成力或力矩。表4列出了各刚体的主动力。
表4 刚体主动力分量
表中：F（i=1～7）——刚体i的重力与悬架弹簧力在垂直方向的合力；
F，F，F（i=8～15）——刚体（轮胎）i的切向力、侧向力和重力，M，M，M（i=8～15）——刚体（轮胎）i的翻转力矩、驱动（制动）力矩和回正力距；
Mx1，My1——悬架弹簧对刚体1的侧倾和纵倾力矩；
Mx4——悬架弹簧对刚体4的侧倾力矩；
Mx6——悬架弹簧对刚体6的侧倾力矩。
机组各刚体的加速度和角加速度分别表示为
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其中
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由牛顿-欧拉动力学方程，各刚体惯性力的主向量和主矩分别为：
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设X，Y，Z为刚体质心加速度在各自坐标系上的投影，则机组各刚体的惯性力在各自坐标系中的分量如表5中所示。
表5 刚体惯性力分量
表中：
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M——刚体i的质量（i =1，2，...，15）；
J，J，J——刚体i绕自身x，y，z轴的转动惯量；
J——刚体i对自身x，z轴的惯性积。
（4）机组动力学方程
第三部分 其他
一、车辆加速寿命试验加速系数的探讨
1.引言
整车试验场加速寿命试验的加速系数的计算，对于车辆试验场的设计、加速寿命试验规范的制定、缩短可靠性试验周期、降低试验费用、加快车辆产品开发的速度、提高车辆产品的质量和可靠性具有十分重要的意义。
过去计算加速系数多用疲劳损伤理论[1]，这种方法对零部件的加速寿命试验是适用的。但车辆是一个复杂的可修系统，它有多种故障模式，不同的故障模式各有其特点，因而采用疲劳理论计算具有多种故障模式的车辆的加速系数就遇到了困难。计算加速系数的另一类主要方法是故障统计法。它是用产品寿命的故障率函数来描述产品的故障规律，其中以Weibull分布的应用最为广泛[2]。采用故障统计法的前提是：车辆是可“修复如新”的，即车辆的故障间隔里程独立同分布。但对于一般的车辆可能由于疲劳、磨损或磨合、维护和使用等原因使得故障间隔里程缩短或增大。这都会导致独立同分布的假设不成立[3]。目前对于非“修复如新”的车辆的加速系数计算尚无定论。
车辆故障的出现具有随机性的特点。车辆在行驶过程中随着里程的增加，相继的无故障工作里程组成的历程为随机过程。为此，笔者用随机过程理论研究车辆在试验场强化试验及车辆实际使用中的特点，分析处理了多种车型的故障数据，并研究了加速寿命试验和实际使用两种情况的可靠性等价条件，以及车辆加速寿命试验的加速系数。
2.描述车辆故障规律的随机过程模型
目前描述车辆故障规律的随机过程模型主要有3种：更新过程、时齐泊松过程和非时齐泊松过程。更新过程和时齐泊松过程可用来描述“修复如新”的可修系统。非时齐泊松过程NHP的特点是相邻故障间隔既不独立也不同分布，而且在同样长度的区间上，平均故障数不仅依赖于区间的长度，还依赖于区间的起点。因此，它可用来描述非“修复如新”的可修系统。NHP模型有多种形式，本文采用有较好通用性的威布尔过程模型。随着模型参数的不同，威布尔过程可描述车辆故障的多种规律。根据非时齐泊松过程理论，威布尔过程的累积故障强度函数为：Ω（t）=λtβ （1）
故障强度函数：
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式中：t——工作里程，km。
对不同类型（客车或轿车）、不同品牌（如CA或EQ）、不同使用情况的车，其参数λ、β不同。这两个函数都可很好地表征非“修复如新”车辆的可靠性。由k个独立系统组成的威布尔过程模型的最大似然估计式为
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式中：t——第i台车发生第j个故障时累积工作里程
T——第i台车无故障结束时的累积工作里程，即试验截止里程
n——第i台车总故障数
k——统计车辆的总台数
根据上述分析，下面举一算例。某型车5台在试验场进行17500km的加速寿命试验，前2500km为磨合，试验数据见文献[4]。根据试验数据利用威布尔过程模型构造加速寿命试验工况的累积故障强度函数为
