趙煒華 韓 偉 馮中祥 葉 飛 邊浩毅 劉浩學

（1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學院運輸管理學院 杭州311112；2.長安大學汽車學院 西安710064；3.合肥工業(yè)大學交通運輸工程學院 合肥230011）

0 引 言

我國南方地區(qū)夏季多雨，尤其在進入梅雨季節(jié)后，不僅降雨強度大，而且降雨持續(xù)時間長。在降雨的夜間行車時，雨水會附著于汽車前風擋玻璃，致使進入駕駛?cè)搜壑泄饩€減少，造成環(huán)境識認困難。降雨過程中，車輛前方的降雨會造成汽車前照燈發(fā)出的光部分被反射和散射，不僅使障礙物表面亮度降低，且造成其與環(huán)境對比度下降。由于行使中車輪轉(zhuǎn)動地面積水被卷起拋灑，形成一片水幕，在漫反射作用下進一步降低能見度。當路燈發(fā)出的光照射其上時，漫反射作用更強，進一步降低障礙物與環(huán)境的對比度。汽車駕駛是以視覺為引導的，不斷感知道路環(huán)境信息，進行行為決策，并指導駕駛行為的循環(huán)反饋過程。在駕駛?cè)双@得信息的各種感覺通道中，90%以上的信息都是由視覺提供。筆者將視認距離定義為駕駛?cè)四茏R別前方障礙物，獲得形狀、大小等相關(guān)信息，并依此為依據(jù)調(diào)整駕駛行為時，駕駛?cè)伺c障礙物之間的最短距離。雨夜行車時所遇種種問題的綜合作用，實際上造成了駕駛?cè)藢η胺秸系K物的識認距離下降，相同速度下駕駛?cè)嗽试S的反應時間縮短，導致碰撞事故頻繁發(fā)生。

1 文獻回顧

作為交通安全的重要組成成分，國內(nèi)外對于駕駛?cè)说囊曈X特性的研究很多。Holladay首次提出了眩光的概念，人們開始研究光線和視力間的關(guān)系?；趯嶒炇覘l件下的視認數(shù)據(jù)，Adrian［1］引入能見度水平作為視覺信息獲取臨界值的量化指標。在此基礎上，Ising［2］結(jié)合CIE一般失能眩光方程提出了1種改進的模型，用于評價夜間物體的可視性，新模型拓寬了Adrian能見度模型的計算范圍，同時也提供了更好的魯棒性。Kazunori Munehiro［3］在日本北海道1條測試道路上，進行了2個月的大霧條件全天標志能見度試驗，研究表明白天霧氣對能見度有極大影響，晚上則沒有那么嚴重。研究還發(fā)現(xiàn)駕駛?cè)说闹饔^能見度與實際能見度存在出入，主觀能見度在夜晚達到了最低值。地處高緯度地區(qū)，大霧一直是加拿大行車安全的重要威脅。Mueller和Trick［4］研究了駕駛經(jīng)驗在駕駛安全中的作用，研究表明霧天條件下有經(jīng)驗的駕駛?cè)藭扇「嗟臏p速來確保安全，而新手駕駛?cè)司哂凶铋L的響應時間和更多碰撞次數(shù)。Khan和Kline［5］分析了老年駕駛?cè)说囊曈X特征，并在此基礎上提出了1種基于能見度的路燈設計方法，以求滿足老年駕駛?cè)说囊曈X視認需求。駕駛次任務會引起駕駛?cè)俗⒁饬Φ姆稚?，因而對駕駛員的視覺特性產(chǎn)生影響。Green等［6］針對駕駛?cè)诵畔⑾到y(tǒng)對視覺負荷的影響進行研究。該研究揭露了視覺負荷和交通事故之間的關(guān)系。此外，日本是惟一已經(jīng)認定導航系統(tǒng)會導致事故的國家。Recarte等［7］研究了駕駛時同時執(zhí)行語言和空間想象任務對駕駛?cè)艘曈X特性的影響。實驗發(fā)現(xiàn)駕駛?cè)说耐鬃兓诟鲗嶒炄蝿罩凶兓厔菹嗨?；視覺功能區(qū)域在縱向和橫向上均變小了；在執(zhí)行空間想象任務時，注視時間更長，在后視鏡和車速表上的注視頻率降低。對于降雨行車安全的研究，國外多是從附著系數(shù)角度考慮，對事故統(tǒng)計資料進行分析。Schulze等［8］通過回歸分析的方法統(tǒng)計分析了荷蘭、德國和法國的多起道路交通事故，研究了路面附著系數(shù)與交通安全的關(guān)系，研究表明潮濕路面上的事故百分率與抗滑能力之間是非線性的，隨著摩擦系數(shù)的增加，事故百分比呈下降趨勢。Hight等［9］在不同的路面積水深度條件下進行實車試驗，研究水膜厚度對行車安全性的影響，研究表明摩擦系數(shù)的顯著降低和由此引發(fā)的劃水現(xiàn)象是雨天事故多發(fā)的重要原因。結(jié)合運動波動方程理論，Anderson等［10］構(gòu)建了道路表面水膜厚度的預測模型，模型主要考慮了路面幾何尺寸、道路表面紋理（例如多孔瀝青表面和開槽表面），以及附加排水設施對道路表面水膜厚度的影響，同時，從工程角度闡述了減少水膜厚度的措施。從眾多研究資料分析可見，駕駛?cè)艘曈X特性相關(guān)的研究雖然十分豐富，但是研究大多從駕駛?cè)说纳斫嵌瘸霭l(fā)，定性的研究較多，直接探究天氣對視覺特性影響的研究很少。大雨天氣駕駛安全性的研究多是從工程技術(shù)角度出發(fā)，結(jié)合駕駛?cè)艘曊J特性的研究基本沒有。

