余曼,赵炜华,吴玲,李郁菡
基于视距模型的辅助减速车道标志设置*
余曼,赵炜华,吴玲,李郁菡
(西安航空学院车辆工程学院,陕西 西安 710077)
文章结合驾驶人视距模型对辅助减速车道字体、版面进行合理化设计,以提高驾驶人的辨识程度;通过驾驶员认知特性对辅助减速车道标志前置距离设计进行研究,为辅助减速车道合理化利用提供可能,降低了由于车辆自动失效后因错过辅助减速车道强制减速造成重大交通事故的可能。
视距模型;辅助减速车道;高度设置;重复距离设置
重型汽车制动失效问题在山区交通事故总所占比重较大,特别是在西部山区长下坡路段。而由于长时间制动而造成的制动器衰退是其中的一个原因,为了解决制动器失效问题,在长大下坡路段旁边设置了一种辅助减速车道。辅助减速车道提醒标志设置的合理性,将直接影响辅助减速车道的使用。本文就将基于视距模型对长达下坡路段的中辅助减速车道的标志,研究其合理化使用和服务辅助减速车道。
车辆行驶过程中驾驶人的视野范围随着车速的提升会逐渐减小。与此同时,随着车辆车速的增加,驾驶人的双眼视觉范围会汇聚在远方一点,这种“隧道视觉”会使驾驶人失去对周围环境的感知能力,对环境信息敏感能力下降,对于驾驶安全来说十分危险[1]。如表1所示为驾驶人水平方向的视角的分布规律[2][3]。
表1 驾驶人水平视野范围与车速关系表
根据汉字不同字体的笔画细节尺寸和视觉系统的分辨能力,粗字体和黑体字的视认性较好,而相比于没有字库的粗字体,黑体字应用起来比较方便,黑体的默认笔画粗细与字高的比为 1:10[4]。
驾驶员识别交通标志,一方面与交通指示牌和自己的距离有关,另一方面与交通指示牌的尺寸有关,当然车速也会影响驾驶员识别交通标志的内容。从交通标志的尺寸来看,影响视认距离的主要因素是文字的高度,文字高度的计算公式为[5]:
在(1)式中:车速V(m/s);交通标志文字设置的高度h(m);转化系数C=3.07,驾驶员阅读理解交通标注时间=2.6;绝对是驾驶人绝对视力、相对是相对视力,取绝对=0.672。
参考国标对于交通标志边框和衬边的设定,在这一小节采用警告标志作为辅助减速车道的标志类型,衬边颜色用黄色或者荧光黄色,边框设定为黑色。下表2为国标中对版面的设计规定。
表2 国标中标志牌文字排版规定
规定其他文字,如阿拉伯数字等的设置,应以汉字为基础确定,具体为下表3,给出了大小写、字高、字宽和笔画粗细的设定。如果有特里情况,不能符合下表要求,那么采用的高度最小为0.8倍的规定值。
表3 其他文字与汉字高度的关系
文字警告类标识和禁令类标识的字高也应按照上表来确定。如果有其他特殊的情况,认为警告的文字标识可最高降低为表中限制的0.6倍。
根据以上规定和优化得到的文字高度以及辅助减速车道的实际模型,得出标识牌的推荐尺寸、高度及文字间隔:标志的尺寸为4×5m,文字高度52cm,文字间隔10cm。
由于车辆高度相较于交通标志较低,驾驶员一般仰视交通标志。为了能有充分时间分析处理数据,至少要求标志视认后的距离大于消失距离。
图1 水平路面交通标志高度模型
如图1所示,当驾驶人对交通标志观察距离刚好为消失距离时,有:
式中:为驾驶人视线的竖直视角,人机工程学的研究表明,当>8°时,驾驶人视认能力迅速下降,取8°为的临界值;为驾驶人视点高度,一般取1.2m;为交通标志设置高度。
综合上式可得:
针对视高为3m的重型载货汽车,建立图2的模型:
图2 单一坡度条件下的标志高度模型
得:
由上式解得:
式(6)中:为视点高度;为可视视角;为道路的纵坡;是驾驶人的视认距离。
长大下坡路段驾驶人对交通标志视认与水平路面上的不同之处,交通标志设置的过低,会由于从下坡路段下来,可视角度的原因导致驾驶人不能够清晰准确的阅读和理解辅助标志;相反如果辅助交通标志设置的过高,那么驾驶员还没有充分阅读和理解标志信息,就错过了交通标志。综合分析道路坡度,驾驶员可视高度和可视视角,结合视认距离,推导出长大下坡路段交通标志高度设置的优化模型。如下表4,提供了不同车速,车辆在不同道路纵坡行驶时交通标志的建议设置高度。
表4 交通标志建议高度[6]