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又搜集该型车的实际使用数据，以威布尔过程模型为基础，构造实际使用工况下的累积故障强度函数为
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式（5）、（6）表明：该型车一台发生第5次故障时，在试验场强化路上约行驶了5915km，在实际使用中约行驶了18165km。
3.可靠性等价条件
对于车辆这样的可修系统，笔者采用累积故障强度函数Ω（t）作为描述其可靠性的一个主要特征量。该函数还反映了可修系统的可靠性随累积工作里程增加而变化的规律。
设试验场强化试验和实际使用工况下的累积故障强度函数分别为Ω（t）及Ω（t），其可靠性等价条件为两种工况下的累积故障次数相等
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4.加速系数函数模型
根据可靠性等价条件，当Ωc（t）=Ω（t）时，反求出此时的t和t则该时刻可修系统的加速系数为
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根据威布尔过程模型，算得实际使用工况相对于加速寿命试验工况的加速系数并非定值，而是随着行驶里程而变化的，从而可导出威布尔过程的加速系数函数的计算公式为
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式中：β，λ加速寿命试验模型的参数；
β，λ——实际使用模型的参数。
根据式（9）由算例得该型车的加速系数函数为
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5.当量加速系数
（1）加速寿命试验当量里程
以前认为加速系数K为定值，当车辆在强化路上行驶里程t，相当于在实际使用中行驶里程t，即t=Kt。笔者发现，在大多数情况下K是随行驶里程、区间不同而变化的。在此情况下计算出的对应的实际使用里程称为加速寿命试验当量里程。其计算方法为
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式中：t、t——行车开始和截止里程；
K（t）——不同起点、不同行驶里程区间内的加速系数，是行驶里程的函数。
（2）当量加速系数
当加速系数K是行驶里程的函数时，当量加速系数K为
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则此时的加速寿命试验当量里程公式t=Kt中的K为当量加速系数K。这种表示方法则符合目前众多汽车生产厂家和科研人员的习惯。
（3）当量加速系数的两个特例
若新车作加速寿命试验，直到其寿命终止，即t=0，t为车辆报废时的里程，则此时的当量加速系数为全寿命加速系数K
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全寿命加速系数的意义在于：若已知新车作加速寿命试验报废时的里程，则该车实际报废时的里程即可预估，并可据此制定、调整维修保养和更新计划。若新车作加速寿命试验，直到其大修时为止，即t=0，t为车辆大修时的里程，则此时的当量加速系数为大修寿命加速系数K为：
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大修寿命加速系数的意义在于：若已知新车作加速寿命试验大修时的里程，则该车到大修时的使用里程也可预估，并可据此制定、调整维修保养计划。
6.结论
提出了加速系数函数的概念，构造了在一定的条件下实际使用车辆相对于试验场强化路的加速系数随行驶里程而变化的模型；提出了加速寿命试验当量里程的计算方法；提出了当量加速系数及两种特殊情况下的当量加速系数（全寿命加速系数和大修寿命加速系数）的概念。指出应根据车辆的加速系数函数和车辆使用寿命的要求提出适当的试验场试验里程，对不同情况的加速寿命试验规范应进行调整。
参考文献
[1] MurphyRayW. Endurance testing of heavy duty vehicle，SAE Paper 820001，1982
[2] GinebraJosep，AnandaSen. Minimax approach toaccelerated life tests. IEEETransReliab，1999
[3] 曹晋华，程侃.可靠性数学引论.北京：科学出版社，1986
