秦 青，劉學(xué)龍，王海洋，王曉鳴

（1.中汽研（天津）汽車(chē)工程研究院有限公司，天津 300300； 2.天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

汽車(chē)人均保有量的迅速增長(zhǎng)在便利人們的生活的同時(shí)引發(fā)了能源緊張、交通事故頻發(fā)以及道路擁堵等問(wèn)題。因此，節(jié)能減排、改善交通安全以及平衡道路通行流量已成為現(xiàn)代交通運(yùn)輸業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。為解決這些難題，歐美及日本等諸多發(fā)達(dá)國(guó)家展開(kāi)了智能交通系統(tǒng)的研究，其中車(chē)輛隊(duì)列行駛作為其中一個(gè)重要的組成部分，在實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸業(yè)的安全、高效和綠色發(fā)展等方面具有重大意義。

車(chē)輛隊(duì)列行駛技術(shù)始于20世紀(jì)80年代，是指多個(gè)車(chē)輛通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊方式進(jìn)行信息融合，保持一定速度和間距行駛。該項(xiàng)技術(shù)的提出，不僅有效緩解了交通擁堵問(wèn)題，還在提高運(yùn)輸效率、減少交通事故等方面具有顯著作用，因此，該項(xiàng)技術(shù)受到更廣泛地關(guān)注。研究人員在該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)主要集中在隊(duì)列的信息融合技術(shù)和智能駕駛輔助技術(shù)等幾個(gè)方面。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和流體力學(xué)在汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展，逐漸有人開(kāi)始研究隊(duì)列行駛的空氣動(dòng)力學(xué)性能。這對(duì)于提高車(chē)輛隊(duì)列行駛的穩(wěn)定性、操縱性和燃油經(jīng)濟(jì)性具有重大意義。

車(chē)輛隊(duì)列行駛空氣動(dòng)力學(xué)性能的研究是一個(gè)復(fù)雜多變的問(wèn)題，如圖1所示，根據(jù)其組成結(jié)構(gòu)可以分為車(chē)輛、隊(duì)列和環(huán)境三部分，這三部分相互獨(dú)立又彼此關(guān)聯(lián)。因此，研究隊(duì)列行駛的空氣動(dòng)力學(xué)性能不僅需要關(guān)注單個(gè)車(chē)輛的影響因素，還需要關(guān)注整個(gè)隊(duì)列的組成結(jié)構(gòu)對(duì)整體空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響，同時(shí)還需要根據(jù)不同的行駛環(huán)境，對(duì)隊(duì)列結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)。這些復(fù)雜多變的影響因素導(dǎo)致車(chē)輛隊(duì)列行駛的空氣動(dòng)力學(xué)模型具有非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合、非完整約束等特點(diǎn)，導(dǎo)致其理論模型異常復(fù)雜，從而成為一個(gè)不易解決的難題，阻礙了車(chē)輛隊(duì)列行駛的應(yīng)用與發(fā)展。因此，研究不同因素對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律，對(duì)構(gòu)建相對(duì)完善的隊(duì)列行駛空氣動(dòng)力學(xué)模型，具有重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

圖1 隊(duì)列行駛的組成結(jié)構(gòu)

本文以隊(duì)列空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響因素為主要研究對(duì)象，根據(jù)影響因素的來(lái)源進(jìn)行歸納分類(lèi)，主要包括隊(duì)列內(nèi)部因素和隊(duì)列外部因素兩個(gè)方面。如圖2所示，隊(duì)列內(nèi)部因素包括車(chē)輛和隊(duì)列結(jié)構(gòu)兩部分，其中，車(chē)輛的影響因素主要為車(chē)輛造型和行駛速度；隊(duì)列結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在車(chē)輛數(shù)量、間隔距離、隊(duì)列形式等。而隊(duì)列外部因素主要是指環(huán)境變化造成的影響，根據(jù)因素類(lèi)型的不同，可以分為自然環(huán)境和道路環(huán)境兩種，其中自然環(huán)境是指尤其天氣變化等原因產(chǎn)生的雨天、大風(fēng)、側(cè)風(fēng)、氣旋等因素；而道路環(huán)境主要是指隊(duì)列行駛通過(guò)橋梁、隧道、懸崖、建筑群等環(huán)境時(shí)產(chǎn)生的流場(chǎng)變化。在不同時(shí)期，研究人員通過(guò)采用風(fēng)洞試驗(yàn)、道路試驗(yàn)或數(shù)值仿真等方法對(duì)不同因素產(chǎn)生的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。本文針對(duì)不同因素的研究?jī)?nèi)容和方法，總結(jié)和闡述了所得到的影響規(guī)律，旨在為了解隊(duì)列行駛的空氣動(dòng)力學(xué)模型提供依據(jù)，為以后改善車(chē)輛隊(duì)列行駛的空氣動(dòng)力學(xué)性能的研究方向提供參考。

圖2 車(chē)輛隊(duì)列空氣動(dòng)力學(xué)性能影響因素分類(lèi)框架

1 行駛隊(duì)列內(nèi)部影響因素研究進(jìn)展

1.1 車(chē)輛自身狀態(tài)影響規(guī)律分析

車(chē)輛有很多自身狀態(tài)參數(shù)，如行駛速度、汽車(chē)質(zhì)量、輪胎摩擦系數(shù)等等，其中與空氣動(dòng)力學(xué)性能直接相關(guān)的參數(shù)主要包括行駛速度和車(chē)輛造型兩個(gè)因素。車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)的研究歷史悠久，主要是針對(duì)單個(gè)車(chē)輛的空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析，研究成果頗豐。在車(chē)輛隊(duì)列行駛中，車(chē)輛自身狀態(tài)對(duì)隊(duì)列空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響分析是廣大研究人員最先開(kāi)展的領(lǐng)域之一。

1.1.1 車(chē)輛行駛速度影響規(guī)律分析

車(chē)輛在道路上行駛時(shí)，克服氣動(dòng)阻力的功率是發(fā)動(dòng)機(jī)所做功中較大的一部分，如式（1）所示。對(duì)于相同的車(chē)輛，其所受空氣阻力與車(chē)速的二次方呈正比，消耗功率與車(chē)速的三次方呈正比，因此，隨著車(chē)速的增加，氣動(dòng)阻力和消耗于氣動(dòng)阻力的功率也迅速增加。研究表明，當(dāng)車(chē)速為80 km/h時(shí)，氣動(dòng)阻力與滾動(dòng)阻力幾乎相同；當(dāng)車(chē)速為 150 km/h時(shí)，氣動(dòng)阻力約為滾動(dòng)阻力的2～3倍。因此，車(chē)輛行駛速度對(duì)隊(duì)列行駛的空氣動(dòng)力學(xué)性能具有重要影響。

