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1、平曲线路段突起路标线形诱导有效性研究摘要：交通安全与道路的线形有着密不可分的关系，当道路的线形变化时，驾驶人的视线很难随着线形的变化而急剧改变，直线至平曲线过渡处是事故的高发点之一。突起路标作为线形诱导设施的一种，能够有效的减少因不良视线导致的交通事故，在美国等发达国家得到了广泛的应用，其设置的方式在我国相关的规范中却只有一般原则性的规定，相关研究成果较少，在研究突起路标布设间距时，其原理也都是直接采用国外基于线形诱导标的试验结论，直接应用于突起路标时，其有效性并没有得到验证。关键词：突起路标；线形诱导；视觉特性第1章 绪论1.1 课题的目的和意义 1.1.1课题目的人、车、路、环境等要素共同
2、组成了道路交通这个复杂的动态系统，在这个系统内只有各要素之间相互协调作用，才能够支撑起整个系统高效、安全、有序的运作。相关的统计表明，绝大多数交通事故的发生是驾驶人的失误和道路环境共同作用引起的结果，然而人在交通事故的成因中是属于不可控的因素，但是通过优化外部条件，使得驾驶人获得更好的驾驶环境与体验，减少由于外部原因导致的控制失误，道路交通事故的概率就能随之大大地降低。 1.1.2课题意义交通安全与道路的线形有着密不可分的关系，而道路在设计时的许多平、纵、不良线性的组合，使得驾驶人在道路行驶过程中遇到许多不可预知的安全隐患，虽然在道路设计的初期考虑到了这些因素，但是这些潜在的安全隐患并不能完全
3、的消除，如驾驶人在由直线路段向小半径曲线路段行驶时，道路的线形变化时，驾驶人的视线却很难随着线形的变化而急剧改变，尤其是道路标线在长时间的使用后，磨损严重，丧失了原有的线形诱导功能，这种情况在夜间行车时将变得极为糟糕。因此交通事故的多发点就出现在道路的凸曲线顶部及直线至平曲线过渡处。1.2 课题背景对于轮廓标和线形诱导标而言，国内外已有较为系统和深入的研究，尤其是轮廓标，制定了统一的间距设置标准。然而，对于突起路标，虽然在如美国等发达国家有了十分广泛的应用，但其设置的方式在我国相关的规范中却只有一般原则性的规定，且相关研究成果较少。对于突起路标的设置，现有研究的布设的基本原理建立在国外对于线形
4、诱导标的试验结论上，然而线形诱导标的大小与布设位置与突起路标不尽相同，其结果的有效性跟适用性并没有得到检验，同时，其设置间距依所搭配诱导设施类型而定，没有完善的设置原理与方法。通过对美国一些布设突起路标多年的地区的统计研究发现，如果其设置的数量和间距不合理，将会使得线形诱导的效果大打折扣，更为甚者出现相反的效果，使得事故率不降反升，因此，对于合理的布设突起路标就显得尤为的重要。1.3 文献综述彭武宏以国外的线形诱导标诱导理论试验为基础，考虑驾驶人的视觉特点、车辆的灯光照射性能，建立了以视线诱导为目的，在驾驶人视野范围内始终出现四块路钮的设置间距与曲线半径的关系模型，以路钮视像连续为目的形成一条
5、线的设置间距与道路设计车速之间的关系模型，并根据反光及不反光路钮的特点、设置的经济性和路段的交通安全状况对其设置方式作了分析和探讨；毛慧同样基于可见四个诱导标为基础，给出了单圆曲线的间距计算模；黄镇建分别对单圆曲线路段与带有缓和曲线的平曲线路段提出了两种不同的算法，并对其设置间距进行了计算；赵兵对反光式突起路标的失效方式以及其形成的原因进行了分析，并结合高速公路的工程实际运用，对突起路标的选择提出了建议；卢达，郭波，冯启达通过结合国内突起路标产品的市场现状，以试验的方法分析了塑料突起路标产品的利弊，并提出了选择的原则及方法，针对安装中的常见问题也提出了简单可行的解决方案；盛玉刚，夏红亮，吕婷婷