[4] 姜华.车辆强化试验加速系数的研究.北京：中国农业大学，2000
二、汽车图文数据库管理系统
1.数据库结构与建立
（1）数据库的库结构设计
在对国产汽车有关参数分析的基础上，确定了包括汽车图片、基本参数、发动机以及底盘参数等四大类共计33个数据项，组成数据库的基本结构。
汽车基本参数数据，包括客车类型、型号、牌号、参考价格，生产厂家及其通讯地址、邮政编码、电话、电报挂号，年产量，发动机位置，驱动型式，驱动轮、底盘型号，乘客区尺寸，底盘生产厂，座位数，行李厢容积，座椅间距，过道宽度，车身型式、轴距、外形尺寸，前轮距、后轮距，前悬、后悬、接近角、离去角，装载质量，整车整备质量、总质量，最小离地间隙，最高车速，最小转弯半径，最大爬坡度，百公里油耗，制动距离，保修期。
发动机参数数据，包括发动机型号，使用燃料，总排量，发动机生产厂，气缸直径，发动机型式，气缸行程，点火顺序，压缩比，燃烧室形状，额定功率，额定转速，最大扭矩，最低耗油率，怠速转速。
底盘参数数据，包括摩擦片尺寸，离合器型式，变速器型式，分动器高速比，分动器低速比，变速器各挡传动比、主减速比、转向器速比，蓄电池型号，前轴型式、后桥型式，轮辋规格，燃油箱容积，轮胎类型与规格，发电机、转向器型式，制动器型式，驻车制动器、前悬挂型式、后悬挂型式、特点与用途。
所有字段名均采用汉语拼音标识，并采用中文注释。字段类型有字符型、数值型和通用型，其中汽车图片为通用型字段，借助扫描仪将汽车图片存贮成.BMP格式的图形文件，然后录入数据库内。
（2）数据库的建立
数据库中的数据是以中国汽车工业总公司和中国汽车技术研究中心合编的《中国汽车车型手册》为基础。该手册是目前国内最新、最具有权威性的介绍汽车车型的大型资料工具书，它汇总了全国近600家生产企业的6000余种车型资料，所收车型大都为1992和1993上半年进入国家产品目录的产品，或是已开发研制成功并通过鉴定的新产品，已经成为汽车工业各类管理部门、生产设计、经营销售、维修保养、运输使用、用户服务、车管车检、大专院校、科研机构等部门及有关人员必备的工具书。另外，该手册数据可靠、规范、合理，又是建立汽车数据库的较好参考资料。
2.软件系统设计
（1）软件的总体结构组成
汽车图文数据库管理系统软件是基于Novell微机局域网，利用Foxpro2.6和Visual Basic 3.0在中文Windows 3.1环境下开发，其结构如图1所示。
图1 汽车图文数据库系统
（2）程序模块设计
①录入维护模块。
录入模块在管理系统占有重要地位，它是系统获取数据的主要来源，要求操作方便，屏幕格式美观。本系统的录入维护模块设计成全屏幕编辑功能的录入界面，按照光带所在的位置，输入（或修改）相应的“数据项”。每录入完一项回车后（或按TAB键）光带自动进入下一字段，第1屏录入完后可进入第2、第3屏，又可同时交替录入，用鼠标点入哪一字段，即可先录入这一字段。特别是修改非常方便，只需鼠标点到此位置上就可修改。为了使操作方便，在第1屏和第3屏上都设有上移记录、下移记录、首记录、尾记录、增加记录、删除记录、保存记录和退出等8个按钮，通过鼠标单击这些按钮，就可对数据库中的记录进行操作，实现相应的功能。
为了使录入简单方便，对规律明显的字段，利用FOXPRO2.6的数组功能，特意设计成弹出式菜单式录入。在录入客车类型（包括微型客车、轻型客车、中型客车、大型客车和特大型客车）时，就弹出了包括所有选项的菜单。这类具有弹出项选择的字段还有发动机位置、驱动型式、驱动轮和燃烧室形状。另外，减少重复录入的另一措施是采用代码录入，该系统中对客车生产厂家及其通讯地址，底盘生产厂和发动机生产厂需要录入字符较多的字段采用了代码录入的方式。首先建立了代码库，把客车生产厂家及其通讯地址，底盘生产厂和发动机生产厂编成代码，放入代码库内，在录入这些字段时，只要录入相应的代码，系统便会自动地把这些代码转换成相应的内容。
②修改模块。
除具有录入模块的全部特点外，还增加了“条件修改”，可以把满足指定条件的记录检索出来，以便修改。该模块界面设计风格与录入模块相同。
③查询模块。
能按用户菜单和不同要求进行分类查询和组合查询。它下挂2个子模块，即一般查询和万能查询。一般查询可按任意字段进行分类查询，也可按组合条件查询，查询条件完全由用户确定，查询结果显示在录入屏幕上。通过对话方式键入查询条件，进行搜索，找到了便显示在屏幕上，找不到便给出提示信息。万能查询时对数据库进行动态查询。在查询中，对于查询结果，还可以按表格的形式显示、打印，并予以保存。
④统计分析模块。