式中，為車(chē)輛所受空氣阻力；為車(chē)輛克服空氣阻力所需功率；為空氣密度；為車(chē)輛的阻力系數(shù)；為車(chē)輛的正投影面積；為車(chē)輛的行駛速度；為車(chē)輛傳動(dòng)系效率。

李姝紅以階背式DrivAer模型為研究對(duì)象，模型如圖3所示，研究了兩車(chē)間距為1倍車(chē)長(zhǎng)內(nèi)，頭車(chē)和跟隨車(chē)輛節(jié)油率隨速度變化規(guī)律，如圖4所示。當(dāng)車(chē)速在16 m/s～34 m/s變化時(shí)，頭車(chē)節(jié)油率約為0.7%～1.8%，跟隨車(chē)節(jié)油率約為2.6%～5.8%，平均節(jié)油率約為1.6%～3.8%。

圖3 階背式DrivAer模型示意圖[30]

圖4 階背式DrivAer模型節(jié)油率隨車(chē)速變化關(guān)系圖[30]

由圖4知，頭車(chē)的節(jié)油率在低速情況下，速度的增加幅度不高，對(duì)車(chē)速的敏感性不高；但是，隨著車(chē)速的繼續(xù)增加，對(duì)車(chē)速的敏感性呈現(xiàn)突增，整體的節(jié)油率與車(chē)速的平方成正比。對(duì)于尾車(chē)，車(chē)速對(duì)節(jié)油率呈現(xiàn)不規(guī)則的影響，近似于多段對(duì)數(shù)關(guān)系；存在幾個(gè)臨界車(chē)速（該模型中為25 m/s），在臨界車(chē)速附近，節(jié)油率對(duì)車(chē)速的敏感性將會(huì)發(fā)生突變，因此，對(duì)于乘用車(chē)來(lái)說(shuō)，隊(duì)列行駛時(shí)需要提前規(guī)劃經(jīng)濟(jì)安全速度，該速度建議高于臨界車(chē)速。

BONNET等人以商用車(chē)為研究對(duì)象，對(duì)兩車(chē)間距6 m～14 m以?xún)?nèi)不同速度下的燃油消耗進(jìn)行研究，當(dāng)車(chē)速分別為60 km/h和80 km/h時(shí)車(chē)輛的節(jié)油率如圖5所示，其中頭車(chē)節(jié)油率約為4%～8%，跟隨車(chē)輛節(jié)油率約為15%～20%。通過(guò)以上研究可知，隨著車(chē)速的增大，對(duì)隊(duì)列行駛頭車(chē)和跟隨車(chē)輛的節(jié)油率均有不同程度的提升，且隊(duì)列行駛形式對(duì)后車(chē)的節(jié)油率影響更加顯著。

圖5 頭車(chē)和尾車(chē)在不同速度下節(jié)油率變化圖[31]

通過(guò)對(duì)比圖4和圖5可以看出，商用車(chē)在列隊(duì)行駛中節(jié)油率要比乘用車(chē)更加明顯，商用車(chē)的節(jié)油率對(duì)速度的變化也更加敏感，因此，推行商用車(chē)的列隊(duì)行駛，將對(duì)節(jié)能環(huán)保具有重大意義。

1.1.2 車(chē)輛造型影響規(guī)律分析

行駛中的車(chē)輛所受氣動(dòng)阻力的主要組成部分為壓差阻力，其中車(chē)身前端壓差阻力約占9%，車(chē)身尾部壓差阻力約占91%，且當(dāng)車(chē)身長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，該比值也會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生變化。根據(jù)氣動(dòng)阻力形成機(jī)理，渦流阻力約占?jí)翰钭枇?0%左右，它的大小主要取決于車(chē)輛尾部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)車(chē)輛成隊(duì)列行駛時(shí)，后車(chē)會(huì)進(jìn)入前車(chē)尾流區(qū)，相鄰車(chē)輛間的外流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生相互影響，尤其是不同造型車(chē)輛所產(chǎn)生的尾部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)存在較大差異，因此，會(huì)對(duì)隊(duì)列整體氣動(dòng)性能產(chǎn)生不同影響。

賀寶琴等人以階背式、快背式和直背式SAE模型為研究對(duì)象，探究了不同造型車(chē)輛氣動(dòng)性能隨車(chē)輛間距變化規(guī)律，三種車(chē)輛隊(duì)列平均減阻率DR與車(chē)輛間距和車(chē)輛長(zhǎng)度比值之間變化規(guī)律如圖6所示，其中，階背式轎車(chē)隊(duì)列平均減阻率約為30%，快背式轎車(chē)隊(duì)列平均減阻率約為17%，直背式轎車(chē)隊(duì)列平均減阻率約為24%。在一倍車(chē)長(zhǎng)間距內(nèi)，不同造型車(chē)輛平均減阻率均有較明顯改善，且階背式和直背式轎車(chē)整體減阻效果更佳，因此，針對(duì)不同造型車(chē)輛進(jìn)行隊(duì)列行駛控制策略制定時(shí)，需考慮不同造型對(duì)隊(duì)列整體氣動(dòng)性能的影響，以獲得整體最佳效果。

圖6 三種SAE造型車(chē)輛隊(duì)列減阻率隨車(chē)輛 間距變化關(guān)系圖[34]

此外，文中對(duì)階背式單車(chē)和隊(duì)列中任一車(chē)輛的尾流結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以揭示隊(duì)列行駛的減阻機(jī)理。如圖7和圖8所示，階背式轎車(chē)單車(chē)尾流中包括上下兩個(gè)反轉(zhuǎn)渦流且強(qiáng)度較大，當(dāng)車(chē)輛呈隊(duì)列行駛時(shí)，尾渦中上下兩個(gè)渦流和為一體且強(qiáng)度有所降低，因此，隊(duì)列中車(chē)輛的氣動(dòng)阻力系數(shù)一定程度的降低。

圖7 階背式轎車(chē)單車(chē)尾流結(jié)構(gòu)[34]

圖8 階背式轎車(chē)隊(duì)列行駛時(shí)車(chē)輛尾流結(jié)構(gòu)[34]

