喬建剛,王 傑,謝一丹,陳彥欣

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 天津 300401;2.河北省高速公路延崇籌建處, 河北 張家口 075000)

目前我國高速公路的建設(shè)已由平原轉(zhuǎn)向山區(qū),山區(qū)高速公路由于地形復(fù)雜、橋隧比例大,加之橋隧路段易誘使交通事故的發(fā)生[1],導(dǎo)致高速公路運(yùn)營存在較大風(fēng)險(xiǎn)。目前國內(nèi)外學(xué)者對橋隧路段進(jìn)行了研究,主要有:Ma等[2]分析了不同斷面位置、交通流量與交通事故發(fā)生率的相關(guān)性。倪娜等[3]從光環(huán)境、速度等角度探討了橋隧密集路段的交通流特性。王建民[4]提出了橋梁安全狀態(tài)的劃分標(biāo)準(zhǔn)以及評價(jià)方法。喬建剛等[5]基于可拓學(xué)理論對多個評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了量化分析,建立了橋梁安全評價(jià)模型。Han等[6]對超重型卡車在橋梁行車的負(fù)荷進(jìn)行了研究及安全評估。潘國兵等[7]依據(jù)“調(diào)節(jié)滯后”等理論,分析了隧道亮度變化率與瞳孔直徑的關(guān)系。Li等[8]分析了交通流特性與隧道亮度的關(guān)系,對隧道照明進(jìn)行了動態(tài)控制?？盗紘萚9]研究了員工心理安全感的安全信息認(rèn)知的偏好特征。Foy等[10]從駕駛員的生理反應(yīng)角度分析了道路環(huán)境變化對心理負(fù)荷的影響。Kircher等[11]和Han等[12]分析了駕駛員在隧道段上視覺特性變化與道路線形、光環(huán)境的變化規(guī)律。Miller等[13]采用駕駛員心率、心博間期標(biāo)準(zhǔn)差基礎(chǔ)指標(biāo)、車速和制動探討了隧道行車駕駛員壓力與駕駛績效的關(guān)系。吳艷霞等[14]研究了車輛速度一致性、駕駛員心生理反應(yīng)與穿城鎮(zhèn)道路行車安全的影響規(guī)律。李立治等[15]針對駕駛風(fēng)格進(jìn)行了分類和識別。綜上,國內(nèi)外學(xué)者主要圍繞橋梁、隧道安全評估、駕駛員視覺特性、心生理反應(yīng)[16]進(jìn)行了對單一路段的行車安全分析,從駕駛行為角度對橋隧過渡段的研究較少,開展基于駕駛行為的橋隧過渡段的安全間距研究具有重要意義。

1 基于小波變換的心電信號降噪

駕駛員交通行為隨著道路線形與環(huán)境的變化而變化,駕駛員的心率會產(chǎn)生隨機(jī)變化,其心率隨著環(huán)境的變化產(chǎn)生隨機(jī)信號。小波變換(wavelet transform,WT)可在時(shí)域和頻域中同時(shí)進(jìn)行多種分辨率的信號分析,并適用于處理瞬態(tài)信號,廣泛用于多種學(xué)科研究中,小波變換降噪基本原理可用圖1表示。

圖1 小波變換降噪原理示意圖

小波函數(shù)ψ(t)須滿足:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

令a0=2,b0=1,

j=0,1,2,…;k∈Z

(6)

x(t)的離散小波變換為:

(7)

選擇軟閾值法對該心率進(jìn)行去噪處理,選擇db4小波進(jìn)行分解,得到降噪信號如圖2所示。

圖2 心率增長率降噪信號曲線

對比圖2可以看出,通過小波閾值進(jìn)行濾波處理以后,大大降低了原始信號的噪聲,使降噪后信號的波峰明顯,心率信號的周期性表現(xiàn)明顯。

2 試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)采集

2.1 試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)

選取延崇高速、太行山高速公路等作為數(shù)據(jù)采集的試驗(yàn)段,實(shí)驗(yàn)時(shí)間選擇正常工作日9∶00—17∶00,車輛處于自由流行駛狀態(tài),實(shí)驗(yàn)天氣選擇晴天。

