韓萬里，呂云飛，趙建有

(1. 上海城建城市運(yùn)營(集團(tuán))有限公司，上海 200023； 2. 長安大學(xué) 汽車學(xué)院,陜西 西安 710064)

0 引 言

近年來，國內(nèi)外交通管理部門在預(yù)防車輛碰撞技術(shù)方面也逐漸投入大量人力和物力[1]。隨著我國高速公路里程的不斷增加，車輛與野生動(dòng)物的碰撞事故也不斷發(fā)生，造成人員和動(dòng)物的傷亡，甚至對一些瀕危動(dòng)物的種群維持構(gòu)成威脅[2-3]。目前，國內(nèi)科研工作者就公路的建設(shè)、營運(yùn)對生態(tài)環(huán)境的破壞與污染做了大量研究，但道路對動(dòng)物的影響，以及車輛與動(dòng)物碰撞事故還未引起足夠重視[4]。交通管理部門在預(yù)防車輛和動(dòng)物碰撞等此類交通事故主要采取的措施仍舊是阻隔和設(shè)置牧道，雖然取得了一定的效果，但也帶來生境阻隔和碎化影響，車輛和動(dòng)物的碰撞仍舊經(jīng)常發(fā)生[4-5]。尤其對于遍布牧區(qū)和野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)的高海拔地區(qū)公路，此類問題更嚴(yán)重。因此，為了有效預(yù)防此類交通事故，相關(guān)交通部門應(yīng)當(dāng)收集統(tǒng)計(jì)此類數(shù)據(jù)，預(yù)防此類道路交通事故的發(fā)生，對人身安全和動(dòng)物保護(hù)都具有重大意義。

受高海拔地區(qū)道路交通環(huán)境的影響，車輛與野生動(dòng)物的碰撞事故原因非常復(fù)雜。但相關(guān)研究表明，在道路上設(shè)置野生動(dòng)物穿行警示標(biāo)志后，可以有效地降低車輛行駛速度，并減少車輛與動(dòng)物碰撞事故[6]。J. M. CONN等[7]認(rèn)為，如果駕駛?cè)擞凶銐虻姆磻?yīng)時(shí)間來處理潛在的危險(xiǎn)情況或避開動(dòng)物就可降低車輛和動(dòng)物碰撞事故的發(fā)生。而交通警示標(biāo)志的作用就是提醒車輛或行人注意危險(xiǎn)地點(diǎn)，在到達(dá)危險(xiǎn)時(shí)有充分的時(shí)間采取必要的行動(dòng)，以確保行車安全[8]。在交通警示標(biāo)志設(shè)置方面有大量研究，如，R. A. RETTING等[9]通過對交通碰撞事故的發(fā)生與交通標(biāo)識標(biāo)牌之間的關(guān)系研究表明，使用限速標(biāo)志可以減少碰撞事故的發(fā)生；T. BEN-BASSAT等[10]指出，在設(shè)計(jì)交通標(biāo)志時(shí)需同時(shí)考慮駕駛員的理解能力與反應(yīng)時(shí)間；劉浩學(xué)[11]對公路交叉口交通標(biāo)志設(shè)置的工效學(xué)進(jìn)行分析，構(gòu)建了一般公路交叉口標(biāo)志的設(shè)置方法模型；陸建等[12]對普通公路路側(cè)限速標(biāo)志設(shè)置進(jìn)行研究，確定了路側(cè)限速標(biāo)志的最佳設(shè)置位置。還有研究建議對交通警示標(biāo)志的設(shè)置應(yīng)當(dāng)充分考慮道路使用者對標(biāo)志的感知、識別、理解和其行動(dòng)的特性，如果設(shè)置不當(dāng)，就會(huì)失去設(shè)置意義[13]。

