干線公路無控交叉口振動減速標線設計與舒適性評價*

余金林　徐良杰　劉啟遠　秦亞曉

(武漢理工大學交通學院　 武漢　430063)

干線公路無控交叉口振動減速標線設計與舒適性評價*

余金林徐良杰劉啟遠秦亞曉

(武漢理工大學交通學院 武漢430063)

摘要：為了降低干線公路無控交叉口處駕駛員超速行駛產生的交通事故，在交叉口處進行振動減速標線設計，并探討了振動減速標線的參數設計方法.采用改進加權加速度均方根與K值系數法相結合，建立振動頻率、振動幅度和車速變化因子的綜合舒適性評價模型.針對不同振動減速標線組數和車輛減速度，進行振動減速標線設計，分析不同減速效果下駕駛員的舒適性.

關鍵詞：干線公路；無控交叉口；振動減速標線；振動頻率；振動舒適性

余金林(1990- )：男，碩士生，主要研究領域為交通安全

0引言

通過對我國不同的公路交通條件分析，公路交叉口處發生的交通事故占總量的59%，是公路網絡中交通安全的瓶頸，而超速行駛是誘發交通事故的主要原因之一[1].超速行為產生的交通事故多為重大和特大交通事故，造成的人員的傷亡和財產損失十分嚴重.因此，針對公路交叉口的車速控制研究十分必要.

國內外車速控制主要應用于高速公路匝道出入口、長下坡路段和收費站等，車速控制的主要方法包括法規控制、心理控制和工程控制.其中，應用最多的是振動減速標線和視錯覺標線.顏先華等[2-3]在視錯覺標線的形狀、間距、尺寸,以及減速效果等方面進行了大量的研究，但是在長效機制作用下，視錯覺減速效果會減弱，而且設置過多的視錯覺標線容易引起駕駛疲勞.候樹展等[4-5]通過實地實驗并且統計分析，得出了振動減速標線的減速效果,以及減速規律.杜志剛等[6]提出了基于視錯覺的振動減速標線設計方法；袁振友，唐江[7-8]討論了一級公路交叉口處振動減速標線的設置方式，并給出了標線的大致間距尺寸，但是缺乏間距尺寸的具體設置分析.在研究汽車平順性評價時，Pennati等[9]給出了人體坐姿和立姿下的振動評價方法，并給出了加權加速度均方根(RMS)評價指標；Janeway[10]以振動頻率和振幅為主要影響因素建立舒適性評價模型，并給出相應的舒適性評價標準，但是針對振動減速標線與駕駛員舒適性之間的關系研究比較缺乏.

綜上所述，振動減速標線在高速公路匝道、轉彎處，以及一級公路交叉口的應用十分廣泛，但是缺乏振動減速標線的具體設計方法，同時也缺乏對設計后的振動減速標線舒適性評價.

因此，探討分析在不同振動標線組數和車輛減速度下，干線公路無控交叉口功能區的振動減速標線具體設計方案，通過振動警示進行車速控制，確保車輛以安全車速通過交叉口，并對不同設計方案進行振動舒適性評價，為干線公路無控交叉口的振動減速標線優化設計提供依據.

1振動減速標線設計方法

1.1前提條件

根據文獻[11]，以及汽車制動性能、公路條件、司機反映特性，振動減速標線設計需滿足以下條件：(1)車輛通過減速標線參數按照車輛以1.8 m/s2～3 m/s2的減速度進行設計，且通過振動減速標線區域的車輛做勻減速運動；(2)為了保證振動節奏感，每道減速標線間隙和標線本身寬度相等；(3)為了保證乘客和駕駛員的舒適性，車輛通過各組標線間隔時間應該大致相等.

1.2線條寬度

已知，小汽車軸距為2.2～2.8 m，大車軸距5.6 m，為了不至于前輪和后輪同步感受振動而降低節奏感和振動效果，每組振動減速標線寬度小于2.2 m才能滿足小汽車和大車的振動警示效果.假設每組振動減速標線設置3道，為了保持節奏感，每道減速標線間隙和標線本身寬度相等，于是每道標線寬度應該小于2.2/(3+2)=0.44 m.根據汽車合理振動頻率,以及振動節奏感和減速要求，每道標線設置0.3 m時最符合，因此，取振動減速標線的線條寬度0.3 m.

