高速公路橋梁臨界結冰風險駕駛行為分析

申全軍, 樊兆董, 王孜建, 張昱, 楊耀輝

(1.山東高速集團有限公司創新研究院, 濟南 250000; 2.山東省交通科學研究院, 濟南 250000)

高速公路橋梁是保障交通運輸事業發展的瓶頸路段,是公路網組成的重要紐帶,其交通運行狀態決定了整個道路網運行的效率和安全性。隨著中國高速公路里程的增加,高速公路橋梁的數量顯著增加,但是中國氣候環境復雜,由于高速公路橋梁的特殊構造,相比普通路面更容易遭受不良天氣的影響[1],據統計高速公路橋梁路段交通事故死亡率約為全部道路交通事故死亡率的3倍[2],其中橋面結冰是影響高速公路橋梁運行安全的主要因素,因此探索結冰環境下的橋梁運行風險對提升通行安全水平具有重要的意義。目前國內外針對橋梁的研究主要集中橋梁荷載方面或者高速公路路面橋面整體結冰狀態下運行風險方面,而針對橋梁結冰的臨界點的研究比較少。橋梁結冰的臨界點是指在低溫環境下空氣濕度較大或降雨雪時,橋面溫度小于或等于0 ℃,而路面溫度高于0 ℃的節點。橋梁結冰的臨界點具有較大的危害,往往由于不可預知的特殊性,造成嚴重的交通事故。

國內外專家學者針對道路結冰風險從多個角度開展研究,胡繼超等[3]、李佑珍等[4]研究了道路結冰的不同預測模型,白永清等[5]利用Logistic回歸方法對高速公路橋梁結冰預警開展研究;Najafi等[6]基于模糊理論研究路面摩擦因數與濕滑系統之間的關聯性。王強等[7]以路面材料為變量研究不同材料在路面結冰條件下的摩擦因數變化量。譚憶秋等[8]探討了冰雪路面的胎-冰-路摩擦機理、影響因素、預估模型及其評價方法。趙曉華等[9]運用駕駛模擬技術分析多種雨、雪、霧等不良天氣對直線路段下跟馳行為的影響以及不良天氣對交通流的影響。朱興林等[10]從駕駛負荷的角度研究了降雪等5種不良天氣對駕駛安全的影響。溫惠英等[11]基于事故與風險理論研究了公路交通中的雨霧天氣的風險要素,提出了確定公路運行風險值的方法。李青林等[12]從駕駛行為變化特性入手研究不同交通環境下換道規律。

國內外專家對公路路面的結冰進行了豐富的研究,提出了多種模型方法,對指導路面結冰風險管控提供了理論支持[13-15]。但是針對路面-橋面過渡處的橋梁臨界結冰點的研究較少,管控方案的研究籠統、缺乏針對性。基于此,現針對橋梁臨界結冰點的安全影響分析問題,通過采用環境模擬實驗艙模擬橋梁臨界結冰點的狀態并獲取相關數據,結合高自由度駕駛模擬實驗系統研究在橋梁臨界結冰點時駕駛員的駕駛行為特征,分析駕駛員在臨界狀態的風險特征,以期為橋梁結冰風險管控提供理論支撐。

1 環境模擬實驗

1.1 試驗設備

環境模擬實驗設備采用氣象環境模擬實驗艙,如圖1所示。該實驗艙能夠模擬降雨、降雪、結冰等不同環境類型。實驗艙7 m長、4.5 m寬、2.5 m高;實驗艙可實現-30～60 ℃的溫度調節;相對濕度控制范圍為40%～95% ;降雨強度范圍為0～40 mm/h;覆冰強度范圍為0～2 mm/h;降雪強度范圍為0～5 mm/h。

圖1 環境模擬實驗Fig.1 Environmental simulation experiment

試驗采用T2GO便攜式連續摩擦因數測定儀測試路面的摩擦因數,該設備能夠有效地模擬車輪剎車的真實過程,可以連續采集路面的摩擦因數(測量間距30 mm)。另外,試驗過程中利用維薩拉遙感道面狀態傳感器DSC111監測冰層厚度、水膜厚度,檢測厚度為0～99 mm,檢測精度為0.01 mm。