2.2 試驗(yàn)儀器

該高速公路交通流中主要以小型車為主,因此實(shí)驗(yàn)車輛選擇為車況正常的小型車;心生理信號采集儀采用康飛KF2型儀器采集駕駛員的心率等數(shù)據(jù);V-Box數(shù)據(jù)采集器和非接觸式五輪儀采集道路線形參數(shù)、速度數(shù)據(jù);隧道內(nèi)外的光照強(qiáng)度用GM1020照度計(jì)采集。

2.3 試驗(yàn)對象

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)最小樣本量的計(jì)算選擇20名駕駛員,年齡區(qū)間為[23,40](均值為28.1,標(biāo)準(zhǔn)差σ為4.3);駕齡區(qū)間為[3,10](均值為5.9,標(biāo)準(zhǔn)差σ為2.8) 并且熟悉試驗(yàn)道路,試驗(yàn)前對平靜狀態(tài)下的心率進(jìn)行檢測。

整理試驗(yàn)過程中距離、車速及對應(yīng)的駕駛員心率增長率,部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

表1 橋隧段速度、心率增長率和照度統(tǒng)計(jì)(部分)

3 橋隧路段行車安全性分析

目前道路行車安全評價(jià)常見的指標(biāo)有速度差和駕駛員心率增長率,當(dāng)不同路段速度差大于20 km/h以上時(shí),路段安全性低[17];心率增長率大于緊張閾值27%,駕駛員將因緊張導(dǎo)致駕駛操作失誤增多[18-19]。因此,通過橋隧路段的環(huán)境照度變化和車輛速度變化與駕駛員心生理變化的關(guān)系對路段的行車安全性進(jìn)行分析。

3.1 隧道口心率與照度的關(guān)系

由于照度是一個絕對值,并不能反映人的明暗適應(yīng)規(guī)律,因此為更好地分析駕駛員對環(huán)境照度的適應(yīng)情況,采用照度變化率作為評價(jià)指標(biāo):

(8)

其中:Er為照度變化率(%);Et、Et-1分別為t點(diǎn)與t-1點(diǎn)的照度值(lux)。

通過計(jì)算得到的照度變化率分析其與距離和心率增長率的關(guān)系,如圖3所示。

照度變化率在隧道洞前50～200 m區(qū)域內(nèi)基本不變,在洞外20 m至洞內(nèi)20 m區(qū)域逐漸增大。當(dāng)照度變化率增大至54%時(shí),心率增長率為27%,此時(shí)心率增長率與照度變化率的關(guān)系模型為:

(9)

其中:y1為心率增長率(%);Er為照度變化率(%)。式(9)的相關(guān)系數(shù)R=0.882 02,通過F檢驗(yàn)。

圖3 照度變化率、心率增長率變化情況

3.2 橋隧路段速度特性分析

駕駛員在橋隧路段行車時(shí),由于道路線形的變化、伸縮縫、道路路面結(jié)構(gòu)的變化容易引起速度的改變,進(jìn)而導(dǎo)致駕駛員的心率發(fā)生變化。橋隧相鄰路段斷面布置見圖4。

圖4 相鄰路段斷面示意圖

3.2.1橋隧路段速度一致性分析

以相鄰路段的車輛運(yùn)行速度差作為評價(jià)指標(biāo)[17],對道路協(xié)調(diào)性進(jìn)行評價(jià),差值越小,協(xié)調(diào)性越好,速度差的計(jì)算公式如下:

Δv85=v85i-v85(i-1)

(10)

其中:|Δv85|表示相鄰路段的85%位車速差;v85i和v85(i-1)分別為斷面i與斷面i的前一斷面的85%位車速。

通過采集的速度數(shù)據(jù)分析駕駛員橋隧路段的駕駛行為的變化,如圖5、6所示。

圖5 速度與距離的關(guān)系圖(橋梁路段)

在橋梁路段行車速度整體呈現(xiàn)W型變化趨勢,在橋梁出入口過渡段速度呈現(xiàn)V型變化。在橋梁前100～200 m范圍內(nèi)行駛時(shí),駕駛員的速度在90～95 km/h范圍內(nèi)波動,速度差值小于5 km/h;駛?cè)霕蛄旱倪^程中,在距離橋梁前20～100 m范圍內(nèi),速度逐漸降低,速度差在5～15 km/h之間,隨著進(jìn)入橋梁,速度逐漸增加,然后趨于穩(wěn)定。同樣,駛出橋梁的過程中,速度呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢,在橋梁出口前58 m開始減速,在出口后12 m降為最小,在減速過程中由87.3 km/h降為76.5 km/h;出橋梁后77 m,速度趨于穩(wěn)定。