SCHITO等人以背部角度為0°和30°Ahmed模型為研究對(duì)象，所用幾何模型如圖9所示。研究發(fā)現(xiàn)背部角度0°Ahmed模型在以0.25倍車(chē)長(zhǎng)間距至6倍車(chē)長(zhǎng)間距隊(duì)列行駛時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)均有不同程度降低；背部角度30°Ahmed模型僅在車(chē)輛間距為0.5倍車(chē)長(zhǎng)內(nèi)略有降低，當(dāng)車(chē)輛間距大于0.5倍車(chē)長(zhǎng)，風(fēng)阻系數(shù)基本無(wú)降低，部分間距下風(fēng)阻系數(shù)甚至略有變化。為進(jìn)一步對(duì)產(chǎn)生以上結(jié)果的原因進(jìn)行研究，對(duì)背部角度0°和30°Ahmed模型的尾部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，背部角度0°Ahmed模型車(chē)輛尾渦較大，在隊(duì)列行駛時(shí)，車(chē)輛相互之間流場(chǎng)結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生積極影響，使整體的氣動(dòng)性能獲得優(yōu)化，背部角度30°Ahmed模型車(chē)輛尾渦較小，在隊(duì)列行駛時(shí)，車(chē)輛相互之間流場(chǎng)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致整體氣動(dòng)性能不能改善或產(chǎn)生惡化，因此，對(duì)于類(lèi)似0°Ahmed模型的商用車(chē)，其在進(jìn)行隊(duì)列行駛時(shí)，改善整體氣動(dòng)性能，進(jìn)而降低油耗。

圖9 Ahmed 幾何模型[35]

同樣，為了驗(yàn)證造型尾部結(jié)構(gòu)對(duì)隊(duì)列行駛時(shí)氣動(dòng)性能的影響，GEOFFREY等人以Windsor模型為研究對(duì)象，該模型幾何如圖10所示。研究所用三種模型的背部角度分別為0°、10°和25°，以模擬不同的尾部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)三種造型車(chē)輛不同排列組合形成的27種隊(duì)列進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，車(chē)輛造型及不同造型車(chē)輛所處位置均對(duì)隊(duì)列整體氣動(dòng)性能產(chǎn)生不同影響，受車(chē)輛尾部角度影響，隊(duì)列整體風(fēng)阻系數(shù)降低程度不同。其中，隊(duì)列整體降阻最佳組合為頭車(chē)背部0°模型、中間及尾部車(chē)為背部25°模型，各車(chē)及整體平均降阻分布如圖11所示，整體降阻效果最差組合為頭車(chē)背部25°模型，中間及尾車(chē)為背部0°模型，各車(chē)及整體平均降阻分布如圖12所示。此外，隊(duì)列中部分車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)與單車(chē)相比并未降低。

圖10 Windsor模型幾何模型[36]

圖11 Windsor模型最佳降阻組合隊(duì)列各車(chē)及 平均降阻分布圖[36]

通過(guò)以上研究可看出，當(dāng)不同造型車(chē)輛進(jìn)行隊(duì)列行駛時(shí)，造型對(duì)隊(duì)列的氣動(dòng)性能會(huì)產(chǎn)生不同的影響，為獲得整體最佳氣動(dòng)性能狀態(tài)，需采用不同的優(yōu)化控制策略對(duì)不同造型車(chē)輛位置分布等進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖12 Windsor模型最差降阻組合隊(duì)列各車(chē)及 平均降阻分布圖[36]

根據(jù)目前研究成果，自身風(fēng)阻較大車(chē)輛在隊(duì)列行駛時(shí)，整體風(fēng)阻性能會(huì)有不同程度改善，而自身風(fēng)阻系數(shù)較小車(chē)輛在隊(duì)列行駛時(shí)，整體風(fēng)阻性能會(huì)存在惡化風(fēng)險(xiǎn)。為進(jìn)一步研究低風(fēng)阻車(chē)輛隊(duì)列行駛時(shí)氣動(dòng)性能變化規(guī)律，GEOFFREY等人又以低風(fēng)阻“MSM”模型及基于“MSM”改造的多種不同造型模型組成的隊(duì)列進(jìn)行研究，圖13為模型造型，其中(a)為“MSM”模型，(b)—(d)為基于“MSM”調(diào)整后模型。

圖13 “MSM”及“MSM”調(diào)整模型幾何模型[37]

GEOFFREY等人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，自身風(fēng)阻系數(shù)較小的車(chē)輛成隊(duì)列行駛時(shí)，單車(chē)及整體氣動(dòng)性能容易惡化，如圖14所示，以4輛“MSM”模型組成的隊(duì)列，頭車(chē)及各跟隨車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)均有不同程度增大。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)中的煙流試驗(yàn)可看出，如圖15，對(duì)于該類(lèi)車(chē)型，其呈隊(duì)列行駛時(shí)，前車(chē)尾流直接作用于后車(chē)頭部區(qū)域，導(dǎo)致其正壓顯著增大，因此，整體風(fēng)阻系數(shù)增大。為改善隊(duì)列整體氣動(dòng)性能，需對(duì)不同位置處車(chē)輛造型進(jìn)行一定調(diào)整。

圖14 “MSM”隊(duì)列各車(chē)風(fēng)阻系數(shù)變化分布圖[37]

圖15 “MSM”模型風(fēng)洞煙流試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)多組隊(duì)列進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)最佳降阻組合隊(duì)列形式如圖16所示，其中頭車(chē)為b型“MSM”模型，中間三輛車(chē)為c型“MSM”模型，尾部車(chē) 輛為d型“MSM”模型。隊(duì)列中各車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)變化分布如圖17所示。該隊(duì)列中，通過(guò)對(duì)頭車(chē)尾部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改型，避免頭車(chē)尾流向下流動(dòng)直接沖擊跟隨車(chē)輛頭部，跟隨車(chē)輛頭部及尾部通過(guò)改型可引導(dǎo)氣流盡量緊貼隊(duì)列上方流動(dòng)，當(dāng)氣流流動(dòng)至隊(duì)列尾部，僅需要對(duì)車(chē)輛頭部進(jìn)行改型，尾部結(jié)構(gòu)對(duì)氣流進(jìn)行引導(dǎo)，防止其分離嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致整體風(fēng)阻系數(shù)增大。

圖16 基于“MSM”調(diào)整最佳隊(duì)列組合示意圖[37]

圖17 最佳降阻組合隊(duì)列各車(chē)風(fēng)阻系數(shù)變化分布圖[37]

以上成果為當(dāng)下車(chē)輛造型設(shè)計(jì)和隊(duì)列行駛技術(shù)研究提出了新的方向，如果低風(fēng)阻車(chē)輛以隊(duì)列形式行駛，整體風(fēng)阻性能容易有惡化趨勢(shì)，只有通過(guò)對(duì)跟隨車(chē)輛造型進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整才能保證車(chē)隊(duì)整體風(fēng)阻性能得到優(yōu)化，因此，為保證未來(lái)車(chē)輛進(jìn)行隊(duì)列行駛時(shí)空氣動(dòng)力學(xué)性能處于較優(yōu)狀態(tài)，車(chē)輛的設(shè)計(jì)必然需要考慮較多可主動(dòng)控制部件或一定的變形能力。