下挂2个子模块：统计计算和统计图形。统计计算模块用于统计并显示客车总数、微型客车数、轻型客车数、中型客车数、大型客车数和特大型客车数以及不同驱动型式的客车数目，并对整车性能，如装载质量、最高车速、最小转弯半径、最大爬坡度、百公里油耗、最小制动距离分别进行最大值和最小值处理，同时将这些参数输出到屏幕上。只要用鼠标选取菜单作统计计算，就可在屏幕上看到这些统计数字，按任意键又可返回到菜单系统。统计图形模块可用来分别对最高车速、最小转弯半径、最大爬坡度、百公里油耗、最小制动距离作出统计曲线图、直方图和圆图，并且可以通过打印机输出各种图形。
⑤报表输出模块。
可将一些基本参数、主要尺寸和质量以及性能参数以表格的形式输出。基本参数有型号，牌号，分类，生产厂家及其通讯地址、邮政编码、电话和电报挂号，参考价格，年产量，发动机位置，驱动型式，驱动轮、底盘型号，底盘生产厂家；主要尺寸和质量有外形尺寸、轴距、前轮距、后轮距、最小离地间隙、装载质量、整车整备质量、总质量；性能参数有最高车速、最小转弯半径、最大爬坡度、百公里油耗、制动距离。输出时可以从任意记录开始，并能向前或向后翻页，需要时还可以打印。
⑥辅助处理功能。
下挂文档管理、代码维护和实用工具，可以补充数据库操作的其他功能，使数据库使用更加方便灵活。使用文档管理，可以很方便地把文本文件输入到数据库的备注型字段中，反过来又可以对备注型字段进行编辑、打印，并输出到文本文件中。使用代码维护可以建立、引入、维护、查询、打印系统中的代码库。实用工具箱用于系统中的数据库维护。
3.国内客车结构与性能参数统计
（1）结构分析
①客车类型
客车型号多而杂，但一般分为5个大类，即微型客车、轻型客车、中型客车、大型客车和特大型客车。就型号而言，笔者统计表明，微型客车占1.1%，轻型客车占58.7%，中型客车占27.3%，大和特大型客车占12.4%。可见轻型客车型号最多。
②发动机位置
发动机在汽车上的布置位置有前置、中置和后置3种。笔者统计表明，微型客车中，前置占85.7%，中置占14.3%；轻型客车中，前置占95.8%，中置占0.3%，后置占3.1%；中型客车中，前置占74.4%，后置占25.6%；大型、特大型客车中，前置占50.6%，后置占49.4%：可见前置最多，其次是后置，中置很少。
③驱动型式与驱动轮
驱动型式有4×2，4×4，6×2，驱动轮有后轮和全轮。笔者统计表明，微型客车中，驱动型式全部为4×2，后轮驱动；轻型客车中，驱动型式为4×2，后轮驱动的占89.2%，驱动型式为4×4，全轮驱动的占10.8%；中型客车中，全部为4×2，后轮驱动；大型、特大型客车中，4×2，后轮驱动的占70%，6×2，中轮驱动的占30%：可见4×2，后轮驱动的最多。
④气缸数与工作顺序
气缸数有3缸、4缸、6缸和8缸几种，工作顺序根据缸数而定，3缸发动机的工作顺序为1—3—2，4缸发动机的工作顺序为1—3—4—2和1—2—4—3，6缸发动机的工作顺序为1—5—3—6—2—4，8缸发动机的工作顺序为1—8—4—5—7—3—6—2。笔者统计表明，微型客车中，3缸工作顺序为1—3—2的占16.7%；4缸工作顺序为1—3—4—2的占83.3%；轻型客车中，4缸工作顺序为1—3—4—2的占33.3%，而工作顺序为1—2—4—3的占66.7%；中型客车中几乎全部都是6缸，其工作顺序为1—5—3—6—2—4；大型、特大型客车中，6缸工作顺序为1—5—3—6—2—4的占97.3%，8缸工作顺序为1—8—4—5—7—3—6—2的占2.7%：可见4缸发动机最多，其次是6缸发动机。
（2）性能指标
①最高车速。
是衡量汽车动力性能的指标之一，车速越高，汽车的动力特性越好。统计得出，最高车速在55～130km·h-1范围内。客车型号不同其最高车速就不同，一般来说，随着客车型号的增大，最高车速在减小。微型客车的最高车速在90～100km·h-1之间，轻型客车在82～130km·h-1之间，中型客车在70～120km·h-1之间，大型客车在55～105km·h-1之间。
②最小转弯半径。
是衡量汽车转向性能的重要指标，最小转弯半径越小，转弯越灵活，甚至可以原地转弯。统计得出，最小转弯半径在3.8～20m范围内，最小转弯半径也随型号而异，随着客车型号的增大，最小转弯半径在增大。微型客车的最小转弯半径在3.8～4.1m之间，轻型客车在4.2～13m之间，中型客车在7.5～18.8m之间，大型客车在9.3～20m之间。
③最大爬坡度。
