基于駕駛員視認性的山區(qū)雙車道公路交叉口停車視距計算

劉 浪，白 彬，燕 南，高建平

(1.重慶交通大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院，重慶 400074；2.四川道通達工程技術(shù)有限公司 總工辦，四川 成都 610000；3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

基于駕駛員視認性的山區(qū)雙車道公路交叉口停車視距計算

劉 浪1，白 彬2，燕 南3，高建平3

(1.重慶交通大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院，重慶 400074；2.四川道通達工程技術(shù)有限公司 總工辦，四川 成都 610000；3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

針對山區(qū)雙車道公路交叉口視距不良現(xiàn)象，通過分析駕駛員在交叉口的識認性特性，研究了山區(qū)雙車道公路交叉口行車過程較平原區(qū)公路交叉口駕駛員增加轉(zhuǎn)動頭部或身體的時間過程。采用Smart eye 5.7眼動儀對駕駛員通過山區(qū)雙車道公路交叉口的識認性進行實車試驗，并根據(jù)駕駛員的注視時間(包括眨眼、掃視和注視時間)和山區(qū)公路交叉口幾何數(shù)據(jù)(包括交叉角度和支路坡度)，分別建立了基于駕駛員視認性的無控交叉口和停讓交叉口停車視距計算模型，并根據(jù)所建模型計算了山區(qū)雙車道公路交叉口停車視距及其建議值，為山區(qū)公路交叉口的設(shè)計提供理論依據(jù)。

交通運輸工程；山區(qū)雙車道公路；停車視距；駕駛員視覺特性；交叉口

0 引 言

據(jù)交通事故統(tǒng)計表明[1]，交叉口是道路交通事故的高發(fā)路段，是影響道路交通整體安全的關(guān)鍵元素。交叉口事故率高的重要原因主要是駕駛員未能及時發(fā)現(xiàn)交叉口及其潛在沖突，做出正確的操作行為，主要表現(xiàn)為駕駛員不能在沖突前及時停車而造成交通事故。

山區(qū)公路運行車速一般高于設(shè)計速度，交叉口受到地形等的影響較大，普遍存在視距不滿足駕駛員期望的情況，同時其交通方式復(fù)雜，控制方式落后，交通流受到不同方向車輛的干擾，帶來更大的安全隱患。以往的交叉口研究又大多以平面研究為主[2-5]，很少將平、縱斷面結(jié)合起來研究。筆者通過山區(qū)公路交叉口實車試驗，在分析駕駛員視覺特點、交叉口行車特性和交通特性的基礎(chǔ)上，提出了基于駕駛員視認性的停車視距計算方法，并建立了無控交叉口和停讓交叉口安全停車視距計算模型。

1 山區(qū)雙車道公路交叉口駕駛員識認性分析

如圖1，A，B，C分別表示交叉口3個不同的方向。若駕駛員從C方向行駛過來時，由于交叉口交叉角度較小或支路接入縱坡較大時，駕駛員很難觀察到其他2個方向交通情況。這時，駕駛員就會通過扭轉(zhuǎn)頭部甚至上部身體來獲得其他相交路段的交通信息，從而進行操作行為決策。交叉角度越小或接入縱坡越大時，駕駛員的轉(zhuǎn)動幅度就越大，直行車輛通過交叉口的距離也增大。由于駕駛員的轉(zhuǎn)頭行為，一方面會增加駕駛員的反應(yīng)時間和觀測時間，導(dǎo)致交通流延誤；另一反面，還會導(dǎo)致駕駛方向的改變，從而導(dǎo)致交通事故等。

2 駕駛員獲取信息時間試驗

2.1 試驗?zāi)康?/p>

由于交叉口小交叉角和大縱坡的影響，駕駛員需要較大幅度地轉(zhuǎn)動頭部甚至上部身體來獲得相交道路的車輛信息，以決定下一步的操作行為，這樣就增加了駕駛員獲取信息的時間，造成停車視距的增加。通過試驗及現(xiàn)場調(diào)研，在研究山區(qū)公路交叉口行車特性和駕駛員視覺特性的基礎(chǔ)上，確定駕駛員通過山區(qū)公路交叉口時獲取信息時間，表現(xiàn)為駕駛員轉(zhuǎn)動頭部或身體觀察沖突車輛的時間，并以此建立山區(qū)雙車道公路交叉口停車視距模型。

