标题

Size: px

Start display at page:

Download "标题"

革锣伏
7 years ago
Views:

1 第 33 卷暋第 10 期 2011 年 10 月武暋汉暋理暋工暋大暋学暋学暋报 JOURNALOF WUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY Vol.33 暋 No.10 暋 Oct.2011 棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁棁 DOI: /j.issn.1671 灢路面平整度与驾驶速度关系的实验研究张金喜 1, 苏蕊葳 1, 王暋锋 1,2 (1. 北京工业大学交通工程北京市重点实验室, 北京 ;2. 福州大学土木工程学院, 福州 ) 摘暋要 : 暋路面平整度和行车速度单独或联合作用都会对行车舒适安全性产生重要影响通过设计正弦波路面, 开发室内模拟舱正弦波路面场景, 开展室内驾驶模拟实验, 研究了路面平整度对驾驶员选择驾驶速度的影响, 拟合出了国际平整度指数 IRI 与车速间的关系曲线, 并对比了世界银行技术文件推荐的 IRI 数值下的速度值研究表明, 文中得出的不同平整度下的舒适驾驶速度与世界银行推荐值基本吻合, 不同平整度时驾驶员会以不同的驾驶速度进行驾驶, 波浪路面具有较好的限速效果关键词 : 暋路面平整度 ; 暋车速 ; 暋模拟舱中图分类号 : 暋 U491 文献标识码 : 暋 A 文章编号 :1671 灢 4431(2011)10 灢 0059 灢 05 StudyontheRelationshipBetweenPavementRoughnes andthedrivingspeed ZHANGJin 灢 xi 1,SURui 灢 wei 1,WANGFeng 1,2 (1.KeyLaboratoryofTransportationEngineeringofBeijing,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China; 2.SchoolofCivilEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350002,China) Abstract: 暋 IRIanddrivingspeedandtheircombinationhasimportantinfluenceonthedrivingcomfortableandsafety. Thepavementwithsinewaveshapeweredesignedintheindoorsimulationchamber,anddrivingsimulationexperiment wascarriedoutforstudyingtheinfluenceofpavementroughnessonthedriverschoosingdrivingspeed.afteranalyzing, therelationcurvewasfinalyobtained,beingcomparedwiththeestimationscaleproposedbytheworldbank,andthere 灢 sultswereconsistentessentialy.testresultalsoshowsthat,thedriverwilselectdiferentsuitabledrivingspeedindif 灢 ferentpavementwithdiferentiriforinsuringsafetyandcomfortable,whichprovesthatthewaveshapepavementhas efecttocontroldrivingspeed. Keywords: 暋 pavementroughness; 暋 drivingspeed; 暋 drivingsimulationchamber 路面平整度驾驶员驾车的速度以及他们二者的共同作用将影响车上人员的舒适度和安全性, 另一方面, 路面的不平整程度同样也影响着驾驶人员对车速的选择因此, 通常在平坦的路面上驾驶员会采用较快的车速行驶, 在横向或纵向不平度较大的路面上驾驶员采用的速度则相对较低, 以保证行车的舒适性和安全性由于受实验条件等的限制, 关于路面平整度对行车速度有多大的影响, 目前国内没有系统的研究国外在相关方面则有一定的研究成果, 从 1978 年 Karan M A 提出车速与平整度的关系曲线至今, 不断地有人提 [1 灢 3] 出在各种条件下的车速与平整度的关系曲线图 [4] 实际路面的纵断面曲线可以认为是由波长和波幅不等的正弦曲线段组成的, 为了简化仿真模型, 作者利用室内驾驶模拟舱开发了具有不同平整度水平的波浪形路面, 进行了不同驾驶员的自由驾驶试验, 以期获收稿日期 :2011 灢 06 灢 21. 基金项目 : 教育部高等学校博士学科点专项科技基金 ( ) 和北京市交通委员会科技项目 (ky2009 灢 19). 作者简介 : 张金喜 (1965 灢 ), 男, 教授, 博导.E 灢 mail:zhangjinxi@bjut.edu.cn