是衡量汽车动力性能的指标之一，标志着汽车的上坡能力，最大爬坡度越大，上坡能力越强。统计得出，最大爬坡度在12%～57%范围内，一般来说，最大爬坡度越大，爬坡能力越强。轻型客车的爬坡能力最强，其爬坡度在14.5%～57%之间，其次是中型客车，在14%～36%之间；微型客车和大型、特大型客车的爬坡能力较差，微型客车的爬坡度在13%～25%之间，大型、特大型客车在12%～30%之间。
④百公里油耗。
是衡量汽车的经济性能指标，表示汽车行驶100km所消耗的燃油量，百公里油耗越大，汽车经济性能越差。统计得出，百公里油耗在5.5～42L之间。百公里油耗对于各种车型都不相同，一般来说，随着客车型号的增大，百公里油耗在增加。微型客车的百公里油耗在5.8～7.0L之间，轻型客车在5.5～20L之间，中型客车在20～32L之间。大型、特大型客车在20～42L之间。
⑤制动距离。
是衡量汽车制动性能的重要指标，直接关系到汽车行驶的安全性能。一般来说，制动距离越短，制动性能越好。统计得出，客车的制动距离在5.6～10m范围内，客车类型不同，制动距离各异。微型客车的制动距离在5.6～6.4m之间，轻型客车在5.8～8m之间，中型客车在6.5～9m之间，大型、特大型客车在7～10m之间。
参考文献
[1] 余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社，1994
[2] 中国汽车车型手册.济南：山东科学技术出版社，1993
[3] 顾宝新.汽车新产品鉴定资料数据库的研究.天津汽车，1992
[4] 袁冬梅，刘启欣.发动机性能及可靠性试验数据管理和处理系统.汽车科技，1994
三、基于统计模式识别的车辆自动分类系统
1.问题的提出及研究现状
高速公路的建设与发展离不开车辆通行费的收取。要收费就必须先对车辆进行分类。人工分类的误判少、可靠性好，但是速度慢，劳动强度大，还给某些收费人员贪污、私吞票款提供了可乘之机。车辆自动分类系统获取车辆分类数据的速度快、效率高，能很方便地与智能数据处理系统联接，实现分类数据的自动获取和处理，完善高速公路收费管理和加强高速公路的建设、维护都需要性能优良、价格合理的车辆自动分类系统[1]。
已有的技术可以分为两类：一类是通过识别车辆身份来分类；二类就是利用车型参数来分类。考虑到我国的国情，第一类分类方法很难实现。本文将研究一种以车型参数来进行分类的车辆自动分类系统。
2.模式识别与车辆分类
模式识别有两种基本的方法：句法识别法和统计特征法。车辆分类属于模式识别的分类问题，更适合运用统计特征法来解决。
在车辆分类问题中，样本特征空间的类条件概率密度的形式难以确定，本文将利用样本集直接设计分类器。即给定某个判别函数类，然后利用样本集确定判别函数中的未知参数。采用线性判别函数产生的错误率或风险可能比Bayes分类器来得大，但是它简单，容易实现，需要的计算量和存储量小。设计线性分类器的主要步骤是：
（1）建立一组具有类别标志的样本集。
（2）根据实际情况建立一个准则函数J，它能够反映分类器的性能。
（3）用最优化技术求出准则函数的极值解和阈值权。
分段线性函数是一种特殊的非线性判别函数，它比一般的线性判别函数错误率要小，又比一般的非线性函数要简单。在车辆分类中，决策分类的类别数是一定的，且为多类；各个样本的类别划分也是已知的；车辆样本集按车型参数分类时很可能是线性不可分的。所以本文选用“分段线性分类器”，按照“最小错分样本数准则”来优化分类器。
3.车辆分类标准的确定和车型数据库的建立
要从理论上分析车辆分类问题，首先要确立一个车辆分类标准，建立一个车型样本集。本文参考八达岭高速公路（京昌段）收费标准中的车辆分类标准，确定车辆分类标准为：
地面机器系统及车辆系统动力学：余群教授论文选集
从车型手册所提供的车型参数资料中剔除以下参数：
（1）不包含分类信息的参数，如离合器型式、发动机位置等；
（2）车辆运营过程中变化的参数，如总重、离地间隙等；
（3）不具有普遍性的车型参数，如第三轮距等。
在确定好车型数据库的结构之后，本文运用FoxPro 2.6 For Windows建立了一个包括1536种国产车型和80种进口车型的车型数据库，其中有客车646种，货车和特种车970种。按照选用的车辆分类标准，这些车型可分为：小型车390种，中型车850种，大型车327种，重型车49种。
4.车辆分类器的设计
（1）计算Mark1
目标函数——以下四种情况的错分样本数最小：
*正确的车辆类别=mini 但x＞Mark1
*正确的车辆类别=middle 但x≤Mark1