2.2 實驗過程

一般情況下，駕駛員注視點主要分布在路段前方。當接近交叉口時，注視點開始移動到相交路段上并主要集中在沖突車輛上。注視點左右移動的過程即為駕駛員轉(zhuǎn)動頭部或身體觀察沖突車輛的過程，注視點移動過程發(fā)生的時間即為駕駛員獲取信息時間。

試驗采用Smart eye 5.7眼動儀測量駕駛員通過交叉口的眼動數(shù)據(jù)和i80GNSS接收機測量交叉口的交叉角度和坡度，保證了試驗數(shù)據(jù)的精確度。為了避免試驗的偶然性，試驗選擇8名有經(jīng)驗的駕駛員分別在試驗路段上自由行駛。用眼動儀記錄車輛通過交叉口時駕駛員的眼動數(shù)據(jù)，分析車輛在接近交叉口時(一般為距交叉口中線100 m附近)，駕駛員注視點分布情況。

2.3 試驗數(shù)據(jù)分析

2.3.1 參數(shù)選取

1)交叉口交叉角度和支路接入縱坡

根據(jù)交叉口運行特征，交叉口交叉角度和支路縱坡是影響駕駛員獲取信息時間的主要因素，另外還受到駕駛員自身等因素的影響。試驗采用RTKGPS-i80GNSS測量交叉口的交叉角度和支路縱坡，作為此次研究山區(qū)公路交叉口停車視距的主要變量見表1、表2。

表1 山區(qū)雙車道公路交叉口交叉角度統(tǒng)計

Table 1 The statistics of intersection angles of two-lane mountainous highway intersection

交叉角度/(°)15～3030～4545～6060～7575～90數(shù)量/個6812811

表 2 山區(qū)雙車道公路交叉口縱坡坡度統(tǒng)計Table 2 The statistics of longitudinal slope of two-lane mountainous highway intersection

2)注視點

主要表征駕駛員通過交叉口時的觀察情況，反映了一段時間內(nèi)駕駛員的注視焦點。駕駛員獲取信息過程包括眨眼、注視和掃描3個過程。統(tǒng)計駕駛員在進入交叉口時注視點由行駛正前方方向轉(zhuǎn)向左側(cè)或右側(cè)方向過程中眨眼、注視和掃描的總時間，即為駕駛員通過交叉口時轉(zhuǎn)頭觀察及回轉(zhuǎn)時間。

如圖2，車輛從接近到駛?cè)虢徊婵跁r，駕駛員注視點的分布情況。車輛在路段上行駛時，駕駛員注視點主要集中在坐標左側(cè)(該交叉口支路為曲線)，當經(jīng)過交叉口時，為了觀察其他方向的交通情況，注視點開始偏移到坐標右側(cè)部分。此過程即為車輛通過交叉口時駕駛員轉(zhuǎn)頭或轉(zhuǎn)動身體觀察過程。

通過駕駛員眼動試驗，統(tǒng)計了駕駛員在通過交叉口時，駕駛員頭部轉(zhuǎn)動及觀察時間與交叉口交叉角度和支路接入坡度的數(shù)據(jù)如表3。

圖2 駕駛員注視點坐標散點Fig.2 The scatter plot of driver’s gaze point in coordinate

表3 駕駛員觀察時間分布

Table 3 The statistics of driver’s observation time distribution

交叉角度/(°)坡度觀察時間/s交叉角度/(°)坡度觀察時間/s300.0602.4330400.0401.7312500.0131.8667450.0301.9460900.0201.1667900.0451.1650700.0121.2667800.0501.8302300.0302.1333600.0201.3542570.0501.9756500.0151.3830650.0101.4333900.0802.1630350.0302.0667750.0602.0336850.0501.9500300.0401.5350600.0151.5667800.0101.2362150.0101.9000600.0131.2045750.0701.8007900.0151.0465900.0101.0325600.0501.6250350.0451.8000350.0231.8350300.0231.9770200.0251.9633500.0101.3520500.0802.0366500.0121.3667450.0601.9860100.0051.9630700.0501.8560180.0502.5300250.0151.6771500.0031.3200800.0201.0377850.0301.7300450.0101.2665200.0201.8333600.0101.0845

