基于視距模型的輔助減速車道標(biāo)志設(shè)置*

余曼，趙煒華，吳玲，李郁菡

基于視距模型的輔助減速車道標(biāo)志設(shè)置*

余曼，趙煒華，吳玲，李郁菡

（西安航空學(xué)院車輛工程學(xué)院，陜西 西安 710077）

文章結(jié)合駕駛?cè)艘暰嗄Ｐ蛯o助減速車道字體、版面進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)，以提高駕駛?cè)说谋孀R程度；通過駕駛員認(rèn)知特性對輔助減速車道標(biāo)志前置距離設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，為輔助減速車道合理化利用提供可能，降低了由于車輛自動失效后因錯過輔助減速車道強(qiáng)制減速造成重大交通事故的可能。

視距模型；輔助減速車道；高度設(shè)置；重復(fù)距離設(shè)置

前言

重型汽車制動失效問題在山區(qū)交通事故總所占比重較大，特別是在西部山區(qū)長下坡路段。而由于長時間制動而造成的制動器衰退是其中的一個原因，為了解決制動器失效問題，在長大下坡路段旁邊設(shè)置了一種輔助減速車道。輔助減速車道提醒標(biāo)志設(shè)置的合理性，將直接影響輔助減速車道的使用。本文就將基于視距模型對長達(dá)下坡路段的中輔助減速車道的標(biāo)志，研究其合理化使用和服務(wù)輔助減速車道。

1 視距模型與車道標(biāo)志字體和版面設(shè)計(jì)

1.1 車速與視野范圍的視距模型

車輛行駛過程中駕駛?cè)说囊曇胺秶S著車速的提升會逐漸減小。與此同時，隨著車輛車速的增加，駕駛?cè)说碾p眼視覺范圍會匯聚在遠(yuǎn)方一點(diǎn)，這種“隧道視覺”會使駕駛?cè)耸χ車h(huán)境的感知能力，對環(huán)境信息敏感能力下降，對于駕駛安全來說十分危險(xiǎn)[1]。如表1所示為駕駛?cè)怂椒较虻囊暯堑姆植家?guī)律[2][3]。

表1 駕駛?cè)怂揭曇胺秶c車速關(guān)系表

1.2 字體與字體高度的設(shè)計(jì)

根據(jù)漢字不同字體的筆畫細(xì)節(jié)尺寸和視覺系統(tǒng)的分辨能力，粗字體和黑體字的視認(rèn)性較好，而相比于沒有字庫的粗字體，黑體字應(yīng)用起來比較方便，黑體的默認(rèn)筆畫粗細(xì)與字高的比為 1:10[4]。

駕駛員識別交通標(biāo)志，一方面與交通指示牌和自己的距離有關(guān)，另一方面與交通指示牌的尺寸有關(guān)，當(dāng)然車速也會影響駕駛員識別交通標(biāo)志的內(nèi)容。從交通標(biāo)志的尺寸來看，影響視認(rèn)距離的主要因素是文字的高度，文字高度的計(jì)算公式為[5]：

在（1）式中：車速V（m/s）；交通標(biāo)志文字設(shè)置的高度h（m）；轉(zhuǎn)化系數(shù)C=3.07，駕駛員閱讀理解交通標(biāo)注時間=2.6；絕對是駕駛?cè)私^對視力、相對是相對視力，取絕對=0.672。

1.3 交通標(biāo)志的總體版面設(shè)計(jì)

參考國標(biāo)對于交通標(biāo)志邊框和襯邊的設(shè)定，在這一小節(jié)采用警告標(biāo)志作為輔助減速車道的標(biāo)志類型，襯邊顏色用黃色或者熒光黃色，邊框設(shè)定為黑色。下表2為國標(biāo)中對版面的設(shè)計(jì)規(guī)定。

表2 國標(biāo)中標(biāo)志牌文字排版規(guī)定

規(guī)定其他文字，如阿拉伯?dāng)?shù)字等的設(shè)置，應(yīng)以漢字為基礎(chǔ)確定，具體為下表3，給出了大小寫、字高、字寬和筆畫粗細(xì)的設(shè)定。如果有特里情況，不能符合下表要求，那么采用的高度最小為0.8倍的規(guī)定值。

表3 其他文字與漢字高度的關(guān)系

文字警告類標(biāo)識和禁令類標(biāo)識的字高也應(yīng)按照上表來確定。如果有其他特殊的情況，認(rèn)為警告的文字標(biāo)識可最高降低為表中限制的0.6倍。