然而，以上研究均為針對普通公路交通標(biāo)志研究，且研究沒有考慮到道路環(huán)境對駕駛?cè)说挠绊懀瑢τ诟咴貐^(qū)高速公路警示標(biāo)志的研究還未涉及。按照平原地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)置高原地區(qū)高速公路動(dòng)物穿行警示標(biāo)志，或僅依照以往統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和方法得出的規(guī)范，在特殊環(huán)境中設(shè)置交通標(biāo)志，其效用的發(fā)揮會(huì)受到很大影響。為了有效地設(shè)置高海拔地區(qū)高速公路動(dòng)物穿行警示標(biāo)志，預(yù)防車輛與動(dòng)物碰撞事故，提高人身和動(dòng)物安全，筆者從人-車-路-環(huán)境系統(tǒng)考慮，基于高海拔地區(qū)高速公路特殊環(huán)境對駕駛?cè)说挠绊懀ㄟ^實(shí)地調(diào)研和實(shí)車試驗(yàn)，深入研究高海拔地區(qū)高速公路動(dòng)物穿行警示標(biāo)志的形式和設(shè)置方法。研究成果具有一定的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值，可為高海拔高速公路警示標(biāo)志設(shè)置提供一定借鑒和經(jīng)驗(yàn)。

1 研究方法及過程

據(jù)研究表明[14]，車輛與動(dòng)物碰撞事故并不是隨機(jī)分布的，其事故發(fā)生地點(diǎn)可以預(yù)測。因此，找到車輛和動(dòng)物碰撞事故的誘導(dǎo)因素，就可以制定出防御碰撞措施。高海拔地區(qū)遍布牧區(qū)及野生動(dòng)物自然保護(hù)區(qū)，道路周邊地理環(huán)境(例如接近水源或動(dòng)物覓食區(qū)域)是車輛與動(dòng)物碰撞的一個(gè)誘導(dǎo)因素[15]。因此，可以在車輛與動(dòng)物碰撞事故多發(fā)地點(diǎn)、牧道、進(jìn)入牧區(qū)和自然保護(hù)區(qū)之前設(shè)置動(dòng)物穿行警示標(biāo)志，以提醒駕駛?cè)俗⒁鉁p速，達(dá)到預(yù)防車輛與動(dòng)物碰撞事故發(fā)生的目的。

1.1 調(diào)研路段

調(diào)研路段選取青海省共玉高速公路，其全長630 km，雙向2車道，行車道寬度為3.75 m，分離式路基，最低海拔為2 917 m，最高海拔為4 807 m，平均海拔為4 000 m以上，見圖1。共玉高速公路穿過三江源自然保護(hù)區(qū)及多個(gè)牧區(qū)，是比較有代表性的一條高海拔地區(qū)高速公路。由于線路較長，調(diào)查采用行車樣線法[4]，故2～3人沿著公路駕車以最低限速行駛并錄像，部分路段下車步行詳細(xì)調(diào)查，記錄死亡動(dòng)物并拍照。通過咨詢專家、走訪當(dāng)?shù)孛癖姷姆绞郊袄媒煌ü芾聿块T的公路設(shè)計(jì)資料等，相對準(zhǔn)確地確定出動(dòng)物通道位置、車輛與動(dòng)物碰撞事故發(fā)生率及牧道利用情況。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與場景

為了驗(yàn)證分析高海拔交通環(huán)境對駕駛?cè)说挠绊懀紤]到環(huán)境的特殊性和人身安全，試驗(yàn)的目的在于驗(yàn)證分析說明。因此，試驗(yàn)最終挑選不同年齡、駕齡的3名男性，年齡為28～45 歲，駕齡為4～10年。在自然駕駛條件下，分別在3 000～3 500 、3 500～4 000、4 000～4 500 m海拔路段上采集被試者行車數(shù)據(jù)。采用手持式GPS測速定位，車內(nèi)安裝2個(gè)高清行車記錄儀，分別記錄車輛運(yùn)行和被試者狀態(tài)，并采用主觀檢測方法向被試者詢問精神狀態(tài)，同時(shí)在駕駛過程中讓被試者對當(dāng)前行車速度進(jìn)行估計(jì)。被試者矯正視力均在5.0以上，駕齡為10年左右，身體健康，無不良嗜好，均擁有C1駕照，其中1名駕駛?cè)擞懈咴{駛經(jīng)驗(yàn)，2名駕駛?cè)藶槌醯礁咴?/p>