1.2 試驗道路及因素設計

試驗道路為由3 m長、5 cm厚的車轍板組成的路面,作為實驗路面。考慮實驗室地面為5 mm厚鐵板,因此車轍板直接放置于鐵板上組成實驗路面。

1.3 實驗環境因素設計

根據針對橋梁和路面的溫度差異研究[16]判斷橋梁結冰的臨界條件,一般情況下橋梁鋪裝面與路面的溫度差異在2 ℃左右,因此實驗設計針對道路結冰的現象在路橋連接處出現橋面結冰、路面未結冰的現象,設計出以下3種實驗方案,如表1所示,實驗方案均保持在穩定狀態。

表1 環境模擬實驗路面橋面狀態控制數據

1.4 實驗過程

步驟1控制氣象環境模擬實驗艙保持常溫的狀態,當路面狀態穩定后,用連續摩擦因數測定儀在路面相近點位測量摩擦因數,連續測兩三次,記錄實驗數據。

步驟2控制氣象環境模擬實驗艙降降低溫度至零下,并開始降小雪,狀態穩定后,對模擬路面加熱控制溫度為1 ℃,對模擬橋面控制溫度為-1 ℃,狀態穩定后,用連續摩擦因數測定儀在路面相近點位測量摩擦因數,連續測兩三次,記錄實驗數據。

步驟3控制氣象環境模擬實驗艙降低溫度至0 ℃,狀態穩定后,對模擬路面加熱控制溫度為1 ℃,對模擬橋面控制溫度為-1 ℃,對模擬路面及橋面噴水,至模擬橋面出現薄冰且狀態穩定后,用連續摩擦因數測定儀在路面相近點位測量摩擦因數,連續測兩三次,記錄實驗數據。

1.5 實驗數據分析

實驗結果如圖2所示,干燥路面環境下,路面與橋面的摩擦因數基本一致,不同點位的摩擦因數分布比較均勻,均為0.72左右;實驗“雪天”條件下,路面由于未結冰的原因其摩擦因數與橋面的差別較大,其中路面的摩擦因數在0.42左右,橋面的摩擦因數在0.15左右;實驗“薄冰”條件下,路面的摩擦因數在0.53左右,橋面的摩擦因數在0.26左右。根據路面模擬環境實驗,可知干燥環境下路面橋面的摩擦因數一致;雪天環境下,路面段雪融化,前面段部分雪融化并結薄冰,導致路橋摩擦因數突變,橋面摩擦因數降為路面的1/4;薄冰環境下,橋面薄水膜結冰致使摩擦因數變小,降為路面的1/2左右。

圖2 環境模擬實驗摩擦因數變化圖Fig.2 Variation of friction coefficient in environmental simulation experiment

2 駕駛模擬實驗設計

2.1 實驗設備

實驗的主要目的是在不同路面-橋面連接狀況下采集不同駕駛員的行為數據研究駕駛行為變化規律,擬采用設備為六自由度駕駛模擬實驗系統,如圖3所示。其中六自由度駕駛模擬實驗系統擁有六自由度運動平臺;可實現縱向、橫向、垂直、翻滾、俯仰、偏擺等運動,可全景展示高速公路道路環境、交通環境、氣象環境等;可以 30 Hz 的頻率記錄車輛運行參數,包括速度、加速度、側位移、油門、剎車、方向盤轉角、離合、車輛坐標等車輛參數。

圖3 駕駛模擬實驗設備Fig.3 The equipment of driving simulation experiment

2.2 實驗人員

實驗中共招募25名具有高速公路駕駛經驗的被試人員,為確保實驗結果的科學性和有效性,招募的被試人員均具有2年以上駕齡(標準差9.03)。其中男性17人,女性駕駛員8人,年齡分布在25～57歲,平均年齡34.24歲(標準差為9.973),平均駕齡11.47年(標準差為6.39)。

2.3 駕駛模擬實驗場景

駕駛模擬實驗研究橋梁在臨界狀態下橋面干燥、薄雪、薄冰3種狀態下的駕駛行為變化規律,模擬駕駛實驗場景根據環境模擬實驗結果進行場景設計;同時為避免出現“無聊駕駛”的現象,對場景線性增加彎道、縱坡等多種駕駛任務,保證駕駛員良好的駕駛狀態,實驗場景路線圖如圖4所示。