6、等根据目前道路上安装的反光式突起路标存在破坏率高、反光功能失效快等问题，在调查数据基础上，分析得出反光式突起路标的主要破坏形式、破坏主要原因，在此基础上，运用 ANSYS 软件，建立有限元分析模型，将影响因素分为静荷载与动荷载两种情况分别加载到有限元分析模型上进行力学分析，得出导致反光式突起路标功能失效的情况及其疲劳寿命系数和屈服极限。 总结来讲，在我国对突起路标的研究与统计资料实在鲜有，大多数研究者的研究方向主要集中在线形诱导标上，因此对突起路标的研究只能从线形诱导标的研究中推导，存在较多的不足。1.4 研究内容 本文旨在研究平曲线弯道处突起路标的最佳线形诱导效果，因此需要合理设定平曲线弯道
7、处突起路标的布设间距，对于突起路标而言，国内外研究资料中所用的方法都存有一定的缺陷之处，所得出的结论不够合理、科学，其设置依据基本理论与试验依据均根据线形诱导标的研究成果而来，而突起路标无论是在设置位置上或是形状大小上都与线形诱导标有较大不同，因此这样得出的布设方案无疑不能发挥其最好的线形诱导效果，如设置不当，甚至会适得其反。鉴于这种情况，本文以人体工程学、交通工程学、数理统计学等相关专业知识为依据，通过 3ds Max 仿真重新设计试验方案，得到针对突起路标的研究数据，进而提出更加合理的布设计算模型与方法，提高驾驶人在平曲线处的曲率感知精度。 1.5 研究方法 （1） 确定研究目标，即本文研
8、究要达到的目标。本文研究的主要内容是确定平曲线路段突起路标布设数量与曲率感知精度的关系，提出基于线性诱导有效性的间距布设模型。 （2） 查阅国内外有关突起路标设置的资料，分析其布设理论，去粗存精，开拓思路。 （3） 收集、查阅有关驾驶人视觉特性及汽车灯光照射性能的相关文献，确定夜间驾驶人在平曲线路段的可视范围。 第2章 驾驶人视觉特性 驾驶人在车辆行驶过程中会不断注视前方，其视觉会随着运行速度和运行环境而变化的特性称为视觉特性。车辆在行驶时，驾驶人感知交通信息的手段主要是通过视觉，因此驾驶人在获取驾驶证上路之前，必须要求具备良好的视觉条件。驾驶人在随着车辆运动的过程中，会受到诸多因素的影响，本
9、章将利用以往的相关研究，分析了驾驶人的视野、视力、视觉惰性等相关视觉特性和影响因素，充分了解驾驶人的视觉特性，是本文研究线形诱导有效性的基础。 2.1 驾驶人视力特性 视力又称视锐度，是指视觉器官对空间物体的形态以及两点之间最小距离的分辨能力。一般地将视力分为静视力和动视力。 2.1.1 驾驶人静视力特性 静视力是指人在静止状态时，检查视力所得的结果称为静视力。我国机动车驾驶证申领和使用规定24中明确规定，机动车驾驶人的视力需要达到“申请大型客车、牵引车、城市公交车、中型客车、大型货车、无轨电车或者有轨电车准驾车型的，两眼裸视力或者矫正视力达到对数视力表 5.0 以上。申请其他准驾车型的，两眼
10、裸视力或者矫正视力达到对数视力表 4.9 以上”的标准。在我国，检测视力是以在 5 米远处观测视力表上的视标来确定视力大小的，通常采用的是“E”形视标。 2.1.2 驾驶人动视力特性 人在相对运动时，看到周围的景物都是在不断运动的，这种情况下所具有的视力称为动视力。值得注意的是，虽然静视力好是动视力好的基础，但静视力好并不意味着动视力一定好，有学者就对此进行了相关的研究，其结果显示：在抽样的 365 名驾驶人中，静视力为 1.0 的驾驶人有 276 人，但其中动视力小于、等于 0.5 的就占有 170 人，占到61%。 根据交通心理学的研究表明动视力随着运动速度的升高而迅速下降，一般情况下，静
