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靡诸井
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1 第 37 卷第 6 期 2017 年 6 月北京理工大学学报 TransactionsofBeijingInstituteofTechnology Vol.37 No.6 Jun.2017 基于驾驶行为需求的长大纵坡界定胡江碧 1, 李晓宇 1, 罗绍建 2, 王荣华 1, 高小娟 1 (1. 北京工业大学城市交通学院, 北京 ;2. 云南省公路开发投资有限责任公司, 云南, 昆明 ) 摘要 : 考虑到山区高速公路的设计中长大纵坡路段的设计, 且现行路线设计规范中没有针对长大纵坡路段给出界定标准的问题. 本文从驾驶需求出发, 将车辆运行速度作为驾驶行为的宏观表现, 对长大纵坡路段驾驶行为特性进行分析. 采集 20 名大货车驾驶员在长大纵坡路段实车试验数据, 分析得到驾驶员在长大纵坡路段运行速度与平均纵坡坡度和坡长之间的互动关系, 建立了大货车运行速度预测模型. 分析得到设计速度为 60km/h 的山区高速公路在不同平均纵坡条件下最大坡长. 关键词 : 安全评价 ; 高速公路长大纵坡 ; 驾驶行为 ; 运行速度 ; 平均纵坡中图分类号 :U491 文献标志码 :A 文章编号 : (2017) DOI: /j.tbit TheDefinitionofLongSteepDowngradeBasedonDriverBehavior HUJiang-bi 1, LIXiao-yu 1, LUOShao-jian 2, WANG Rongẖua 1, GAO Xiao-juan 1 (1.ColegeofMetropolitanTransportation,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China; 2.YunnanHighwayDevelopmentInvestmentCo,LTD,Kunming,Yunnan650200,China) Abstract:Itisoftenmeetintheprocessofdesigningtheexpresswayinthemountainousareato designlongsteepdowngradesection.butthecurrentroutedesignspecificationdoesn thavethe definitioncriterionoflongsteepdowngradesections.startingfromthedriver sdrivingbehavior anddrivingneeds,therunningspeedwastakenasthemacroperformanceofdrivingbehaviorto analyzetheperformanceofdrivingbehaviorinthisarticle.someexperimentaldatawerecolected from the realvehicletest on 20 truck driversin the mountainous expressway long steep downgradesection.byanalyzingthedata,thecorrelationbetweenthespeed withtheaverage longitudinalslopeandthelongitudinalslopelength wasfound,andaprediction model was establishedforthetruckoperatingspeed.andthenthemaximumlongitudinalslopelengthunder theconditionofdiferentlongitudinalslopewasgotat60km/hdesignspeed.theconclusioncan providea referenceforthe designing and operation management ofexpresswaylong steep downgradeinmountainousarea. Keywords:safetyevaluation;expresswaylongsteepdowngradesectionsin mountainousarea; drivingbehavior;runningspeed;averagelongitudinalslope 山区高速公路常常是地处山岭重丘区, 高山深谷相间, 地貌类型复杂多样, 受地形地质水文气候生态和经济等条件的约束, 高差起伏大线形条件较差. 为了克服坡顶与坡底位置的高差, 通常采取一种连续纵坡的纵断面形式. 重载货车驾驶员在连续下坡的纵断面线形条件下行驶过程中, 由于受坡顶初始速度和重力坡度分力的影响, 行驶一段时间后下坡速度会越来越快, 当速度超过了驾驶员生收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ); 云南省交通运输厅科技项目 ( ) 作者简介 : 胡江碧 (1965 ), 女, 博士, 教授, hujiangbi@bjut.edu.cn.

