干線公路無(wú)控交叉口振動(dòng)減速標(biāo)線設(shè)計(jì)與舒適性評(píng)價(jià)*

余金林　徐良杰　劉啟遠(yuǎn)　秦亞曉

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院　 武漢　430063)

干線公路無(wú)控交叉口振動(dòng)減速標(biāo)線設(shè)計(jì)與舒適性評(píng)價(jià)*

余金林徐良杰劉啟遠(yuǎn)秦亞曉

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢430063)

摘要：為了降低干線公路無(wú)控交叉口處駕駛員超速行駛產(chǎn)生的交通事故，在交叉口處進(jìn)行振動(dòng)減速標(biāo)線設(shè)計(jì)，并探討了振動(dòng)減速標(biāo)線的參數(shù)設(shè)計(jì)方法.采用改進(jìn)加權(quán)加速度均方根與K值系數(shù)法相結(jié)合，建立振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度和車(chē)速變化因子的綜合舒適性評(píng)價(jià)模型.針對(duì)不同振動(dòng)減速標(biāo)線組數(shù)和車(chē)輛減速度，進(jìn)行振動(dòng)減速標(biāo)線設(shè)計(jì)，分析不同減速效果下駕駛員的舒適性.

關(guān)鍵詞：干線公路；無(wú)控交叉口；振動(dòng)減速標(biāo)線；振動(dòng)頻率；振動(dòng)舒適性

余金林(1990- )：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榻煌ò踩?/p>

0引言

通過(guò)對(duì)我國(guó)不同的公路交通條件分析，公路交叉口處發(fā)生的交通事故占總量的59%，是公路網(wǎng)絡(luò)中交通安全的瓶頸，而超速行駛是誘發(fā)交通事故的主要原因之一[1].超速行為產(chǎn)生的交通事故多為重大和特大交通事故，造成的人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)損失十分嚴(yán)重.因此，針對(duì)公路交叉口的車(chē)速控制研究十分必要.

國(guó)內(nèi)外車(chē)速控制主要應(yīng)用于高速公路匝道出入口、長(zhǎng)下坡路段和收費(fèi)站等，車(chē)速控制的主要方法包括法規(guī)控制、心理控制和工程控制.其中，應(yīng)用最多的是振動(dòng)減速標(biāo)線和視錯(cuò)覺(jué)標(biāo)線.顏先華等[2-3]在視錯(cuò)覺(jué)標(biāo)線的形狀、間距、尺寸,以及減速效果等方面進(jìn)行了大量的研究，但是在長(zhǎng)效機(jī)制作用下，視錯(cuò)覺(jué)減速效果會(huì)減弱，而且設(shè)置過(guò)多的視錯(cuò)覺(jué)標(biāo)線容易引起駕駛疲勞.候樹(shù)展等[4-5]通過(guò)實(shí)地實(shí)驗(yàn)并且統(tǒng)計(jì)分析，得出了振動(dòng)減速標(biāo)線的減速效果,以及減速規(guī)律.杜志剛等[6]提出了基于視錯(cuò)覺(jué)的振動(dòng)減速標(biāo)線設(shè)計(jì)方法；袁振友，唐江[7-8]討論了一級(jí)公路交叉口處振動(dòng)減速標(biāo)線的設(shè)置方式，并給出了標(biāo)線的大致間距尺寸，但是缺乏間距尺寸的具體設(shè)置分析.在研究汽車(chē)平順性評(píng)價(jià)時(shí)，Pennati等[9]給出了人體坐姿和立姿下的振動(dòng)評(píng)價(jià)方法，并給出了加權(quán)加速度均方根(RMS)評(píng)價(jià)指標(biāo)；Janeway[10]以振動(dòng)頻率和振幅為主要影響因素建立舒適性評(píng)價(jià)模型，并給出相應(yīng)的舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但是針對(duì)振動(dòng)減速標(biāo)線與駕駛員舒適性之間的關(guān)系研究比較缺乏.

綜上所述，振動(dòng)減速標(biāo)線在高速公路匝道、轉(zhuǎn)彎處，以及一級(jí)公路交叉口的應(yīng)用十分廣泛，但是缺乏振動(dòng)減速標(biāo)線的具體設(shè)計(jì)方法，同時(shí)也缺乏對(duì)設(shè)計(jì)后的振動(dòng)減速標(biāo)線舒適性評(píng)價(jià).

