基于駕駛員視認性的畸形交叉口安全視距計算

郭忠印，劉天龍，周小煥

（同濟大學道路與交通工程教育部重點試驗室，上海 201804）

基于駕駛員視認性的畸形交叉口安全視距計算

郭忠印，劉天龍，周小煥

（同濟大學道路與交通工程教育部重點試驗室，上海 201804）

針對無信號畸形交叉口有別于規則交叉口的幾何特性，以及因幾何特性的不同而帶來的安全問題，通過分析駕駛員在畸形交叉口處觀察相交道路車輛情況的過程與特點，利用多自由度駕駛仿真平臺，對駕駛員在畸形交叉口的駕駛操作及視認特性進行實驗，并根據實驗所得數據，提出基于駕駛員視認性的畸形交叉口安全視距計算方法，從而得到基于駕駛員視認性的畸形交叉口視距的計算，并對畸形交叉口平面設計進行建議改善，以滿足安全通行的需求。

畸形交叉口；視認性；駕駛仿真平臺

畸形交叉口多因地形、道路規劃方案等因素影響而產生，一般出現在國道、省道及城鎮公路上，多采用無信號控制，其本身的幾何特性（交叉面積較大，車輛通過時間較長等）會導致交通沖突危險性的增加［1］，其中，畸形交叉口中車輛安全運行所需視距往往不能夠很好的滿足這一特點帶來的交通問題尤為突出。因此，相對于規則的交叉口而言，如何有效且因地制宜地改善畸形交叉口的安全視距，并提高其交通運行安全性則具有很重要的現實意義。隨著道路交通學科的發展，國內外學者對于畸形交叉口安全研究多針對于畸形交叉口宏觀設計與改善，多從改善交叉口交角的方面考慮，而對于畸形交叉口駕駛員操作特征方面入手較少?！豆饭こ碳夹g標準》［2］中指出：“平交口路線應為直線并盡量相交，當必須斜交時，交叉角角度應大于45o。平面交叉點前后各交叉公路的停車視距長度所構成的三角形范圍內，應保證通視?！边@一方面說明了交叉角度是畸形交叉口的重要特征之一，另一方面也并未涉及到畸形交叉口特殊的幾何線性對駕駛員視距的影響。本文基于針對不同交叉角度的畸形交叉口駕駛員視認特性實驗研究，提出畸形交叉口特殊的視距計算方法，從而在不能改變交叉口交角的情況下，通過改善視距來提高畸形交叉口的車輛通行安全性。

1 畸形交叉口駕駛員駕駛特點與停車制動分析

1.1 畸形交叉口駕駛特點

駕駛員在行車過程中，其駕駛行為特征有兩個方面，即視覺特點和操作特點［3-4］。從視覺特點來說，駕駛員的視野角度內根本無法看清交叉道路上滿足停車視距處的交通狀況，如圖1所示為一個交叉角度為45o的畸形交叉口，其視距三角形滿足規范要求，假設車輛行駛速度為60 km·h-1，此時他的視野范圍是75o，視距三角形給予駕駛員的視野范圍是186o（93o×2），這使得駕駛員若不采取相應措施（比如扭頭）便無法得到交叉道路上視距三角形內的交通狀況。而此時如果平縱面線形組合存在視距不良等問題，則會加大駕駛員的扭轉幅度。

圖1 45o畸形交叉口規范規定視距三角形圖示Fig.1 Specified sight triangle in 45oskewed intersection

從操縱特點來說，駕駛員駛及畸形交叉口時，由于在其預瞄區域內無法獲得交叉道路上視距三角形內的交通狀況，使得駕駛員需要扭頭觀察判斷，進而確定下一步操作，此時，駕駛員的操作變為“轉頭－觀察－回轉－感覺－判斷－行動”，駕駛員的反應過程變得復雜。若此時交叉口出現視距不良等不易于駕駛員操作的因素，那么這更易導致交通事故的發生，增加了安全隱患。

1.2 畸形交叉口停車制動分析

正是由于畸形交叉口特殊的幾何線性以及駕駛員駕駛過程中視覺特點與操縱特點的限制，使得畸形交叉口停車視距的確定方法與規則交叉口有所不同。規則交叉口的停車視距與駕駛員采取行動需要的時間及車輛性能有關，其具體的制動過程可以由圖2所示的3個階段［5-6］確定。

階段1為制動反應時間，包括駕駛員發現、識別危險物并做出制動決定的時間以及將腳從加速踏板向制動踏板移動的時間和消除間隙時間。即

階段2為制動力上升時間，即從出現制動力（減速度a）到上升至最大值所需要的時間，即t6；階段3為全制動時間，即t7；而畸形交叉口中，階段1中視覺接受時間t1與規則交叉口有所不同，即