1.2 隊(duì)列結(jié)構(gòu)狀態(tài)影響規(guī)律分析

在智能交通環(huán)境下，為最大程度發(fā)揮隊(duì)列行駛模式的積極作用，不僅需要對(duì)單車(chē)自身狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，隊(duì)列結(jié)構(gòu)對(duì)整體氣動(dòng)性能的影響也具有顯著影響。隊(duì)列結(jié)構(gòu)狀態(tài)對(duì)整體氣動(dòng)性能的影響因素主要包括隊(duì)列中車(chē)輛數(shù)量、車(chē)輛間隔距離以及隊(duì)列形式，其中，隊(duì)列形式主要是指乘用車(chē)和商用車(chē)等不同車(chē)型在隊(duì)列前后及左右分布狀態(tài)。

1.2.1 車(chē)輛數(shù)量影響規(guī)律分析

圖18 隊(duì)列平均風(fēng)阻系數(shù)與車(chē)輛數(shù)目、 間距之間變化關(guān)系[38]

智能交通系統(tǒng)如何能夠根據(jù)道路通行車(chē)輛數(shù)目制定實(shí)時(shí)控制策略，對(duì)于實(shí)現(xiàn)隊(duì)列行駛模式下燃油經(jīng)濟(jì)性的提升具有重要影響。通過(guò)研究不同 車(chē)輛數(shù)目對(duì)隊(duì)列整體氣動(dòng)性能影響的變化規(guī)律，可為智能交通實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)提供理論支撐依據(jù)。ZABAT等人采用1/8轎車(chē)模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了等車(chē)速下兩車(chē)、三車(chē)和四車(chē)隊(duì)列行駛時(shí)風(fēng)阻系數(shù)與車(chē)輛數(shù)目之間的變化規(guī)律，如圖18所示，在相同車(chē)輛間距下，隨著車(chē)輛數(shù)目的增加，隊(duì)列平均風(fēng)阻系數(shù)可降低10%～35%。

傅立敏等人以階背式SAE模型為研究對(duì)象，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）技術(shù)手段研究了車(chē)輛數(shù)量對(duì)隊(duì)列氣動(dòng)性能影響的變化規(guī)律，如圖19所示，在固定車(chē)輛間距下，隨著車(chē)輛數(shù)目的增加，隊(duì)列平均風(fēng)阻系數(shù)可降低20%～30%，且隊(duì)列中間位置車(chē)輛的風(fēng)阻系數(shù)最低。受限于仿真或試驗(yàn)資源，現(xiàn)在尚未開(kāi)展數(shù)量較大的隊(duì)列行駛研究，根據(jù)目前研究成果可看出，當(dāng)隊(duì)列中車(chē)輛數(shù)量增加時(shí)，整體平均風(fēng)阻系數(shù)均有不同程度降低，當(dāng)車(chē)輛數(shù)目大于4輛時(shí)，整體風(fēng)阻系數(shù)變化趨勢(shì)不再顯著。隨著將來(lái)仿真計(jì)算能力的提升和智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，需要開(kāi)展車(chē)輛數(shù)目更為龐大的仿真計(jì)算或道路試驗(yàn)，為將來(lái)隊(duì)列行駛技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

圖19 隊(duì)列平均風(fēng)阻系數(shù)與車(chē)輛數(shù)目之間變化關(guān)系[39]

1.2.2 車(chē)輛間距影響規(guī)律分析

對(duì)于車(chē)輛隊(duì)列的空氣動(dòng)力學(xué)性能，當(dāng)后車(chē)進(jìn)入前車(chē)的尾流區(qū)域，兩車(chē)流場(chǎng)相互產(chǎn)生影響時(shí)， 隊(duì)列整體的氣動(dòng)性能才會(huì)發(fā)生改變。PATRICK等人用兩輛實(shí)車(chē)進(jìn)行道路試驗(yàn)，隊(duì)列平均風(fēng)阻系數(shù)隨車(chē)輛間距變化如圖20所示，隨著車(chē)輛間距的降低，隊(duì)列平均風(fēng)阻系數(shù)可降低15%～38%。

圖20 隊(duì)列平均風(fēng)阻系數(shù)隨車(chē)輛間距變化關(guān)系圖[40]

王靖宇等人以階背式MIRA模型為研究對(duì)象，通過(guò)CFD技術(shù)手段，研究了三車(chē)隊(duì)列等間距和非等間距對(duì)隊(duì)列整體空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響。在等間距工況下，風(fēng)阻系數(shù)隨車(chē)輛變化規(guī)律如圖21所示，隨著車(chē)輛間距的減小，隊(duì)列平均風(fēng)阻系數(shù)可降低0.015 1至0.032 8。在非等間距工況下，平均氣動(dòng)阻力仍有所降低，且后兩車(chē)距離的改變對(duì)中間位置車(chē)輛的影響較大。

圖21 隊(duì)列車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)隨車(chē)輛間距變化圖[41]

圖22和圖23分別為等間距和不等間距情況下，隊(duì)列行駛的三輛車(chē)車(chē)頭前部的壓力分布曲線(xiàn)，當(dāng)車(chē)輛相對(duì)位置不同時(shí)，三車(chē)壓力分布均相似，且后車(chē)與前車(chē)相比，其正壓區(qū)的壓力值有了一定程度的降低，從而使跟隨車(chē)輛受到的氣動(dòng)阻力降低。

圖22 等間距隊(duì)列各車(chē)頭前部壓力分布曲線(xiàn)[41]

基于目前已有研究成果，對(duì)于乘用車(chē)隊(duì)列，間距在0.5～2倍車(chē)長(zhǎng)以?xún)?nèi)，隊(duì)列平均風(fēng)阻系數(shù)可降低10%～20%。因此，在隊(duì)列行駛時(shí)，為保證整體具有良好的節(jié)油效果，在保證安全行駛的前提下，應(yīng)盡量縮小兩車(chē)跟隨距離。

圖23 不等間距隊(duì)列行駛時(shí)，各車(chē)頭前部壓力分布曲線(xiàn)[41]

對(duì)于商用車(chē)隊(duì)列，BROWAND等人在2000年—2004年對(duì)基于空氣動(dòng)力學(xué)性能的商用車(chē)隊(duì)列節(jié)油率變化規(guī)律進(jìn)行了大量探索，以?xún)绍?chē)隊(duì)列為研究對(duì)象，當(dāng)車(chē)輛間距為3 m～4 m時(shí)，隊(duì)列平均節(jié)油率約為11%，當(dāng)車(chē)輛間距為8 m～10 m時(shí)，隊(duì)列平均節(jié)油率約8%，其中當(dāng)車(chē)輛間距分別為4 m和10 m時(shí)，頭車(chē)及跟隨車(chē)節(jié)油率變化規(guī)律如圖24所示。

