基于公路環(huán)境的停車視距模型分析.doc

基于公路環(huán)境的停車視距模型分析 陳瑤CHENYao；郭鳳香GUOFeng-xiang （昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院，昆明650500） （FacultyofTransportationEngineering，KunmingUniversityofScienceandTechnology，Kunming650500，China） 摘要：針對公路環(huán)境對駕駛員反應(yīng)時間的影響，對停車視距模型進(jìn)行了分析。從運(yùn)動學(xué)原理出發(fā)，將停車制動過程分為駕駛員反應(yīng)階段、制動間隙消除階段、制動力上升階段和全制動階段，推導(dǎo)了公路環(huán)境影響下的反應(yīng)距離，得出基于公路環(huán)境的停車視距模型，并與現(xiàn)有模型進(jìn)行比較。分析結(jié)果可為公路環(huán)境的改善和交通安全的管理提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。 Abstract:Effectsofhighwayenvironmentondriversreactiontimewastakenintoconsiderationtoanalysestoppingsightdistancemodel.Basedonprincipalsofkinematics,thevehiclebrakeprocesscanbedividedintobraking-reactiontimestep,brakeeliminatingclearancetime,brakeforceclimbingtimeandfullbrakingtimestep,andthebrakereactiondistanceaffecttedbyhighwayenvironmentwasdeduced,andthestoppingsightdistancemodelofhighwayenvironmentwasbuiltconsideringeffectsofhighwayenvironmentondriversreactiontime.Themodelwasusedtoparewiththepreviouslyreportedmodels.Theresultsprovidedtheoreticalguidanceandpracticalinstructionstoimprovementofhighwayenvironmentandmanagementoftransportsafety. 關(guān)鍵詞：交通安全；停車視距；公路環(huán)境；模型分析 Keywords:trafficsafety；stoppingsightdistance；highwayenvironment；modelanalysis ：U491.2：A：1006-4311（xx）34-0096-03 基金項目：云南省科技計劃項目（編號：xxFB030）。 作者簡介：陳瑤（1989-），女，云南曲靖人，碩士研究生，研究方向為道路交通安全與系統(tǒng)仿真；郭鳳香（通訊作者）（1979-），女，黑龍江海林人，博士生，副教授，研究方向為道路交通安全與仿真。 0引言 停車視距是指駕駛員發(fā)現(xiàn)道路前方的障礙物開始采取制動措施到車輛安全停止所需的距離，包括反應(yīng)距離和制動距離1，是評價道路使用質(zhì)量的重要指標(biāo)。 在直接影響停車視距的所有因素中，駕駛員的反應(yīng)時間是主要因素2，公路環(huán)境通過影響駕駛員的反應(yīng)時間間接地影響停車視距。駕駛員能正確感知瞬息萬變的道路環(huán)境信息，并及時、有效地采取應(yīng)變措施，是預(yù)防交通事故的關(guān)鍵3。實(shí)驗證明，在緊急情況下，立即剎車需要的時間中，一半時間屬于反應(yīng)時間，另一半時間是制動時間，對車速為30km/h的汽車，如果反應(yīng)時間延長0.1s，停車視距就會增加約1m，這極有可能會造成交通事故4。 