陈瑶 CHEN Yao；郭凤香 GUO Feng-xiang
（昆明理工大学交通工程学院，昆明 650500）
（Faculty of Transportation Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China）
摘要： 针对公路环境对驾驶员反应时间的影响，对停车视距模型进行了分析。从运动学原理出发，将停车制动过程分为驾驶员反应阶段、制动间隙消除阶段、制动力上升阶段和全制动阶段，推导了公路环境影响下的反应距离，得出基于公路环境的停车视距模型，并与现有模型进行比较。分析结果可为公路环境的改善和交通安全的管理提供理论依据和实践指导。
Abstract: Effects of highway environment on drivers´ reaction time was taken into consideration to analyse stopping sight distance model. Based on principals of kinematics, the vehicle brake process can be divided into braking-reaction time step, brake eliminating clearance time, brake force climbing time and full braking time step, and the brake reaction distance affectted by highway environment was deduced, and the stopping sight distance model of highway environment was built considering effects of highway environment on drivers´ reaction time. The model was used to compare with the previously reported models. The results provided theoretical guidance and practical instructions to improvement of highway environment and management of transport safety.
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ： 交通安全；停车视距；公路环境；模型分析
Key words: traffic safety；stopping sight distance；highway environment；model analysis
中图分类号：U491.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）34-0096-03
基金项目：云南省科技计划项目（编号：2011FB030）。
作者简介：陈瑶（1989-），女，云南曲靖人，硕士研究生，研究方向为道路交通安全与系统仿真；郭凤香（通讯作者）（1979-），女，黑龙江海林人，博士生，副教授，研究方向为道路交通安全与仿真。
0 引言
停车视距是指驾驶员发现道路前方的障碍物开始采取制动措施到车辆安全停止所需的距离，包括反应距离和制动距离[1]，是评价道路使用质量的重要指标。
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[2]，公路环境通过影响驾驶员的反应时间间接地影响停车视距。驾驶员能正确感知瞬息万变的道路环境信息，并及时、有效地采取应变措施，是预防交通事故的关键[3]。实验证明，在紧急情况下，立即刹车需要的时间中，一半时间属于反应时间，另一半时间是制动时间，对车速为30km/h的汽车，如果反应时间延长0.1s，停车视距就会增加约1m，这极有可能会造成交通事故[4]。
反应时间是机体通过视觉接受外界信息而做出反应动作的时距，包含了感知、判断和操纵整个过程[5]。在一些紧急情况下，如闪光灯型号指示时，这个过程几乎在瞬时完成。而在一般情况下，由于这个过程中存在人的判断行为，所以比较复杂。
外因通过内因起作用，内因受外因的影响，公路环境作为外在因素，直接或间接地影响驾驶员的反应时间。驾驶员在驾驶过程中通过视觉获得大约90%的信息[6]，在静止时和运动时的视觉特性有较大差异，获得的视觉感受不同。驾驶员视野的深度、宽度和视野范围内的画面都在随着车辆的运动不断变换，需要根据视野的内容操纵车辆，不同的外界刺激具有不同的反应时间，因此，在驾驶员视野范围内的不同公路环境所形成的动态刺激，对反应时间的影响不同[7-8]。文献[9]测试了高速公路路侧植物的色相变化、种植的起始位置、背景植物的种植面积比例和种类数量的改变对驾驶员反应时间的影响。有研究表明，在复杂的环境下需要更多的反应时间，好让驾驶员有足够的时间去发现和识别道路交通状况，重新选择操纵方式，以及在道路危险处启动运行反应，美国在这种条件下采用的反应时间为3.0-9.1s[6]。