圖24 商用車(chē)兩車(chē)隊(duì)列頭車(chē)及尾車(chē)燃油消耗隨 車(chē)輛間距變化分布圖[42]

TSUGAWA等人在日本Energy ITS項(xiàng)目支持下也做了大量商用車(chē)隊(duì)列行駛研究，以三車(chē)隊(duì)列為例，空載狀態(tài)下隊(duì)列各車(chē)節(jié)油率隨車(chē)輛間距變化如圖25所示，當(dāng)車(chē)輛間距為10 m時(shí)，隊(duì)列平均節(jié)油率約為13%，而相同間距下，車(chē)輛正常裝載時(shí)，隊(duì)列平均節(jié)油率約為8%。

圖25 空載狀態(tài)下各車(chē)節(jié)油率隨車(chē)輛間距變化圖[43]

此外，由德國(guó)發(fā)起的CHAUFFEUR項(xiàng)目（1996—2004年）、KONVOI項(xiàng)目（2005—2009年）、美國(guó)PATH項(xiàng)目（1986年—）、日本Energy ITS 項(xiàng)目（2008年—）、加拿大發(fā)起的e TV項(xiàng)目（2013—2014年）等也分別開(kāi)展了商用車(chē)隊(duì)列行駛時(shí)，隊(duì)列燃油消耗隨車(chē)輛間距變化規(guī)律的研究。基于現(xiàn)有技術(shù)成果，商用車(chē)隊(duì)列行駛間距在8 m～10 m以?xún)?nèi)時(shí)，頭車(chē)節(jié)油率約為6%左右，跟隨車(chē)節(jié)油率約為14%左右，隊(duì)列的平均節(jié)油率大約為10%左右。

1.2.3 隊(duì)列形式影響規(guī)律分析

在未來(lái)智能交通環(huán)境下，車(chē)輛隊(duì)列的組成會(huì)包括多種形式，除單一的乘用車(chē)、商用車(chē)隊(duì)列，在實(shí)際道路行駛時(shí)，更多的是由不同類(lèi)型乘用車(chē)和商用車(chē)組成的混合車(chē)型隊(duì)列。與單一車(chē)型組成的隊(duì)列相比，商用車(chē)和乘用車(chē)組成的混合隊(duì)列其氣動(dòng)特性變化更加復(fù)雜，且需要耦合考慮的影響因素更多。

SCHITO等人以卡車(chē)、階背式轎車(chē)、緊湊型轎車(chē)和廂式貨車(chē)組成的三種不同隊(duì)列進(jìn)行研究，隊(duì)列形式如圖26所示，其中隊(duì)列(a)依次為卡車(chē)、緊湊型轎車(chē)、階背式轎車(chē)；隊(duì)列(b)依次為廂式貨車(chē)、緊湊型轎車(chē)、階背式轎車(chē)；隊(duì)列(c)依次為階背式轎車(chē)、緊湊型轎車(chē)、廂式貨車(chē)。當(dāng)車(chē)輛間距為0.5 m時(shí)，各隊(duì)列車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)變化如圖27所示，當(dāng)隊(duì)列頭車(chē)為正投影面積較大車(chē)輛時(shí)，跟隨車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)降低幅度較大，當(dāng)隊(duì)列頭車(chē)為正投影面積較小車(chē)輛時(shí)，跟隨車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)降低幅度相對(duì)較小。

圖26 不同隊(duì)列形式組合示意圖[35]

圖27 不同隊(duì)列形式各車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)變化分布圖[35]

DAVILA等人以前兩車(chē)為商用車(chē)和后跟隨車(chē)為三輛乘用車(chē)組成的隊(duì)列為研究對(duì)象，探究了隊(duì)列各車(chē)節(jié)油率隨車(chē)輛間距的變化規(guī)律，如圖28所示，在5 m～15 m間距內(nèi)，不同位置車(chē)輛的節(jié)油率均有不同程度的提升，且第四輛和第五輛車(chē)節(jié)油率變化規(guī)律較為相似。

圖28 隊(duì)列中不同位置車(chē)輛節(jié)油率隨車(chē)輛間距變化圖[49]

MCAULIFFE等人以重型、中型商用車(chē)、轎車(chē)以及SUV組成的單車(chē)道和雙車(chē)道不同隊(duì)列形式進(jìn)行研究，各類(lèi)型車(chē)輛比例模型如圖29所示，同時(shí)探究了不同隊(duì)列形式下重型商用車(chē)氣動(dòng)套件（包括貨箱側(cè)裙板和尾部導(dǎo)流板）的減阻效果變 化規(guī)律，套件結(jié)構(gòu)如圖30所示。在不同的隊(duì)列形式下，重商商用車(chē)風(fēng)阻系數(shù)能降低1%～16%，且氣動(dòng)套件最大能產(chǎn)生20%的降阻效果。

圖29 各類(lèi)型車(chē)輛比例模型幾何示意圖[50]

圖30 重型商用車(chē)氣動(dòng)套件結(jié)構(gòu)示意圖[50]

谷正氣等人采用CFD技術(shù)手段，對(duì)轎車(chē)尾隨集裝箱貨車(chē)過(guò)程的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)隨著兩車(chē)間距的減小，轎車(chē)風(fēng)阻系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，如圖31所示，其中車(chē)輛間距為轎車(chē)長(zhǎng)的整數(shù)倍距離，為轎車(chē)單車(chē)風(fēng)阻系數(shù)，為轎車(chē)尾隨貨車(chē)時(shí)的風(fēng)阻系數(shù)，當(dāng)兩車(chē)間距為兩倍轎車(chē)長(zhǎng)時(shí)，轎車(chē)風(fēng)阻系數(shù)可降低25%左右，節(jié)油率約為13.7%。因此，對(duì)于轎車(chē)跟隨貨車(chē)工況，需選擇合適的車(chē)輛間距作為跟隨距離以獲得良好的節(jié)油效果。

圖31 轎車(chē)尾隨貨車(chē)行駛時(shí)，車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)隨間距變化圖[51]

對(duì)于未來(lái)智能交通環(huán)境下隊(duì)列行駛工況，從空氣動(dòng)力學(xué)性能改善方向考慮，要綜合考慮不同類(lèi)型車(chē)輛需以不同的隊(duì)列形式行駛，以保證隊(duì)列整體的氣動(dòng)性能獲得改善。