從國內(nèi)來看，光照對于駕駛?cè)艘曊J特性的影響已經(jīng)獲得了廣泛的認同。為了保障行車安全，機動車安全技術(shù)條件和交通安全法中對會車時燈光變換操作，車輛前照燈技術(shù)參數(shù)等都進行了明確規(guī)定［11－12］。國內(nèi)眾多學者也對駕駛?cè)艘曊J特性進行了廣泛的研究。趙煒華等［13］對影響夜間駕駛?cè)说囊曈X的因素進行了深入分析，分別討論了駕駛?cè)怂幁h(huán)境照度，以及外界環(huán)境照度［14－15］2個因素的影響，建立了相關(guān)視認距離變化模型，并給出了夜間隧道條件下的推薦照度值。姜軍等［16］采用眼動儀、GPS等多種手段獲得駕駛?cè)艘曊J指路標志的特性數(shù)據(jù)，研究了光照條件、駕駛?cè)俗⒁晻r間、視認距離間的關(guān)系，并建立了，建立了標志設置的參數(shù)確定模型。黃凱等［17］通過實車試驗，測定不同速度條件下，駕駛?cè)藢酥緷h字的視認距離，結(jié)果顯示車速低于120km／h時，車速對視認距離的影響不大。同時，交通標志相關(guān)的駕駛?cè)艘曊J研究成為交通安全的1個熱點，研究成果推動了反光材料在交通標志制造中的應用。張伯明［18］就對漢字標志的視認性進行了相關(guān)研究。蔣海峰等［19］則結(jié)合人眼生理特征，研究了交通標志反光膜的反光特性提出了符合駕駛?cè)松硪蟮慕煌酥痉垂饽す鈱W物理參數(shù)。近些年來，眼動儀，駕駛模擬艙等新興技術(shù)被大量的應用于駕駛?cè)艘曊J距離的研究中，得到了眾多關(guān)于標志的布設，信息量等方面的研究成果［20－22］。對于雨夜駕駛行車的安全性，國內(nèi)學者同樣進行了很多研究。季天劍等［23］利用有限元分析的方法得到了附著系數(shù)、水膜厚度以及行車速度間的關(guān)系方程，結(jié)果表明低速行駛時，水膜厚度對附著系數(shù)的影響較大，而在高速情況下，行車速度的影響更大一些。應用ADAMS／Car動力學仿真軟件，李鐵強等［24］對雨天路面附著系數(shù)和能見度兩個指標進行仿真，并在此基礎上建立了降雨天氣下汽車安全行車的評價等級。戚明敏［25］在分析高速公路道路資料，交通事故資料的基礎上，得出了雨天事故的分布特征規(guī)律。研究表明，雨天事故以小型車為主，且事故多發(fā)生于曲線段，其中圓曲線段事故最多，事故形態(tài)多為單車尾隨碰撞或者碰撞固定物。從該部分研究可以看出，國內(nèi)的研究主要針對反光標識、路面障礙物等特定的視覺目標，考慮光照條件的研究也基本通過人造的試驗場景來模擬自然條件，缺少實際場景下的實車試驗，模擬的可靠性難以保證。而降雨天氣下的安全性分析多借助于動力學分析軟件或是構(gòu)建評價指標體系進行分析，針對視認規(guī)律的實車試驗基本沒有。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀看，降雨對駕駛?cè)嗽谛熊囍幸曊J距離的影響雖有定性分析，但沒有進行過定量研究。由于城市地下排水系統(tǒng)的不完善，降雨對行車安全的影響越發(fā)重視，但在相關(guān)限速規(guī)定時，并未準確考慮視認距離的變化。因此，筆者力圖通過夜間雨夜自然條件下的實車道路試驗，研究不同的降雨條件下駕駛?cè)嗽诓煌俣认碌囊曊J距離，分析視認距離與降雨量、車速之間的關(guān)系，并運用數(shù)學分析方法建立函數(shù)模型，定量分析駕駛?cè)艘曊J距離的變化趨勢，分析其對行車安全的影響。

