CN113158332A - 一种基于驾驶员反应时间的高原公路停车视距计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于驾驶员反应时间的高原公路停车视距计算方法，通过研究驾驶员在不同海拔高度下的反应时间变化趋势，得到不同海拔高度下的停车视距修正模型，包括以下步骤：设计反应时间测试程序；采集不同性别和年龄的驾驶员在不同海拔高度的反应时间数据；利用驾驶模拟器采集驾驶员制动操作数据，计算得到驾驶员制动操作时间；对驾驶员制动反应时间进行回归分析；最后建立适用于高原公路的停车视距模型，并提出高原公路的停车视距建议值。本发明解决了高原低压缺氧环境对驾驶员反应时间的不利影响所带来的停车视距不足的问题，为高原地区道路安全设计提供了理论依据。
Description
技术领域
本发明属于道路几何线形设计技术领域，涉及一种基于驾驶员反应时间的高原公路停车视距计算方法。
背景技术
高原地区地形地势复杂，气候条件恶劣，交通事故多发且严重，道路安全形势严峻。高原低压缺氧环境下驾驶员的生理与心理状况与平原地区存在较大差异，其感知能力、判断决策能力和操作能力受到显著影响，同时车辆制动性能也因低气压而发生变化。因此，高原公路对停车视距有更高要求。
交通事故的发生受到道路交通各个因素的影响，道路几何线形影响行车速度和事故率。视距小于一定距离时，事故发生率随视距距离缩短而显著增加；视距大于一定距离后，事故率基本维持稳定。视距不足是引发交通安全事故的一个重大隐患。通过对影响交通安全的道路及环境因素做出定量的分析，几何线性与视距在道路和环境的影响因素中占有很大的比重。视距是道路几何线形设计的重要控制指标之一，两者相互关联，视距对公路交通安全的影响不可忽视。
目前，高原公路设计主要依据《公路路线设计规范》(JTG D20-2017)。该规范将停车视距分为两部分：①驾驶者在反应时间内行驶的距离；②开始制动到刹车停止所行驶的距离，即制动距离。在直接影响停车视距的所有因素中，驾驶员的反应时间是主要因素，车辆制动性能也不容忽视。高原地区随着海拔高度的增加而空气越稀薄，这种环境下，驾驶员的生理与心理状况将与平原地区产生较大差异，感知能力、判断决策能力和操作能力将受到显著影响。驾驶员反应时间延长，反应错误率增加时，行车安全将面临极大威胁。同时，高原特殊的气候、地理环境下，车辆的功能、性能及可靠性等均会受到不同程度的影响，车辆制动性能受到大气压力差的影响，从而影响车辆制动距离。因此，有必要深入研究面向高速公路的停车视距计算方法。
目前视距模型的修正大多基于特定的线形条件、路面状态或行车动力学特性，缺少从驾驶员特性角度考虑的修正方法，且以往的研究多位于平原或山区道路，未考虑高原地区的独特气候和地理环境对驾驶员的影响。综上，从高原环境对驾驶员反应时间以及车辆性能的影响角度入手，修正高原公路停车视距模型具有重要意义。
发明内容
发明目的：针对现有停车视距计算模型未考虑高原地区对驾驶员特性的不利影响的现状，提供了一种基于驾驶员反应时间的高原公路停车视距计算方法，可以全方面考虑高原低压缺氧环境的驾驶员反应特性下的停车视距计算，优化现有道路几何线形设计方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种基于驾驶员反应时间的高原公路停车视距计算方法，包括以下步骤：
(1)选取不同海拔高度地区进行反应时间测试试验，采集驾驶员的制动反应时间；
(2)利用驾驶模拟器进行驾驶仿真制动模拟试验，采集驾驶员的制动操作时间；
(3)建立驾驶员反应时间与海拔、驾驶时间段(光照强度)以及驾驶员年龄回归模型；
(4)根据步骤3得到的驾驶员反应时间回归模型，建立适用于高原驾驶员的公路视距模型。
进一步的，步骤(1)所述反应时间测试方法，是先使用UC/win ROAD软件分别录制正常驾驶过程及突发状况出现场景，将各种场景放入HTML搭建的网页中随机播放，每种突发状况的图像对应一个相应的方向按键，作为被试人员针对突发状况做出正确判断的判别标准，利用JavaScript语言编写函数采集图像出现到被试人员按下正确按键所需的时间，即为该被试的制动反应时间t1i。该试验考虑不同性别、年龄、海拔、光照条件的差异。