2.3.2 交叉口獲取信息時間分析及模型建立

通過試驗記錄數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，表4為數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果。

表4 相關(guān)性參數(shù)

通過表4可知，該回歸模型的R2為0.702，R2修正值為0.688，相關(guān)性較好，表明駕駛在通過山區(qū)公路交叉口時，獲取信息的時間同時受到交叉口交叉角度和支路縱坡的影響。

根據(jù)表5，交叉口交叉角度和坡度顯著性檢驗中的概率值都為0，均小于0.05。所以，駕駛員通過交叉口的轉(zhuǎn)頭觀察時間回歸模型可建立為如式(1)線性模型：

t1=1.794-0.009θ+12.003i

(1)

表5 回歸模型參數(shù)

2.4 試驗注意事項

1)山區(qū)公路交叉口多為畸形交叉口，其幾何特征復(fù)雜，駕駛員通過交叉口時受到多種因素的影響。由于條件限制，筆者只考慮了交叉角度和支路縱坡的影響，其他對駕駛員通過交叉口影響因素忽略不計，例如交叉口支路曲線半徑等。

2)試驗道路為山區(qū)雙車道公路，進入交叉口時，車輛行駛速度較低，所以同一交叉口，駕駛員以不同速度行駛時，其轉(zhuǎn)頭觀察時間變化不大，即行駛速度對駕駛員通過交叉口時的轉(zhuǎn)頭觀察時間無影響[6]。

3 山區(qū)公路交叉口安全停車視距計算模型

3.1 停車視距

為了保證交叉口的行車安全，駕駛員在距交叉口前一定距離內(nèi)必須觀察到交叉口的道路狀況、行車情況及交通控制設(shè)施，以保證當交叉口出現(xiàn)沖突車輛時，駕駛員能在一定距離內(nèi)平穩(wěn)地停車或減速，從而保障行車的安全。

3.1.1 無控交叉口停車視距原理

無控交叉口是指具有同等通行權(quán)的兩條道路相交而成且不采取任何管理措施的交叉口。在無控交叉口，各進口處車輛路權(quán)平等，所有車輛都需在交叉口沖突點前制動停車避讓的義務(wù)，所以各方向進口道路都可按照在沖突點前制動停車避讓其他車輛安全通過的原理計算停車視距。停車視距包括反應(yīng)距離和制動距離，即

(2)

式中：S1為反應(yīng)距離，S2為制動距離；t為反應(yīng)總時間；φ為路面與輪胎之間的附著系數(shù)，與路面潮濕度有關(guān)；f為動阻力系數(shù)，與路面結(jié)構(gòu)、輪胎結(jié)構(gòu)和車速等有關(guān)；i為道路縱坡(上坡i>0，下坡i<0)。由于車輛到達交叉口時，車速會降低，通過以上交通特性調(diào)研分析，式中v可按照設(shè)計車速降低10km/h計算。

3.1.2 讓控交叉口和停控交叉口安全停車視距

讓控交叉口和?？亟徊婵谲囕v行駛特性相似，都是通過減速到達交叉口后觀察相交道路有無車輛或車輛距沖突點距離。若無車輛或車輛距離較遠可安全通過時則加速通過，若有車輛到達且距離較近則減速甚至停車避讓。

在停讓交叉口，通過主路的車輛具有優(yōu)先行駛權(quán)。次路車輛駕駛員視野范圍內(nèi)有主路方向的車輛直行時，為了安全通過沖突點，左轉(zhuǎn)車輛有兩種行車選擇：一是停車等待，駕駛員觀測到可穿越間隙，立即起步加速通過交叉口，此時為勻加速過程；二是在直行車輛前直接通過沖突點，此過程為勻減速再加速通過的過程。駕駛員通過判斷可穿越間隙來做出選擇哪一種通行行為，兩種行為的臨界值即為臨界間隙[7]。