车辆在行驶过程中,驾驶人首先通过视觉感知信息、处理信息,第二步才会通过车辆的操纵装置对车辆施行减速操作。
如下图3所示,车辆由A至G行驶。在行驶的过程中,驾驶员在A点发现交通标志,但是仅限于识读标志轮廓,车辆继续行驶到B点后驾驶人才能够清楚的识读标志内的信息。车辆由B行驶到C的时间也是驾驶人大脑中处理信息的时间。由于不断变化的角度,车辆行驶到D点时,F点设置的交通标识就会消失。车辆继续行驶到E点时,驾驶人就会操纵车辆的操纵机构,意图使车辆减速、转向或者变换车道。车辆行驶B-F为视认距离,B-C为认读距离,D-F为消失距离。
图3 交通标志的视认过程
根据图3为了使驾驶人有足够的时间处理信息并且操纵和控制车辆,交通标识的设置应该满足以下的条件:
在A-E的过程,车辆都进行匀速行驶,通过E点之后,制动踏板开始作用,车辆开始进行减速运动。如图4所示,驾驶人经时间0后认读完交通标志,1之前的时间驾驶员用来反应,将其右脚移动至相应的踏板,2之前制动踏板消除间隙,消除之后制动器才逐渐起作用,达到持续制动。
制动器起作用阶段,减速度随时间的变化而线性增长,则车辆驶过的距离为:
同理可得:
故制动器起作用阶段的制动距离为:
式中:0初速度;3为制动器作用力上升时间,取3=0.5;为减速度的均值。
车辆的制动力不仅与制动器产生的制动力有关系,还与轮胎所接触的路面的附着系数有关,受附着条件的影响,长大下坡路段的制动减速度为(12)式:
式中:为路面附着系数,道路的坡度,为道路的纵坡。
在4中,车辆的保持制动减速度恒定的匀减速运动,车速由v降到所需要的期望车速v,在此过程中,车辆所行驶的距离为式(13):
由此可得,交通标志的前置距离为:
式中:为交通标志前置距离;1为制动器起作用行驶距离;2为持续制动行驶的距离;0为发现交通标识时的速度;0为驾驶人理解、分析、处理标志所需的时间,取0=2.5;1为驾驶人反应时间,取1=2.0;2为驾驶人实际操纵减速装置所需要的时间,取2=1.5;t为一次变换车道所用的时间,取t=60;为变换车道的次数;为视认距离:
将公示(1)带入公示(15)得表5:
表5 交通标志视认距离
综合考虑车辆的减速特性和驾驶人的视认距离对交通标志前置距离的进行设计,如表6所示为在道路纵坡=5%下,不同车速条件下,车辆减速到指定速度的交通标志所需要放置的前置距离。
表6 交通标志前置距离
本文基于视距特性,通过分析车辆行驶视觉模型,得到了长大下坡路段车道标志的大小高度与前置距离,为更加高效的使用辅助车道,合理放置车道标志提供了理论支持。车道标志作为保障行车安全的一个不可忽视的重要标志,除了参考国标现有标准以外,也应根据不同道路情况,因地制宜设置合适的标志。
[1] 彭余华,吕纪娜.基于驾驶人视认特性的高速公路作业区文字类交通标志尺寸[J].长安大学学报:自然科学版, 2016,36(4):71-78.
[2] 刘勇.从驾驶者有效视野出发探讨交通标志设置与研究[J].公路交通技术,2012,10(5):129-132.
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[4] 王磊,蒋海峰,韩文元.汉字笔画粗细与识认性的关系研究[J].公路交通科技(应用技术版),2008,9(45):165-168.
[5] 廖小芳,关志娟,陆康.汉字交通标志可认知性评价指标及标准[J]. 公路, 2012(10):114-119.
[6] 王志新.基于汽车行驶安全特性的山区公路连续长大下坡路段辅助减速车道研究[D].长安大学博士论文,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,讲师,就职于西安航空学院车辆工程学院,研究方向:电动汽车及其控制技术。
基金项目:陕西省重点产业创新链(群)项目(2018ZDCXL-GY-05-03-01);陕西省重点研发计划(重点项目)(2018ZDXM-GY-082)资助。
10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.024