圖4 駕駛模擬實驗場景線型Fig.4 Linetype of driving simulation experiment scene

場景交通流設計為自由流,交通參與對象包括小客車、小貨車、大型貨車等多種交通類型。

駕駛模擬3種實驗場景采用3D技術開發,全景模擬路面及橋面的積雪、結冰的狀態,場景開發如圖5所示。基于環境模擬實驗確定模擬狀態下路面橋面摩擦因數,如表2所示。

表2 駕駛模擬實驗場景路面及橋面摩擦因數值

圖5 駕駛模擬實驗場景Fig.5 Driving simulation test scenario

圖6 駕駛模擬實驗過程Fig.6 The process of driving simulation experiment

2.4 駕駛模擬試驗過程

實驗過程中,被試人員嚴格按照實驗員的要求,完成實驗。

(1)采集駕駛人員基本信息,包括年齡、駕齡、性別、駕駛里程、有無高速公路駕駛經驗、精神狀態等信息,確保駕駛員具有良好的駕駛經驗及實驗狀態。

(2)適應駕駛模擬,打開與實驗場景無關的道路場景,被試人員完成5 min的試駕,并提出試駕過程中的問題,由實驗員進行解決,確認試駕沒有問題后,準備開始實驗。

(4)正式開始實驗,由實驗員控制駕駛模擬實驗系統,打開相應的模擬場景,并確認采集數據模塊打開,開始實驗,實驗過程中出現交通事故(根據事故類型,實驗員完成記錄)的情況判斷繼續實驗或重新開始實驗。實驗完成后,確認數據采集全面準確。

(5)完成實驗問卷調查,包括駕駛模擬設備的操作性能實驗調查以及駕駛模擬場景感受調查。

3 駕駛模擬實驗數據分析

為精準研究駕駛員在橋面臨界狀態下的駕駛行為變化規律,實驗數據截取路橋連接處前后100 m的駕駛數據,并且每20 m取一次數據均值。

3.1 影響指標建立

平均速度:是指車輛在通過路橋連接處車輛運行速度的均值,反映車輛運行安全性。根據研究的特征定義平均速度越接低,駕駛安全性越高。

縱向加速度:車輛加減速度的變化情況,反映了駕駛員的心理變化狀態。研究定義縱向加速度變化越小越安全,即其絕對值越接近于0,心理舒適性越高。

橫向加速度:車輛橫向運動的變化狀態,反映了車輛行駛的穩定性。研究定義橫向加速度變化越小越安全,即其絕對值越接近于0,車輛運行越穩定。

方向盤轉角:駕駛員操作方向盤的狀態,反映了行駛操作狀態安全性。研究定義橫向加速度變化越小越安全,即其絕對值越接近于0,操作狀態越安全。

3.2 臨界條件下駕駛行為分析

根據對路橋連接處駕駛行為分析,在3種路橋連接處不同臨界狀態下駕駛員的平均速度、縱向加速度、橫向加速度、方向盤轉角等指標存在顯著的差異,如圖7～圖10所示。從平均速度可知在路橋連接點處在小雪、薄冰與干燥路面狀態下的平均速度顯著不同(F=6.501,P=0.006),當通過臨界點時,摩擦因數降低,駕駛員為保證行駛安全選擇降速行駛,且薄冰狀態下減速最快;另外針對縱向加速度,3種路面狀態下駕駛員在路橋連接處均采取不同程度的減速,但在臨界條件下不同路面狀態減速過程存在不同(F=1.995,P=0.158)。結冰及小雪路面狀態下車輛通過路橋連接處出現較為顯著的減速行為,表明駕駛員在該狀態下出現緊張心理,從而發生快速減速行為。從橫向加速度可知干燥路面與小雪及薄冰路面顯著不同(F=5.132,P=0.014),小雪及薄冰路面狀態下橫向加速度變化較大,車輛出現輕微的左右晃動,其穩定性較差。從方向盤轉角可明顯看出3種路面狀態存在顯著不同(F=6.917,P=0.004),干燥路面下方向盤比較穩定,小雪及薄冰路面條件下駕駛員為保證安全對方向盤進行較頻繁調整,提高車輛在臨界狀態下的穩定性。總體來看在小雪及路面薄冰狀態下駕駛員的駕駛行為特征較干燥路面狀態下顯著不同,隨著摩擦因數的變化,駕駛員采取減速、穩定行駛方向的行為保證在路橋連接處臨界狀態下駕駛安全,同時反映了該臨界狀態下對駕駛的影響規律以及風險水平。