2 60 武暋汉暋理暋工暋大暋学暋学暋报 2011 年 10 月得不同平整度下驾驶员选择驾驶速度的规律, 得到路面平整度与车速之间的关系, 为公路养护维修决策修建波浪形减速路面提供理论指导 1 暋正弦波路面的设计采用正弦波路面模拟路面的不平整度, 即道路中线的纵向剖面为理想的正弦波形, 路面的方程可表示为 y=a 暳 sin( 2 毿 x L ) ( 1) 式中,A 为路面幅值 ;L 为路面波长 ;y 为路面纵向高程 ;x 为路面水平方向位移量国际道路协会常设委员会 (PIARC) 将引起路面不平整度的路面波长范围划分为以下 3 类 : 短波 0.5~ 5.0m, 中波 5~15m, 长波 15~50m [5] 参考国际道路协会常设委员会的建议, 假设路面 3 种波的代表性波长为 5m 15m 和 30m 另外, 为了增加平整度的研究范围, 加入了另一代表性波长 45 m, 波长为 45 m 的正弦波路面更能反映现实中的道路平整度水平选定典型的波长之后再选择合适的路面幅值, 参考文献 [6] 中车辆在正弦波路面中点处的垂直振动加速度计算公式 (2), 计算各种波长及假设振幅和速度时的垂直 [7] 振动加速度值, 对照 ISO2631/CD 1991 草案中给出的加速度值与人的主观感觉间的关系 ( 见表 1) 通过计算得出, 当振幅为 5cm 时人体的主观感觉包括了没有不舒适稍有不舒适有些不舒适不舒适很不舒适极不舒适等所有的范围, 因此选择 5cm 为该次模拟实验正弦波路面的振幅, 开发模拟舱场景式中,L 为路面波长 ;A 为路面振幅 ;v 为行驶速度 ;a 为垂直振动加速度 a= 40v2 36L cos (arc L 4A ) ( 2) [8] 表 1 暋加速度与人体主观感觉的关系加速度 /(m s -2 ) 人体主观感受加速度 /(m s -2 ) 人体主观感受加速度 /(m s -2 ) 人体主观感受 <0.315 没有不舒适 0.5~1.0 有些不舒适 1.25~2.5 不舒适 0.315~0.63 稍有不舒适 0.8~1.6 不舒适 >2.0 极不舒适 2 暋正弦波路面国际平整度指数 IRI 的计算参考文献 [9], 文中利用八轮仪的工作原理, 直接计算八轮仪在不同波长正弦波路面上移动时中间测量轮的高程值, 并计算高程变化的标准差, 即为路面平整度的标准差氁然后根据众多文献中提出的国际平整度指数表 2 暋不同波长正弦波路面的国际平整度指数 IRI 波长毸 /m 波幅 A/cm 对应 IRI 波长毸 /m 波幅 A/cm 对应 IRI [10] 与平整度标准差的关系式 IRI= 氁 /0.6, 计算不同波长正弦波路面的国际平整度指数值, 计算结果见表 2 3 暋实验设计实验使用的是挪威拥有自主专利的 AutoSim 驾驶模拟舱, 模拟场景由专业软件编制室内实验模拟场景布置为双向四车道公路, 中间为双黄线, 道路上无车辆行人等任何可能干扰车辆正常行驶的物体, 路旁为景观植物, 每段道路设置长度为 3km 路面以正弦波的形式向车辆行驶的方向不断地延伸, 正弦波的波长振幅组合如下所示 : A =5cm A =5cm A =5cm A =5cm { 毸 = 5m { 毸 = 15m { 毸 = 30m { 毸 = 45m 其中, 毸为波长 ;A 为波幅实验一共邀请了 10 位驾驶员进行试验, 驾驶员要求 : 年龄在 20~45 之间, 男性, 身体健康, 试验前休息充足, 要求驾驶熟练并有一定的实际道路驾驶经验试验中驾驶员仅进行驾驶操作行为, 不允许有其他诸如讲话唱歌使用移动电话等非驾驶操作的行为实验在驾驶模拟舱内进行, 除了驾驶模拟舱的模拟车辆及数据处理系统外, 没有使用其他技术性的设备实验前要求驾驶员在 4 段道路上试验行驶, 实验中要求驾驶员在波浪路面上以自我感觉良好的速度暠