2 試驗方法

2.1 試驗設計

關(guān)于瞬時降雨強度問題，數(shù)據(jù)較難測量。與其相融合的駕駛?cè)说南嚓P(guān)研究，又會受到個體因素差異的影響。為獲得準確的定量數(shù)據(jù)，在不同的日期、不同的降雨量下采用實際道路試驗的方法進行相關(guān)研究，再依據(jù)實時降雨強度進行歸類，獲得本研究中的研究數(shù)據(jù)。

試驗時間選擇為下雨的夜間，被試駕駛?cè)丝刂栖囕v在試驗道路上視認前方障礙物。待前方障礙物被駕駛?cè)藴蚀_視認時，發(fā)出相關(guān)信號，標記視認點并測量視認距離長度。道路環(huán)境選擇在有路燈照明的試驗路段，保證了環(huán)境一致性。至于車速選擇，則選擇為0，20，40，60，80km／h 5個速度進行試驗。試驗現(xiàn)場布置見圖1。

圖1 試驗現(xiàn)場圖Fig.1 Test field layout

試驗共進行71組，最終依據(jù)速度和降雨強度，聚類為25組不同條件下全樣本試驗。完成相關(guān)試驗研究后，運用SAS統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)變化特征，獲得不同條件下判識距離特征值。運用多元曲面回歸分析，研究視認距離與瞬時降雨強度和行車速度的定量關(guān)系，建立函數(shù)模型。

2.2 試驗對象及條件

2.2.1 試驗樣本

選取在校學生27名，外加11名具有5萬km以上行車經(jīng)驗的駕駛?cè)耍?8名被試，其中女性17名。要求被試視覺機能正常，無生理缺陷和重、特大事故經(jīng)歷。