圖7 路橋連接處平均速度Fig.7 Average speed at the junction of road and bridge

圖8 路橋連接處縱向加速度Fig.8 Longitudinal acceleration at the junction of road and bridge

圖9 路橋連接處橫向加速度Fig.9 Lateral acceleration at the junction of road and bridge

圖10 路橋連接處方向盤轉角Fig.10 Steering wheel angle at the junction of road and bridge

4 路橋連接處臨界狀態下風險評估

4.1 基于熵權的功效系數

為進一步評估在路橋連接處臨界狀態下駕駛行為的綜合風險水平,研究擬選擇平均速度、縱向速度標準差、橫向速度標準差、方向盤轉角4個微觀駕駛行為指標,運用熵權法確定4個指標的權重,并基于功效系數分析方法建立路橋連接處臨界狀態下風險值,功效函數法根據多目標原理對每一項評價指標確定一個滿意值和不允許值,以滿意值為上限,以不允許值為下限,計算各指標實線滿意值的程度,經過加權平均進行綜合,實現對研究對象的綜合評估。該方法可充分提高個方案的對比性,保證結果的科學和理性。

評估過程如下。

步驟1確定反映路橋連接處臨界狀態的駕駛行為指標xi(i=1,2,…,n)。

步驟2根據選擇的平均速度、縱向加速度、橫向加速度、方向盤轉角4個駕駛行為指標的含義,分別確定3種路面狀態下的最優值及最劣值,

步驟3計算各個指標的單項功效系數,計算公式為

(1)

步驟4選擇熵權法計算4個指標的權重ωi,熵權法是從客觀角度結合各指標數據變化基礎上的綜合定權方法,其主要是結合指標貢獻的信息量大小來確定權重。熵權法應用比較成熟,具體過程參考相關文獻[17]。

步驟5結合各指標權重值,分別計算3種不同路面狀態下的總體功效系數,進而確定路橋連接處臨界狀態下風險值,具體計算公式為

(2)

4.2 路橋連接處臨界狀態風險評估

運用功效系數法的多目標評估優化的優勢計算3種不同路面狀態下的駕駛風險值,具有較強的實用性。通過駕駛模擬實驗獲取路橋連接處臨界狀態下干燥、小雪、薄冰等3種路面狀態下的平均速度、縱向加速度、橫向加速度、方向盤轉角4個指標的數據,并分別計算每個方案各項指標的功效系數,如表3所示。

表3 路橋連接處臨界狀態下不同路面狀態的功效系數值

運用熵權法得出平均速度、縱向加速度、橫向加速度、方向盤轉角4個風險判斷指標的權重值,如表4所示。

表4 單項指標權重

在確定4個指標權重的基礎上,分別計算路橋連接處臨界狀態下的干燥路面、小雪路面、薄冰路面的總功效系數,即確定不同路面狀態下的風險值,如表5所示。

表5 3種路面狀態的風險值

根據表5可以得出3種路橋連接處臨界路面狀態的風險水平,薄冰路面狀態下具有較高的運行風險,小雪路面運行風險與薄冰路面接近,干燥路面狀態下風險水平相對較低。因此可知,在路橋連接處于臨界狀態時,橋面結冰或積雪對駕駛安全具有較大的風險,同時表明了該方法對評估路橋連接處于臨界狀態下的風險水平具有較好的效果,能夠直觀地反映出在臨界狀態下路橋連接處的駕駛行為變化規律及風險程度。

5 結論

基于環境艙實驗系統以及駕駛模擬實驗系統,針對路橋連接處不同路面狀態在臨界條件下的駕駛行為規律分析以及風險評估的問題開展研究。研究選擇干燥路面、小雪路面、薄冰路面3種不同的路面狀態,運用環境實驗獲取路橋連接處臨界條件下干燥、小雪、結冰等狀態下的摩擦因數,并對其變化規律進行分析。基于環境實驗結果,研究運用駕駛模擬實驗獲取多種駕駛行為數據,并選取平均速度等4項評價指標對路橋連接處臨界條件下的駕駛行為進行分析,研究駕駛員在路橋連接處臨界狀態下的不同駕駛行為變化規律,并運用功效系數法研究了路橋連接處不同路面狀態的駕駛風險評估。研究得出以下結論。

(1)路橋連接處在結冰臨界狀態下(滿足結冰條件下)路面與橋面路面摩擦因數存差別較大。

(2)在路橋連接處不同的路面狀態駕駛行為顯著不同,其中在路橋連接處結冰臨界狀態下存在急減速、車輛行駛不穩定的現象。

(3)在路橋連接處不同的路面狀態駕駛風險水平不同,薄冰條件下風險最高,對駕駛安全的影響較為突出。