3 第 33 卷暋第 10 期张金喜, 苏蕊葳, 王暋锋 : 路面平整度与驾驶速度关系的实验研究 61 行驶, 即从波浪路面的起点处以速度 0m/s 开始加速, 加速到自己较为适应的速度之后保持自己适应的速度行驶, 期间的速度由驾驶员凭借自己的感觉自由控制实验中驾驶模拟舱自备系统会自动记录车辆行驶行为的数据, 每秒记录 30 个速度值保证速度值的精确, 速度记录单位为 m/s 实验中波浪路面正弦波的波长波幅要求对驾驶员保密, 希望驾驶人员在不知道路面平整度的情况下选择自己适应的车速实验中波浪路面波长振幅组合的选择是随机的, 而不是按照不平整的大小依次排列, 另外, 实验过程中要求驾驶员每驾驶完一种波长振幅的波浪路面后休息至少 10 min, 以减少前段波浪路面的驾驶对后段试验的干扰, 增加试验的真实性和准确性实验员在旁记录每段试验的开始时间结束时间及相应的波长振幅组合, 以方便后续的数据整理图 1 为利用室内驾驶模拟舱开发的波浪形路面的实验场景 4 暋结果及分析图 2 为 1 号驾驶员驾驶车辆在波长为 45m 振幅为 5cm 的试验道路上行驶时车辆行驶速度的变化曲线从起点开始, 随着时间的增加, 速度不断地增大, 速度达到一定值时车辆振动也达到了驾驶员能够承受的最大速度, 驾驶员开始减速并调整直到身体感到可以承受的速度, 之后就以相对稳定的速度行驶 1 号驾驶员在波长 30m 波长 15m 及波长 5m 的试验道路上驾驶时车辆的速度变化规律与图 2 基本相同利用统计分析方法, 采用统计函数 TRIMMEAN 先将数据集的头部和尾部除去一定百分比的数据点, 然后计算速度平均值, 并得出平均数置信度 (95%) 值 1 号驾驶员的各种波长振幅下平均速度和置信度如表 3 所示, 行车车速随波长变化的散点图见图 3 表 3 暋 1 号驾驶员不同波长对应的平均速度和置信度波长 /m 平均车速 / (m s -1 ) 平均数置信度 (95%) 波长 /m 平均车速 / (m s -1 ) 平均数置信度 (95%) 由图 3 可知, 随波长的增大驾驶员所采用的速度也相应地增大了, 由此可以初步判断驾驶员采用的车速会随路面平整度的减小而增大将 10 位驾驶员的全部速度样本值进行汇总, 并根据汇总的结果绘制各个波长下车速分布的散点图, 结果如图 4(a) 所示可以看出所有驾驶员的驾驶车速都随波长的增大而不断地增大利用表 2 的 4 种不同波长振幅下波浪路面的国际平整度指数 IRI 计算结果以及表 3 中不同波长路面下的驾驶速度实验结果, 将车速单位由 m/s 换算成 km/h, 可以绘制不同路面 IRI 值下所有驾驶员的驾驶速度的分布散点图, 结果如图 4(b) 所示

况下选择自己适应的车速实验中波浪路面波长振幅组合的选择是随机的, 而不是按照不平整的大小依次排列, 另外, 实验过程中要求驾驶员每驾驶完一种波长振幅的波浪路面后休息至少 10 min, 以减少前段波浪路面的驾驶对后段试