进一步的，步骤(2)所述驾驶仿真制动模拟试验，是利用驾驶模拟设备进行突发交通事故场景模拟，当前方出现交通事故时，被试人员需采取紧急制动操作，驾驶模拟设备记录被试人员车辆速度变化。交通事故触发时间与车辆开始减速的时间差即为该名被试人员的驾驶反应时间ti，该被试的制动操作时间t2i＝ti-t1i。
进一步的，步骤(3)所述的基于驾驶员反应时间的高原公路停车视距计算方法，其特征在于：步骤3考虑反应时间受多因素影响，选取海拔h，年龄n，光线强度l(即时间段，白天取1，晨昏取2，夜晚取3)作为自变量，对采集到的N个被试样本t1i(i＝1，2，…，N)进行拟合，建立驾驶员制动反应时间t1的回归模型，模型形式如下：
t1＝Ah2+Bnl+Cnh+Dh+En+Fl+G
式中：
A、B、C、D、E、F、G——回归参数；
t1——驾驶员制动反应时间，单位ms；
h——驾驶员所处海拔高度，单位m；
n——驾驶员年龄，向下取整到十位；
1——光照强度，单位lx；
驾驶员的制动操作时间t2的选取从偏安全的角度出发考虑，为满足所有驾驶员尤其新手驾驶员的行驶安全性，取N个被试样本t2i(i＝1，2，…，N)中的最大值作为驾驶员的制动操作时间t2的代表值。
t2＝max{t2i(i＝1，2，...，N)}
进一步的，步骤(4)所述停车视距模型的基本计算公式为：
式中：
t1——驾驶员制动反应时间，单位s；
t2——驾驶员制动操作时间，单位s；
t3——车辆制动反应时间，单位s，取作0.6s；
v——车辆运行速度，单位km/h；
g——重力加速度，单位m/s2；
f1——纵向摩阻系数，依车速以及路面状况而定；
分别将步骤4和步骤5所得驾驶员制动反应时间t1与制动操作时间t2代入上式中，得到所述高原公路视距模型：
本发明所述的一种基于驾驶员反应时间的高原公路停车视距模型构建方法，总体上就是首先利用反应时间测试程序采集驾驶员在不同海拔高度下针对不同突发场景按下相应按键的制动反应时间t1，利用驾驶模拟器采集驾驶员在交通事故发生时执行紧急制动操作的制动反应时间t2，然后建立驾驶员反应时间与海拔、驾驶时间段(光照强度)以及驾驶员年龄的回归模型，最后基于停车视距的基本计算公式，建立适用于高原公路的停车视距模型。
有益效果：与现有技术相比，本发明在现有技术的基础上解决了现有道路几何线形设计中的停车视距计算未考虑高原地区低压缺氧环境对驾驶员特性不利影响的不足，同时本发明公开的方法简单、方便，提出了针对高原地区的停车视距计算方法，为高原地区公道路安全设计提供参考。
附图说明
图1示出减速时间拐点判别流程图；
图2是本发明模型构建的框架图。
具体实施方式
下面通过特定的具体事例对本发明的实施方法做进一步说明，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
选取波密(海拔2700m)、林芝(海拔3000m)、拉萨(海拔3650m)、那曲(海拔4460m)以及羊湖景区(海拔4800m)等5处作为高原地区测量驾驶员反应时间，停车视距模型计算主要包括以下步骤：
步骤(1)：
使用UC/win ROAD软件录制正常驾驶过程及突发状况出现场景，当突发状况出现时，试验对象需立即根据不同状况做出唯一正确判断。该试验考虑不同性别、年龄、海拔、光照条件的差异，设置白天、晨昏交接、夜晚三个时间段的6种突发状况，每种突发状况随机出现。
反应时间测试网页打开后，首先显示测试等待页面，试验人员准备好后敲击空格键开始测试。敲击空格开始测试后，显示正常驾驶视频。正常驾驶状况视频由UC/win ROAD软件基于拉萨高速公路建立，并录制视频。道路为双向六车道，车辆于中间车道运行，行驶速度80km/h，目高1.2m。未出现突发状况图片时视频循环播放。测试网页记录试验对象从突发状况出现直至做出正确选择的时间。中、右两车道前方发生事故和中、右两车道前方有车行驶对应的正确反应为左转。左、中、右三车道前方发生事故和左、中、右三车道前方有车行驶对应的正确反应为减速。左、中两车道前方发生事故和左、中两车道前方有车行驶对应的正确反应为右转。键盘方向键左键代表左转，右键代表右转，下键代表刹车减速。该设置符合试验人员常识，便于记忆。每种突发状况出现后，按下其他键显示界面无变化，按下代表正确反应的按键后突发状况示意图片消失，界面播放正常驾驶视频。网页上方显示从突发状况图片出现到按下正确反应按键的时间差，单位为毫秒。试验结束后，自动保存试验结果。
