大型露天礦交通標(biāo)志設(shè)置位置研究

楊國(guó)華，王曉俊，董朝輝

(1.中國(guó)神華哈爾烏素煤炭分公司露天煤礦，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾旗 017000；2.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

道路交通標(biāo)志是指導(dǎo)駕駛員駕駛行為的一種專用符號(hào)語(yǔ)言，駕駛員識(shí)別交通標(biāo)志的過程包括檢測(cè)、識(shí)別、理解[1]。交通標(biāo)志的檢測(cè)、識(shí)別、理解主要通過視覺媒介進(jìn)行信息傳導(dǎo)。交通標(biāo)志的可視效果受道路條件、車速等多方面限制后會(huì)產(chǎn)生視角盲區(qū)，盲區(qū)會(huì)阻礙駕駛員獲得完整的交通信息。露天礦區(qū)所用車型設(shè)備外廓尺寸大，車速小，駕駛員靜態(tài)盲區(qū)較大，動(dòng)態(tài)盲區(qū)較小，對(duì)標(biāo)志牌的設(shè)置限制與傳統(tǒng)公路標(biāo)準(zhǔn)存在差異，傳統(tǒng)公路標(biāo)志難以滿足標(biāo)志牌的功能需求。

目前黑岱溝、哈爾烏素露天礦采用了新的露天煤礦礦山道路交通標(biāo)志制作使用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為了指導(dǎo)露天礦生產(chǎn)作業(yè)區(qū)道路交通標(biāo)志的位置設(shè)置，滿足生產(chǎn)作業(yè)區(qū)的駕駛?cè)藛T的認(rèn)讀需求，達(dá)到露天煤礦安全生產(chǎn)目的。也為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)露天煤礦安全、綠色、高效可持續(xù)發(fā)展，本文對(duì)露天煤礦礦山道路交通標(biāo)志設(shè)置位置與視認(rèn)行為關(guān)系進(jìn)行了研究。

1 駕駛員視認(rèn)行為分析

1.1 駕駛員視認(rèn)行為基本過程

駕駛員對(duì)于交通標(biāo)志的認(rèn)知過程[2]如圖1所示。假定交通標(biāo)志設(shè)置于道路右側(cè)，距離道路右側(cè)邊界1m距離。駕駛員自A點(diǎn)發(fā)現(xiàn)交通標(biāo)志開始至C點(diǎn)完全獲取交通標(biāo)志信息，完成對(duì)于交通標(biāo)志的初始認(rèn)知過程；由C點(diǎn)至E點(diǎn)進(jìn)行交通標(biāo)志的信息分析與操作行為判斷；E點(diǎn)至H點(diǎn)為操作行為開始到完成的距離。

圖1中給讀點(diǎn)B至讀完點(diǎn)C的距離為閱讀距離j、讀完點(diǎn)C至動(dòng)作點(diǎn)E為決策距離i、動(dòng)作點(diǎn)E至動(dòng)作結(jié)點(diǎn)H為行動(dòng)距離L。給讀點(diǎn)B至標(biāo)志G的距離稱為視認(rèn)距離s；讀完點(diǎn)C至標(biāo)志G的距離稱為讀后距離y；消失點(diǎn)D至標(biāo)志G的距離稱為消失距離k。為保證駕駛員從容讀完標(biāo)志內(nèi)容，讀后距離y不應(yīng)小于消失距離k。

y+x-i≥L；y≥k

圖1 駕駛員獲取標(biāo)志信息并進(jìn)行駕駛操作過程

1.2 駕駛員視認(rèn)限制因素

1.2.1 盲區(qū)

交通標(biāo)志的檢測(cè)、識(shí)別、理解主要通過視覺媒介進(jìn)行信息傳導(dǎo)，因此人的眼球功能是制約駕駛員獲取交通標(biāo)志上指示信息的主要因素[3]。駕駛員視野隨著道路條件、車速、車型等存在較大范圍的變化，駕駛盲區(qū)分為靜態(tài)盲區(qū)與動(dòng)態(tài)盲區(qū)兩類。動(dòng)態(tài)盲區(qū)受車輛運(yùn)行速度控制，車速越高駕駛員視角越小，注視點(diǎn)越遠(yuǎn)，車輛外部不可視范圍增加；道路條件越復(fù)雜，影響駕駛員注意力的無關(guān)信息越多。