因此，探討分析在不同振動(dòng)標(biāo)線組數(shù)和車(chē)輛減速度下，干線公路無(wú)控交叉口功能區(qū)的振動(dòng)減速標(biāo)線具體設(shè)計(jì)方案，通過(guò)振動(dòng)警示進(jìn)行車(chē)速控制，確保車(chē)輛以安全車(chē)速通過(guò)交叉口，并對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)，為干線公路無(wú)控交叉口的振動(dòng)減速標(biāo)線優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1振動(dòng)減速標(biāo)線設(shè)計(jì)方法

1.1前提條件

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，以及汽車(chē)制動(dòng)性能、公路條件、司機(jī)反映特性，振動(dòng)減速標(biāo)線設(shè)計(jì)需滿足以下條件：(1)車(chē)輛通過(guò)減速標(biāo)線參數(shù)按照車(chē)輛以1.8 m/s2～3 m/s2的減速度進(jìn)行設(shè)計(jì)，且通過(guò)振動(dòng)減速標(biāo)線區(qū)域的車(chē)輛做勻減速運(yùn)動(dòng)；(2)為了保證振動(dòng)節(jié)奏感，每道減速標(biāo)線間隙和標(biāo)線本身寬度相等；(3)為了保證乘客和駕駛員的舒適性，車(chē)輛通過(guò)各組標(biāo)線間隔時(shí)間應(yīng)該大致相等.

1.2線條寬度

已知，小汽車(chē)軸距為2.2～2.8 m，大車(chē)軸距5.6 m，為了不至于前輪和后輪同步感受振動(dòng)而降低節(jié)奏感和振動(dòng)效果，每組振動(dòng)減速標(biāo)線寬度小于2.2 m才能滿足小汽車(chē)和大車(chē)的振動(dòng)警示效果.假設(shè)每組振動(dòng)減速標(biāo)線設(shè)置3道，為了保持節(jié)奏感，每道減速標(biāo)線間隙和標(biāo)線本身寬度相等，于是每道標(biāo)線寬度應(yīng)該小于2.2/(3+2)=0.44 m.根據(jù)汽車(chē)合理振動(dòng)頻率,以及振動(dòng)節(jié)奏感和減速要求，每道標(biāo)線設(shè)置0.3 m時(shí)最符合，因此，取振動(dòng)減速標(biāo)線的線條寬度0.3 m.

1.3凸起高度

根據(jù)研究表明，方形點(diǎn)狀凸起減速效果好.因此，主要考慮將交叉口前振動(dòng)減速標(biāo)線的凸起設(shè)置為方形點(diǎn)狀，并且結(jié)合振動(dòng)減速標(biāo)線設(shè)計(jì)規(guī)范，將凸起高度設(shè)置為3～8 mm.

1.4振動(dòng)減速標(biāo)線區(qū)長(zhǎng)度

車(chē)輛駛?cè)敫删€公路進(jìn)入交叉口的初始車(chē)速設(shè)為v1，到達(dá)交叉口前控制車(chē)速v0.根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可以確定振動(dòng)減速標(biāo)線區(qū)的長(zhǎng)度.

(1)

式中：s為振動(dòng)減速標(biāo)線區(qū)域總長(zhǎng)度；v1為車(chē)輛進(jìn)入振動(dòng)減速標(biāo)線前車(chē)速；v0為車(chē)輛通過(guò)振動(dòng)減速標(biāo)線后車(chē)速；a為車(chē)輛采取的減速度.

1.5相鄰標(biāo)線組距

由于車(chē)輛通過(guò)每組振動(dòng)減速標(biāo)線的時(shí)間是相同的，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可以確定相鄰2組振動(dòng)減速標(biāo)線的間距.

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：t為車(chē)輛通過(guò)相鄰組標(biāo)線的時(shí)間；f為振動(dòng)減速標(biāo)線的頻率；n為振動(dòng)減速標(biāo)線的組數(shù)；vi為車(chē)輛通過(guò)第i組振動(dòng)減速標(biāo)線時(shí)車(chē)速，i>1；Δsi為第i+1組振動(dòng)減速標(biāo)線和第i組振動(dòng)減速標(biāo)線的間距.

2駕駛員舒適性評(píng)價(jià)模型

影響人體對(duì)振動(dòng)反應(yīng)的主要因素包括振動(dòng)頻率、振動(dòng)強(qiáng)度和作用時(shí)間.然而，通過(guò)分析車(chē)輛減速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，計(jì)算得出交叉口處設(shè)置的振動(dòng)減速標(biāo)線作用的時(shí)間不超過(guò)10 s，可以忽略作用時(shí)間的影響.因此，主要通過(guò)振動(dòng)頻率、振幅和車(chē)速變化等指標(biāo)進(jìn)行駕駛員舒適性評(píng)價(jià)建模.其中，振動(dòng)頻率和車(chē)速變化均與車(chē)型無(wú)關(guān)，振幅與車(chē)輛減振系統(tǒng)相關(guān)，因此，為了提高模型的精確性，提出不同車(chē)輛的振幅修正系數(shù)λ.