4 62 武暋汉暋理暋工暋大暋学暋学暋报 2011 年 10 月图 4(b) 表明, 驾驶员的驾车速度随着平整度的增大而不断减小 IRI 值越大处车速分布越加集中, 即 10 位驾驶员采用的驾驶速度十分接近 ;IRI 值越小处车速分布越分散, 即不同驾驶员采用的驾驶速度有一定的差异, 这种差异的存在主要是由驾驶员个人感受及驾驶习惯的差异导致的进一步分析表明, 虽然在不同平整度下不同驾驶员的平均驾驶速度不同, 但平均驾驶速度分布服从正态分布根据上述实验结果, 对不同平整度下的平均驾驶速度进行回归分析, 得到平均驾驶速度与路面平整度的关系, 如公式 (3) 所示统计分析表明, 路面平整度和平均驾驶速度有较高的相关性 Y = lnX (X >0) (R=0.962,P <0.005) (3) 式中,X 为平整度 IRI 值 ;Y 为平均驾驶速度值,km/h 公式 (3) 即为在无其他车辆行人等因表 4 暋世界银行公布结果与文中研究结果对比素干扰情况下, 驾驶员在各种平整度下会推荐速度 / (km h -1 ) 推荐速度 / (km h -1 ) 采用的平均车速与平整度的关系利用公 IRI 水平 IRI 水平世界银行文中世界银行文中式 (3) 计算不同平整度下的平均驾驶速度, 4 80~ ~ 并与世界银行公布的 IRI 标准计算程序技 8 70~ ~ 术文件中对未铺装路面平整度等级评价的 [11] 评价结果进行对比, 结果如表 4 所示 12 40~ 由表 4 可知, 当 IRI 小于 12 时, 文中的研究结果与世界银行公布的推荐速度值接近, 符合度较高当 IRI 值到达 16 甚至更大时, 文中得到的驾驶速度相对较大, 与世界银行公布的推荐速度值的符合度较低进一步调查分析表明, 在室内模拟驾驶实验过程中, 所有驾驶员均反映当波长最小也就是平整度最大时模拟的路面场景与实验中车辆的振动水平不相符, 都认为振动太弱这是室内驾驶模拟舱与实际道路存在的固有差异, 因此, 完全利用室内驾驶实验得出符合实际情况的路面平整度与驾驶速度的关系存在较大困难, 必须通过实际道路驾驶实验对室内驾驶实验结果进行标定一般情况下, 实际道路可能的国际平整度指数 IRI 均在 12 以下因此, 参考世界银行公布的技术文件中的驾驶速度推荐值, 文中得到的驾驶速度与平整度的关系曲线及其计算公式具有较高的可信度及有效性通过实际道路的进一步验证, 公式 (3) 可以作为无其他车辆行人等因素干扰条件下, 驾驶员在不同平整路面下的保证行车舒适安全的驾驶速度模型该结果可以为公路路面的养护管理决策修建减速路面提供理论基础 5 暋结暋论 a. 文中进行的室内驾驶实验, 可以设计出不同平整度的路面进行驾驶实验, 道路环境也可以根据要求设定, 从而解决了实际道路的路面平整度不易设定和选定实际道路驾驶实验干扰多和实验数据规律性差的缺点, 文中的实验方法具有良好的实用性 b. 文中得到的路面平整度与驾驶速度的关系与世界银行公布的技术文件中的驾驶速度推荐值低 IRI 区域范围内基本接近, 表明文中的研究结论具有较好的可信度 c. 路面平整度对驾驶员的驾驶行为有重要影响, 驾驶员会在不同平整度路面上选择合适的速度进行驾驶以保证行车的舒适安全性

不同平整度下的平均驾驶速度进行回归分析, 得到平均驾驶速度与路面平整度的关系, 如公式 (3) 所示统计分析表明, 路面平整度和平均驾驶速度有较高的相关性 Y =116.555-22.631lnX (X >0) (R=0.962,P <0.