圖2 駕駛員視角與車速關(guān)系

駕駛員視角閾值與車輛速度關(guān)系如圖2所示，視線角度以內(nèi)為可視區(qū)域，視角線以外為駕駛盲區(qū)。研究表明[4，5]，駕駛員豎直向動(dòng)態(tài)視角比靜態(tài)視角降低10%～40%不等。由哈爾烏素與黑岱溝露天礦提供的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，露天礦礦區(qū)卡車運(yùn)行限制速度為40km/h；即露天礦礦區(qū)卡車駕駛員水平雙側(cè)理論最大視角為100°，豎直上側(cè)理論最大視角為60°，下側(cè)理論最大視角為70°。

靜態(tài)盲區(qū)為車輛靜止時(shí)駕駛員可通過車窗觀察到的車輛前方、左方、和右方的不可視范圍，靜態(tài)盲區(qū)由車輛尺寸決定。露天礦區(qū)卡車車型較普通車型視窗小，基于礦方提供的常用車輛盲區(qū)數(shù)據(jù)得到的大型卡車可視視角最大值見表1。由表1分析可得，礦區(qū)常用車型產(chǎn)生的靜態(tài)盲區(qū)小于限制速度為40km/h時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)盲區(qū)，因此盲區(qū)限制下的標(biāo)志牌最小可視距離由靜態(tài)盲區(qū)確定。交通標(biāo)志有效設(shè)置位置如圖6所示。

表1 各大型卡車最大視角對(duì)應(yīng)值

1.2.2 文字高度

駕駛員讀完后到標(biāo)志的距離y=5.67K1K2K3h；式中，K1、K2、K3分別表示文種修正系數(shù)、漢字復(fù)雜度修正系數(shù)、行車速度修正系數(shù)[6-8]。本文所涉及標(biāo)志內(nèi)容以漢字為主，車輛行駛速度以40km/h為準(zhǔn)。

1.2.3 車輛制動(dòng)

車輛制動(dòng)與駕駛員反應(yīng)能力和車輛性能有關(guān)[9-11]。圖1中i為駕駛員判斷采取措施時(shí)車輛行駛的距離，所用時(shí)間一般為2.0～2.5s；L為就車輛制動(dòng)開始至車輛完成制動(dòng)效果之后車輛行駛的距離，礦區(qū)卡車一般以停車距離作為制動(dòng)限制距離，即v2=0m/s。

2 標(biāo)志牌設(shè)置位置與視認(rèn)行為關(guān)系

2.1 平面位置關(guān)系研究

露天礦礦區(qū)車輛駕駛室位于車輛行進(jìn)方向左側(cè)，交通標(biāo)志平面認(rèn)讀距離閾值根據(jù)交通標(biāo)志尺寸與設(shè)置位置綜合確定，如圖3所示。

圖3 水平視角與標(biāo)志牌位置關(guān)系

2.2 縱面位置關(guān)系研究

露天礦礦區(qū)交通標(biāo)志縱面認(rèn)讀距離閾值由駕駛員視角、標(biāo)志尺寸、及車輛尺寸綜合確定。O2O3為豎向盲區(qū)限制下的的標(biāo)志牌最小可視距離，O1O2為駕駛員從開始識(shí)別交通標(biāo)志到完全理解并判斷其文字內(nèi)容為止所需要的距離。c、d分別為駕駛員上視與下視限制視角。n1為標(biāo)志牌尺寸高度，n2為標(biāo)志牌下緣至混凝土基座底面高度。MQ為安全擋墻高度，標(biāo)志牌按要求可設(shè)置于地面或安全擋墻上。