2 隊(duì)列行駛外部影響因素研究進(jìn)展

車(chē)輛隊(duì)列行駛時(shí)，周?chē)h(huán)境也會(huì)實(shí)時(shí)對(duì)其氣動(dòng)性能產(chǎn)生重大影響。環(huán)境對(duì)車(chē)輛隊(duì)列行駛的影響主要來(lái)源于自然環(huán)境和道路環(huán)境。其中自然環(huán)境影響主要為自然狀態(tài)下，由于空氣流動(dòng)所形成的風(fēng)對(duì)車(chē)輛氣動(dòng)性能所產(chǎn)生的影響。自然風(fēng)的流動(dòng)方向及湍流狀態(tài)均具有強(qiáng)烈的非定常性，對(duì)車(chē)輛產(chǎn)生的影響也具有較大的不確定性。道路環(huán)境的影響主要為自然風(fēng)在遇到障礙物時(shí)，其風(fēng)向、大小等產(chǎn)生變化后，對(duì)車(chē)輛氣動(dòng)性能所產(chǎn)生的影響，上述障礙物包括自然環(huán)境中的山體、丘陵、人工環(huán)境中的隧道、橋梁、隔離帶、高層建筑物以及突然發(fā)生的超車(chē)會(huì)車(chē)等。車(chē)輛在受到以上環(huán)境因素影響時(shí)，很容易發(fā)生側(cè)滑、橫擺、甚至側(cè)翻等失穩(wěn)現(xiàn)象，進(jìn)而影響到車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性及行車(chē)安全。

2.1 自然環(huán)境影響因素分析

自然環(huán)境產(chǎn)生的氣流具有強(qiáng)烈的非定常性，通常采用風(fēng)譜特征對(duì)其進(jìn)行描述，而風(fēng)譜特征的獲得則需借助統(tǒng)計(jì)學(xué)。因此，自然環(huán)境對(duì)車(chē)輛氣動(dòng)性能影響的研究難度較大，通常需要做一定的假設(shè)或簡(jiǎn)化。

隗海林等人以CFD技術(shù)手段，研究了車(chē)輛間距和側(cè)風(fēng)來(lái)流角度對(duì)隊(duì)列風(fēng)阻系數(shù)和節(jié)油率變化的規(guī)律，在0°～20°來(lái)流角度范圍內(nèi)，頭車(chē)和跟隨車(chē)節(jié)油率隨來(lái)流角度變化規(guī)律如圖32所示，通過(guò)研究表明前車(chē)節(jié)油率受側(cè)風(fēng)影響較小，而后車(chē)節(jié)油率受側(cè)風(fēng)影響較大，當(dāng)側(cè)風(fēng)來(lái)流角度為20°時(shí)，與無(wú)側(cè)風(fēng)相比，后車(chē)節(jié)油率降低15.55%，為更直接明了的對(duì)車(chē)輛間距、側(cè)向風(fēng)和風(fēng)阻系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明，文中繪制了三者之間關(guān)系的三維圖，如圖33所示，間距較小時(shí)，前車(chē)對(duì)側(cè)風(fēng)敏感性較高，隨著來(lái)流角度和車(chē)距的增大，風(fēng)阻系數(shù)變化不再顯著，但整體仍較高，后車(chē)對(duì)來(lái)流角度和車(chē)距的敏感性均較高，因此，在有側(cè)風(fēng)工況下進(jìn)行隊(duì)列行駛時(shí)，需多關(guān)注跟隨車(chē)輛行駛狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整車(chē)速、車(chē)輛間距等，以提升跟隨車(chē)輛節(jié)油率。

圖32 隊(duì)列中頭車(chē)和跟隨車(chē)節(jié)油率隨來(lái)流角度變化圖[57]

圖33 兩車(chē)間距、來(lái)流角度及相對(duì)風(fēng)阻系數(shù)關(guān)系圖[57]

VEGENDLA等人對(duì)兩車(chē)在同車(chē)道跟隨行駛及相鄰兩車(chē)道跟隨行駛時(shí)側(cè)風(fēng)對(duì)隊(duì)列氣動(dòng)性能的影響進(jìn)行研究，車(chē)輛相對(duì)位置如圖34所示。通過(guò)對(duì)橫擺角0°和±6°下前后車(chē)輛的節(jié)油率進(jìn)行平均，可得出頭車(chē)和跟隨車(chē)輛平均節(jié)油率隨車(chē)輛間距變化，如圖35和圖36所示。

圖34 車(chē)輛相對(duì)位置示意圖[58]

圖35 頭車(chē)不同偏航角下平均節(jié)油率隨車(chē)輛間距變化圖[58]

圖36 尾車(chē)不同偏航角下平均節(jié)油率隨車(chē)輛間距變化圖[58]

根據(jù)圖35和圖36所示，同車(chē)道跟隨行駛對(duì)于頭車(chē)和跟隨車(chē)平均節(jié)油率均有一定提升，但隨著車(chē)輛間距的增大，平均節(jié)油率均有不同程度降低，這與無(wú)橫擺角時(shí)節(jié)油率變化規(guī)律一致，相鄰車(chē)道跟隨行駛時(shí)，各車(chē)平均節(jié)油率均大幅下降，但隨著車(chē)輛間距增大，跟隨車(chē)輛節(jié)油率則會(huì)產(chǎn)生小幅度提升，此外，通過(guò)對(duì)車(chē)輛相鄰車(chē)道跟隨行駛時(shí)外流場(chǎng)進(jìn)行分析，當(dāng)車(chē)輛產(chǎn)生橫擺時(shí)，兩車(chē)流場(chǎng)相互影響顯著，尤其當(dāng)橫擺角為6°時(shí)，前車(chē)氣流分離對(duì)后車(chē)影響較大，導(dǎo)致整體風(fēng)阻系數(shù)增大。因此，在側(cè)風(fēng)工況下行駛時(shí)，相鄰車(chē)道車(chē)輛應(yīng)盡量保證較大車(chē)輛間距，這對(duì)提升行車(chē)安全和節(jié)油效果會(huì)產(chǎn)生不同程度影響影響。

GHEYSSENS借助CFD的手段對(duì)GETS模型進(jìn)行研究，模型如圖37所示，探究了側(cè)風(fēng)工況對(duì)不同車(chē)頭圓角半徑下隊(duì)列氣動(dòng)性能的影響。

圖37 GETS模型示意圖[59]

如圖38和圖39所示，在不同車(chē)頭圓角半徑下，側(cè)風(fēng)對(duì)隊(duì)列中各車(chē)氣動(dòng)性能影響不同，側(cè)風(fēng)對(duì)大車(chē)頭圓角半徑中間車(chē)輛影響較小，對(duì)頭車(chē)和尾部車(chē)輛影響較大。對(duì)于小車(chē)頭圓角半徑車(chē)輛，側(cè)風(fēng)對(duì)隊(duì)列中不同位置車(chē)輛影響均較大。因此，為提升隊(duì)列車(chē)輛側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)車(chē)輛造型時(shí)，可考慮適當(dāng)增大車(chē)頭迎風(fēng)部位圓角半徑。