圖1 共玉高速公路地理位置、沿線海拔變化情況Fig. 1 Geographical location and altitude changealong Gongyu Expressway

2 調(diào)查取證與數(shù)據(jù)分析

2.1 車輛與動(dòng)物碰撞事故現(xiàn)狀分析

通過隨機(jī)調(diào)查，在研究路段內(nèi)共發(fā)現(xiàn)3起車輛與動(dòng)物碰撞事故，并導(dǎo)致動(dòng)物致死。高速公路沿線常有動(dòng)物出現(xiàn)在公路護(hù)欄內(nèi)側(cè)。結(jié)合對其沿線居民的走訪了解到，沿線86%的居民經(jīng)常發(fā)現(xiàn)車輛與動(dòng)物碰撞事故。由于此類碰撞事故大多未涉及人員傷亡，因此，道路使用者大多選擇不報(bào)警，交通管理部門也沒有相應(yīng)的備案。對沿途50個(gè)放牧通道調(diào)查發(fā)現(xiàn)，相關(guān)警示標(biāo)志缺失，且動(dòng)物通道兩側(cè)無動(dòng)物活動(dòng)痕跡(觀察腳印、糞便等)，放牧通道利用率不高。

2.2 高海拔地區(qū)道路環(huán)境對駕駛?cè)擞绊懛治?/h3>

估計(jì)速度特性主要是考察駕駛?cè)藢\(yùn)動(dòng)物體速度估計(jì)的準(zhǔn)確性以及個(gè)體性格的焦躁性等方面的特征[9]。針對被試者在3個(gè)不同海拔下的車輛運(yùn)行速度及估計(jì)速度，共采集到65航段數(shù)據(jù)，剔除16段誤差較大的航段，如表1。隨著海拔的升高，A組和C組的平均行車速度均有增高的趨勢，且速度估計(jì)誤差逐漸增大，其平均行車速度別介于72.7～108 m/h之間，平均估計(jì)速度誤差值為9.6～35 m/h，部分路段高于設(shè)計(jì)速度80 m/h，超過設(shè)計(jì)速度3.1%～35%；而B組平均行車速度隨著海拔的增高有減小的趨勢，這可能與B組駕駛?cè)私?jīng)常在高海拔地區(qū)行車有關(guān)，但其整體速度偏高，平均速度介于89.9～98 m/h，高于設(shè)計(jì)速度80 m/h，超過設(shè)計(jì)速度12.4%～22.5%，平均估計(jì)速度誤差值為18～21 m/h。在海拔4 000～4 500 m的路段，3組平均行車速度達(dá)90 m/h，最高車速為119 m/h，駕駛?cè)司杏X到疲勞、反應(yīng)遲鈍和呼吸困難，并有輕微的頭暈癥狀，速度估計(jì)誤差值偏大，超速行駛。相關(guān)研究對青藏公路運(yùn)行速度特性發(fā)現(xiàn)，對運(yùn)行速度影響以海拔4 km為臨界點(diǎn)，平直路段的基本期望速度轎車為120 m/h[16]。

表1 被試者在3個(gè)不同海拔下車輛運(yùn)行速度及車速估計(jì)值Table 1 Vehicle speed and the estimated vehicle speed of subjects at three different altitudes

對不同海拔3組駕駛?cè)似骄烙?jì)速度誤差進(jìn)行因素分析，如表2。在不同海拔條件下，駕駛?cè)藢π熊囁俣鹊墓烙?jì)值誤差值呈中度顯著差異(0.01

表2 不同海拔高速公路上駕駛?cè)似骄俣裙烙?jì)誤差分析Table 2 Analysis of driver’s average speed estimation errors onhighways at different altitudes

研究結(jié)果充分驗(yàn)證說明了駕駛?cè)耸芨咴h(huán)境影響比較大。相關(guān)研究采集了1 079個(gè)駕駛?cè)说纳?、心理有效樣本?shù)據(jù)，結(jié)果也表明，隨著海拔的增高，反應(yīng)時(shí)間要比正常情況下延長，增加了駕駛?cè)藨?yīng)對潛在危險(xiǎn)的時(shí)間，極易發(fā)生碰撞事故[17]，如表3。