2 第 6 期胡江碧等 : 基于驾驶行为需求的长大纵坡界定 591 心理工作负荷阈限, 驾驶员就不得不采取制动措施以达到减速目的. 载重货车长时间的制动, 会导致刹车鼓发热, 制动器温度上升, 出现制动热衰退现象, 严重时车辆制动失灵, 导致交通事故. 这种会构成行车风险的连续纵坡的纵断面形式路段被称为长 [1] 大纵坡路段或连续下坡路段. 据公安部统计, 2014 年我国连续下坡路段发生事故共 342 起, 其中死亡 200 人, 受伤 491 人, 直接财产损失达万元. 连续纵坡的纵断面形式在山区高速公路上不可避免, 但是我国公路工程技术标准 (JTGB ) [2] 中仅对不同设计速度下的最大纵坡值与各设计速度下各坡度对应的坡长进行限定, 同时规定二级及二级以下公路的越岭线连续下坡路段, 相对高差为 200~500m 时, 平均纵坡不应大于 5.5%, 相对高差大于 500m 时, 平均纵坡不应大于 5%, 任意连续 3km 路段的平均纵坡不应大于 5.5%, 对于高速公路长大陡坡纵坡界定尚属空白, 这对避免出现长大纵坡路段的设计和对其运营管理带来了困难. 山区高速公路长大陡坡路段设计过程中往往会出现各单一纵坡均符合设计要求但长大陡坡路段仍不满足安全行驶要求的情况, 因此需要对山区高速公路长大陡坡路段进行界定. 国内外研究人员在长大纵坡路段的研究方面, 主要是从车辆主制动器温度升高及动力性能方面对纵坡坡度和坡长的限制要求进行了研究, 并提出了 [39] 长大纵坡路段界定方法及标准 ; 在驾驶员驾驶行为特性方面采用了驾驶员生心理的相关指标, 研 [1013] 究了线形的安全性并提出了相应的评价标准, 但并未针对长大纵坡路段总体驾驶行为特性需求进行研究. 高速公路用户主要是机动车驾驶员, 国外相关研究表明, 驾驶员是导致交通事故的主要因素, 引发事故比重达到 93% [14]. 在道路设计中有必要从道路用户需求角度出发, 进行人性化设计, 但是现今对长大纵坡路段的界定尚未有对驾驶员驾驶行为和驾驶期望的量化评价方法和标准. 本文拟对长大纵坡路段驾驶行为特性进行分析的基础上, 通过试验方案设计, 进行现场驾驶行为试验和通过试验数据分析, 研究驾驶员在长大纵坡路段的驾驶行为量化规律, 提出了长大纵坡路段界定标准, 为山区高速公路长大纵坡路段的建设和管理提供依据. 1 长大纵坡路段驾驶行为特性分析驾驶员在长大纵坡路段的驾驶过程是一个连续的过程. 驾驶员在该过程中驾驶行为的宏观表现为车辆运行的加速或减速过程, 笔者通过前期大量的实车试验, 利用机动车非接触速度仪采集了大货车驾驶员在长大纵坡路段连续运行速度, 发现大货车驾驶员在长大下坡路段运行速度变化规律如图 1 所示. 图 1 长大下坡路段大货车运行速度变化 (R 的单位为 m) Fig.1 Changesofvehiclespeedonlongandsteepdowngrades 由图 1 可知 : 大货车在长大纵坡起点位置速度在 50~60km/h, 没有达到驾驶员所期望的运行速

3 592 北京理工大学学报第 37 卷度, 这时驾驶员选择在直线和曲线半径较大的纵坡段加速将运行速度提高, 在经过约 4km 的波动上升达到运行速度最高值 80km/h, 这时车辆运行速度提升到了一个较高水平, 随后选择不再加速行驶, 而是期望保持较为稳定的运行速度继续行驶, 运行速度均保持在 75~80km/h, 驾驶员为了保证运行速度不在重力分立的作用下持续升高而频繁采取制动措施. 大货车在该长大纵坡路段行驶过程中, 途经 K ~K ,K ~K ,K ~ , 半径分别为 270,251,204m 的小半径平曲线及纵坡组合的弯坡组合路段时, 驾驶员采取减速措施降低车速以求安全通过该弯坡组合路段, 随即进入线形条件较好的路段车辆会加速到期望运行速度继续行驶. 综合以上行车特性, 得到大货车驾驶员在长大纵坡段运行速度特性如图 2 所示. 