目前，国内外对于停车视距的研究，主要是改进制动距离公式，缺少对驾驶员反应距离的修正的相关研究，尤其是基于公路环境对停车视距的影响研究还未见报道。DELAGUE等[10]研究了轮胎和制动器悬架等因素影响下的停车制动距离。BOGDEVICIIUS等[11]考虑了车辆制动系统、轮胎质量及道路表面特性对制动性能的影响，从制动力学的角度分析不同粗糙度和车速对制动距离的影响。袁浩[12]从运动学原理出发，对停车制动过程进行分析，并提出新的停车视距模型。姜虹，李峰[13]等考虑了不良天气对公路路面附着系数和能见度的影响，提出一种适用于不同路面条件的停车视距模型。刘建锁等[14]分析了高速公路小半径圆曲线对停车视距的影响，计算出满足停车视距要求的最小圆曲线半径。
本文考虑了公路环境对驾驶员的反应时间的影响，从运动学原理出发，分析了对汽车的制动过程，并基于公路环境对停车视距模型进行了分析及修正。
1 停车视距模型分析
1.1 汽车停车制动过程分析
汽车在紧急制动时，以一定的制动减速度，从初始速度逐渐减小为零。如图1所示，整个停车制动过程的运行时间包括驾驶员反应时间、车辆间隙消除时间、车辆制动力上升时间和车辆全制动时间。驾驶员反应时间是从驾驶员意识到道路前方存在障碍物需要刹车的瞬时起到实际采取制动的瞬时止所经过的时间t1，包括驾驶员发现、识别危险物并做出制动决定的时间以及将脚从加速踏板向制动踏板移动的时间。车辆间隙消除时间是驾驶员从踩下制动踏板到汽车开始产生制动力使车辆减速的时间t2；车辆制动时间包括车辆开始产生制动力到制动力最大的时间t3和车辆以最大制动力行驶到车辆停止的时间t4。根据文献[15]将制动力上升阶段的减速度变化简化为线性变化，t4时间内的减速度达到最大值，并保持不变。为方便计算，将车辆间隙消除时间和驾驶员反应时间合并为反应时间。
1.2 停车视距模型分析
1.2.1 指南的停车视距模型
传统停车视距模型是我国《公路项目安全性评价指南》中关于停车视距的计算公式，从力学的角度出发，将汽车的停车制动过程分为两个阶段，即制动反应阶段和制动阶段，制动阶段的制动力恒定，没有考虑制动力上升过程，停车视距计算公式如下[16]：
式中：Sc为小汽车停车视距（m）；v85为运行速度的计算值（km/h）；t为反应时间，取2.5s；g为重力加速度，取9.8m/s2；f为纵向摩阻系数，依运行速度和路面状况而定，其取值如表1所示。
1.2.2 改进的停车视距模型
指南中的停车视距模型对于制动过程的考虑较简单，与实际制动过程差别大。袁浩[15]等从运动学原理出发，用制动减速度综合考察汽车制动的复杂过程，将制动过程分为制动反应阶段、制动力上升阶段和全制动阶段，并把制动力上升过程的制动减速度变化简化为线性变化，全制动过程中制动减速度达到最大值并保持不变，推导了在制动力上升阶段和全制动阶段的制动距离，进而对停车视距的制动模型进行了改进。其修正后的停车视距模型为：
1.2.3 基于公路环境的停车视距模型
由于指南和改进的停车视距模型，只是对制动距离修正，没有考虑不同的公路环境对驾驶员反应时间的影响。本文从运动学出发，将停车视距分为驾驶员反应距离、车辆间隙消除距离、车辆制动力上升距离和全制动距离，并考虑了公路环境对驾驶员反应时间的影响，进而对反应距离进行修正，得到基于公路环境的停车视距模型。
①驾驶员反应距离。
驾驶员的反应距离S1是当驾驶员发现前方障碍物，经过判断决策到采取制动措施的一瞬间车辆所行驶的距离。这一过程驾驶员的反应时间由感知时间、判断决策时间和操纵反应时间组成。不同的感觉器官和不同的刺激都具有不同的反应时间，反应时间与外界的刺激性质有关，与公路环境直接相关的是视觉反应。
在驾驶员反应过程中车辆的制动器还没有工作，因此，运行速度保持不变，故驾驶员反应距离由初速度v0和驾驶员反应时间t1决定，其计算公式为：
S1=v0×t1（3）
现有停车视距计算中，驾驶员的反应时间没考虑到周围的公路环境的影响，是从发现障碍物到采取制动措施的时间，取值为2.5s。但是，驾驶员反应时间t1受不同公路环境的影响而不同，由文献[9]可知，路侧植物的不同颜色、种类、种植位置和面积比例对驾驶员反应时间的影响值t′如表2所示，t′的取值范围为0.17s-0.43s。
②车辆间隙消除距离。
车辆间隙距离S2是汽车在车辆间隙消除时间t2行驶的距离，由初速度v0和车辆间隙消除时间决定，由于此过程车辆的制动器还没有工作，因此，运行速度仍保持不变。t2取值为0.05s[13]，一般将其与驾驶员反应时间合并为反应时间，车辆间隙距离计算公式为：
③车辆制动力上升距离。
车辆制动力上升距离S3是汽车在制动力上升时间t3内行驶的距离，制动力减速度为线性变化，制动力上升距离计算公式为：
④车辆全制动距离。
车辆全制动距离S4是车辆在全制动时间t4行驶的距离，制动减速度为定值，且为最大制动减速，全制动距离计算公式为：