表3 駕駛?cè)嗽诓煌０蜗碌姆磻?yīng)延誤時(shí)間Table 3 Drivers’ response delay time at different altitudes

3 高海拔地區(qū)高速公路動(dòng)物穿行警示標(biāo)志設(shè)計(jì)及前置距離模型

車輛在行駛過程中，遇到緊急狀況，導(dǎo)致運(yùn)行速度突變，尤其是較大的速度落差會(huì)使駕駛?cè)舜胧植患?，發(fā)生碰撞事故[18]，因此超速行駛是造成車輛與動(dòng)物碰撞的一個(gè)很大的因素。動(dòng)物穿行警示標(biāo)志設(shè)置目的就是提醒駕駛?cè)俗⒁庑熊嚢踩?，減速慢行，提高其警覺性[19]。

3.1 動(dòng)物穿行警示標(biāo)志設(shè)計(jì)

不同動(dòng)物穿行警示標(biāo)志圖案能起到不同的警示效果。據(jù)相關(guān)研究表明，動(dòng)物穿行警示標(biāo)志上的動(dòng)物呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)趨勢的時(shí)候?qū)︸{駛?cè)说挠绊戄^大，效果較好[20]。從駕駛?cè)艘曈X特征研究表明，黃底黑圖案的搭配具有更好的可視性[21]。根據(jù)調(diào)查，不同國家和地區(qū)動(dòng)物穿行警示標(biāo)志圖案是不相同的。例如美國許多州均設(shè)立了鹿和奶牛的動(dòng)物穿行警示標(biāo)志，澳大利亞的警示標(biāo)志也基本上也采用鹿和袋鼠[4]。綜合考慮以上因素，根據(jù)國標(biāo)規(guī)定要求[13]，結(jié)合青海省共玉高速公路沿線動(dòng)物分布及種類情況，建議在自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，警示標(biāo)志圖案采用呈運(yùn)動(dòng)趨勢的藏羚羊，牧區(qū)及放牧通道前的警示標(biāo)志圖案同理采用呈運(yùn)動(dòng)趨勢的牦牛，黃底黑圖案的搭配。此外，也可以在警示標(biāo)志上給出限速及距離信息，告知駕駛?cè)碎L度范圍，提高警惕。動(dòng)物穿行警示標(biāo)牌主要設(shè)置在放牧通道、事故易發(fā)點(diǎn)、牧區(qū)和自然保護(hù)區(qū)前方，如圖2。

圖2 高海拔地區(qū)高速公路動(dòng)物穿行警示牌Fig. 2 Warning signs for animal crossing on highway inhigh altitude areas

3.2 高海拔地區(qū)高速公路動(dòng)物穿行警示標(biāo)志前置距離模型

3.2.1 交通標(biāo)志視認(rèn)過程分析

車輛與動(dòng)物碰撞事故涉及駕駛?cè)?、?dòng)物、車輛及道路環(huán)境等因素[22]。駕駛?cè)说慕煌ò踩J(rèn)知過程可分為感覺、領(lǐng)會(huì)、決策、起始響應(yīng)、動(dòng)作5個(gè)階段，在每個(gè)階段駕駛?cè)司艿浇煌ōh(huán)境的影響[23]。駕駛?cè)艘曊J(rèn)標(biāo)志的過程，可以分為“發(fā)現(xiàn)、認(rèn)讀、判斷、行動(dòng)”4個(gè)階段[22]，如圖3。駕駛?cè)私?jīng)視認(rèn)點(diǎn)，到讀取標(biāo)志信息點(diǎn)A開始讀取動(dòng)物穿行警示標(biāo)志，到B點(diǎn)可以將標(biāo)志內(nèi)容讀完，此段距離為讀取標(biāo)志距離S1。此時(shí)駕駛?cè)瞬扇⌒袆?dòng)判斷，這段距離為移動(dòng)距離S2。然后開始行動(dòng)，此時(shí)車輛已經(jīng)行駛到D點(diǎn)，從行動(dòng)點(diǎn)D到行動(dòng)完成F點(diǎn)的距離為制動(dòng)階段距離S3。駕駛?cè)嗽谥苿?dòng)階段距離必須安全順暢完成必要減速動(dòng)作。