根據(jù)以上規(guī)定和優(yōu)化得到的文字高度以及輔助減速車道的實(shí)際模型，得出標(biāo)識牌的推薦尺寸、高度及文字間隔：標(biāo)志的尺寸為4×5m，文字高度52cm，文字間隔10cm。

2 車道標(biāo)志高度設(shè)置

2.1 水平路面上交通標(biāo)志高度設(shè)置

由于車輛高度相較于交通標(biāo)志較低，駕駛員一般仰視交通標(biāo)志。為了能有充分時間分析處理數(shù)據(jù)，至少要求標(biāo)志視認(rèn)后的距離大于消失距離。

圖1 水平路面交通標(biāo)志高度模型

如圖1所示，當(dāng)駕駛?cè)藢煌?biāo)志觀察距離剛好為消失距離時，有：

式中：為駕駛?cè)艘暰€的豎直視角，人機(jī)工程學(xué)的研究表明，當(dāng)＞8°時，駕駛?cè)艘曊J(rèn)能力迅速下降，取8°為的臨界值；為駕駛?cè)艘朁c(diǎn)高度，一般取1.2m；為交通標(biāo)志設(shè)置高度。

綜合上式可得：

2.2 長大下坡路段上交通標(biāo)志高度的設(shè)計(jì)

針對視高為3m的重型載貨汽車，建立圖2的模型：

圖2 單一坡度條件下的標(biāo)志高度模型

得：

由上式解得：

式（6）中：為視點(diǎn)高度；為可視視角；為道路的縱坡；是駕駛?cè)说囊曊J(rèn)距離。

長大下坡路段駕駛?cè)藢煌?biāo)志視認(rèn)與水平路面上的不同之處，交通標(biāo)志設(shè)置的過低，會由于從下坡路段下來，可視角度的原因?qū)е埋{駛?cè)瞬荒軌蚯逦鷾?zhǔn)確的閱讀和理解輔助標(biāo)志；相反如果輔助交通標(biāo)志設(shè)置的過高，那么駕駛員還沒有充分閱讀和理解標(biāo)志信息，就錯過了交通標(biāo)志。綜合分析道路坡度，駕駛員可視高度和可視視角，結(jié)合視認(rèn)距離，推導(dǎo)出長大下坡路段交通標(biāo)志高度設(shè)置的優(yōu)化模型。如下表4，提供了不同車速，車輛在不同道路縱坡行駛時交通標(biāo)志的建議設(shè)置高度。

表4 交通標(biāo)志建議高度[6]

3 車道標(biāo)志前置距離研究

車輛在行駛過程中，駕駛?cè)耸紫韧ㄟ^視覺感知信息、處理信息，第二步才會通過車輛的操縱裝置對車輛施行減速操作。

如下圖3所示，車輛由A至G行駛。在行駛的過程中，駕駛員在A點(diǎn)發(fā)現(xiàn)交通標(biāo)志，但是僅限于識讀標(biāo)志輪廓，車輛繼續(xù)行駛到B點(diǎn)后駕駛?cè)瞬拍軌蚯宄淖R讀標(biāo)志內(nèi)的信息。車輛由B行駛到C的時間也是駕駛?cè)舜竽X中處理信息的時間。由于不斷變化的角度，車輛行駛到D點(diǎn)時，F(xiàn)點(diǎn)設(shè)置的交通標(biāo)識就會消失。車輛繼續(xù)行駛到E點(diǎn)時，駕駛?cè)司蜁倏v車輛的操縱機(jī)構(gòu)，意圖使車輛減速、轉(zhuǎn)向或者變換車道。車輛行駛B-F為視認(rèn)距離，B-C為認(rèn)讀距離，D-F為消失距離。

圖3 交通標(biāo)志的視認(rèn)過程

根據(jù)圖3為了使駕駛?cè)擞凶銐虻臅r間處理信息并且操縱和控制車輛，交通標(biāo)識的設(shè)置應(yīng)該滿足以下的條件：

在A-E的過程，車輛都進(jìn)行勻速行駛，通過E點(diǎn)之后，制動踏板開始作用，車輛開始進(jìn)行減速運(yùn)動。如圖4所示，駕駛?cè)私?jīng)時間0后認(rèn)讀完交通標(biāo)志，1之前的時間駕駛員用來反應(yīng)，將其右腳移動至相應(yīng)的踏板，2之前制動踏板消除間隙，消除之后制動器才逐漸起作用，達(dá)到持續(xù)制動。