图 2 长大纵坡路段运行速度特性 Fig.2 Characteristicofvehiclespeedonlongandsteepdowngrades 在一定的平均纵坡坡度条件下, 大货车在坡顶以较低的运行速度行驶时, 如没有达到驾驶员期望的运行速度, 驾驶员会在保证驾驶安全舒适性的前提下尽快将车速提高, 当达到期望的运行速度后, 车辆会保持一个稳定的驾驶期望速度下行驶. 当长大纵坡路段平均纵坡不同时, 驾驶员达到期望运行速度所行驶的距离将会不同. 将连续下坡路段起点至达到期望运行速度位置这段长度 L 作为长大纵坡路段的界定标准, 即在一定平均纵坡条件下, 如果纵坡长度 L, 则定义该路段为长大纵坡路段. 通过对驾驶员在长大纵坡路段驾驶行为特性分析, 不难发现车辆运行速度的变化与长大纵坡平均纵坡及坡长存在不同程度的相关关系. 下面将拟通过现场试验, 采集驾驶员在山区高速公路长大纵坡路段运行速度, 分析长大纵坡路段不同平均纵坡及对应坡长是否与运行速度具有相关性, 以界定长大纵坡路段标准. 2 试验方案设计 2.1 试验路段选取试验选取云南省保龙高速公路 K ~ K 作为试验路段. 保龙高速公路为双向 4 车道, 按照山岭重丘区高速公路标准建设. 路线设计速度为 60km/h, 设计交通量依据预测 2026 年远景设计交通量为辆 / 日, 路线纵面呈 V 字型. 该路段连续纵坡较长路面平整度好抗滑性能好路肩宽度满足设计要求, 路段交通量较小. K 为连续下坡路段的起点位置, 高程为 1937m;K 为试验路段的终点位置, 高程为 1616m. 试验路段起点距终点位置连续下坡长度为 7.9km, 高差为 321m, 最大纵坡 6%, 最小纵坡 1.6%, 平纵纵坡为 4.1%, 平曲线最小半径为 204m. 2.2 实验方案本试验选择在天气状况良好交通流量为自由流条件下, 采集驾驶员在高速公路长大下坡路段运行速度. 大货车与小客车相比动力性能较差且受线形条件影响大, 特别在长大纵坡路段上行驶时大货车频繁制动易使制动器升温导致制动器失效, 容易引发交通事故, 试验时随机选取驾驶技能熟练身体健康且休息良好的被试大货车驾驶员 20 名, 试验车辆选择试验路段上的典型大货车作为试验车辆. 车辆行驶过程中安装动态 GPS, 仪器采集频率 20Hz, 定位精度单点 1.8m, 测速范围 0~514m/s, 该仪器可实现车辆三维定位和三维测速, 能够实时采集车辆运行速度. 为保证隧道路段运行速度不丢失, 还采用机动车非接触速度仪, 以实时采集车辆在隧道内运行速度, 仪器采集频率不低于 10Hz, 测速范围 0~250km/h, 精度为 0.5%. 试验过程中记录试验时间内交通流量数据, 数据整理过程中需剔除交通流量为非自由流条件所采集数据. 跟车试验员除了需要记录车辆开始行车时间结束时间车辆经过沿线里程桩号及经过时间, 还需着重记录车辆行驶过程中驾驶员接电话超车或被超等非正常驾驶行为时间, 以消除不良行为下的运行速度值. 3 试验结果分析 3.1 长大纵坡路段大货车运行速度预测模型通过对驾驶员在保龙高速公路长大下坡路段驾

4 第 6 期胡江碧等 : 基于驾驶行为需求的长大纵坡界定 593 驶行为特性的试验数据采集, 得到了 20 组大货车在长大纵坡路段实测速度, 将试验数据整理 ( 剔除受外界影响及交通流量不符合自由流条件数据 ) 并排序, 选取 85% 位实际车速作为路段运行速度. 在试验路段选取 15 个点, 计算各点平均纵坡坡度和坡长, 结合运行速度数据, 得到 15 个不同平均纵坡及坡长下的运行速度, 对其相关性进行进一步分析运行速度与纵坡平均坡度关系试验所得的运行速度与纵坡平均坡度数据的关系散点图, 如图 3 所示. 图 3 中可以看出 : 大货车在不同平均纵坡坡度值行驶时, 平均纵坡越大, 大货车驾驶员就会越紧张, 不安全感和不舒适感强烈, 大货车驾驶员会选择较低运行速度行驶. 运行速度与纵坡平均坡度具有较好的负相关关系. 用范围 i [2.7,5],v m [62,80]km/h, 适用于设计速度为 60km/h 的山区高速公路自由流交通条件. 