圖3 駕駛?cè)艘曊J(rèn)標(biāo)志過程及對應(yīng)的制動(dòng)減速度與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig. 3 Relationship curve of driver’s visual sign recognition process andcorresponding braking deceleration and time

從給讀點(diǎn)A到標(biāo)志E的距離為視認(rèn)距離S0，標(biāo)志的前置距離為D。從標(biāo)志讀完點(diǎn)B到標(biāo)志E的距離為讀完信息后到標(biāo)志的距離S4。如果該距離S4比消失點(diǎn)C到標(biāo)志E距離m要短，就意味著駕駛?cè)瞬荒軠?zhǔn)確判斷標(biāo)志的內(nèi)容[11]。

S3≤D+S4-S2

(1)

(2)

式中：θ為駕駛?cè)说囊暯情撝担话懵穫?cè)標(biāo)志取θ=15°，頭頂標(biāo)志取θ=7°；d為駕駛?cè)说囊暩?1.2 m)到標(biāo)志的側(cè)距(路側(cè)安裝標(biāo)志)，據(jù)調(diào)查，共玉高速公路車道寬為3.75 m。

3.2.2 交通標(biāo)志視認(rèn)距離計(jì)算模型研究

國標(biāo)中對限速標(biāo)志和建議速度標(biāo)志的版面規(guī)格有規(guī)定。以此為基礎(chǔ)，分析視認(rèn)距離S4與實(shí)際圖文高度h和行車速度的關(guān)系。根據(jù)人因工程學(xué)原理[8]，動(dòng)物穿行警示標(biāo)志的設(shè)置條件和圖文的大小按式(3)設(shè)計(jì)：

(3)

式中:h′為有效圖文字高度；h為實(shí)際文字高度；k1為文種修正系數(shù)，對于拉丁字母取k1=1.2；k2為文字復(fù)雜性修正系數(shù)，漢字的筆畫少于10畫時(shí)k2=1，漢字的筆畫為10～15畫時(shí)k2=0.9，漢字的筆畫超過15畫時(shí)k2=0.85；k3為行車速度修正系數(shù)，按表4選取。

表4 k3值Table 4 Value of k3

根據(jù)日本土木研究所的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[8]：

f(h′)=5.67h′

(4)

視認(rèn)距離計(jì)算模型為：

S4=5.67h′=5.67×1.2×1×k3=6.084k3

(5)

3.2.3 基于駕駛員識認(rèn)特性的車輛減速距離計(jì)算模型

根據(jù)駕駛?cè)瞬僮饕?guī)律，駕駛?cè)俗x取標(biāo)志信息后，對車輛進(jìn)行制動(dòng)并最終在速度控制點(diǎn)前降低速度，此過程可分為兩個(gè)階段，即：制動(dòng)準(zhǔn)備階段和制動(dòng)階段[24]。

1)制動(dòng)感覺-反應(yīng)距離計(jì)算模型

由圖4可知，制動(dòng)反應(yīng)階段包括感覺-反應(yīng)時(shí)間(對應(yīng)視認(rèn)過程分析讀取標(biāo)志距離S1)、移動(dòng)時(shí)間(對應(yīng)視認(rèn)過程分析移動(dòng)距離S2)。不同海拔路段駕駛?cè)朔磻?yīng)時(shí)間為0.77～0.89 s，考慮到極限狀態(tài)，取0.89 s；根據(jù)人因工程學(xué)原理[25]，駕駛?cè)搜劬σ苿?dòng)時(shí)間為0.09 s，目標(biāo)選擇時(shí)間為0.6 s，識別時(shí)間為0.5 s。所以在制動(dòng)反應(yīng)階段，駕駛?cè)烁杏X-反應(yīng)時(shí)間為2.08 s。由于駕駛員移動(dòng)階段(換腳并踩下制動(dòng)踏板)時(shí)間較小，一般為0.2～0.3 s，所以取極限狀態(tài)值為0.3 s。在此階段，車輛并沒有被制動(dòng)，處于勻速運(yùn)行狀態(tài)，其運(yùn)行距離如式(6)、式(7)：