圖6 速度與距離的關(guān)系圖(隧道路段)

在隧道路段速度整體呈現(xiàn)U型變化趨勢,在隧道出入口過渡段速度呈現(xiàn)L型變化趨勢。在隧道前150～200 m范圍內(nèi)行駛時(shí),駕駛員的速度基本維持在92 km/h,在隧道前150 m,駕駛員的行車速度急劇下降,降幅超過20 km/h;在隧道內(nèi) 2 m速度降為最低,為56.2 km/h。隨著進(jìn)入隧道,行車速度有小幅度的增加,增至62.4 km/h;駛出隧道的過程中,在距離隧道出口前52 m,速度逐漸降低至57.4 km/h,駛出隧道后98 m,速度趨于穩(wěn)定,由59.6 km/h恢復(fù)至86.8 km/h,速度差值大于20 km/h。

由圖5和圖6實(shí)車試驗(yàn)的數(shù)據(jù),計(jì)算橋梁段、隧道段的車速如表2所示。在橋梁段上的平均車速為82.6 km/h,在隧道段上的平均車速為60.8 km/h,從橋梁駛?cè)胨淼儡囕v速度逐漸減小。在橋梁段速度差最大為7.8 km/h,在隧道路段速度差最大為26.3 km/h,速度差越大則車輛縱向沖突增多,容易導(dǎo)致交通事故[20]。從速度來看,這些路段明顯存在安全隱患。

表2 速度特性對比 (km·h-1)

3.2.2橋隧路段心生理特性分析

速度的變化以及環(huán)境照度的變化都會導(dǎo)致駕駛員的心生理產(chǎn)生變化。駕駛員在橋隧路段的心率增長率與距離的變化規(guī)律,如圖7和圖8所示。

圖7 心率增長率與距離的關(guān)系圖(橋梁路段)

在橋梁前60～200 m范圍內(nèi),駕駛員心率增長率都保持在27%以下,說明駕駛員處于舒適狀態(tài),在橋梁前90 m,駕駛員心率增長率開始逐漸增大,在進(jìn)入橋梁后0～10 m,駕駛員心率增長率增大至30.8%;在駛出橋梁前40 m,駕駛員心率增長率逐漸增大,在出口達(dá)到最大值為30.4%,超過舒適閾值,在距離出口72 m后,心率增長率降為27%以下,說明駕駛員開始恢復(fù)舒適狀態(tài)。

如圖8所示,在隧道入口前70 m,駕駛員心率增長率低于27%,在隧道前98 m,心率增長率達(dá)到最小值,為23.2%。隨后,駕駛員心率增長率開始增大,直至洞內(nèi)8 m,增大至35.95%;隨著隧道縱深的增加,心率增長率在25%～28%范圍內(nèi)呈現(xiàn)不同幅度的波動;在隧道出口前98 m,心率增長率開始增大,在出口達(dá)到峰值,為31.76%,駛出隧道后88 m,心率增長率趨于穩(wěn)定。

圖8 心率增長率與距離的關(guān)系圖(隧道路段)

在駛?cè)搿Ⅰ偝鰳蛄阂约榜側(cè)?、駛出隧道的過程中,駕駛員心率增長率都是呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。在橋梁起終點(diǎn)、隧道出入口的心率增長率出現(xiàn)波峰,心率增長率達(dá)到最大,在出入口附近心率增長率高于27%,駕駛員處于緊張狀態(tài),所以,從心率增長率來看,在這些路段同樣存在安全隱患。