2.2.2 試驗設備

采用雨量器，連續(xù)記錄降雨量。考慮到下雨的夜晚，由于雨水浸濕和地面污染物的粘附，很多物體的顏色屬于反光亮度極低的顏色，這與黑色障礙物（夜間黑色路面條件下）具有較強的相近性，故障礙物選擇為20cm×20cm的正方形黑色物體，放置于地面上。選用途安1.8t小汽車作為實驗車，并使用微波雷達車速傳感器測量和標定車速。采用信號發(fā)生器，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄，進行視認點標記，并采用測量尺測定相關(guān)視認距離。

2.2.3 試驗道路

道路選擇為黑色瀝青路面，長度選擇為1 500 m的直線段。實驗采用照度計測量試驗環(huán)境內(nèi)照度，試驗道路照度為9lx，試驗環(huán)境內(nèi)光分布均勻。除路燈外，僅用汽車前照燈遠光模式進行照明。

2.2.4 試驗步驟

按照雙盲原則進行方案設計，并盡可能控制其它因素對駕駛行為的影響。實驗選擇為簡單重復實驗方案，雖然增加了數(shù)據(jù)處理工作量，但保障了數(shù)據(jù)有效性。實驗步驟如下。

1）按照方案布置好試驗環(huán)境，調(diào)校相關(guān)設備，布設障礙物。

2）被試駕駛?cè)藛榆囕v，開啟前照燈并采用遠光模式，根據(jù)需要開啟雨刮器并選擇合適速度。

3）被試控制車輛以方案設定速度不斷接近障礙物，至被試能視認障礙物為止，發(fā)出信號以標記視認點，主試測量該實驗條件下的視認距離并記錄，記錄瞬時降雨量。

5）更換其他被試，重復上述過程，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 晴天、雨夜數(shù)據(jù)對比

按照降雨強度和行車速度，將全部被試的結(jié)果進行分類統(tǒng)計，獲得視認距離數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸入SAS，進行統(tǒng)計分析。取晴朗天氣時夜間相同試驗環(huán)境下視認距離結(jié)果，與本試驗中最大視認距離進行配對t檢驗。兩者之間具體對比結(jié)果見表1。

表1 黑色障礙物視認距離Tab.1 Visual recognition distance of the black obstacles

檢驗結(jié)果表明，兩者差異顯著，結(jié)果見圖2。

圖2 視認距離差異變化趨勢Fig.2 Variation of the visual cognition distance difference

由圖2可見，降雨對視認距離有很大影響。隨著行車速度的減小，差異逐漸變大。隨著降雨強度的增加，差異進一步加大。

3.2 降雨量、車速數(shù)據(jù)對比

經(jīng)檢驗表明，不同試驗條件下判識距離呈正態(tài)分布。取平均值為不同降雨強度和速度條件下視認距離，表征視認距離隨兩變量變化的相應規(guī)律。其結(jié)果見表2。

表2 不同降雨強度下的黑色障礙物視認距離Tab.2 Visual recognition distance of the black obstacles under different rainfall

由表2可見，隨著降雨強度的增加，雨水對車輛前照燈光線散射的作用增強，障礙物表面亮度下降，同時造成障礙物與環(huán)境對比度下降，最終導致駕駛?cè)藢τ谡系K物視認距離減小。其次，隨著速度增加，雨夜視認距離也減小。這主要是由人眼視覺機能決定的，車速增加引起駕駛?cè)藙右暳ψ匀幌陆担又暌弓h(huán)境光照條件復雜，進一步加重了駕駛?cè)艘曊J距離下降的幅度。

4 建模與分析

4.1 數(shù)學建模

考慮數(shù)據(jù)特征和變化規(guī)律，可以明確瞬時降雨強度和行車速度是影響駕駛?cè)艘曊J距離的關(guān)鍵因素。視認距離隨速度和降雨強度變化趨勢，見圖3。