式中：t11為駕駛員轉頭時間，s；t12為駕駛員觀察時間，s；t13為駕駛員回轉時間，s。

其它階段與普通交叉口相同，組成部分如圖3所示。

圖2 規則交叉口駕駛員停車制動過程分析Fig.2 Stopping braking process in normal intersection

圖3 畸形交叉口駕駛員停車制動過程分析Fig.3 Stopping braking process in skewed intersection

由于增加了一部分時間，使得畸形交叉口的停車視距與普通交叉口的停車視距不同。而增加那部分時間的確定，可以通過實驗來確定。

畸形交叉口停車視距實驗分析。在畸形交叉口中，滿足停車視距的駕駛員真實駕駛過程是“獲取信息－感覺－制動反應－車輛制動”，因此停車視距問題需要重新審視。采用實驗的方式對畸形交叉口的觀察進行分析，計算適用于畸形交叉口的停車視距。

1.3 實驗設計

本次實驗采用同濟大學模擬駕駛實驗室內的多自由度模擬駕駛仿真平臺［7］，該駕駛模擬實驗平臺是中國“985工程”建設項目之一，能夠進行類駕駛環境下駕駛員—車輛—交通流—道路設施之間相互作用的機理研究，總體上達到了國內領先、國際先進水平。實驗平臺由運動系統、控制軟件、駕駛艙、投影系統和仿真車輛5部分組成，其主要支撐的研究方向包括：1極限駕駛條件下（如交通事故）駕駛員的因素和反應；2道路設施特性與駕駛員的心理與行為；3交通環境（包括不同交通流環境、自然環境與信息環境）與駕駛員的心理與行為；4人機界面與駕駛員的心理與行為。

實驗分別設置45o，60o，75o的畸形交叉口各一個，相交道路為二級公路，設計速度為60 km·h-1；實驗路段選擇修建于平原處；考慮到實驗成本和經費的限制，本次實驗選擇5名駕駛員分別以速度60 km·h-1和30 km·h-1在實驗路段上各實驗至少5次；具體實驗過程為：每一個畸形交叉口的設置為在滿足規范規定的視距三角形范圍外，路段其它長度路側都設置障礙物，使得駕駛員不能在視距三角形外觀測到交叉道路的交通狀況。待駕駛員行駛至障礙物消失時，也即到達滿足規范規定的視距三角形一個端點時，駕駛員需要觀測相交道路左方的交通狀況，用攝像機記錄下這個過程。最后對拍攝視頻進行分析，得到每組實驗的駕駛員轉頭、觀察、回轉的時間，并進行分析，最終得出駕駛員因需要發現交叉道路路況而增加的扭轉頭部發現目標的時間。

1.4 數據分析與結論

實驗得出的數據經過處理后有效數據為157個，匯總如表1。

表1 實驗數據匯總表Tab.1 Experimental data summary

通過一系列的實驗數據處理分析，得出如下結論。

1）駕駛員每次觀察目標，其轉頭時間t11與回轉時間t13基本保持一致。

2）同一運行速度v下，駕駛員行駛在不同交叉角度θ的畸形交叉口中，其轉頭時間t11隨著角度的增加而減小，考慮到車輛在二級公路行駛中其行駛速度往往不會降低很多，所以二者的關系可以用行駛速度v=60km·h-1時的冪指數式：

且隨著角度的增加，轉頭時間t11的減小趨勢逐漸變緩；駕駛員行駛在不同交叉角度θ的畸形交叉口中，其觀察時間t12基本保持不變，大致為0.3～0.4 s；

3）同一交叉口中，駕駛員以不同速度v行駛觀察，其轉頭時間t11、觀察時間t12基本沒有變化，也即轉頭時間t11、觀察時間t12與運行速度v無關。

4 應用

畸形交叉口的停車視距分為反應距離和制動距離兩部分。反應距離是駕駛員發現前方障礙物，經過判斷決定采取制動措施的那一瞬間到制動器真正開始起作用的那一瞬間汽車所行駛的距離。這段時間又可分為“感覺時間”和“反應時間”［9］。其中，與規則交叉口不同的是，畸形交叉口的感覺時間包括駕駛員轉頭時間t11、觀察時間t12、回轉時間t13和辨認時間，具體來說駕駛員在其視野內覺察一個目標約需0.4 s的時間，這在之前的實驗中已經通過t12得到驗證；需要約1 s的時間清晰辨認，這與規則交叉口的相同，但是增加的轉頭時間與回轉時間均可以用前文所述公式（3）來確定。

