交通標志反光膜逆反射系數(shù)衰減規(guī)律研究

交通標志反光膜逆反射系數(shù)衰減規(guī)律研究

0最佳選用反光膜的必要性及其提高反光系數(shù)使用壽命,有利于提高基以往的研究表明，交通標志是最有效的物流系統(tǒng)。指路標志作為最為常見的交通標志,是公路交通的一個窗口,是道路管理者向駕駛員傳遞信息的主要工具,是駕駛員順利到達目的地的重要保障,在路網(wǎng)逐漸密集的情況下,其作用更加重要。在相同條件下,反光膜是指路標志夜間視認性的最主要決定因素。從指路標志開始使用至標志逆反射系數(shù)發(fā)生失效的期限,稱為指路標志的有效使用壽命。當指路標志已經(jīng)達到使用壽命,如未及時采取措施,將無法繼續(xù)展示路網(wǎng)信息、引導交通運行,會形成巨大的安全隱患。因此,對指路標志逆反射系數(shù)老化衰減規(guī)律進行研究,是科學預測、評估標志耐久性和有效使用壽命的基礎工作,對于保障道路交通安全意義重大。本文通過對設置在北京戶外交通運輸部試驗場的指路標志樣本連續(xù)13a(1998—2011)的逆反射系數(shù)觀測數(shù)據(jù),針對我國指路標志所用到的白色、藍色、綠色反光膜,研究了各種顏色常用級別反光膜的逆反射系數(shù)衰減曲線和數(shù)學模型。本文提出的成果對指路標志的養(yǎng)護具有較重要的參考意義。1以往的研究1.1逆反射性能的維護為保證標志反光性能,美國對反光膜進行了標準化的規(guī)定。在美國1993年版的交通控制設施設置指引MUTCD(ManualonUniformTrafficControlDevices)中給出了交通標志逆反射性能的維護要求,2009年的MUTCD提出了交通標志最小逆反射系數(shù)指標,并且要求公路管理部門應該制定相應的評估與管理方案,保證交通標志的逆反射系數(shù)不低于這一最低值。對于交通標志的養(yǎng)護策略,有2種途徑:評估和管理。評估方法包括交通標志夜間可見性的觀察;逆反射性能的度量管理方法主要是對標志壽命的預測,包括對標志的更換或其他處理措施。而且所有的管理方案均以不同反光膜的有效使用壽命預測為基礎。這里所指的使用壽命是指交通標志在實際環(huán)境下自設置時起至逆反射系數(shù)衰減到最小逆反射系數(shù)值的時間。1.2交通標志反光膜的等級在中國,交通運輸部于2002年制定了針對交通標志反光膜的國家標準。該標準借鑒美國標準將交通標志反光膜分為5個等級。目前,中國的標準中僅規(guī)定了交通標志反光膜在出廠時的最低逆反射系數(shù),沒有從識認性角度規(guī)定其在實際使用過程中的最低逆反射系數(shù)要求,同時,對于交通標志反光膜在實際環(huán)境中的衰減特性及使用壽命均缺少相關(guān)要求。1.3交通標志反光膜的衰減研究20世紀80年代,由于交通標志老化引起的安全問題日益突出,其使用壽命研究逐漸受到美國國會的重視。美國聯(lián)邦公路管理局(FederalHighwayAdministration簡稱FHWA)和美國運輸研究委員會(TRB)受國會的委托,開始致力于交通標志老化失效問題之一“交通標志最低逆反射系數(shù)要求”的研究。研究成果于1993年開始逐漸發(fā)布,并不斷得以發(fā)展和完善,具體體現(xiàn)在Paniati和Mace以及Carlson和Hawkins等人分別于1993年、1998年、2003年、2004年、2005年和2007年公布的各項研究報告中[10,11,12,13,14,15]。在管理和技術(shù)層面上,逐步確立了人、車、路、環(huán)境與交通標志最低逆反射系數(shù)的影響關(guān)系。對于交通標志反光膜逆反射系數(shù)的預測是指導交通標志反光膜維護和更換計劃的基礎。