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)
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)。
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。
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。
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
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。
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
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]。
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
3.2.1 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
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。