1.3凸起高度

根據研究表明，方形點狀凸起減速效果好.因此，主要考慮將交叉口前振動減速標線的凸起設置為方形點狀，并且結合振動減速標線設計規范，將凸起高度設置為3～8 mm.

1.4振動減速標線區長度

車輛駛入干線公路進入交叉口的初始車速設為v1，到達交叉口前控制車速v0.根據運動學公式可以確定振動減速標線區的長度.

(1)

式中：s為振動減速標線區域總長度；v1為車輛進入振動減速標線前車速；v0為車輛通過振動減速標線后車速；a為車輛采取的減速度.

1.5相鄰標線組距

由于車輛通過每組振動減速標線的時間是相同的，根據運動學公式可以確定相鄰2組振動減速標線的間距.

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：t為車輛通過相鄰組標線的時間；f為振動減速標線的頻率；n為振動減速標線的組數；vi為車輛通過第i組振動減速標線時車速，i>1；Δsi為第i+1組振動減速標線和第i組振動減速標線的間距.

2駕駛員舒適性評價模型

影響人體對振動反應的主要因素包括振動頻率、振動強度和作用時間.然而，通過分析車輛減速運動的過程，計算得出交叉口處設置的振動減速標線作用的時間不超過10 s，可以忽略作用時間的影響.因此，主要通過振動頻率、振幅和車速變化等指標進行駕駛員舒適性評價建模.其中，振動頻率和車速變化均與車型無關，振幅與車輛減振系統相關，因此，為了提高模型的精確性，提出不同車輛的振幅修正系數λ.

傳統的加權加速度均方根值模型[12]是由振動頻率與其功率密度譜函數得出，即

(7)

(8)

(9)

然而，討論的振動減速標線的振動頻率是固定的，而車速是均勻變化的，因此，將上述模型改進得到振動頻率因子與車速因子的振動舒適性評價模型.

f=v·n

(10)

(11)

將式(10),(11)代入式(7)～(9)，得到適用于振動減速標線的評價模型，同時結合K值系數法，分別得到振動頻率因子與速度因子、振動頻率因子與振幅因子的綜合振動舒適性評價模型，具體如下.

aw=

(12)

(13)

式中：aw為加速度加權均方根值，m/s2；K為振動舒適性指標值；ω(f)為頻率加權函數，f<2 Hz，取值0.5 Hz；Ga(n0)為參考空間頻率n0對應的功率譜密度函數,256×10-6；n為空間頻率，n0=0.1 m-1；Δsi為第i+1組標線和第i組標線之間的間距；m為振動減速標線組數，取值5,7,9；β為頻率指數，一般取2；v為車速；λ為振幅修正系數，與車輛的減振器作用相關，一般取值0.3～1；A為凸起標線高度，mm；f為振動頻率.

評價標準：

1) 加速度加權均方根值當aw<0.315 m/s2時，駕駛員沒有感覺不舒適；當0.315 m/s2

2)K值系數法當K<1時，駕駛員沒有感覺到不舒適；當110時，駕駛員感覺到非常不舒適.

3案例分析

3.1方案設計

由于干線公路無控交叉口是由主線和支線交叉形成，所以主要探討主線振動減速標線的設計.干線公路在路段的車速可以達到限速值，假定干線公路v1限定為 80 km/h；車輛進入交叉口前需保持安全車速行駛，到達交叉口前控制車速v0限定為20 km/h，為了保證車輛達到控制車速，在交叉口前設置20 km/h的限速標志.根據文獻[13]，駕駛員反映到操作時間在0.4～1 s之間，取最大值1 s，制動器制動時間在0.2～0.9 s，平均減速度為3～4 m/s2.代入式(4)中，計算得車輛安全停車距離為15 m，因此第一組減速標線距離交叉口的安全距離為15 m.