由于山區(qū)公路交叉口支路車輛行駛速度較小甚至停止，采用設(shè)計速度計算交叉口的視距模型不能滿足交叉口的停車視距要求，故采用美國S.M.EASA采用的小百分點速度模型[8]對交叉口的停車距離進行計算。

計算模型如下：

(3)

VCp=μC-KSC=μC(1-KCVC)

式中：S為停讓交叉口停車視距；VA為主路設(shè)計速度；tc為臨界間隙，L為車輛長度；aA為主路車輛加速度；SC和μC分別為支路車輛行駛速度的平均值和方差；K為對應(yīng)為p百分標準正態(tài)分布的標準偏差的數(shù)量，可通過正態(tài)分布表獲得。

3.2 停車視距模型建立

3.2.1 無控交叉口停車視距模型

駕駛員停車視距發(fā)生的這段時間(圖3)為駕駛員停車制動過程，與平原區(qū)規(guī)則交叉口相比，山區(qū)公路交叉口駕駛員獲取信息過程包括駕駛員轉(zhuǎn)動頭部和身體觀察障礙物的時間。根據(jù)測定的資料，設(shè)計上感知時間為0.4 s，制動反應(yīng)時間為1 s。本次試驗眼動儀測量的時間即為駕駛員通過交叉口時轉(zhuǎn)動頭部和身體的時間及觀察時間，則獲取信息、感覺時間和制動反應(yīng)的總時間t=1.4+t1。

無控交叉口停車視距模型為

(4)

3.2.2 停讓交叉口停車視距模型

1)臨界間隙的計算模型

圖4 山區(qū)公路交叉口視距三角形示意

如圖4，B入口車輛發(fā)現(xiàn)A，C方向車輛時，加速通過交叉口，其加速度受到車輛性能、交叉口類型及接入角度、坡度等的影響。根據(jù)車輛動力學(xué)原理，有

(5)

(6)

式中：D為車輛動力因素；i為支路縱坡(上坡i>0，下坡i<0)；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；ac為車輛加速度(m/s2)。

根據(jù)車輛加速原理，車輛通過間隙為

(7)

根據(jù)對山區(qū)公路交叉口行車特性分析，駕駛員通過交叉口時，較其他交叉口增加了轉(zhuǎn)動頭部和身體的時間，則山區(qū)公路交叉口臨界間隙為

(8)

式中：L為車輛長度，m，根據(jù)車流量分析，山區(qū)公路交叉口大型車比例較大，為滿足大部分車輛安全，取L=12 m；a，b的取值受到主路車道數(shù)、車道寬度、人行橫道寬度以及車頭距離人性橫道的安全距離的影響；t1表示駕駛員通過停讓交叉口扭頭或轉(zhuǎn)動身體觀察時間。

2)停車視距模型

由于次路停讓交叉口安全停車視距受到次要道路車流方向以及各車型的影響，式(4)所計算的安全停車視距有多個計算值，考慮所有行車流的安全，取大型車左轉(zhuǎn)停車視距作為最終采用值。因此，山區(qū)公路停讓交叉口停車視距模型為

S=0.278VA1.794-0.009θ+12.003i+

(9)

4 停車視距模型應(yīng)用及建議

以交叉角度分別為30°，45°，60°和75°，支路縱坡分別為1%，3%，5%和7%的山區(qū)雙車道公路交叉口為例，研究對象主要是山區(qū)雙車道公路，多為瀝青路面，故φ取值為0.4，f取值為0.015；根據(jù)統(tǒng)計，山區(qū)雙車道公路交叉口主路的SC和μC分別為49.32和21.144，K取0.5。根據(jù)無控交叉口停車視距模型，其計算值見表6。

表6 無控交叉口停車視距計算(2/2相交)