為保證交通標志的使用效果,美國科研機構(gòu)和一些商業(yè)公司研究了交通標志反光膜在實際環(huán)境中的衰減特性,并且編制預測軟件。美國聯(lián)邦公路局的Black等人于1992年最早開始了對交通標志逆反射衰減規(guī)律的預測研究。其研究目的是找到影響交通標志反光膜衰減的主要因素,并基于主要因素建立預測模型來準確估計標志反光膜的衰減。研究者收集了來自于美國18個不同地區(qū)的5722塊標志的逆反射系數(shù)記錄,研究中以標志顏色、類型、對比度、標志方向、場地海拔、地區(qū)類型以及反光膜使用時間作為觀測指標,該研究針對Ⅲ類反光膜,反光膜顏色包括綠色、紅色、白色和黃色。研究發(fā)現(xiàn)反光膜的壽命一般都可以達到12a以上。散點圖分析顯示,其測試結(jié)果非常離散。比如使用5a的Ⅲ類反光膜(對應于中國的工程級反光膜)其逆反射系數(shù)區(qū)間從150到390,紅色Ⅲ類反光膜則從10到90。其研究結(jié)論為,反光膜使用時間、海拔、溫度是影響交通標志反光膜衰減的最主要因素。研究同時顯示,標志角度和降雨量的差異性與標志反光膜反光性能衰減的關(guān)系不大。利用得到的這些重要因素,研究給出了每種顏色反光膜的線性衰減模型。該模型可以根據(jù)反光膜的使用時間預測其逆反射系數(shù)。但是該模型的相關(guān)性不強,R2從0.2到0.5不等。2002年,路易斯安那交通發(fā)展部(LDOTD)的Wolshon等人對路易斯安那州內(nèi)的273塊交通標志進行了長期的跟蹤檢查和分析研究。該項研究通過分析多個不同級別、不同顏色的交通標志反光膜性能,以及影響交通標志逆反射系數(shù)的主要因素,建立了交通標志逆反射系數(shù)的預測模型。該預測模型的3個主要因素是:交通標志服役期、設置位置和設置方向。同時在統(tǒng)計數(shù)據(jù)基礎上,回歸得出了逆反射系數(shù)預測模型:fa=fI?fc1?Ta+fc2de+Ck,fa=fΙ-fc1?Τa+fc2de+Ck,式中,fa為調(diào)節(jié)后的逆反射系數(shù)值;fI為特定顏色/類型的逆反射系數(shù)值;fc1為特定服役期的逆反射系數(shù)值;fc2為特定設置位置的逆反射系數(shù)值;Ck為固定的方向常量;Ta為設置時間;de為交通標志與道路邊緣的距離。該研究的成果證明92%的交通標志在廠家聲明的期限內(nèi)都會大于最小逆反射系數(shù)要求。超過聲明期限的交通標志43%能夠高于該最低值。研究人員提出了每種類型和顏色的交通標志反光膜的逆反射系數(shù)衰減的預測模型。研究結(jié)果顯示交通標志的設置方向和與道路的距離對交通標志反光膜的衰減影響不大。該研究提出的關(guān)系模型僅對本地區(qū)的交通標志具有應用價值。普度大學的研究應用與Wolshon相似的方法進行研究,但是他們的目的是研究印第安納州相應的Ⅲ類反光膜(對應于中國的工程級反光膜)10a的服務時間是否需要縮短或加長。最終,1341個Ⅲ級反光膜得到了觀測,顏色包括了紅色、黃色和白色。很多標志都超過了10a的期限甚至達到了16a。最終,分析發(fā)現(xiàn)只有7個標志10a內(nèi)衰減到最低逆反射系數(shù)以下。研究更延伸了一步,給出了反光膜逆反射系數(shù)衰減模型。在衰減模型中,紅色反光膜具有最大的R2(0.32),白色反光膜具有最小的R2(0.02)。在預測模型和數(shù)據(jù)中有很大的不匹配性,而且隨著標志使用年限的增加不匹配性增加。最終,研究者不能完全支持預測模型,但是他們建議白色和黃色反光膜的壽命時間可以超過12a,但是紅色反光膜可以保持到10a。2006年Rasdorf等人為北卡交通研究所(NCDOT)進行了一項研究。他們采用了與前任相似的和可比較的研究方法。