振動減速標線寬度取值0.3 m，凸起高度取值3，5，8 mm，按照a=1.8,2.0，2.2，2.4，2.6，2.8，3.0 m/s2的車輛減速度，以及分別采取5,7和9組的設置方案.其中3 mm和8 mm分別是規范要求的最低值和最高值，5 mm為參考值；a=1.8 m/s2是規范要求的最小值，a=3.0 m/s2是規范要求的最大值，其他減速度為參考值；為了保證振動強度的合理過渡，靠近交叉口處的幾組減速標線設置2道，遠離交叉口的幾組設置為3道，見表1.

表1　不同減速度、振動減速標線組數下振動減速標線設計方案

3.2方案評價

利用上述的改進加權加速度均方根與K值系數法結合的雙重評價模型，對駕駛員感知振動的舒適性評價，得到評價指標值見圖1～3.

評價結果：

1) 當車輛以1.8～3.0 m/s2的減速度進行減速時，利用加速度加權均方根值的舒適性評價模型(振動頻率因子和車速因子)得出駕駛員感知的aw均小于0.315 m/s2，振動減速標線并沒有對駕駛員產生不舒適感.

2) 當車輛以1.8～3.0 m/s2的減速度進行減速時，利用K值系數法的舒適性評價模型(振動頻率因子和振幅因子)得出：當振動凸起高度A小于5 mm時，駕駛員感知的K值一般都大于1且小于10，振動減速標線對駕駛員產生輕微不舒適感；當振動凸起高度A=8 mm，設置9組振動減速標線時，駕駛員感知的K值部分都大于10，振動減速標線對駕駛員產生不舒適感.

圖1　車輛減速度與振動頻率的關系(m=5、7、9)

圖2　不同設計方案的改進加權加速度均方根舒適性評價結果

圖3　不同設計方案的K值系數法舒適性評價結果

3)隨著減速度值的增大和標線組數的增加，駕駛員感知的K值會增大；當振動凸起高度A超過5 mm時，有部分標線設置方案讓駕駛員感知的K值大于10，會產生不舒適性；當振動凸起高度A等于8 mm、車輛以采取的減速度a大于2.4 m/s2時，駕駛員對9組振動減速標線感知的K值均大于10，會產生不舒適感.

4結論

1) 提出了干線公路無控交叉口的振動減速標線設計方法和舒適性評價.改進加權加速度均方根與K值系數法結合的雙重評價模型充分的考慮了振動頻率、振幅和車速變化對駕駛員感知的舒適性影響，可以為振動減速標線的參數優化設計提供依據，在保證減速效果的前提下，避免振動減速標線產生的不舒適性負面效果.

2) 當振動標線凸起高度小于5 mm時，雙重評價模型得出的車輛以1.8～3 m/s2的減速度的舒適性較好，設計的方案均可以接受，當振動標線凸起高度大于5 mm時，宜設置7組以下標線，不宜設置9組標線.

3) 隨著振動頻率的增加，駕駛員感覺的舒適性逐漸變差，當振動標線凸起高度小于5 mm并且振動減速標線設置9組時，建議車輛采取1.8～2.4 m/s2的減速度進行設計較好.

4) 由于振動減速標線作用于駕駛員的時間較短，忽略了振動時間因素.后續工作需要進一步細化研究振動時間對駕駛員舒適性的影響.

參 考 文 獻

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[13]裴玉龍.道路交通安全[M].北京：人民交通出版社，2004.

中圖法分類號：U491.1

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.031

收稿日期：2014-10-15

Transverse Rumble Strips Design And Comfort Evaluation
at Arterial Highway Unsignalized Intersection

YU Jinlin XU Liangjie LIU Qiyuan QIN Yaxiao

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Abstract：To reduce the traffic accidents caused by driver’s speeding behavior,this paper sets transverse rumble strips at the functional area of intersection,and discuss its’ parameters design method.After that, we use improved weighted acceleration RMS and K coefficient method to establish the drivers’ comfort model by vibration frequency/amplitude/speed change.At last,we design some cases which are different from each other by deceleration and group, analyse drivers’ comfort and use it to optimize the transverse rumble strips design

Key words：trunk highway;unsignalized intersection;transverse rumble strips;vibration frequency;vibration comfort

*國家自然科學基金項目資助(批準號：51108362)