傳統(tǒng)的加權(quán)加速度均方根值模型[12]是由振動(dòng)頻率與其功率密度譜函數(shù)得出，即

(7)

(8)

(9)

然而，討論的振動(dòng)減速標(biāo)線的振動(dòng)頻率是固定的，而車(chē)速是均勻變化的，因此，將上述模型改進(jìn)得到振動(dòng)頻率因子與車(chē)速因子的振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)模型.

f=v·n

(10)

(11)

將式(10),(11)代入式(7)～(9)，得到適用于振動(dòng)減速標(biāo)線的評(píng)價(jià)模型，同時(shí)結(jié)合K值系數(shù)法，分別得到振動(dòng)頻率因子與速度因子、振動(dòng)頻率因子與振幅因子的綜合振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)模型，具體如下.

aw=

(12)

(13)

式中：aw為加速度加權(quán)均方根值，m/s2；K為振動(dòng)舒適性指標(biāo)值；ω(f)為頻率加權(quán)函數(shù)，f<2 Hz，取值0.5 Hz；Ga(n0)為參考空間頻率n0對(duì)應(yīng)的功率譜密度函數(shù),256×10-6；n為空間頻率，n0=0.1 m-1；Δsi為第i+1組標(biāo)線和第i組標(biāo)線之間的間距；m為振動(dòng)減速標(biāo)線組數(shù)，取值5,7,9；β為頻率指數(shù)，一般取2；v為車(chē)速；λ為振幅修正系數(shù)，與車(chē)輛的減振器作用相關(guān)，一般取值0.3～1；A為凸起標(biāo)線高度，mm；f為振動(dòng)頻率.

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：

1) 加速度加權(quán)均方根值當(dāng)aw<0.315 m/s2時(shí)，駕駛員沒(méi)有感覺(jué)不舒適；當(dāng)0.315 m/s2

2)K值系數(shù)法當(dāng)K<1時(shí)，駕駛員沒(méi)有感覺(jué)到不舒適；當(dāng)110時(shí)，駕駛員感覺(jué)到非常不舒適.

3案例分析

3.1方案設(shè)計(jì)

由于干線公路無(wú)控交叉口是由主線和支線交叉形成，所以主要探討主線振動(dòng)減速標(biāo)線的設(shè)計(jì).干線公路在路段的車(chē)速可以達(dá)到限速值，假定干線公路v1限定為 80 km/h；車(chē)輛進(jìn)入交叉口前需保持安全車(chē)速行駛，到達(dá)交叉口前控制車(chē)速v0限定為20 km/h，為了保證車(chē)輛達(dá)到控制車(chē)速，在交叉口前設(shè)置20 km/h的限速標(biāo)志.根據(jù)文獻(xiàn)[13]，駕駛員反映到操作時(shí)間在0.4～1 s之間，取最大值1 s，制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)間在0.2～0.9 s，平均減速度為3～4 m/s2.代入式(4)中，計(jì)算得車(chē)輛安全停車(chē)距離為15 m，因此第一組減速標(biāo)線距離交叉口的安全距離為15 m.

振動(dòng)減速標(biāo)線寬度取值0.3 m，凸起高度取值3，5，8 mm，按照a=1.8,2.0，2.2，2.4，2.6，2.8，3.0 m/s2的車(chē)輛減速度，以及分別采取5,7和9組的設(shè)置方案.其中3 mm和8 mm分別是規(guī)范要求的最低值和最高值，5 mm為參考值；a=1.8 m/s2是規(guī)范要求的最小值，a=3.0 m/s2是規(guī)范要求的最大值，其他減速度為參考值；為了保證振動(dòng)強(qiáng)度的合理過(guò)渡，靠近交叉口處的幾組減速標(biāo)線設(shè)置2道，遠(yuǎn)離交叉口的幾組設(shè)置為3道，見(jiàn)表1.

表1　不同減速度、振動(dòng)減速標(biāo)線組數(shù)下振動(dòng)減速標(biāo)線設(shè)計(jì)方案

3.2方案評(píng)價(jià)

利用上述的改進(jìn)加權(quán)加速度均方根與K值系數(shù)法結(jié)合的雙重評(píng)價(jià)模型，對(duì)駕駛員感知振動(dòng)的舒適性評(píng)價(jià)，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)值見(jiàn)圖1～3.