樣本量包括在北卡州的1057個I類反光膜(對應于中國的高強級反光膜)和Ⅲ類反光膜以及4種不同顏色(對應于中國的工程級反光膜)。采用了線性模型、對數(shù)模型、多項式模型、冪指數(shù)模型和指數(shù)模型對反光膜的衰減規(guī)律進行預測描述。大部分的模型的相關(guān)性都不強,R2從0.01到0.48。對所有的反光膜類型,白色的相關(guān)性最低而紅色的相關(guān)性最強,這一結(jié)果與Bischoff和Bullock的研究結(jié)果相似。盡管相關(guān)性比較弱,但是大部分Ⅲ類反光膜的使用年限都超過了10a。2010年,美國德克薩斯研究所(TTi)的Jonathan、Paul等人測量了7個州21個縣郡,83條公路上的共859塊Ⅲ類反光膜標志。研究發(fā)現(xiàn),99%的標志在規(guī)定年限內(nèi)符合MUTCD的要求,在1012a批次的標志中,反光膜逆反射系數(shù)低于規(guī)定值的為2%,在1215a批次中為8%。研究同樣闡釋白天光照時間的長短并不是一個理想的預測標志反光膜的方法。方差分析顯示標志設置時間和各州之間的差異才是最重要的區(qū)別。線性模型顯示各州標志的衰減率差異很大,無法用一個統(tǒng)一的模型描述全國的情況。白色反光膜每年的逆反射系數(shù)衰減的變化范圍為-8-2,黃色是-12-1。同時,研究得到的線性模型的R2都很低,從0.10.3,基于此研究人員認為衰減率、預測模型和標志測量都應作為標志養(yǎng)護整體項目的一部分。他們可以提供一種依據(jù),但是并不能決定標志的更換周期。從以往研究成果來看,由于交通標志的衰減受到溫度、濕度、氣候、光照、年齡、地理等多方面的影響,調(diào)查數(shù)據(jù)顯現(xiàn)出較強的離散型,各項研究提出的預測模型的相關(guān)性不強,無法較好地預測交通標志反光膜的反光值,他們能為標志的養(yǎng)護提供一種依據(jù),但是并不能決定標志的更換周期。同時,以往研究發(fā)現(xiàn),地理和光照是影響交通標志反光膜的最主要因素。目前,中國針對交通標志反光膜衰減規(guī)律的研究還剛剛起步。4逆反射系數(shù)測量1998年,230塊來自于不同生產(chǎn)廠家的交通標志被放置在位于北京的中國交通部試驗場廣場中。北京屬暖溫帶半濕潤季風大陸性氣候區(qū),試驗場所處地點海拔50m左右,四季分明,年平均氣溫1012。此外,為使試驗結(jié)果更加具有針對性和實用性,試驗標志的反光膜均選擇了我國實際使用中主流品牌的反光膜產(chǎn)品。研究人員自這些標志出廠后并放置于試驗場地開始,進行了連續(xù)12a(1998—2010)的逆反射系數(shù)測量。檢測工具為手持逆反射測量儀,觀測角為0.2,入射角為-4。在以往國外的研究中,特別是近期的研究中,很多學者僅對沒有擦洗的標志進行觀測。這是由于美國等國家的標志都會在規(guī)定的時間內(nèi)進行比較全面的養(yǎng)護,因此,測量時沒有再次擦洗。本次試驗中,為了了解反光膜本身的衰減性能,在每次測量前均對標志進行擦洗。根據(jù)中國標準,中國高速公路指路標志為綠底、白色邊框、白色文字;一般道路指路標志為藍底、白色邊框、白色文字。為研究指路標志反光膜的衰減規(guī)律,本次研究將放置在試驗場中的50塊綠底白字的指路標志和40塊藍色純色標志板作為研究對象。同時,根據(jù)中國應用實際,高強級、超工程級、工程級反光膜在指路標志中應用最多,其他級別反光膜應用數(shù)量非常有限,因此所選擇的研究樣本中僅包括高強級反光膜、超工程級反光膜、工程級反光膜。3預測模型3.1應的數(shù)學模型為得到標志反光膜逆反射衰減規(guī)律的最佳預測模型,本研究分了2個階段。第1階段是找到預測這一規(guī)律的擬合度最高的模型類別;第2階段是得到相應的數(shù)學模型。