圖38 R=0.135 m時(shí)隊(duì)列各車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)隨 橫擺角變化圖[59]

圖39 R=0.27 m時(shí)隊(duì)列各車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)隨橫擺角變化圖[59]

然而，自然環(huán)境中風(fēng)的流向和大小均是實(shí)時(shí)進(jìn)行變化的，對(duì)隊(duì)列車(chē)輛產(chǎn)生的影響也是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程。目前受限于計(jì)算機(jī)硬件及軟件技術(shù)限制，研究多針對(duì)單車(chē)工況，對(duì)車(chē)輛在受到瞬態(tài)側(cè)風(fēng)時(shí)的氣動(dòng)特性和車(chē)輛動(dòng)力特性進(jìn)行耦合計(jì)算，得出瞬態(tài)側(cè)風(fēng)作用下，風(fēng)與車(chē)輛之間實(shí)時(shí)的相互作用以及產(chǎn)生的影響，隨著未來(lái)計(jì)算技術(shù)及風(fēng)洞測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)運(yùn)用大規(guī)模計(jì)算資源，獲得瞬態(tài)側(cè)風(fēng)對(duì)隊(duì)列氣動(dòng)性能動(dòng)態(tài)影響的變化規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際道路環(huán)境下，隊(duì)列如何對(duì)環(huán)境風(fēng)進(jìn)行感知并作出相應(yīng)相應(yīng)具有重要意義。

2.2 道路環(huán)境影響因素分析

車(chē)輛在道路行駛時(shí)，除受到自然風(fēng)的直接影響，當(dāng)其遇到障礙物時(shí)，其風(fēng)向和大小均會(huì)產(chǎn)生不確定的變化，當(dāng)其作用在車(chē)上時(shí)，對(duì)車(chē)輛的氣動(dòng)性能又會(huì)產(chǎn)生不同的影響。對(duì)于復(fù)雜道路環(huán)境下車(chē)輛的空氣動(dòng)力學(xué)性能研究起步較晚，研究?jī)?nèi)容主要集中在橋梁、隧道以及高層建筑等建筑物對(duì)車(chē)輛的氣動(dòng)性能影響和超車(chē)、會(huì)車(chē)對(duì)車(chē)輛的氣動(dòng)性能影響。

李莉等人對(duì)廂式貨車(chē)在兩車(chē)并列、尾隨進(jìn)入隧道過(guò)程等多種情況下的瞬態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行研究，如圖40和41所示當(dāng)兩車(chē)并列行駛時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)均有增大，尾隨行駛時(shí)，前車(chē)和后車(chē)的風(fēng)阻系數(shù)則均有不同程度降低側(cè)向力系數(shù)則在小范圍內(nèi)振蕩變化。

圖40 車(chē)輛不同相對(duì)位置行駛時(shí)各車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)分布圖[68]

圖41 車(chē)輛不同相對(duì)位置行駛時(shí)各車(chē)輛 側(cè)向力系數(shù)分布圖[68]

當(dāng)兩車(chē)并列行駛至隧道口及進(jìn)入隧道過(guò)程中，兩車(chē)風(fēng)阻系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)均發(fā)生劇烈變化，兩車(chē)并列行駛時(shí)，前方正壓區(qū)域增大，后部尾流相互干擾，導(dǎo)致整體風(fēng)阻系數(shù)增大，當(dāng)兩車(chē)尾隨行駛通過(guò)隧道時(shí)，前車(chē)尾流對(duì)后車(chē)車(chē)頭正壓區(qū)域產(chǎn)生作用，使后車(chē)正壓區(qū)壓力減小，后車(chē)風(fēng)阻系數(shù)產(chǎn)生一定程度降低，因此，對(duì)于多車(chē)進(jìn)出隧道時(shí)，應(yīng)盡量避免兩車(chē)并列行駛工況，采用隊(duì)列尾隨形式通過(guò)隧道并保持適宜車(chē)輛間距，這對(duì)于提高整體氣動(dòng)性能和行車(chē)安全均均有重要意義。

AHMED等人通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)兩車(chē)并列行駛和超車(chē)過(guò)程中的氣動(dòng)力變化進(jìn)行研究，在兩車(chē)并列行駛及超車(chē)過(guò)程中，車(chē)輛周?chē)鲌?chǎng)的變化會(huì)導(dǎo)致兩車(chē)產(chǎn)生一定的側(cè)向滑移趨勢(shì)，整個(gè)過(guò)程中兩車(chē)所受側(cè)向力及橫擺力矩均會(huì)產(chǎn)生一定變化，因此，為保證車(chē)輛的行駛安全，需保持一定的橫向及超車(chē)間距。

TSUEI等人對(duì)單車(chē)超車(chē)4車(chē)隊(duì)列過(guò)程中的氣動(dòng)性能變化進(jìn)行研究，超車(chē)車(chē)輛與隊(duì)列相對(duì)位置如圖42所示，研究發(fā)現(xiàn)超車(chē)車(chē)輛與隊(duì)列之間橫向間距、相對(duì)速度及車(chē)輛造型均對(duì)兩者之間的氣動(dòng)性能有顯著影響，在單車(chē)超過(guò)隊(duì)列行駛過(guò)程中，隊(duì)列中各車(chē)風(fēng)阻系數(shù)均有顯著增大，且側(cè)向力方向不斷發(fā)生變化。當(dāng)單車(chē)與隊(duì)列之間相對(duì)速度減小時(shí)，隊(duì)列中各車(chē)所受氣動(dòng)力均有所增大。因此，從空氣動(dòng)力學(xué)的角度研究車(chē)輛隊(duì)列行駛技術(shù)不僅對(duì)提高燃油經(jīng)濟(jì)性有著重大意義，對(duì)研究其操穩(wěn)性和安全性也能夠提供重要參考。

圖42 單車(chē)經(jīng)過(guò)四車(chē)隊(duì)列相對(duì)位置示意圖[70]

通過(guò)眾多研究結(jié)果研表明受道路環(huán)境影響形成的瞬態(tài)風(fēng)對(duì)車(chē)身所受氣動(dòng)力和力矩會(huì)產(chǎn)生顯著影響，這主要是由于瞬態(tài)風(fēng)速度梯度變化較大，對(duì)于行駛中的車(chē)輛而言，其作用變化也非常明顯，進(jìn)而導(dǎo)致車(chē)輛在行駛過(guò)程中出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。由于環(huán)境對(duì)車(chē)的影響較為復(fù)雜，目前研究成果主要集中在單車(chē)或兩車(chē)方面，因此，在不同環(huán)境下進(jìn)行隊(duì)列行駛時(shí)，隊(duì)列-環(huán)境-風(fēng)之間的動(dòng)態(tài)耦合計(jì)算以及對(duì)相互之間動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的判斷也將會(huì)是隊(duì)列行駛技術(shù)的研究重點(diǎn)。

