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(shí)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(xiàng)目：云南省科技計(jì)劃項(xiàng)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?yàn)榈缆方煌ò踩c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?yàn)榈缆方煌ò踩c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(jià)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(shí)間是主要因素2，公路環(huán)境通過影響駕駛員的反應(yīng)時(shí)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(shí)、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(yàn)證明，在緊急情況下，立即剎車需要的時(shí)間中，一半時(shí)間屬于反應(yīng)時(shí)間，另一半時(shí)間是制動時(shí)間，對車速為30km/h的汽車，如果反應(yīng)時(shí)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(shí)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(shí)距，包含了感知、判斷和操縱整個(gè)過程5。在一些緊急情況下，如閃光燈型號指示時(shí)，這個(gè)過程幾乎在瞬時(shí)完成。而在一般情況下，由于這個(gè)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(shí)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(shí)和運(yùn)動時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間，好讓駕駛員有足夠的時(shí)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(xiǎn)處啟動運(yùn)行反應(yīng)，美國在這種條件下采用的反應(yīng)時(shí)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(bào)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(jì)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(shí)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(shí)，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(gè)停車制動過程的運(yùn)行時(shí)間包括駕駛員反應(yīng)時(shí)間、車輛間隙消除時(shí)間、車輛制動力上升時(shí)間和車輛全制動時(shí)間。駕駛員反應(yīng)時(shí)間是從駕駛員意識到道路前方存在障礙物需要?jiǎng)x車的瞬時(shí)起到實(shí)際采取制動的瞬時(shí)止所經(jīng)過的時(shí)間t1，包括駕駛員發(fā)現(xiàn)、識別危險(xiǎn)物并做出制動決定的時(shí)間以及將腳從加速踏板向制動踏板移動的時(shí)間。車輛間隙消除時(shí)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(shí)間t2；車輛制動時(shí)間包括車輛開始產(chǎn)生制動力到制動力最大的時(shí)間t3和車輛以最大制動力行駛到車輛停止的時(shí)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(shí)間內(nèi)的減速度達(dá)到最大值，并保持不變。為方便計(jì)算，將車輛間隙消除時(shí)間和駕駛員反應(yīng)時(shí)間合并為反應(yīng)時(shí)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(xiàng)目安全性評價(jià)指南中關(guān)于停車視距的計(jì)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(gè)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(jì)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(jì)算值（km/h）；t為反應(yīng)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間由感知時(shí)間、判斷決策時(shí)間和操縱反應(yīng)時(shí)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(shí)間，反應(yīng)時(shí)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(shí)間t1決定，其計(jì)算公式為： S1=v0t1（3） 現(xiàn)有停車視距計(jì)算中，駕駛員的反應(yīng)時(shí)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(shí)間，取值為2.5s。但是，駕駛員反應(yīng)時(shí)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(shí)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(shí)間t2行駛的距離，由初速度v0和車輛間隙消除時(shí)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(shí)間合并為反應(yīng)時(shí)間，車輛間隙距離計(jì)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(shí)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(jì)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(shí)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(jì)算公式為： 式中：S為停車視距（m）；t為基本反應(yīng)時(shí)間，取2.5s；t為不同公路環(huán)境對駕駛員反應(yīng)時(shí)間的影響值，變化范圍為0.17s-0.43s；t3為制動力上升的時(shí)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(jì)算結(jié)果分析 根據(jù)式（1）、式（2）、式（8），計(jì)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(xiàng)目安全性評價(jià)指南，式（1）計(jì)算所得，改進(jìn)值按改進(jìn)的停車視距模型，式（2）計(jì)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(jì)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(shí)，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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)間的影響，所以計(jì)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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)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(shí)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(xiǎn)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(yàn)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(yàn)，從而對實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)，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(bào)，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(shí)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(yàn)J.公路交通科技，xx，29（8）：142-148. 8秦曉春.公路景觀評價(jià)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