借鑒國內(nèi)外成熟的研究方法,本研究以標志設置時間作為自變量,標志的逆反射系數(shù)作為應變量。使用SPSS16.0軟件進行相關(guān)數(shù)學計算?？紤]到所研究的內(nèi)容為逆反射系數(shù)隨時間的連續(xù)變化趨勢,因此選取連續(xù)性函數(shù)模型。通過對設置時間和逆反射系數(shù)作散點圖,發(fā)現(xiàn)兩者有斜率逐漸放緩的曲線趨勢,因此選擇線性模型、二次曲線模型、三次曲線模型作為參考模型,最終取其中結(jié)果最優(yōu)者作為該種顏色反光膜的衰減預測模型。3.2綠色抗光膜衰減模型按照這一方法論,首先研究綠色反光膜的衰減模型。高強級、超工程級、工程級反光膜的不同模型曲線與實際值連線的擬合情況如圖2所示。(1)模型擬合度檢驗以使用時間作為自變量,以相鄰2次逆反射系數(shù)的測量值之差作為應變量,不同的模型曲線與實際值連線的擬合情況如圖2(a)所示。如圖2(a)可見,在3個模型中二次方和三次方曲線對模型的擬合度最好。根據(jù)各模型的數(shù)學檢驗結(jié)果,三次方模型的R2最高為0.516,建立數(shù)學模型為:y=19.57?0.137t?0.0008t2+810?6t3。(1)y=19.57-0.137t-0.0008t2+810-6t3。(1)(2)不同次次方曲線模型的擬合度檢驗對于超工程級綠色反光膜,不同的模型曲線與實際值連線的擬合情況如圖2(b)所示。如圖2(b)可見,在3個模型中二次方和三次方曲線模型的擬合度最好。根據(jù)各模型的數(shù)學檢驗結(jié)果,三次方模型的R2最高,為0.853,數(shù)學模型為:y=43.54?0.63t?0.0066t2+210?5t3。(2)y=43.54-0.63t-0.0066t2+210-5t3。(2)(2)模型擬合度檢驗對于工程級綠色反光膜,不同的模型曲線與實際值連線的擬合情況如圖2(c)所示。如圖2(c)可見,在3個模型中二次方和三次方曲線對模型的擬合度最好。根據(jù)各模型的數(shù)學檢驗結(jié)果,相對而言,三次方模型的R2最高,為0.369。由此,建立三次方數(shù)學模型為:y=49.1926?0.005t?0.0066t2+3.810?5t3。(3)y=49.1926-0.005t-0.0066t2+3.810-5t3。(3)3.3反光膜衰減模型按照綠色反光膜衰減模型預測方法,通過曲線擬合與數(shù)學建模,可以得到白色、藍色反光膜衰減模型。指路標志相關(guān)的綠色、白色、藍色反光膜衰減模型如表1所示。3.4數(shù)學模型對于交通標志養(yǎng)護的意義從表1得到的模型結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),不同顏色、不同級別反光膜的衰減模型差異很大,這可能與反光膜不同的結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝有關(guān)。同時可以發(fā)現(xiàn),預測模型的R2均較低,這與國外學者得到的結(jié)論比較相似。說明,由于受到使用時間、光照、海拔、溫度、濕度等多種因素的影響,交通標志反光膜的逆反射系數(shù)衰減規(guī)律離散性較大,通過數(shù)學模型進行描述的效果并不理想。但是,所得到的數(shù)學模型仍然對交通標志的養(yǎng)護具有一定的借鑒意義。由于研究樣本均放置在北京的試驗場內(nèi),所受到的外界影響基本相同,要獲得具有更廣泛指導意義的結(jié)論,還需要取得來自于中國不同地點的樣本的調(diào)查數(shù)據(jù)。但是,由于北京的氣候條件與中國30%左右的地區(qū)非常相似,因此,本研究的數(shù)學模型仍