評(píng)價(jià)結(jié)果：

1) 當(dāng)車(chē)輛以1.8～3.0 m/s2的減速度進(jìn)行減速時(shí)，利用加速度加權(quán)均方根值的舒適性評(píng)價(jià)模型(振動(dòng)頻率因子和車(chē)速因子)得出駕駛員感知的aw均小于0.315 m/s2，振動(dòng)減速標(biāo)線并沒(méi)有對(duì)駕駛員產(chǎn)生不舒適感.

2) 當(dāng)車(chē)輛以1.8～3.0 m/s2的減速度進(jìn)行減速時(shí)，利用K值系數(shù)法的舒適性評(píng)價(jià)模型(振動(dòng)頻率因子和振幅因子)得出：當(dāng)振動(dòng)凸起高度A小于5 mm時(shí)，駕駛員感知的K值一般都大于1且小于10，振動(dòng)減速標(biāo)線對(duì)駕駛員產(chǎn)生輕微不舒適感；當(dāng)振動(dòng)凸起高度A=8 mm，設(shè)置9組振動(dòng)減速標(biāo)線時(shí)，駕駛員感知的K值部分都大于10，振動(dòng)減速標(biāo)線對(duì)駕駛員產(chǎn)生不舒適感.

圖1　車(chē)輛減速度與振動(dòng)頻率的關(guān)系(m=5、7、9)

圖2　不同設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)加權(quán)加速度均方根舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果

圖3　不同設(shè)計(jì)方案的K值系數(shù)法舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果

3)隨著減速度值的增大和標(biāo)線組數(shù)的增加，駕駛員感知的K值會(huì)增大；當(dāng)振動(dòng)凸起高度A超過(guò)5 mm時(shí)，有部分標(biāo)線設(shè)置方案讓駕駛員感知的K值大于10，會(huì)產(chǎn)生不舒適性；當(dāng)振動(dòng)凸起高度A等于8 mm、車(chē)輛以采取的減速度a大于2.4 m/s2時(shí)，駕駛員對(duì)9組振動(dòng)減速標(biāo)線感知的K值均大于10，會(huì)產(chǎn)生不舒適感.

4結(jié)論

1) 提出了干線公路無(wú)控交叉口的振動(dòng)減速標(biāo)線設(shè)計(jì)方法和舒適性評(píng)價(jià).改進(jìn)加權(quán)加速度均方根與K值系數(shù)法結(jié)合的雙重評(píng)價(jià)模型充分的考慮了振動(dòng)頻率、振幅和車(chē)速變化對(duì)駕駛員感知的舒適性影響，可以為振動(dòng)減速標(biāo)線的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，在保證減速效果的前提下，避免振動(dòng)減速標(biāo)線產(chǎn)生的不舒適性負(fù)面效果.

2) 當(dāng)振動(dòng)標(biāo)線凸起高度小于5 mm時(shí)，雙重評(píng)價(jià)模型得出的車(chē)輛以1.8～3 m/s2的減速度的舒適性較好，設(shè)計(jì)的方案均可以接受，當(dāng)振動(dòng)標(biāo)線凸起高度大于5 mm時(shí)，宜設(shè)置7組以下標(biāo)線，不宜設(shè)置9組標(biāo)線.

3) 隨著振動(dòng)頻率的增加，駕駛員感覺(jué)的舒適性逐漸變差，當(dāng)振動(dòng)標(biāo)線凸起高度小于5 mm并且振動(dòng)減速標(biāo)線設(shè)置9組時(shí)，建議車(chē)輛采取1.8～2.4 m/s2的減速度進(jìn)行設(shè)計(jì)較好.

4) 由于振動(dòng)減速標(biāo)線作用于駕駛員的時(shí)間較短，忽略了振動(dòng)時(shí)間因素.后續(xù)工作需要進(jìn)一步細(xì)化研究振動(dòng)時(shí)間對(duì)駕駛員舒適性的影響.

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖法分類(lèi)號(hào)：U491.1

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.031

收稿日期：2014-10-15

Transverse Rumble Strips Design And Comfort Evaluation
at Arterial Highway Unsignalized Intersection

YU Jinlin XU Liangjie LIU Qiyuan QIN Yaxiao

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Abstract：To reduce the traffic accidents caused by driver’s speeding behavior,this paper sets transverse rumble strips at the functional area of intersection,and discuss its’ parameters design method.After that, we use improved weighted acceleration RMS and K coefficient method to establish the drivers’ comfort model by vibration frequency/amplitude/speed change.At last,we design some cases which are different from each other by deceleration and group, analyse drivers’ comfort and use it to optimize the transverse rumble strips design

Key words：trunk highway;unsignalized intersection;transverse rumble strips;vibration frequency;vibration comfort

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號(hào)：51108362)