11、视力总是比动视力高出 10%-20%，在一些特殊情况下甚至会高出 30%-40%。动视力的大小还跟驾驶人的年龄有很大的关系，驾驶人的年龄越大，动视力就越差。2.2 驾驶人视野特性 视野，一般地是指人在头部和眼球固定不动的情形下，注视点两侧所观看正前方物体时所观测到的空间范围，这个范围通常在 160180以上。然而，随着行驶速度的提升，驾驶人的注视点会随之前移，车外景物在人眼视网膜上的停留时间也变得很短，于是在驾驶人注视点的两侧一定范围内，物体将变得很难被辨认，并且在车辆高速行驶时，驾驶人的注意力会更多得向注视点处集中，这种情况极易形成一种类似催眠效果的隧道视，即只有眼前非常狭窄的视野，使得驾驶
12、人有磕睡的现象。 有实验表明，如果驾驶人或者乘客所观察到路边的景物相对人眼的回转角速度大于720/s 时，就会感到景物模糊不清，不能辨认。2.3 驾驶人视觉惰性特性 对于人类视觉这个复杂的系统而言，其最大的特点之一就是这个系统的延迟和滞后响应的特性，这也就是本文中所说的“视觉惰性”特性。人眼在对视觉目标建立和消失的过程中都存在着一定的惰性。正是由于视觉惰性的存在，导致了看到运动物体的定位失误以及运动模糊等现象。 当一个物体出现在视网膜上时，人需要一定的时间后才能对这个刺激做出响应，而当一定强度的光照投射在视网膜上时，人的眼睛也并不能立即做出反应形成稳定亮度的感觉，而是随着时间的推移，亮度由小到
13、大上升，最后回落至稳定光亮。 而另一方面，人眼在观察景物的时候，光信号在传递给大脑神经的过程中，需要经过短暂的时间，光的作用结束后，视觉图像并不会立即消失，这种残留的视觉被称为“后像”，而视觉的这一现象则被称之为“视觉暂留”。 第3章 平曲路段突起路标与线形诱导关系研究 3.1 平曲路段驾驶人识认需求分析 不良天气条件是造成交通事故的成因之一，正常天气条件下，道路路面能保持车辆正常稳定的运行，但在雨雪等天气下，汽车轮胎与路面之间的附着能力下降，制动距离增加，特别是驾驶人的视距同时受到了天气的影响，驾驶人对交通标识的识认性变差，导致发生严重的交通事故。 道路线形也与道路交通事故密切相关，道路线骤
14、变时，驾驶人面临外界环境的“突变”，无法及时的做出正确的补救行为，从而导致事故发生；道路线形组合不合理时，驾驶人无法保持良好的视距，在安全距离或安全时间内做出反应以适应新环境，从而引发事故，道路交通事故黑点就多集中在道路的平曲线处以及凸曲线顶部。 对于事故的发生率而言，美国交通部联邦公路局的报告指出，曲线路段的事故率是其它路段的 3 倍，驶出公路的事故率则是 4 倍，夜间的交通事故率比白天大 1 倍1.5 倍。究其原因，主要是由于光线差、视距不良及行驶不当等因素使驾驶人的视觉机能特性发生变化引发的交通事故。驾驶人应及时了解道路的走向以保证行车的安全。3.2 突起路标有效性分析 上一节的研究表明
15、了一般的道路标线无法充分满足夜间、不良视距情况下识认的需求，如果需要进一步满足识认需求，就需要依靠视线诱导设施。视线诱导设施能起到良好的线形预告和视线诱导的作用，目前比较常用的视线诱导设施主要有线形诱导标以及突起路标。突起路标也可以称为路钮或道钉，是用来警告、诱导或告知驾驶人道路轮廓或道路前进的方向，它们按颜色可以分为白、红、黄等几种，按反光性能又可以分为反光和不反光突起路标。美国德克萨斯州（2004）通过研究不同设计车速与运行车速差值对应的诱导设施搭配时发现，尽管不同差值对应的诱导设施应该有所不同，但都推荐使用突起路标。 3.2.1延长标线寿命 由于线形诱导标等线形诱导设施可能会受到车辆等方