5 第 33 卷暋第 10 期张金喜, 苏蕊葳, 王暋锋 : 路面平整度与驾驶速度关系的实验研究 63 d. 文中得到的路面平整度和驾驶速度模型, 可以为公路路面养护管理决策修建减速路面等提供理论指导文中, 模拟驾驶实验的样本量较少, 驾驶员的选择, 包括年龄驾龄驾驶经验等存在一定的不确定性同时, 由于室内模拟驾驶实验设备与真实的车辆存在差异, 另外, 为了简化实验仿真模型, 文中采用的是用不同波长波幅的正弦波来代表不同的平整度状况, 正弦波路面是有规则的, 与实际中不平整的道路的振动颠簸状况不相同, 所得到的结论能否真实地反映实际情况尚存在一定的疑问因此, 今后需要选择更多的驾驶员样本进行室内驾驶实验, 同时通过实际道路的驾驶实验对室内实验结果进行标定, 使试验结论更加客观和准确参考文献 [1] 暋 Karan M A,HaasR,KherR.EfectsofPavementRoughnesson VehicleSpeeds[R].Washington D C:National ResearchCouncil,1978. [2] 暋 ChandraS.EfectofRoadRoughnessonCapacityofTwo 灢 laneroads[j].ascejournaloftransportationengineering, 2004,130(3):360 灢 364. [3] 暋 CebonD.HandbookofVehicleRoadInteraction[M].TheNetherlands:Swets& ZeitlingerPublishers,1999. [4] 暋谭暋英, 宋永刚. 计算机仿真研究平整度指标与路面状态的定量关系 [J]. 路面机械与施工技术,2005(4):17 灢 19. [5] 暋姚祖康. 公路设计手册路面 [M]. 北京 : 人民交通出版社,1999. [6] 暋宋永刚. 路面平整度均方差指标与行车舒适性的关系研究 [J]. 路面机械与施工技术,2005(12):18 灢 21. [7] 暋 InternationalOrganizationforStandardization.ISO2631 灢 1 MechanicalVibrationandShockEvaluationofHumanExpo 灢 sureto Whole 灢 bodyvibration.part1:generalrequirements[s].switzerland:[s.n.],1997. [8] 暋郑暋郧. 汽车振动舒适性的测量与评价 [J]. 客车技术与研究,2000,22(4):23 灢 26. [9] 暋宋永刚, 谭暋英. 基于 Matlab 分析的路面平整度控制方法 [J]. 长安大学学报,2006,26(5):90 灢 93. [10] 陆暋健. 高等级公路综合养护评价与预测技术 [M]. 北京 : 科学出版社,2010. [11]ASTM.E 暋 StandardPracticeforComputingInternationalRoughnessIndexofRoadsfrom LongitudinalProfile Measurements[S].WestConshohocken:[s.n.],1998.

与真实的车辆存在差异, 另外, 为了简化实验仿真模型, 文中采用的是用不同波长波幅的正弦波来代表不同的平整度状况, 正弦波路面是有规则的, 与实际中不平整的道路的振动颠簸状况不相同, 所得到的结论能否真实地反映实际情况

山东大学信号与系统和数字信号处理 (833) 考研内部精华资料...27 山东大学信号与系统和数字信号处理 (833)(70% 信号与系统,30% 数字信号处理不含滤波器设计 )/ 考研内

山东大学信号与系统和数字信号处理 (833) 考研内部精华资料...27 山东大学信号与系统和数字信号处理 (833)(70% 信号与系统,30% 数字信号处理不含滤波器设计 )/ 考研内山东大学 839 生物化学 ( 生 ) 全套考研资料 ......7 山东大学生物化学 (839)( 生 )/ 考研内部精华资料...7 山东大学生物化学 ( 生 )(839) 考研内部精华资料...8 山东大学 661 考古综合全套考研资料