基于模擬駕駛法的金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道行車安全性分析

王朝杰

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院 石家莊市 050011)

0 引言

在山區(qū)高速公路建設(shè)中，經(jīng)常會(huì)受到地形及地質(zhì)條件限制而展線困難的情況，此時(shí)采用螺旋隧道的展線方案進(jìn)行集中升坡或降坡來(lái)克服高差、避開(kāi)不良地質(zhì)往往可以達(dá)到理想的效果[1～3]。公路螺旋隧道為螺旋展線中，線路部分或全部穿越山體而形成設(shè)置的隧道，近些年來(lái)，隨著我國(guó)山區(qū)公路交通事業(yè)的快速的發(fā)展，相續(xù)涌現(xiàn)了一些螺旋隧道(見(jiàn)表1)，逐步積累了一些螺旋隧道設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)[4～7]。

表1 中國(guó)近些年建設(shè)的主要公路螺旋隧道統(tǒng)計(jì)表

1 工程概況

金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道位于河北省赤城縣，處于典型的上壩路段，左幅長(zhǎng)4228m、右幅長(zhǎng)4104m，為河北省首座螺旋隧道、世界最長(zhǎng)的公路螺旋隧道。項(xiàng)目線路需要在7km范圍內(nèi)克服高差240m，經(jīng)過(guò)反復(fù)的計(jì)算分析與方案論證，路線平面采用螺旋展線方案，以半徑860m的圓曲線為主，迂回360°后高程抬升112m，其中2/3路段為金家莊特長(zhǎng)隧道，以此來(lái)解決線路爬升難題，螺旋展線效果如圖1所示。設(shè)計(jì)過(guò)程中采用國(guó)際領(lǐng)先的UC-win/Road駕駛仿真平臺(tái)建立三維建模，對(duì)螺旋隧道進(jìn)行駕駛模擬仿真測(cè)試[8～9]，通過(guò)對(duì)車輛運(yùn)行速度、車輛車道偏移、駕駛員情緒等進(jìn)行測(cè)試，評(píng)價(jià)螺旋隧道行車安全性與方案可行性。

圖1 金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道示意圖

2 運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)

螺旋隧道路段為駛?cè)胨淼蓝纯谇?00m至駛出隧道后100m，為更加真實(shí)有效地分析螺旋隧道運(yùn)行速度的協(xié)調(diào)性，根據(jù)延崇高速實(shí)際路線在金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道路段兩端各取500m平直線路段。將全部路段按起點(diǎn)—終點(diǎn)方向劃分5個(gè)分析單元，見(jiàn)表2所示。

表2 路線分析單元?jiǎng)澐?起點(diǎn)—終點(diǎn))

采用相鄰路段運(yùn)行速度的差值進(jìn)行評(píng)價(jià)，見(jiàn)表3所示。

表3 起點(diǎn)至終點(diǎn)方向相鄰分析單元運(yùn)行速度差

由上表可得：起點(diǎn)終點(diǎn)方向路線分析單元運(yùn)行速度差|Iv|大于等于10km/h的路段僅1處。大、小型車在每個(gè)分析單元上的運(yùn)行速度梯度的絕對(duì)值均在10km/(h·m)以內(nèi)，且相鄰分析單元運(yùn)行速度差均在20km/h以內(nèi)，因此無(wú)運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性不良的路段，小型車和大型車運(yùn)行速度的變化趨勢(shì)具有顯著的一致性。

3 駕駛模擬仿真

3.1 運(yùn)行速度分析

駕駛模擬仿真的實(shí)現(xiàn)方法為：首先利用UC-winRoad系統(tǒng)，依據(jù)地形、平面、縱面和橫斷面等資料建立三維駕駛環(huán)境模型，然后虛擬駕駛?cè)藛T進(jìn)入國(guó)際領(lǐng)先水平的八自由度駕駛模擬器開(kāi)展虛擬駕駛。對(duì)隧道內(nèi)車輛運(yùn)行速度、車輛車道偏移、情緒變化等進(jìn)行處理與分析。圖2為駕駛模擬仿真器。