反應(yīng)時間是機(jī)體通過視覺接受外界信息而做出反應(yīng)動作的時距，包含了感知、判斷和操縱整個過程5。在一些緊急情況下，如閃光燈型號指示時，這個過程幾乎在瞬時完成。而在一般情況下，由于這個過程中存在人的判斷行為，所以比較復(fù)雜。 外因通過內(nèi)因起作用，內(nèi)因受外因的影響，公路環(huán)境作為外在因素，直接或間接地影響駕駛員的反應(yīng)時間。駕駛員在駕駛過程中通過視覺獲得大約90%的信息6，在靜止時和運(yùn)動時的視覺特性有較大差異，獲得的視覺感受不同。駕駛員視野的深度、寬度和視野范圍內(nèi)的畫面都在隨著車輛的運(yùn)動不斷變換，需要根據(jù)視野的內(nèi)容操縱車輛，不同的外界刺激具有不同的反應(yīng)時間，因此，在駕駛員視野范圍內(nèi)的不同公路環(huán)境所形成的動態(tài)刺激，對反應(yīng)時間的影響不同7-8。文獻(xiàn)9測試了高速公路路側(cè)植物的色相變化、種植的起始位置、背景植物的種植面積比例和種類數(shù)量的改變對駕駛員反應(yīng)時間的影響。有研究表明，在復(fù)雜的環(huán)境下需要更多的反應(yīng)時間，好讓駕駛員有足夠的時間去發(fā)現(xiàn)和識別道路交通狀況，重新選擇操縱方式，以及在道路危險處啟動運(yùn)行反應(yīng)，美國在這種條件下采用的反應(yīng)時間為3.0-9.1s6。 目前，國內(nèi)外對于停車視距的研究，主要是改進(jìn)制動距離公式，缺少對駕駛員反應(yīng)距離的修正的相關(guān)研究，尤其是基于公路環(huán)境對停車視距的影響研究還未見報道。DELAGUE等10研究了輪胎和制動器懸架等因素影響下的停車制動距離。BOGDEVICIIUS等11考慮了車輛制動系統(tǒng)、輪胎質(zhì)量及道路表面特性對制動性能的影響，從制動力學(xué)的角度分析不同粗糙度和車速對制動距離的影響。袁浩12從運(yùn)動學(xué)原理出發(fā)，對停車制動過程進(jìn)行分析，并提出新的停車視距模型。姜虹，李峰13等考慮了不良天氣對公路路面附著系數(shù)和能見度的影響，提出一種適用于不同路面條件的停車視距模型。劉建鎖等14分析了高速公路小半徑圓曲線對停車視距的影響，計算出滿足停車視距要求的最小圓曲線半徑。 本文考慮了公路環(huán)境對駕駛員的反應(yīng)時間的影響，從運(yùn)動學(xué)原理出發(fā)，分析了對汽車的制動過程，并基于公路環(huán)境對停車視距模型進(jìn)行了分析及修正。 1停車視距模型分析 1.1汽車停車制動過程分析 汽車在緊急制動時，以一定的制動減速度，從初始速度逐漸減小為零。如圖1所示，整個停車制動過程的運(yùn)行時間包括駕駛員反應(yīng)時間、車輛間隙消除時間、車輛制動力上升時間和車輛全制動時間。駕駛員反應(yīng)時間是從駕駛員意識到道路前方存在障礙物需要剎車的瞬時起到實(shí)際采取制動的瞬時止所經(jīng)過的時間t1，包括駕駛員發(fā)現(xiàn)、識別危險物并做出制動決定的時間以及將腳從加速踏板向制動踏板移動的時間。車輛間隙消除時間是駕駛員從踩下制動踏板到汽車開始產(chǎn)生制動力使車輛減速的時間t2；車輛制動時間包括車輛開始產(chǎn)生制動力到制動力最大的時間t3和車輛以最大制動力行駛到車輛停止的時間t4。根據(jù)文獻(xiàn)15將制動力上升階段的減速度變化簡化為線性變化，t4時間內(nèi)的減速度達(dá)到最大值，并保持不變。為方便計算，將車輛間隙消除時間和駕駛員反應(yīng)時間合并為反應(yīng)時間。 1.2停車視距模型分析 1.2.1指南的停車視距模型 傳統(tǒng)停車視距模型是我國公路項目安全性評價指南中關(guān)于停車視距的計算公式，從力學(xué)的角度出發(fā)，將汽車的停車制動過程分為兩個階段，即制動反應(yīng)階段和制動階段，制動階段的制動力恒定，沒有考慮制動力上升過程，停車視距計算公式如下16： 式中：Sc為小汽車停車視距（m）；v85為運(yùn)行速度的計算值（km/h）；t為反應(yīng)時間，取2.5s；g為重力加速度，取9.8m/s2；f為縱向摩阻系數(shù)，依運(yùn)行速度和路面狀況而定，其取值如表1所示。 