3 發(fā)展趨勢(shì)與展望

縱觀國(guó)內(nèi)外基于空氣動(dòng)力學(xué)性能的車(chē)輛隊(duì)列行駛技術(shù)研究成果，車(chē)輛隊(duì)列行駛時(shí)，車(chē)與車(chē)之間以及車(chē)與環(huán)境之間的相互作用均對(duì)其整體的氣動(dòng)性能有著顯著影響。合理的隊(duì)列行駛規(guī)劃不僅能有效提高車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，對(duì)其操縱穩(wěn)定性和安全性的提升也具有顯著影響。然而，隊(duì)列行駛技術(shù)的工程化應(yīng)用仍舊面臨巨大的挑戰(zhàn)，本文針對(duì)車(chē)與車(chē)之間影響和環(huán)境與車(chē)之間影響兩個(gè)方面存在的難題提出以下解決途徑。

3.1 隊(duì)列內(nèi)部因素研究展望

根據(jù)前人研究結(jié)果，車(chē)輛隊(duì)列行駛時(shí)，車(chē)與車(chē)之間的影響因素繁多，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在較多困難，可總結(jié)為以下兩點(diǎn)：第一，待輸入影響因素繁多，包括隊(duì)列中車(chē)輛數(shù)目、間距、速度、造型、相對(duì)位置等；第二，預(yù)測(cè)困難，即如何對(duì)大量信息進(jìn)行融合與規(guī)劃響應(yīng)。針對(duì)以上問(wèn)題，目前還沒(méi)有較好的解決方案。然而從仿生學(xué)角度來(lái)看，車(chē)輛隊(duì)列行駛時(shí)車(chē)輛布局與自然界中某些自然群體行為（如鳥(niǎo)類(lèi)遷徙、螞蟻覓食以及魚(yú)群洄游等）有著極高的相似度，這些自然群體規(guī)模不定，然而其群體行為卻具有較強(qiáng)的靈活性、并行性以及穩(wěn)定性，這主要是依靠個(gè)體根據(jù)收集的信息對(duì)自身行為進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)群體的智能化行為。因此，群智能作為新興的研究領(lǐng)域已應(yīng)用于諸多學(xué)科，群智能算法具有參數(shù)少、運(yùn)算速度快、全局搜索能力強(qiáng)等若干優(yōu)勢(shì)。隊(duì)列行駛技術(shù)為包含多變量的非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題，通過(guò)引入群智能算法對(duì)車(chē)輛隊(duì)列行駛進(jìn)行建模以及參數(shù)和編碼方式的設(shè)計(jì)，以此獲得最優(yōu)隊(duì)列行駛參數(shù)。群智能算法為解決這類(lèi)高維多目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題提供了新的解決途徑。

3.2 隊(duì)列外部因素研究展望

車(chē)輛在實(shí)際行駛時(shí)，所處環(huán)境通常是復(fù)雜而多變的，對(duì)環(huán)境信息的感知情況將直接對(duì)其自身行駛狀態(tài)的判斷產(chǎn)生影響。目前車(chē)輛對(duì)環(huán)境的感知主要依靠雷達(dá)、攝像頭、多傳感器融合以及基于深度學(xué)習(xí)的圖像特征提取等手段，然而以上感知技術(shù)只能對(duì)障礙物、行人車(chē)輛、交通標(biāo)志等信息進(jìn)行識(shí)別與判斷，無(wú)法對(duì)氣體的流動(dòng)狀態(tài)以及其對(duì)車(chē)輛的作用狀況進(jìn)行感知和預(yù)測(cè)。而前人研究成果表明車(chē)輛周?chē)鷼饬鳡顟B(tài)的感知和氣動(dòng)力對(duì)車(chē)輛產(chǎn)生作用效果的判斷對(duì)其氣動(dòng)性能的提升有著重要作用。但是，車(chē)身周?chē)鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)具有較為復(fù)雜的特征，且隨著環(huán)境的變化而實(shí)時(shí)變化，無(wú)法通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行表征，因此在對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確感知方面，目前存在較大的技術(shù)難度。然而，在自然界中，許多動(dòng)物擁有人類(lèi)所不具備的流場(chǎng)感知能力，其通過(guò)對(duì)流場(chǎng)信息的感知，可實(shí)現(xiàn)獵物的識(shí)別定位和追蹤、在全黑暗環(huán)境下形成周?chē)鲌?chǎng)水動(dòng)力學(xué)圖像以及在非穩(wěn)定環(huán)境下，出色地完成飛行或游動(dòng)等行為。車(chē)輛在道路上行駛時(shí)，周?chē)菍?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的流場(chǎng)，因此，從感知周?chē)鲌?chǎng)信息入手，通過(guò)研究對(duì)流體流動(dòng)的感知方法，獲得實(shí)時(shí)環(huán)境信息后對(duì)車(chē)輛隊(duì)列進(jìn)行調(diào)整，使其能更好地適應(yīng)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛隊(duì)列的空氣動(dòng)力學(xué)性能最優(yōu)狀態(tài)。

4 結(jié)論

隨著測(cè)量技術(shù)、控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)等技術(shù)的快速發(fā)展，基于空氣動(dòng)力學(xué)性能的車(chē)輛隊(duì)列行駛研究經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單試驗(yàn)結(jié)果的闡述到流體流動(dòng)機(jī)理的剖析，研究?jī)?nèi)容涵蓋了車(chē)與車(chē)和環(huán)境與車(chē)之間的各類(lèi)影響因素，并得到相應(yīng)的變化規(guī)律，為將來(lái)隊(duì)列行駛技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了一定的理論研究基礎(chǔ)。然而實(shí)際道路環(huán)境是復(fù)雜而多變的，前人的研究均進(jìn)行了一定假設(shè)和理想化條件的設(shè)置，因此，接近道路真實(shí)工況的車(chē)輛隊(duì)列行駛研究將會(huì)時(shí)未來(lái)的研究熱點(diǎn)，本文從仿生學(xué)的角度，提出了研究車(chē)與車(chē)和環(huán)境與車(chē)之間影響因素可采取的研究思路，為后續(xù)基于空氣動(dòng)力學(xué)性能的車(chē)輛隊(duì)列行駛研究提供參考。