從表6可知，當速度較大時，山區(qū)雙車道公路無控交叉口停車視距比規(guī)范規(guī)定的停車視距大；而速度在40 km/h及以下時，山區(qū)雙車道公路停車視距與規(guī)范規(guī)定的停車視距相差不大，且由于車輛進入交叉口減速幅度較小，則采用該計算模型數(shù)值較小。所以，在設(shè)計山區(qū)雙車道公路無控交叉口時，當v>40km/h時，停車視距的設(shè)計需要考慮交叉角度和支路縱坡的影響；當v≤40km/h時，可直接采用規(guī)范規(guī)定的停車視距。

在停讓交叉口，D取值為0.3，δ取值為1.25，a，b由于設(shè)計速度不同而采用不同值，由公式(7)可知，停讓交叉口在左轉(zhuǎn)時所需的停車視距較大，則停讓交叉口選用左轉(zhuǎn)視距作為停車視距要求。停讓交叉口停車視距如表7。

表7 停讓交叉口停車視距計算(2車道)

由表7可知，山區(qū)雙車道公路停讓交叉口的停車視距較規(guī)范規(guī)定停車視距有所增加，但當速度較小時，兩者相差較小。從表中發(fā)現(xiàn)，停讓交叉口的停車視距受交叉口交叉角度和坡度的影響較小，這主要是由于停讓交叉口以停車讓行為主，停車視距主要是由車輛制動距離組成，其主要受到車輛速度和車輛性能的影響。

根據(jù)山區(qū)公路交叉口停車視距計算模型，計算得到山區(qū)雙車道公路各類型交叉口的停車視距，根據(jù)表5、表6，確定山區(qū)雙車道公路無控交叉口停車視距臨界值如表8。

表8 山區(qū)公路無控交叉口停車視距臨界值

山區(qū)雙車道公路停讓交叉口停車視距臨界值如表9。

表9 山區(qū)公路停讓交叉口停車視距臨界值Table 9 The threshold table of stopping sight distance at let-stop mountainous highway intersections

5 結(jié) 語

山區(qū)雙車道公路交叉口平面線形設(shè)計及幾何構(gòu)成復(fù)雜，造成交叉口識別困難，形成交通事故隱患。以交叉口交叉角度和支路坡度作為影響駕駛員視覺的研究對象，通過分析山區(qū)雙車道公路平面交叉口設(shè)計特征及其對行車影響，進行了山區(qū)公路平面交叉口駕駛員眼動實車試驗，建立了基于駕駛員視覺特性的山區(qū)公路交叉口安全停車視距模型，提出了設(shè)計建議，可以作為山區(qū)公路交叉口設(shè)計的重要參考依據(jù)。

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(責(zé)任編輯：朱漢容)

Calculation on Stopping Sight Distance of Two-Lane Mountainous Highway Intersection Based on Driver’s Visual Characteristics

LIU Lang1, BAI Bin2, YAN Nan3,GAO Jianping3

(1.School of Economics and Management, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,P.R.China;2. Sichuan Road Traffic Engineering Technique Co., Ltd., Chengdu 610000, Sichuan, P.R.China3.School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China;)

For the phenomenon of poor sight distance at two-lane mountainous highway intersection, the driver’s more head or body rotation time in the process of driving at two-lane mountainous highway intersection than that at plain district was researched by analyzing the characteristics of the driver’s recognition at intersection. The Smart eye 5.7 eye tracker was used to the road test of driver’s recognition at two-lane mountainous highway intersection. And according to the driver’s gaze time (including blinking, saccade and fixation time) and the geometry data of mountainous highway intersection (including the intersection angle and branch slope), the stopping sight distance calculation models at uncontrolled intersections and let-stop intersections were established based on driver’s visibility. Then, the recommended value of stopping sight distance at the two-lane mountainous highway intersection was calculated out according to the proposed model, which could provide a theoretical basis for the design of mountainous highway intersection.

traffic and transportation engineering; two-lane mountainous highway; stopping sight distance; driver’s visual characteristics; intersection

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.17

2016- 05-12；

2016- 09- 05

國家自然科學(xué)基金項目(51378520)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目 (20125522110001)

劉 浪(1960—)，男，河南林州人，副教授，主要從事道路設(shè)計及道路安全工程理論與技術(shù)方面的研究。E-mail：923279313@qq.com。

U412.35+1

A

1674- 0696(2017)05- 098- 06