圖4 豎直視角與標(biāo)志牌位置關(guān)系

綜合考慮平面、豎向盲區(qū)所限制的標(biāo)志牌消失距離k應(yīng)滿足：

k=max(k1，k2，k3)≤5.67K1K2K3h

3 標(biāo)志牌設(shè)置位置

以禁令標(biāo)志為例，標(biāo)志板外廓尺寸及內(nèi)容如圖5所示?；炷粱叽鐬?800mm×1000mm×300mm，漢字高度40mm，標(biāo)志板下緣至基座頂部高度1500mm，擋墻高度1.5m，標(biāo)志牌左側(cè)邊緣至道路邊緣1m。計(jì)算得豎向上視角盲區(qū)與下視角盲區(qū)限制下標(biāo)志牌最小可視距離見表2。視線高度高于標(biāo)志板頂部，上視角盲區(qū)不影響標(biāo)志牌的可視性。

圖5 禁令標(biāo)志板(mm)

已知黑岱溝行車道寬度為32m，哈爾烏素行車道寬度為30m，以道路寬度32m為例進(jìn)行計(jì)算。礦區(qū)道路為雙向單車道，單條道路寬度為16m。假定車輛居中行駛，計(jì)算得水平右視角盲區(qū)限制下消失距離見表2。

表2 不同車型在各視角盲區(qū)限制下標(biāo)志牌最小可視距離 m

漢字高度為40mm時(shí)標(biāo)志牌讀后距離y=5.67K1K2K3h=5.67×0.6×0.85×0.91×40=105.3m。

綜上，k=max(k1，k2，k3)=32.5m≤5.67K1K2K3h=105.3m滿足要求。

假設(shè)，危險(xiǎn)點(diǎn)至卡車制動(dòng)動(dòng)作結(jié)束點(diǎn)的距離e=0。交通標(biāo)志設(shè)置位置距危險(xiǎn)點(diǎn)距離以x表示。x、k之間應(yīng)同時(shí)滿足x≥L+i-y=4.9m。得交通標(biāo)志設(shè)置位置距危險(xiǎn)點(diǎn)最小距離4.9m。即，在認(rèn)讀距離j=28.9m范圍以內(nèi)，保證駕駛員視線不被遮擋時(shí)，交通標(biāo)志理論設(shè)置位置距危險(xiǎn)點(diǎn)最小距離4.9m。實(shí)際進(jìn)行標(biāo)志牌位置設(shè)置時(shí)，為保證安全生產(chǎn)，應(yīng)在危險(xiǎn)點(diǎn)和卡車制動(dòng)動(dòng)作結(jié)束點(diǎn)之間預(yù)留一定安全距離。即交通標(biāo)志設(shè)置位置距危險(xiǎn)點(diǎn)最小距離為(49+e)m。交通標(biāo)志有效設(shè)置位置如圖6所示。

4 結(jié) 論

本文通過理論與實(shí)際結(jié)合分析論證了交通標(biāo)志設(shè)置位置與駕駛員視認(rèn)行為之間的關(guān)系。由分析結(jié)果可知，露天礦區(qū)車輛車速較小，礦區(qū)道路交通標(biāo)志視認(rèn)性受靜態(tài)盲區(qū)限制比動(dòng)態(tài)盲區(qū)大。在滿足礦區(qū)常用車輛制動(dòng)性、靜態(tài)盲區(qū)等多個(gè)限制因素后得到了1.2m×2.0m矩形標(biāo)志的有效設(shè)置位置。在認(rèn)讀距離j范圍以內(nèi)，保證駕駛員視線不被遮擋時(shí)，1.2m×2.0m交通標(biāo)志有效設(shè)置位置距離危險(xiǎn)點(diǎn)最小距離(4.9+e)m(e為保證安全條件下的標(biāo)志牌前置的距離)。基于相同方法可針對(duì)其余類型標(biāo)志牌進(jìn)行有效設(shè)置位置的計(jì)算。

本文仍存在以下不足有待后續(xù)研究：①礦區(qū)道路為雙向單車道道路，不存在同向行駛車輛之間相互遮擋的情況；②1.2m×2.0m標(biāo)志牌高度低，未涉及上視角盲區(qū)限制。礦區(qū)危險(xiǎn)因素多，標(biāo)志設(shè)置頻繁，且標(biāo)志牌尺寸較大，可針對(duì)標(biāo)志牌設(shè)置間距進(jìn)行相關(guān)研究。