*正确的车辆类别=big 但x≤Mark1
地面机器系统及车辆系统动力学：余群教授论文选集
*正确的车辆类别=heavy 但x≤Mark1
搜索区域：
（2）计算 Mark2
目标函数——以下四种情况的错分样本数最小：
*正确的车辆类别=mini 但x＞Mark2
*正确的车辆类别=middle 但x＞Mark2
*正确的车辆类别=big 但x≤Mark2
*正确的车辆类别=heavy 但x≤Mark2
搜索区域：
（3）计算 Mark3
目标函数——以下四种情况的错分样本数最小：
*正确的车辆类别=mini 但x＞Mark2
*正确的车辆类别=middle 但x＞Mark2
*正确的车辆类别=big 但x＞Mark2
*正确的车辆类别=heavy 但x≤Mark2
搜索区域：
本文由计算结果得到如下结论：
①某个车型参数是否为最佳的分类参数，与特定的车型样本集是紧密联系的。对应于不同的车型样本集，各个车型参数的分类效能差别很大。利用这种差异，对不同的车型样本集使用不同的车型参数进行分类，可以使得总的错判样本数变小。
②选取车型参数的顺序将影响到分类器的性能。
③为了达到更小的错判样本数，需要寻找一个“最优特征组”来进行分类。它是若干个车型参数的有序的组合。
④由于不同类别车型的车型参数有“重叠”现象，所以不论怎样优化分类器的阈值，总是存在错判样本。另外，不同车辆的车型参数值是离散分布的，因而分类器的阈值可能有多个最优值。
⑤向分类器中添加新的车型参数可以使分类器的错判样本数减小，但是，这种趋势是有限的。
⑥车辆分类器选取特征时必须兼顾两个方面：一是错判样本数要尽量小；一是选取的特征容易获取，而且个数要尽量少。本文的分类器选用车长进行第一次分类，用车高进行第二次分类。该分类器总的错判率为17.64%。其中小型车的错判率为6.15%，分类效果比较好；中型车的错判率为22.24%，分类效果比较差；大型车的错判率为11.31%，分类效果较好；重型车的错判率为71.43%，分类效果差。
5.分类器的实现及自动车辆分类系统设计
在车辆分类器中，车长的值域划为了四个子集，车高的值域划为了七个子集。于是，可以将分类器转化为如下的表格：
地面机器系统及车辆系统动力学：余群教授论文选集
因此，在分类器中车型参数和阈值指定的位置安装若干套对射式红外传感器，就可以由红外线被挡住的情况来确定车辆的车长和车高所处的子集；从而判定车辆的类别。系统总体设计如图1所示：
图1 自动车辆分类系统总体设计图
其中，柱1的设计如图2所示：
图2 柱1的设计
柱2、柱3、柱4的设计如图3所示：
图3 柱2、柱3、柱4的设计
柱1的用处是：
（1）检测是否有车辆通过；
（2）将前后相邻的车辆分开；
（3）确定车高所处的子集；
柱1的ac段、柱2、柱3、柱4的作用是确定车长所处的子集。
该系统的优点在于：所用的技术成熟可靠，成本低；只要红外线的定位准确，就能准确地确定车型参数值所处的子集；即便车辆之间靠得很近，或者是汽车列车，系统也能确定车辆的类别；当车辆的速度很慢，或系统内还有别的车辆，系统也能判定车辆的类别。
所有的开关量由对射式红外传感器来获取。采用以AT89C51为核心的单片机应用系统进行数据的采集和处理，并将分类数据传给网络数据库。该系统硬件设计的原理图如图4所示。
图4 系统硬件设计原理图
数据采集及处理程序采用了模块化设计，能处理系统内有多辆车的情况（最多可达6辆），并能在每辆车到达收费口时才显示它的类别。
系统预算表明该系统具有很高的性能价格比。实车实验结果证明：该系统能非常可靠地实现理论车辆分类器，抗干扰性能强，工作可靠，性能良好。
6.结论
车辆自动分类技术对于提高和完善我国高速公路车辆管理和自动收费系统具有重要的意义。本文运用统计模式识别理论设计了按车辆外型参数进行分类的分类器和性能良好的车辆自动分类系统。本文认为：分类器的优化应当用定量方法来进行，图谱等定性方法是不科学的；准则函数应当按实际使用的高速公路车辆分类标准来计算；不包含车辆类别信息的车型参数、在车辆运营过程中变化较大的车型参数、不具有普遍性的车型参数不适宜作为分类特征。
参考文献
[1] 张乃苍，杨少伟.试论高速公路与铁路的辨证发展.西安公路学院学报，6（3）： 8～13
[2] Alfred R. Koell. Advances in Practical Implementation of AVI System. Ametch Systems Com. Techno logy Dep.25 ～30.