圖2 駕駛模擬仿真器

采集5位駕駛?cè)藛T試驗(yàn)數(shù)據(jù)速度跨度主要集中在75～95km/h，但由于不同駕駛?cè)藗€(gè)人感知的不同，行駛速度存在一定差異。車輛運(yùn)行速度在螺旋隧道起終點(diǎn)的差別并不明顯，但是在隧道內(nèi)部車輛速度明顯降低。

3.2 車道偏移分析

5位被試人員中有4位的車道偏移較為相近和集中,主要集中在-0.2～0.6m之間。被試4由于個(gè)人視覺(jué)感知原因,車道保持的位置穩(wěn)定于車道中心線右側(cè)0.2m處,在此基礎(chǔ)上有左右0.3m幅度的偏移。隨著速度的增大，車道偏移略有增大。

4 隧道出口端光環(huán)境

4.1 延慶至崇禮方向

經(jīng)過(guò)模擬駕駛，金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道出口處在每年11月至次年1月份的下午12：00—15:00時(shí)段存在陽(yáng)光直射洞口的情況，而此時(shí)是駕駛?cè)巳菀桩a(chǎn)生困倦、疲勞的時(shí)段。陽(yáng)光直射會(huì)加劇“白洞”效應(yīng)，使隧道內(nèi)駕駛?cè)藷o(wú)法識(shí)別隧道洞口外的路線走向和標(biāo)志等交通設(shè)施。洞口受陽(yáng)光直射影響典型時(shí)刻如圖3所示。

圖3 延慶至崇禮隧道出口陽(yáng)光直射典型時(shí)刻(12:00)

4.2 崇禮至延慶方向

經(jīng)過(guò)模擬駕駛，崇禮至延慶方向行車洞口每年11月到次年1月份上午9：10—10:40左右時(shí)段存在陽(yáng)光直射在洞口的情況。陽(yáng)光直射隧道洞口會(huì)對(duì)車輛形成明顯的眩光，情況嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致駕駛?cè)嗽?～2s內(nèi)無(wú)法看清事物，形成瞬間“視盲”現(xiàn)象。洞口受陽(yáng)光直射影響典型時(shí)刻如圖4所示。

圖4 崇禮至延慶隧道出口陽(yáng)光直射典型時(shí)刻(10:40)

5 駕駛?cè)饲榫w

模擬駕駛環(huán)境設(shè)置為晴天、空氣可見(jiàn)度良好。被試人員為8名具備C1駕駛證的健康駕駛員。有隧道和無(wú)隧道實(shí)驗(yàn)過(guò)程各獲得8組數(shù)據(jù)，在去除掉由于具備大量噪聲而無(wú)法使用的數(shù)據(jù)之后，保留7組有隧道的數(shù)據(jù)和6組無(wú)隧道的數(shù)據(jù)。

如圖5所示，在無(wú)隧道的情況下，駕駛?cè)藭?huì)以更大概率變化到積極的情緒中去；在有隧道的情況下，駕駛?cè)藭?huì)較晚地進(jìn)入積極情緒，這表明隧道在一定程度上會(huì)影響駕駛?cè)说鸟{駛情緒。

圖5 無(wú)車流時(shí)，隧道對(duì)駕駛?cè)饲榫w的影響

在有車流時(shí)，如圖6所示，在有其他車輛影響的情況下駕駛員會(huì)產(chǎn)生更多的消極情緒。

圖6 有車流時(shí)，隧道對(duì)駕駛?cè)饲榫w的影響

6 結(jié)論

金家莊螺旋隧道在大圓曲線半徑及大回轉(zhuǎn)角度下，隧道內(nèi)運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性良好。模擬駕駛表明，駕駛?cè)藛T車道偏移范圍小，可接受，但應(yīng)注意洞口在特定時(shí)間的減光措施，且虛擬駕駛?cè)藛T情緒變化波動(dòng)較小，可接受。路線評(píng)價(jià)及模擬駕駛各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，該曲線半徑螺旋隧道方案可行。