S1=v0×2.08

(6)

S2=v0×0.3

(7)

制動(dòng)階段對應(yīng)視認(rèn)過程的行動(dòng)距離，分為制動(dòng)過渡階段和平穩(wěn)制動(dòng)階段。

在制動(dòng)過渡階段，車輛減速度由0到一個(gè)確定的減速度a0，速度由v0降為v1。根據(jù)車輛工程學(xué)原理[12]，這一減速度數(shù)值a0與車輛的初速度成線性關(guān)系，其關(guān)系模型如式(8)：

a0=0.524v0-0.121 5

(8)

根據(jù)車輛工程學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，車輛制動(dòng)過渡階段時(shí)間一般為0.3 s，且認(rèn)為減速度服從線性變化，則制動(dòng)過渡階段末的速度可用式(9)表示：

(9)

則制動(dòng)過渡階段的車輛運(yùn)行距離為：

(10)

平穩(wěn)制動(dòng)階段，車輛自v1以勻減速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行行駛，至速度控制標(biāo)志規(guī)定的限速值vt為止。則平穩(wěn)制動(dòng)階段的車輛運(yùn)行距離為：

(11)

2)減速距離計(jì)算模型

綜合以上兩個(gè)階段的距離計(jì)算模型，駕駛?cè)俗x取動(dòng)物穿行警示標(biāo)志后，車輛減速距離模型為：

(12)

3.2.4 標(biāo)志前置距離計(jì)算模型

由式(1)和式(2)可得高海拔地區(qū)動(dòng)物穿行警示標(biāo)志的前置距離設(shè)置條件為：

D≥S-S4

(13)

d≤S3tan(θ)

(14)

將式(13)、式(14)代入式(5)、式(12)、式(13)，則：

(15)

(16)

通過上述計(jì)算與分析，針對共玉高速公路限速情況，其前置距離為80 m。根據(jù)模型得出的前置距離結(jié)果比一般平原地帶交通限速類標(biāo)志前置距離要遠(yuǎn)[24]，這是由于高海拔地區(qū)地理和交通環(huán)境比較特殊，對駕駛?cè)说挠绊懕容^大[16-17]。計(jì)算結(jié)果也恰好說明了該模型符合高海拔地區(qū)的實(shí)際情況。

3.2.5 高海拔地區(qū)動(dòng)物穿行警示標(biāo)志前置距離參照表

根據(jù)構(gòu)建模型，通過計(jì)算可得到由不同初速度降低到某限速值時(shí)，限速標(biāo)志與建議速度標(biāo)志前置距離，如表5。

表5 限速標(biāo)志前置距離參照表Table 5 Reference table for prepositive distance of speed limit sign

4 結(jié) 論

通過對高海拔地區(qū)高速公路動(dòng)物穿行狀況及其對駕駛員的影響特征分析，提出了高海拔地區(qū)高速公路動(dòng)物穿行警示標(biāo)志形式和設(shè)置方法。研究結(jié)論如下：

1)通過隨機(jī)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高海拔地區(qū)高速公路沿線放牧通道利用率不高，經(jīng)常發(fā)生車輛與動(dòng)物碰撞事故，缺失設(shè)置動(dòng)物穿行警示標(biāo)志。

2)對高海拔地區(qū)道路環(huán)境對駕駛?cè)诵袨榈挠绊戇M(jìn)行了研究，綜合驗(yàn)證分析了高海拔地區(qū)交通環(huán)境對駕駛?cè)擞绊戄^大。

3)基于當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)研究成果，結(jié)合高海拔地區(qū)動(dòng)物分布及種類，設(shè)計(jì)了高海拔地區(qū)動(dòng)物穿行警示標(biāo)志。

4)基于高海拔地區(qū)交通環(huán)境對駕駛?cè)说挠绊?，提出了設(shè)置動(dòng)物穿行警示標(biāo)志前置距離的最低要求，同時(shí)構(gòu)建了動(dòng)物穿行警示標(biāo)志前置距離模型，并驗(yàn)證了模型的有效性。