本实施例在南京(海拔10m)、波密(海拔2700m)、林芝(海拔3000m)、拉萨(海拔3650m)、那曲(海拔4460m)以及羊湖景区(海拔4800m)6个海拔测量不同时间段下不同年龄、性别驾驶员的制动反应时间。
步骤(2)：
驾驶模拟试验利用UC/win ROAD软件建立驾驶仿真场景，驾驶员在南京利用驾驶模拟设备进行突发交通事故场景模拟。试验对象按照指定车速进行驾驶，设置触发机制(车辆到达距离预设地点250m处)，预设地点出现事故车辆，要求试验对象进行紧急制动操作。每个试验者进行三次试验，但试验之前不告知事故具体内容，让试验者自行判断所需操作措施，记录驾驶员车辆速度变化、驾驶距离与驾驶时间。
驾驶员制动操作时间，是由驾驶模拟试验中，触发事故时间与车辆开始减速时间的时间间隔减去步骤(1)采集的驾驶员制动反应时间得到的。
表1为A号驾驶员面对事故时的一次车辆速度变化。速度单位为km/h，UC-win/Road每秒提取8组车辆速度以及行驶距离，部分数据如表1所示。
表1A号驾驶员遇突发事故的部分车速数据
| 序号 | 行驶时间(s) | 行驶距离(m) | 行驶速度(km/h) |
| 1 | 0.000 | 0.035198957 | 80 |
| 2 | 0.125 | 2.812976735 | 80.09004211 |
| 3 | 0.250 | 5.593880975 | 80.07628174 |
| 4 | 0.375 | 8.374307424 | 80.0665451 |
| 5 | 0.500 | 11.1543958 | 80.01620026 |
| 6 | 0.625 | 13.93273608 | 79.9704422 |
| 7 | 0.750 | 16.70948755 | 79.95337219 |
| 8 | 0.875 | 19.4856463 | 79.97317505 |
| 9 | 1.000 | 22.26249266 | 79.9845459 |
| …… | …… | …… | …… |
由UC-win/Road软件导出时间与距离的数据可分析该驾驶员于11.077s触发道路事故，而车辆速度降低的拐点位于12.375s,时间间隔即为驾驶员制动反应时间加上制动操作时间。
为了更加清晰判断车辆减速时间拐点，利用MATLAB按照图1所示流程编写判别程序，其中Tδ为触发事故反应时间。计算统计8个驾驶员触发事故时间以及减速拐点时间如表2所示。
表2驾驶员出发事故时间以及减速拐点时间表
根据表2的计算结果求均值后减去驾驶员的制动反应时间，得到各驾驶员操作时间如表3所示。
表3驾驶员操作时间表
| 驾驶员 | 操作时间(s) |
| A | 0.720 |
| B | 0.713 |
| C | 0.795 |
| D | 0.756 |
| E | 0.825 |
| F | 0.870 |
| G | 0.889 |
| H | 0.852 |
因停车视距模型中操作时间的选取偏于安全的角度出发满足所有驾驶员尤其新手驾驶员的行驶安全性，本实施例选取0.9s作为驾驶员的制动操作时间t2。
步骤(3)：
考虑反应时间受多因素影响，选取海拔h，年龄n，光线强度l(即时间段，白天取1，晨昏取2，夜晚取3)作为自变量，对采集到的N个被试样本制动反应时间进行拟合，建立驾驶员制动反应时间t1的回归模型，回归结果如下式：
t1＝0.00002335h2-0.121nl+0.00227nh-0.061h+6.215n+81.458l+562.809
式中：
t1——驾驶员制动反应时间，单位ms；
h——驾驶员所处海拔高度，单位m；
n——驾驶员年龄，向下取整到十位；
l——时间段，代表光照强度，白天时段8:00～17:00取作1，晨昏时段5:00～8:00及17:00～20:00取作2，夜晚时段20:00～次日5:00取作3。
步骤(4)：
停车视距模型的基本计算公式为：
式中：
t1——驾驶员制动反应时间，单位s；
t2——驾驶员制动操作时间，单位s；
t3——车辆制动反应时间，单位s，取作0.6s；
v——车辆运行速度，单位km/h；
g——重力加速度，单位m/s2；
f1——纵向摩阻系数，依车速以及路面状况而定。
分别将步骤4和步骤5所得驾驶员制动反应时间t1与制动操作时间t2代入上式中，得到最终高原公路视距模型如下式：