式中：S为停车视距（m）；t为基本反应时间，取2.5s；t′为不同公路环境对驾驶员反应时间的影响值，变化范围为0.17s-0.43s；t3为制动力上升的时间，取0.6s[8]；amax为最大制动减速度（m/s2），amax=gf；V为制动初速度，即运行速度（km/h）。
2 停车视距计算结果分析
根据式（1）、式（2）、式（8），计算各运行速度下的停车视距，结果如图2所示。其中规定值按《公路项目安全性评价指南》，式（1）计算所得，改进值按改进的停车视距模型，式（2）计算所得，修正值是按基于公路环境的停车视距模型公式，式（8）计算所得。
从图2中可以看出，同一公路环境下，在低速区域，车速小于60km/h时，规定值与改进值、修正值的差异不大，但在高速区域，车速大于80km/h时差值增大；在同一运行速度下，考虑公路环境影响的停车视距最大，即修正值最大，其次是改进值，最小的是规定值，且不同公路环境对反应时间的影响值越大，规定值与改进值和修正值的差值越大。分析其原因：对于指南中的停车视距，停车制动过程较简单，没有考虑制动力上升过程，导致停车视距的计算值存在偏差；对于改进的停车视距模型，虽然考虑了制动力上升过程，但是忽略了不同公路环境对驾驶员反应时间的影响，所以计算值偏小。
3 结语
公路环境是决定驾驶员驾驶行为的重要因素之一，直接影响到驾驶员反应时间，进而影响到停车视距。
本文考虑了公路环境对驾驶员的反应时间的影响，对停车制动过程和视距模型进行分析，得出了基于公路环境的停车视距计算公式。并与现有指南的规定值和改进的停车视距的计算值进行了比较，结果表明：同一公路环境下的停车视距，随着车速的增大，修正值与指南、改进值的差异趋于增大；相同运行车速，公路环境对反应时间影响越大，修正值越大，与指南、改进值的差异越大；现有指南的停车视距值较小，位于取值区间底部，从安全的角度来讲处于风险较高的范围。
由于公路环境不仅包括路侧自然环境，也包括各种交通设施、路面标志、标线、各种视觉诱导设施、天气和能见度等，目前只是对公路路侧植物影响下的停车视距分析，下一步将通过驾驶模拟实验系统平台进行更多公路环境的停车视距仿真模拟实验，从而对实验数据处理和分析，得到不同公路环境影响下的驾驶员反应时间，进而提出不同公路环境的停车视距模型。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献：
[1]袁浩，程建川.2004-2004.国际公路安全研讨会.
[2]O.B格卢什科，等著.汽车驾驶员的劳动与保健[M].马健富，等译.人民交通出版社，1999.
[3]郭应时，付锐，袁伟，等.通道宽度对驾驶员动态视觉和操作行为的影响[J].中国公路学报，2006，19（5）：83-87.
[4]王龙.基于虚拟驾驶环境的驾驶员反应时间采集和测算研究[J].交通标准化，2012（15）：117-119.
[5]王昆元.道路交通运输安全管理[M].北京：机械工业出版社，2004.
[6]DEW AR R E, OLSON P L, GERSON J A. Perception an Information Processing, Human Factors in Traffic Safety [MTucson]: Lawyers ＆ Judges Publishing Company Inc., 2002: 13-42．
[7]谢晓莉，赵一飞，王书云，李平生.动态道路交通环境对驾驶疲劳的影响试验[J].公路交通科技，2012，29（8）：142-148.
[8]秦晓春.公路景观评价的感知理论与方法研究.华南理工大学博士论文，2008.
[9]陈芳.公路视觉环境对行车安全的影响[D].重庆交通大学硕士学位论文，2009.
[10]DELAIGUE P，ESKANDARIAN A. A Comperehensive Vehicle Braking Model for Prediction of Stopping Distances[J].Journal of Automobile Engineering, 2004, 218(12): 1409.
[11]BOGDEVICIIUS M, VLADIMIROV O.Efficiency of a Braking Process Evaluating the Roughness of Road Surface[J]. Transport, 2006, 21(1):3.
[12]袁浩.停车视距模型与参数研究[D].东南大学博士学位论文，2009.
[13]姜虹，李峰.不同路面条件下高速公路的停车视距建模与安全车速分析[J].西安工业大学学报，2012，1：007.
[14]刘建锁，惠彬永.高速公路小半径圆曲线停车视距分析[J]. 山西建筑，2010，36（010）：284-285.
[15]袁浩，史桂芳，黄晓明，等.停车视距制动模型[J].东南大学学报（自然科学版），2009，39（4）：859-862.
[16]中华人民共和国交通运输部.JTG/T B05-2004公路项目安全性评价指南.北京：人民交通出版社，2004.
[17]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.