1.2.2改進(jìn)的停車視距模型 指南中的停車視距模型對于制動過程的考慮較簡單，與實(shí)際制動過程差別大。袁浩15等從運(yùn)動學(xué)原理出發(fā)，用制動減速度綜合考察汽車制動的復(fù)雜過程，將制動過程分為制動反應(yīng)階段、制動力上升階段和全制動階段，并把制動力上升過程的制動減速度變化簡化為線性變化，全制動過程中制動減速度達(dá)到最大值并保持不變，推導(dǎo)了在制動力上升階段和全制動階段的制動距離，進(jìn)而對停車視距的制動模型進(jìn)行了改進(jìn)。其修正后的停車視距模型為： 1.2.3基于公路環(huán)境的停車視距模型 由于指南和改進(jìn)的停車視距模型，只是對制動距離修正，沒有考慮不同的公路環(huán)境對駕駛員反應(yīng)時間的影響。本文從運(yùn)動學(xué)出發(fā)，將停車視距分為駕駛員反應(yīng)距離、車輛間隙消除距離、車輛制動力上升距離和全制動距離，并考慮了公路環(huán)境對駕駛員反應(yīng)時間的影響，進(jìn)而對反應(yīng)距離進(jìn)行修正，得到基于公路環(huán)境的停車視距模型。 駕駛員反應(yīng)距離。 駕駛員的反應(yīng)距離S1是當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)前方障礙物，經(jīng)過判斷決策到采取制動措施的一瞬間車輛所行駛的距離。這一過程駕駛員的反應(yīng)時間由感知時間、判斷決策時間和操縱反應(yīng)時間組成。不同的感覺器官和不同的刺激都具有不同的反應(yīng)時間，反應(yīng)時間與外界的刺激性質(zhì)有關(guān)，與公路環(huán)境直接相關(guān)的是視覺反應(yīng)。 在駕駛員反應(yīng)過程中車輛的制動器還沒有工作，因此，運(yùn)行速度保持不變，故駕駛員反應(yīng)距離由初速度v0和駕駛員反應(yīng)時間t1決定，其計算公式為： S1=v0t1（3） 現(xiàn)有停車視距計算中，駕駛員的反應(yīng)時間沒考慮到周圍的公路環(huán)境的影響，是從發(fā)現(xiàn)障礙物到采取制動措施的時間，取值為2.5s。但是，駕駛員反應(yīng)時間t1受不同公路環(huán)境的影響而不同，由文獻(xiàn)9可知，路側(cè)植物的不同顏色、種類、種植位置和面積比例對駕駛員反應(yīng)時間的影響值t如表2所示，t的取值范圍為0.17s-0.43s。 車輛間隙消除距離。 車輛間隙距離S2是汽車在車輛間隙消除時間t2行駛的距離，由初速度v0和車輛間隙消除時間決定，由于此過程車輛的制動器還沒有工作，因此，運(yùn)行速度仍保持不變。t2取值為0.05s13，一般將其與駕駛員反應(yīng)時間合并為反應(yīng)時間，車輛間隙距離計算公式為： 車輛制動力上升距離。 車輛制動力上升距離S3是汽車在制動力上升時間t3內(nèi)行駛的距離，制動力減速度為線性變化，制動力上升距離計算公式為： 車輛全制動距離。 車輛全制動距離S4是車輛在全制動時間t4行駛的距離，制動減速度為定值，且為最大制動減速，全制動距離計算公式為： 式中：S為停車視距（m）；t為基本反應(yīng)時間，取2.5s；t為不同公路環(huán)境對駕駛員反應(yīng)時間的影響值，變化范圍為0.17s-0.43s；t3為制動力上升的時間，取0.6s8；amax為最大制動減速度（m/s2），amax=gf；V為制動初速度，即運(yùn)行速度（km/h）。 2停車視距計算結(jié)果分析 根據(jù)式（1）、式（2）、式（8），計算各運(yùn)行速度下的停車視距，結(jié)果如圖2所示。