通過散點(diǎn)圖分析橋隧過渡段上駕駛員心率增長率與速度的關(guān)系,如圖9所示,由于駕駛員行車存在加減速的過程,不同速度駕駛員的心率增長率變化不同。駕駛員在駛出橋梁后速度會有所增加,心率增長率會隨著速度的增大而增大(圖中綠色散點(diǎn));當(dāng)駕駛員注意到隧道后,速度逐漸降低,心率增長率有小幅度降低;駕駛員越來越接近隧道入口時(shí),速度雖然減小,但由于駕駛員駛?cè)胨淼?受到 “黑洞效應(yīng)”影響,心率增長率開始增加(如圖中黑色散點(diǎn))。因此為反映橋隧過渡段區(qū)段整體駕駛員心生理參數(shù)的變化情況,建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型,公式如下:

y2=-3.158 62V+0.021 89V2+137.960 42

(11)

式(11)的相關(guān)系數(shù)R=0.748 78,通過F檢驗(yàn)。

圖9 心率增長率與速度的關(guān)系曲線

4 橋隧過渡段最小安全間距設(shè)置

根據(jù)心率增長率變化規(guī)律,將在橋梁前駕駛員心率增長率增加過程車輛所行駛的距離取為L′q1,在橋梁后心率增長率降低過程車輛所行駛的距離取為L′q2,作為駕駛員適應(yīng)行車環(huán)境的最小安全距離。在隧道前心率增長率增加過程車輛所行駛的距離取為L′s1,在隧道后心率增長率降低過程車輛所行駛的距離取為L′s2,作為駕駛員適應(yīng)行車環(huán)境的最小安全距離。

結(jié)合速度、心率增長率的變化趨勢,確定橋隧路段不同連接形式下的安全間距。下面對2種不同連接形式分別討論。

1) 隧-橋-隧路段

在隧道-橋梁-隧道相連接時(shí),如圖10所示,橋隧過渡段的間距公式如下:

(12)

(13)

(14)

其中:t為駕駛員的反應(yīng)時(shí)間,取2.5 s;a為加速度,取2 m/s2;v1為橋梁前初始行車速度;v3為在橋梁上行駛的速度;v5為駛出橋梁恢復(fù)后的速度;v6為駛?cè)胨淼狼暗某跏妓俣?v8為在隧道行車的速度;v10為駛出隧道恢復(fù)后的速度;y1、y3、y5、y6、y8、y10分別為v1、v3、v5、v6、v8、v10對應(yīng)的心率增長率。

隧-橋-隧相連接時(shí),基于速度、心率的隧道出口、橋梁入口安全距離取最大值,橋梁入口與隧道出口的間距之和作為過渡段間距L1;基于速度、心率的橋梁出口、隧道入口安全距離取最大值,橋梁出口與隧道入口的間距之和作為過渡段間距L2。

2) 橋-隧-橋路段

在橋梁-隧道-橋梁相連接時(shí),如圖11所示。橋隧過渡段的間距公式如下:

(15)

其中:t為駕駛員的反應(yīng)時(shí)間,取2.5s;Ls1、Ls2、Lq1、Lq2、L′s1、L′s2、L′q1、L′q2的計(jì)算公式如式(13)、(14)所示。

橋-隧-橋相連接時(shí),基于速度、心率的橋梁出口、隧道入口安全距離取最大值,橋梁出口與隧道入口的間距之和作為過渡段間距L3?；谒俣?、心率的隧道出口、橋梁入口安全距離取最大值,橋梁入口與隧道出口的間距之和作為過渡段間距L4。

圖10 隧-橋-隧路段示意圖

圖11 橋-隧-橋路段示意圖

規(guī)范[21]對過渡段進(jìn)行了規(guī)定,將規(guī)范值與公式計(jì)算結(jié)果對比,如表3所示。

表3 過渡段長度規(guī)范值

通過式(12)—(14)計(jì)算得到設(shè)計(jì)速度100 km/h時(shí),L1、L4的最小值為123.32 m,L2、L3的最小值為141.04 m,大于規(guī)范值結(jié)果,說明更安全。綜合考慮過渡段的安全距離,建議L1、L2、L3、L4的值取整,最小為145 m。

5 結(jié)論

在橋梁路段,駕駛員心率增長率隨著速度的增加而增大;當(dāng)駕駛員注意到隧道后,速度逐漸降低,心率增長率有小幅度降低;在駕駛員接近隧道入口時(shí),駕駛員心率增長率隨著速度的減小開始增加。

綜合考慮了速度與心率增長率變化規(guī)律,提出橋隧不同連接形式的過渡段的安全間距的計(jì)算方法,確定了過渡段的最小安全間距值。