式中：
再分别计算3000m、4000m、5000m海拔高度下的停车视距模型并向上取整提出高原公路停车视距应用建议值。重力加速度随着海拔增加而减少，如果上升高度不大，则每上升1km，g减少0.03％。因此，上述三个海拔的重力加速度取值依次为：9.791m/s2、9.788m/s2、9.785m/s2。考虑最不利情况，高原驾驶员高原年龄选择为50岁以上，时间段为夜晚，按照《路线规范》以车辆运行速度计算结果如表4所示。建议值为增加5～10m安全距离后取整所得。
表4高原公路停车视距应用建议值
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于驾驶员反应时间的高原公路停车视距模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选取不同海拔高度地区进行反应时间测试试验，采集驾驶员的制动反应时间；
步骤2：利用驾驶模拟器进行驾驶仿真制动模拟试验，采集驾驶员的制动操作时间；
步骤3：建立驾驶员反应时间与海拔、驾驶时间段以及驾驶员年龄回归模型；
步骤4：根据步骤3得到的驾驶员反应时间回归模型，建立适用于高原驾驶员的公路视距模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于驾驶员反应时间的高原公路停车视距模型构建方法，其特征在于：所述驾驶员反应时间包括制动反应时间与制动操作时间。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于驾驶员反应时间的高原公路停车视距模型构建方法，其特征在于：步骤1所述反应时间测试方法，先使用UC/win ROAD软件分别录制正常驾驶过程及突发状况出现场景，将各种场景放入HTML搭建的网页中随机播放，每种突发状况的图像对应一个相应的方向按键，作为被试人员针对突发状况做出正确判断的判别标准，利用JavaScript语言编写函数采集图像出现到被试人员按下正确按键所需的时间，即为该被试的制动反应时间t1i。
4.根据权利要求3所述的一种基于驾驶员反应时间的高原公路停车视距模型构建方法，其特征在于：步骤2所述驾驶仿真制动模拟试验，利用驾驶模拟设备进行突发交通事故场景模拟，当前方出现交通事故时，被试人员需采取紧急制动操作，驾驶模拟设备记录被试人员车辆速度变化，交通事故触发时间与车辆开始减速的时间差即为该名被试人员的驾驶反应时间ti，该被试的制动操作时间t2i＝ti-t1i。
5.根据权利要求4所述的一种基于驾驶员反应时间的高原公路停车视距模型构建方法，其特征在于：步骤3，选取海拔h，年龄n，光照强度l作为自变量，对采集到的N个被试样本的制动反应时间t1i进行拟合，i＝1,2,…，N，建立驾驶员制动反应时间t1的回归模型，模型形式如下：
t1＝Ah2+Bnl+Cnh+Dh+En+Fl+G
式中：
A、B、C、D、E、F、G——回归参数；
t1——驾驶员制动反应时间，单位ms；
h——驾驶员所处海拔高度，单位m；
n——驾驶员年龄，向下取整到十位；
l——光照强度，单位lx；
驾驶员的制动操作时间t2计算方法为：取N个被试样本t2i中的最大值作为驾驶员的制动操作时间t2的代表值，i＝1,2,…，N；
t2＝max{t2i}。
6.根据权利要求5所述的一种基于驾驶员反应时间的高原公路停车视距模型构建方法，其特征在于：步骤4所述停车视距模型的计算公式为：
式中：
t1——驾驶员制动反应时间，单位s；
t2——驾驶员制动操作时间，单位s；
t3——车辆制动反应时间，单位s，取作0.6s；
v——车辆运行速度，单位km/h；
g——重力加速度，单位m/s2；
f1——纵向摩阻系数，依车速以及路面状况而定；
分别将步骤4和步骤5所得驾驶员制动反应时间t1与制动操作时间t2代入上式中，得到所述高原公路视距模型：
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| 何苗: "高原环境下公路停车视距模型研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑, pages 18 - 64 * |
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