其中規(guī)定值按公路項目安全性評價指南，式（1）計算所得，改進(jìn)值按改進(jìn)的停車視距模型，式（2）計算所得，修正值是按基于公路環(huán)境的停車視距模型公式，式（8）計算所得。 從圖2中可以看出，同一公路環(huán)境下，在低速區(qū)域，車速小于60km/h時，規(guī)定值與改進(jìn)值、修正值的差異不大，但在高速區(qū)域，車速大于80km/h時差值增大；在同一運(yùn)行速度下，考慮公路環(huán)境影響的停車視距最大，即修正值最大，其次是改進(jìn)值，最小的是規(guī)定值，且不同公路環(huán)境對反應(yīng)時間的影響值越大，規(guī)定值與改進(jìn)值和修正值的差值越大。分析其原因：對于指南中的停車視距，停車制動過程較簡單，沒有考慮制動力上升過程，導(dǎo)致停車視距的計算值存在偏差；對于改進(jìn)的停車視距模型，雖然考慮了制動力上升過程，但是忽略了不同公路環(huán)境對駕駛員反應(yīng)時間的影響，所以計算值偏小。 3結(jié)語 公路環(huán)境是決定駕駛員駕駛行為的重要因素之一，直接影響到駕駛員反應(yīng)時間，進(jìn)而影響到停車視距。 本文考慮了公路環(huán)境對駕駛員的反應(yīng)時間的影響，對停車制動過程和視距模型進(jìn)行分析，得出了基于公路環(huán)境的停車視距計算公式。并與現(xiàn)有指南的規(guī)定值和改進(jìn)的停車視距的計算值進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：同一公路環(huán)境下的停車視距，隨著車速的增大，修正值與指南、改進(jìn)值的差異趨于增大；相同運(yùn)行車速，公路環(huán)境對反應(yīng)時間影響越大，修正值越大，與指南、改進(jìn)值的差異越大；現(xiàn)有指南的停車視距值較小，位于取值區(qū)間底部，從安全的角度來講處于風(fēng)險較高的范圍。 由于公路環(huán)境不僅包括路側(cè)自然環(huán)境，也包括各種交通設(shè)施、路面標(biāo)志、標(biāo)線、各種視覺誘導(dǎo)設(shè)施、天氣和能見度等，目前只是對公路路側(cè)植物影響下的停車視距分析，下一步將通過駕駛模擬實(shí)驗系統(tǒng)平臺進(jìn)行更多公路環(huán)境的停車視距仿真模擬實(shí)驗，從而對實(shí)驗數(shù)據(jù)處理和分析，得到不同公路環(huán)境影響下的駕駛員反應(yīng)時間，進(jìn)而提出不同公路環(huán)境的停車視距模型。 參考文獻(xiàn)： 1袁浩，程建川.xx-xx.國際公路安全研討會. 2O.B格盧什科，等著.汽車駕駛員的勞動與保健M.馬健富，等譯.人民交通出版社，1999. 3郭應(yīng)時，付銳，袁偉，等.通道寬度對駕駛員動態(tài)視覺和操作行為的影響J.中國公路學(xué)報，xx，19（5）：83-87. 4王龍.基于虛擬駕駛環(huán)境的駕駛員反應(yīng)時間采集和測算研究J.交通標(biāo)準(zhǔn)化，xx（15）：117-119. 5王昆元.道路交通運(yùn)輸安全管理M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，xx. 6DEWARRE,OLSONPL,GERSONJA.PerceptionanInformationProcessing,HumanFactorsinTrafficSafetyMTucson:LawyersJudgesPublishingCompanyInc.,xx:13-42 7謝曉莉，趙一飛，王書云，李平生.動態(tài)道路交通環(huán)境對駕駛疲勞的影響試驗J.公路交通科技，xx，29（8）：142-148. 8秦曉春.公路景觀評價的感知理論與方法研究.華南理工大學(xué)博士論文，xx. 9陳芳.公路視覺環(huán)境對行車安全的影響D.重慶交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，xx. 10