16、面的遮挡，所以需要突起路标加以辅助，同时，与线形诱导标等其他设施相比，铺设突起路标的费用较低，但其反光亮度高，警示效果佳，更能延长道路标线的使用寿命。俄亥俄大学分析了布设与不布设突起路标情况下道路标线的最低逆反射系数（mcd/ m2/lx）要求，最低逆反射系数的要求能保证道路上，具有反光功能的设施在夜间能够给驾驶人提供足够的亮度来保证夜间识认道路情况的需求，该研究表明，当车辆的行驶速度大于40km/h 时，布设突起路标能够显著地减少道路标线所需的最低反射系数要求（见表 3.1），这就意味着，布设突起路标在增加驾驶人反应时间的情况下还能减少重新施划道路标线的需求，延长了道路标线的使用寿命，节约了
17、许多成本。3.2.2减少不良视距事故率 在美国佐治亚州（1982）曾经对突起路标的使用和不良视距事故之间的相关性进行了研究，在当地，突起路标被布设在双车道的平曲线路段以及曲率大于 6的高速公路上，位置为车道中央分隔线，研究组通过对交通事故的统计分析发现，合理使用突起路标可以减少 22%的不良视距事故，特别是有关单车在不良视距的事故比其他不良视距事故多降低了 12%。这项研究在美国纽约（1989）同样得到了验证，结果表明，在当地的城乡公路和市郊公路上有选择性地布设突起路标能减少 26%的不良视距事故，但报告同时指出，不合理地，无选择性地布设突起路标对夜间事故没有显著的影响，值得注意的是报告没有明
18、确指出突起路标布设的位置以及其他的一些布设参数。而另一项在美国德克萨斯州（1987）的研究得到了更为综合的结果，研究人员对布设在当地双车道、三车道、四车道及六车道上的突起路标作用评估时发现，4.6%地点布设的突起路标时不良视距事故显著减少，10.3%的地点显著增加，85.1%的地点显示突起路标的布设并不对不良视距事故起到显著的作用，同样值得注意的是，该报告也没有指出各个地点突起路标布设的位置等其他参数。3.2.3规范驾驶行为 Hammond & Wegmann（2001）在白天视距良好的情况下对突起路标在平曲路段的有效性进行了相关的评估。研究在美国田纳西州半径分别为 88 米，130 米的两处
19、平曲路段进行，实验测量了驾驶人在突起路标设置前后车辆跨越中心线的平均距离，结果表明，跨线距离由布设突起路标前的 3.3 英寸下降至布设后（间距为 12 米）的 2.5英寸，随后研究组又将布设间距调整为 6m，跨线距离又减少为 2.1 英寸。可见，突起路标能提高驾驶人的曲率感知，使驾驶人能够保持车道安全行驶，起到显著的线形诱导作用，同时，其有效性又与突起路标的布设间距有关。 结论本文旨在研究平曲线弯道处突起路标的最佳线形诱导效果，因此关键是需要合理设定平曲线弯道处突起路标的布设间距。本文的研究工作与结论包括以下几个方面： 1. 在平曲线路段上布设突起路标是必要的。平曲路段是交通事故的多发地段，道
20、路标线在长时间使用后，丧失了原有的线形诱导功能，反光式突起路标的布设能增加其使用寿命，提高驾驶人不良视距情况下的反应时间从而减少事故率。驾驶人在进入弯道前其注视点多集中在弯道内侧的切点处，内侧切点处的突出显示有利于驾驶人提高对线形的感知从而使其进入弯道后获得良好的弯道感而保持车道行驶，起到有效的线形诱导作用。 2. 现行规范中没有给出突起路标间距布设的原理和方法，并不能判断其合理性，本文结合驾驶人的视觉特性、夜间车灯的照射性能提出了基于曲率感知与视觉连续性的两种布设模型，基于视觉连续性的诱导模型求得的间距，能够保证突起路标在人眼中形成一道连续不断的光带，指引驾驶人沿着弯道行驶，从而起到有效线形诱导的作用。基于曲率感知的线形诱导模型能够帮助驾驶人在进入弯道前勾勒出弯道线形，进入弯道后获得良好的弯道感而保持车道，且不造成资源浪费，对驾驶人进行有效的线形诱导。