[3] 姜沿平.路桥收费系统车型分类及其运行管理模式.公路交通科技，1996（3）：33
四、汽车驾驶员反应能力评价方法的研究
1.概述
汽车驾驶员职业适应性检查应该包括身体条件检查和心理条件检查，而现行的驾驶员考核标准一般只作身体条件检查。但是国内外研究已经表明，心理条件检查是驾驶员职业适应性检查的一个不可忽视的重要方面。与驾驶员职业适应性关系最为密切的心理条件就是驾驶员的反应能力。本文依据对实际测试结果的研究试图得出驾驶员反应能力的检查方法和标准。
2.汽车驾驶员反应能力的构成
“反应”在心理学上泛指机体对刺激的回答。其存在于一切有机体对刺激物作用的规律性回答中。对于“高级动物”人，会因身体内外的变化而发生肌肉运动或腺体分泌，以及其他有关的人的活动。在驾驶汽车的过程中，人会对身体以外的刺激做出各种反应，包括驾驶操作的反应，它与驾驶安全有直接关系，这种驾驶操作反应的速度和准确性反映了驾驶员的反应能力。
从上述概念出发，反应能力是一项综合能力。要对外界刺激做出正确回答，首先要充分感知外界刺激，其次要认清刺激性质，最后做出正确的动作回答。心理学上，反应能力一般用反应时间来衡量，即用有机体感受刺激开始到做出反应这段时间来作为反应能力的评价指标。人的反应时间会随感觉通道、反应器、身体状况、刺激的性质和强度、练习程度、主体经验及测试条件等多种因素的不同而不同。因此，反应时间的测量应结合具体情况在规范的条件下进行，而对于不同的感觉通道和反应器其反应时间也是不同的。
反应时间一般由感知时间（Tz）和动作时间（Td）两部分组成。感知时间是自刺激信号发生，经感受器、感觉神经、中枢神经传到运动神经所经历的时间。动作时间是刺激信号自运动神经传到动作器及至动作器开始动作所经历的时间，因此，反应时间应为感知时间（Tz）和动作时间（Td）之和，即TR=Tz+Td。
上述所指反应时间为一般心理学意义上的反应时间。而对于驾驶安全有直接意义的驾驶员反应时间还应该包括从动作器开始动作到车辆系统达到操作目标这段时间，在此称为操作时间（Tc）。操作时间反映了人的运动能力、机器性能以及其相互作用的协调性。因此，驾驶员的反应时间（Ts）应该是一般心理学意义上的反应时间（TR）和操作时间之和（Tc），即Ts=TR+Tc。
除反应时间之外，反应的准确性和稳定性也应该作为驾驶员反应能力的一个方面。因此，驾驶员反应能力应该由驾驶员的反应时间（Ts）、反应的准确性和反应的稳定性等构成。
3.驾驶员反应能力的评价方法
（1）反应能力的测试
驾驶员反应能力的测试应该用统一规范的驾驶模拟装置进行。心理学上，反应时间一般用反应应答器来测量，这种反应应答器所测量的只是上述提到的反应时间（TR），而不是驾驶员的反应时间（Ts）。因此，用于驾驶员反应能力的测试的驾驶模拟装置应该包括反应应答器、汽车驾驶操作装置（转向装置、制动装置、离合装置和油门）。反应应答器为电子装置，由信号发生器、驾驶操作传感器和测试结果记录仪组成。
汽车驾驶操作装置的空间布置、操作力和操作行程应符合人机工程学的要求，也即符合典型的汽车驾驶室结构，只有这样测试结果才有可参照性和实际意义。为此，我们根据上述要求研制出汽车驾驶员反应能力的测试装置。
（2）反应能力的评价指标
确定驾驶员反应能力的评价指标的依据依然是驾驶过程中驾驶员的各种驾驶反应情况。我们从驾驶过程中驾驶员对体外刺激信息的处理过程进行分析可知，与驾驶有关的刺激信息源主要是道路上的视觉信息（如行人、车辆、红绿灯等），其次是车辆内外的听觉信息，而在视觉范围内视觉信息应先于听觉信息被感知；接受到刺激信息后驾驶员的最主要的反应动作是转向和制动，而且两者与交通安全有直接关系。因此，从具有实际意义出发，我们确定驾驶员反应能力的测试项目为：光信号转向反应时间（Agp）、光信号制动反应时间（Bgp）。
测试规程如下：首先驾驶员坐于反应能力驾驶模拟测试装置上，注视前方水平位置2M远处的信号发生器。