方差检验 F=32.411>F0.05(2,12)=4.75, 说明模型相关性好, 能够表征长大纵坡路段大货车运行速度与平均纵坡和坡长之间的关系. 3.3 长大纵坡段界定标准式 (1) 适用于设计速度为 60km/h 的高速公路, 当设计速度与运行速度之差大于 20km/h 时, [15] 路段存在安全隐患. 因此, 将大货车运行速度 80km/h 带入式 (1) 中, 可得到不同平均纵坡坡度下长大纵坡界定标准, 如表 1 所示. Tab.1 表 1 高速公路长大纵坡路段界定标准 Standard about the expresway long and steep downgrade 平均纵坡 /% 坡长 /km 平均纵坡 /% 坡长 /km 图 3 大货车运行速度与平均纵坡关系 Fig.3 Relationshipbetweenvehiclespeedandaveragegradient 运行速度与纵坡坡长关系试验所得运行速度与纵坡坡长数据的关系散点图, 如图 4 所示. 图 4 中可以看出 : 大货车运行速度随着纵坡坡长的增加而增大, 运行速度与纵坡坡长具有较好的正相关关系. 图 4 大货车运行速度与坡长关系 Fig.4 Relationshipbetweenvehiclespeedandgradientlength 3.2 模型的建立根据上述的定量分析, 发现长大纵坡路段大货车运行速度与纵坡路段平均纵坡和坡长都存在不同程度的相关关系, 对其进行回归分析, 得到了其相关模型如式 (1) 所示. v m =1.31i+0.005L (1) 式中 :v m 为大货车运行速度,km/h;i 为平均纵坡度,%;L 为纵坡坡长,m. 式 (1) 回归模型的相关系数 R= 模型适 4 结论从驾驶员驾驶行为特性角度出发, 研究山区高速公路长大纵坡路段的驾驶行为特性及运行速度变化规律, 提出基于驾驶员驾驶行为特性及驾驶需求的长大纵坡界定方法. 建立了适用于设计速度为 60km/h 的高速公路在天气状况良好情况下长大纵坡路段的大货车运行速度预测模型, 得到了不同平均纵坡坡度下长大纵坡路段界定标准值, 可以为山区高速公路长大纵坡路段设计提供参考. 本文的研究仅局限于设计速度为 60km/h 的高速公路长大纵坡路段的界定, 对于其他设计速度的高速公路长大纵坡路段均未进行研究, 有待采取同样的理论和方法进行试验验证. 参考文献 : [1] 公安部交通管理局.2014 年道路交通事故统计年报 [R]. 无锡 : 公安部交通管理科学研究所,2015. Trafic Management Bureau of the Public Security Ministry.Traficaccidentsstatisticsin2014[R].Wuxi: Trafic ManagementResearchInstituteofthe Ministry ofpublicsecurity,2015.(inchinese) [2] 中华人民共和国交通运输部.JTG B 公路工程技术标准 [S]. 北京 : 人民交通出版社,2014. MinistryofTransportofthePeople srepublicofchina. JTG/TB TechnicalStandardofHighwayEṉ

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东南大学学报自然科学版第卷

东南大学学报自然科学版第卷第卷第期年月东南大学学报自然科学版徐进邵毅明彭其渊蒋朝哲以路线驾驶者车辆仿真系统为行车试验手段根据行驶过程中方向盘角输入和转速的时域变化分析了多条路线的操纵负荷特性试验路线的设计车速为含长大圆曲线卵型凸型回头曲线等组合结果表明在的山岭区高速公路上操纵车辆是非常容易的当曲线半径大到一定程度时曲线行驶和直线行驶已经不存在差别但仍需要方向干预当行驶速度偏离设计车速不多时