圖3 視認距離變化趨勢Fig.3 Variation of the visual cognition distance

因此，將降雨強度值和行車速度作為自變量，將視認距離特征值作為因變量，運用曲面回歸分析，可以建立模型表示視認距離變化規(guī)律。結(jié)果見式（1）。

式中：D為視認距離，m ；x為車輛行駛速度，m／s；y為降雨強度 ，mm／12h。

模型相關(guān)系數(shù)為0.983 2，模型有效度系數(shù)為0.94，表明所構(gòu)建模型有效，能夠表明視認距離與瞬時降雨強度和行駛速度之間的關(guān)系。根據(jù)式（1），夜間黑色障礙物視認距離隨著降雨量和速度的變化趨勢見圖4。

圖4 擬合的視認距離變化趨勢Fig.4 Fitting variation of the visual cognition distance

圖4 變化趨勢表明，隨著瞬時降雨強度增加，視認距離減??；隨著速度增加，視認距離也減小。但2個因素相比較而言，降雨強度的對視認距離影響更大。

4.2 影響分析

駕駛?cè)吮旧硪归g視力水平，受視覺細胞轉(zhuǎn)化的影響而較白天低。夜間雨中行車時，由于光線的反射和阻隔作用，致使車輛前照燈照射在障礙物上的光線數(shù)量大幅減少。同時，在路燈和前照燈的共同作用下，障礙物本身顏色與背景對比度減小。甚至在某些條件下，當?shù)缆飞宪囕啂鸬乃F會形成光幕效應，更增加了駕駛?cè)说囊曊J難度。在前期進行的雨夜行車安全研究中，更多的關(guān)注的是附著系數(shù)和水花問題帶來的影響，進而獲得限速研究的結(jié)論。但視認距離的變小所帶來的影響更加巨大，卻一直被忽略。尤其近些年，隨著城市建設進程加快，多個地區(qū)的地下排水系統(tǒng)不完善，導致降雨增多時下水井蓋翻起，則面臨車輛陷入其中的危險。另外，當散落地面上的物體經(jīng)雨水浸泡后，很多表面顏色變得與地面顏色接近，也易產(chǎn)生視認距離不足而導致碰撞難以避免的問題。

因此，在進行限速規(guī)定研究和駕駛?cè)私逃嘤枙r，應將降雨強度和行車速度的耦合作用加以考慮，而不能僅考慮附著系數(shù)下降的影響，以進一步確定合理的行駛速度，保障駕駛?cè)四苷_選擇車速。

5 結(jié)論與展望

利用實際道路實驗為手段，以視認距離為對象，通過數(shù)學分析方法，研究在雨夜動態(tài)環(huán)境下，駕駛?cè)撕谏系K物視認距離定量變化規(guī)律。基于變化規(guī)律，分析其對行車安全的影響，獲得如下結(jié)論。

1）雨夜視認距離與晴天有顯著差異，雨夜視認距離小于晴天。降雨對駕駛?cè)艘曊J距離有顯著影響，隨著降雨強度增加，駕駛?cè)藢φ系K物的視認距離逐漸減小。

2）隨著行車速度增加，視認距離不斷減小。雨夜視認距離隨行車速度下降更快，在較大降雨量時下降更加明顯。

3）所建立的函數(shù)模型有效，能用于定量研究降雨強度和行使車速對視認距離的影響。

4）雨夜在道路上行車時，由于視認距離隨著車速和降雨強度增加而減小，將導致駕駛?cè)嗽诿媾R上述狀態(tài)時允許反應時間縮短。當駕駛?cè)诵惺顾俣冗^高時，如果前方有類似障礙物，將無法避免碰撞發(fā)生。

雨夜行車的安全問題是道路交通安全的重要組成部分，本文研究表明降雨不僅對車輛的附著系數(shù)等性能指標造成了影響，其對駕駛?cè)说囊曊J距離的影響也不容忽視。研究表明在車速為60 km／h，降雨量為3.5mm／h時，駕駛?cè)说囊曊J距離不足30m。在制定道路限速規(guī)定時應充分考慮降雨等特殊天氣條件的影響，同時在雨夜條件下駕駛?cè)藢Σ煌伾系K物的視認距離變化規(guī)律也是值得進一步研究的課題。

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