因此，設計上可以偏安全考慮：感覺時間=1.5+2t11

制動反應時間取1.0 s，感覺和制動反應的總時間T=2.5+2t11，在這個時間內汽車行駛的距離為

式中：v為汽車的行駛速度，設計速度為120～80 km·h-1采用設計速度的85%，60～40 km·h-1采用設計速度的90%，30～20 km·h-1采用原設計速度；t11為畸形交叉口駕駛員轉頭時間，s，可以用式（3）確定；θ為畸形交叉口的交叉角度。

制動距離S2與規則交叉口的相同，即指汽車從制動生效到汽車完全停住，這段時間內所走的距離［10］。

式中：φ為路面與輪胎之間的附著系數，一般按潮濕狀態考慮。f為動阻力系數，它與路面類形、輪胎結構和行駛速度等有關。i為道路縱坡（上坡i＞0，下坡i＜0）。

故畸形交叉口的停車視距為

現以交叉角度為45o，60o，75o的畸形交叉口為例，根據前文分析，本文研究的畸形交叉口主要為二級公路，其路面多為瀝青路面，故φ取值為0.4，f取值為0.015，道路最大縱坡i為6%，取最不利情況，i=-0.06，其停車視距計算見表2。

表2 畸形交叉口安全停車視距Tab.2 Safe sight distance in skewed intersection

可見，畸形交叉口安全視距相交與規則交叉口是有所增加的，不同畸形交叉口基于駕駛員視認特性的停車視距與規范規定的停車視距的差值隨著交叉角度的變大而逐漸減小，這也反應了畸形交叉口隨著交叉角度的增加其交通流運行方式與規則交叉口愈發接近。

5 結語

本文對無信號控制、不同交叉角度的畸形交叉口（45o，60o，75o）設計了畸形交叉口駕駛員以不同行駛速度（30 km·h-1和60 km·h-1）下的視認特性的實驗，通過實驗分析提出了基于駕駛員視認特性的畸形交叉口安全視距計算方法，為畸形交叉口的安全設計與改善提供了一定的參考。但沒有考慮道路上其它交通流及行人的影響，且由于實驗儀器精度水平以及畸形交叉口的多樣性等方面的限制，對針對于不同畸形交叉口駕駛員駕駛的細節問題帶來的安全視距計算的不同仍有待更深入的探討。

［1］徐家鈺，梁家民.X形交叉口的改善［J］.上海公路，1997（2）：23-29.

［2］中華人民共和國交通部.JTG B01-2003公路工程技術標準［S］.北京：人民交通出版社，2003.

［3］潘兵宏，趙一飛，楊少偉.駕駛員的操縱強度與公路幾何設計［C］//長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室，《第五屆交通運輸領域國際學術會議》組委會，第五屆交通運輸領域國際學術會議論文集：道路工程分冊.北京：人民交通出版社，2005：793-797.

［4］王海林，劉仲國，朱凱曼.影響汽車駕駛員行車安全的內在因素分析［J］.汽車安全，2002（1）：32-42.

［5］袁浩，史桂芳，黃曉明，等.停車視距制動模型［J］.東南大學學報，2009，39（4）：860-862.

［6］楊超，胡瑜.高速公路汽車安全距離模型［J］.華東交通大學學報，2010，27（5）：63-66.

［7］張翔；陳雨人；研究型汽車駕駛模擬器有效性確認研究［J］.交通信息與安全，2011（2）：63-68.

［8］顧宇倩.公路平面交叉口交通安全設計［J］.現代管理科學，2008（6）：53-55.

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ASafety Sight Distance Calculation in the Skewed Intersection Based on the Driver’s Observation Features

Guo Zhongyi，Liu Tianlong，Zhou Xiaohuan
（Key Laboratory of Road and Traffic Engineering，Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Aiming at the safety problems caused by the geometric properties difference between the skewed intersection without signals and the normal intersection，the paper analyzes the process and characteristics of the drivers’observation about the traffic in skewed intersection.The multiple degree-of-freedom driving simulation platforms are used to conduct an experiment about the drivers’driving operation and observation features in the skewed intersection.Based on the data from the experiment and the drivers’observation features，a safety sight distance calculation method that can be used in the skewed intersection is presented.Then，the advice is given on the skewed intersection design to meet the safety requirements.

skewed intersection；observation features；driving simulation platform

U412.35+1

A

1005-0523（2012）03-0046-05

2011-03-26

西部交通建設科技項目(2009 318 791 034)

郭忠?。?962－），男，教授，博士，博導，研究方向為路面和道路安全。