光信号转向反应时间（Agp，以下简称：转向反应时）：当信号发生器发出黄色信号时，驾驶员转动方向盘分别到左、右180度，各连续测10次（有效次数）。
光信号制动反应时间（Bgp，以下简称：制动反应时）：当信号发生器发出红色信号时，驾驶员右脚从初始位置油门踏板上，迅速移到制动踏板上并将制动踏板踩到制动位置，连续测10次（有效次数）。
根据以上测试项目我们得出驾驶员反应能力的评价指标为：转向反应时（Agp）、制动反应时（Bgp）、行为稳定性（wdp）。其计算方法为：（其中ati为各次转向反应时的有效值，k为有效次数）；（其中bti为各次制动反应时的有效值，k为有效次数）；（其中s1、s2分别为ati、bti的均方差）。Wdp反映了ati、bti的离散情况，从而反映了驾驶员动作行为的稳定性。
（3）测试结果的分析
根据上述确定的测试项目和评价指标，我们对北京地区不同群体的150名驾驶员反应能力的测试结果进行了统计分析，分析结果见表1。由表中可见三项指标的测量值相对是比较集中的，这说明测试结果具有一定的可信性。我们取三项指标95%的置信区间的上限作为驾驶员反应能力评价指标的标准值，见表2。对于此标准的合理性以下还需要进一步的论证。
表1 驾驶员反应能力测试结果分析
表2 驾驶员反应能力评价指标
对于上述结果的可信性，我们从另一个方面也可以加以证实。心理学研究表明：一般心理学意义上的反应时间，即上述提到的感知时间（Tz）和动作时间（Td）之和TR，对于光信号一般TR=0.2～0.3秒。本文所提到的驾驶员驾驶过程中的反应时间Ts=TR+Tc，其中Tc为驾驶员开始操作驾驶装置到驾驶装置完全起作用这段时间，其值作为纯操作时间（即无信号刺激时，连续操作的时间）我们也进行了测试，结果见表3，其中Acp、Acp分别为纯转向操作时间和纯制动操作时间。结合表1可得，对于转向反应测试TR=Agp-Acp=0.296，对于制动反应测试TR=Bgp-Bcp=0.299。可见测试结果和一般心理的研究是一致的。
表3 驾驶员操作时间
上述提出的驾驶员反应能力的评价标准能否作为考核驾驶员的一个指标，我们作了进一步研究。在对驾驶员进行测试的同时我们对驾驶员驾驶情况的历史记录进行了调查，结合测试结果我们得出了事故组和无事故组的显著性分析，见表4。当a=0.05时，显著性u（1-a/2）=1.96，当a=0.1时，显著性u（1-a/2）=1.65。对照表中结果我们可以得出如下结论：①三项指标事故组和无事故组存在较为显著的差异，说明事故组和无事故组对于反应能力检查在总体上存在较为明显的差异性。②无事故组三项指标的均值均小于上述标准值，事故组三项指标的均值均大于上述标准值，这说明无事故组反应能力检查合格率远远大于事故。由此可以说明以上述标准进行驾驶员反应能力的检查具有参考价值和可行性。
表4 事故组和无事故组显著性检验
4.结论
本文试图为驾驶员职业适应性的反应能力检查提出一套初步的检查方法和标准，但驾驶员的反应能力检查能否作为考核驾驶员的一个统一标准还不能就此得出结论，还有待于进一步的研究。通过我们的研究可以认为：对驾驶员进行反应能力的检查是具有实际意义的，如果将驾驶员的反应能力检查作为考核驾驶员的参考标准是可行的，其检查数据的不断积累可以为进一步的研究提供可靠依据。
参考文献
[1] 伍正良，“机动车驾驶员视觉功能与交通安全关系调查分析”，《道路交通工程》No.11990
[2] 左腾伍，《汽车的安全》，机械工业出版社，1988
[3] 荆其诚等，《心理学概论》，科学出版社，1988
[4] 刘金秋等，“驾驶员职业适应性检查和培训设备”，《汽车运输研究》，No.31990
附录 研究生论文题目
硕士研究生
地面机器系统及车辆系统动力学：余群教授论文选集
地面机器系统及车辆系统动力学：余群教授论文选集
博士研究生
地面机器系统及车辆系统动力学：余群教授论文选集