制動器起作用階段，減速度隨時間的變化而線性增長，則車輛駛過的距離為：

同理可得：

故制動器起作用階段的制動距離為：

式中：0初速度；3為制動器作用力上升時間，取3=0.5；為減速度的均值。

車輛的制動力不僅與制動器產(chǎn)生的制動力有關(guān)系，還與輪胎所接觸的路面的附著系數(shù)有關(guān)，受附著條件的影響，長大下坡路段的制動減速度為（12）式：

式中：為路面附著系數(shù)，道路的坡度，為道路的縱坡。

在4中，車輛的保持制動減速度恒定的勻減速運(yùn)動，車速由v降到所需要的期望車速v，在此過程中，車輛所行駛的距離為式（13）：

由此可得，交通標(biāo)志的前置距離為：

式中：為交通標(biāo)志前置距離；1為制動器起作用行駛距離；2為持續(xù)制動行駛的距離；0為發(fā)現(xiàn)交通標(biāo)識時的速度；0為駕駛?cè)死斫?、分析、處理?biāo)志所需的時間，取0=2.5；1為駕駛?cè)朔磻?yīng)時間，取1=2.0；2為駕駛?cè)藢?shí)際操縱減速裝置所需要的時間，取2=1.5；t為一次變換車道所用的時間，取t=60；為變換車道的次數(shù)；為視認(rèn)距離：

將公示（1）帶入公示（15）得表5：

表5 交通標(biāo)志視認(rèn)距離

綜合考慮車輛的減速特性和駕駛?cè)说囊曊J(rèn)距離對交通標(biāo)志前置距離的進(jìn)行設(shè)計(jì)，如表6所示為在道路縱坡=5%下，不同車速條件下，車輛減速到指定速度的交通標(biāo)志所需要放置的前置距離。

表6 交通標(biāo)志前置距離

4 結(jié)論

本文基于視距特性，通過分析車輛行駛視覺模型，得到了長大下坡路段車道標(biāo)志的大小高度與前置距離，為更加高效的使用輔助車道，合理放置車道標(biāo)志提供了理論支持。車道標(biāo)志作為保障行車安全的一個不可忽視的重要標(biāo)志，除了參考國標(biāo)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)以外，也應(yīng)根據(jù)不同道路情況，因地制宜設(shè)置合適的標(biāo)志。

[1] 彭余華,呂紀(jì)娜.基于駕駛?cè)艘曊J(rèn)特性的高速公路作業(yè)區(qū)文字類交通標(biāo)志尺寸[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2016,36(4):71-78.

[2] 劉勇.從駕駛者有效視野出發(fā)探討交通標(biāo)志設(shè)置與研究[J].公路交通技術(shù),2012,10(5):129-132.

[3] 楊晉生.淺談車速對視力和視野的影響[J],人民公安報(bào).交通安全周刊,2016,6(3).

[4] 王磊,蔣海峰,韓文元.漢字筆畫粗細(xì)與識認(rèn)性的關(guān)系研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）,2008,9(45):165-168.

[5] 廖小芳,關(guān)志娟,陸康.漢字交通標(biāo)志可認(rèn)知性評價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)[J]. 公路, 2012(10):114-119.

[6] 王志新.基于汽車行駛安全特性的山區(qū)公路連續(xù)長大下坡路段輔助減速車道研究[D].長安大學(xué)博士論文,2018(4)

Auxiliary Deceleration Lane Sign Setting Based on Visual Distance Model*

Yu Man, Zhao Weihua, Wu Ling, Li Yuhan

（Xi'an Aeronautical University School of Automobile, Shaanxi Xi'an 710077）

Based on the driver's stadia model, the font and layout of the auxiliary deceleration lane are designed reasonably in order to improve the driver's recognition degree. Based on the driver's perceive characteristics, this paper studies the design of the front distance of the sign of the auxiliary deceleration lane, which provides the possibility for the rational use of the auxiliary deceleration lane and reduces the possibility of major traffic accidents caused by missing the forced deceleration of the auxiliary deceleration lane after the vehicle braking failure.

Stadia model; Auxiliary deceleration lane; Height setting; Setting of repetitive distance

U471

A

1671-7988(2019)14-76-04

U471

A

1671-7988(2019)14-76-04

余曼，博士，講師，就職于西安航空學(xué)院車輛工程學(xué)院，研究方向：電動汽車及其控制技術(shù)。

基金項(xiàng)目：陜西省重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈（群）項(xiàng)目（2018ZDCXL-GY-05-03-01）；陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（重點(diǎn)項(xiàng)目）（2018ZDXM-GY-082）資助。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.024