基于实车试验的长大下坡安全提升措施研究★

张书豪，张 曦，梅本强，杨昌凤，何云勇，高建平

(1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610041;2.雅安市交通建设(集团)有限责任公司,四川 雅安 625000; 3.重庆交通大学土木工程学院,重庆 400074)

我国高速公路长大下坡路段因货车制动失效而频频发生的交通事故,严重影响运营安全。针对高速公路长大下坡路段交通安全保障方面,胡立伟等[1]建立了山区高速公路行车风险因素识别模型,认为驾驶人安全意识和态度是最本质的安全风险因素。马文敏[2]以浙江甬台温高速公路为例,分析了长大下坡路段的交通安全运行特征,并提出了综合性的处置措施。高建平等[3]、吴明先等[4]从高速公路路线和避险车道设计角度,研究了长大下坡路段安全提升的技术措施。陈朝晖[5-6]、张驰[7]等以四川汶马高速公路、昭西高速公路的长大下坡路段为例,计算了货车下坡的制动鼓温度变化特征,提出了相应的安全改善措施。在已有研究成果基础上,以四川省雅康高速公路长大下坡路段为例,开展现场货车驾驶实验,研究驾驶员驾驶行为特征及货车制动鼓温升变化规律,提出基于驾驶行为适应和制动鼓温升双重控制的长大下坡路段安全提升措施[8]。

1 工程概况

四川省雅康高速公路起于雅安市对岩镇,经天全县、泸定县,止于甘孜州康定市,路线全长134.5 km,按设计速度80 km/h,路基宽度24.5 m的双向四车道高速公路标准建设。全线共分布3处长大下坡路段,如表1所示,其中K128+956—K99+570段长29.39 km,平纵纵坡2.57%,属于典型的长大下坡路段。以该工程为例,开展了雅康高速公路长大下坡路段的现场货车驾驶试验,揭示驾驶员驾驶行为特征,研究货车制动鼓温度变化规律,在此基础上提出长大下坡路段安全提升措施建议。

2 实车试验驾驶员行为适应特征分析

山区高速公路连续下坡路段的公路线形和交通环境随里程不断变化,汽车驾驶员将通过自我调节来适应不同的道路条件和风险程度,从而导致驾驶员在不同路段的驾驶心理不同,引起驾驶员生理改变。因此,基于驾驶员行为适应理论,采用驾驶员行车生理指标对高速公路长大下坡路段的驾驶行为进行分析,探索长大下坡不同驾驶员的驾驶行为规律。现有研究表明,驾驶人心理紧张程度并非随坡度增加而一直呈现递增的趋势,坡度在3%～4%之间时,驾驶人心理紧张程度较高,随着坡度的继续增加,驾驶人心理紧张程度会降低;在下坡方向,驾驶紧张程度则会出现明显增加,当坡长增加到一定程度时,驾驶员行车处于危险域范围内。驾驶员瞳孔直径变化百分比(APCPS)可以较为理想的反映驾驶员在行车过程中的心理波动情况,从而反映驾驶员的驾驶行为[9]。因此,将瞳孔直径变化百分比作为驾驶行为表征指标,分析其在长大连续纵坡路段的分布特征。

表1 长大下坡路段分布一览表

以四川省雅康高速公路长大下坡路段为例,开展了现场实车试验,获取驾驶人在长大连续纵坡路段的瞳孔直径变化百分比。试验结果如图1所示,从图1中可以明显的看出驾驶员的瞳孔直径变化百分比均呈现相似的规律,驾驶人瞳孔直径变化百分比一共呈现四个阶梯段的变化:第一阶段驾驶员瞳孔直径变化百分比较为平稳,变化幅度小,驾驶员处于长大下坡坡前上游路段,行车安全性较高。第二阶段驾驶员瞳孔直径变化百分比突然上升,驾驶员开始进入长大下坡路段,处于熟悉期阶段,心理紧张感明显,该段定义为长大下坡驾驶员驶入单元。第三阶段驾驶员瞳孔直径变化百分比随道路条件的变化而变化,在此过程中的瞳孔直径变化百分比明显比第二段小,已处于对长大连续纵坡路段的行车环境的熟悉期之后,此时驾驶人和长大连续纵坡路段行车环境已达到新的平衡,该段定义为长大下坡驾驶员适应单元。第四阶段驾驶员瞳孔直径变化百分比比前两段都小,驾驶员开始驶出长大下坡路段,心理紧张程度明显放松,该段定义为长大下坡驾驶员驶出单元。

3 实车试验货车制动鼓温升特征分析

汽车在山区高速公路连续纵坡路段发生的交通事故多以刹车失灵为主所致,制动鼓温度直接反映了汽车的制动性能状况。已有研究表明,行驶汽车制动鼓温度小于200 ℃时,制动性能安全可靠;当制动鼓温度介于200 ℃～250 ℃之间时,应设置主动交安设置保障安全;当制动鼓温度介于250 ℃～300 ℃之间时,应设置主、被动结合的交安措施保障安全;当制动鼓温度高于300 ℃时,制动性能失效,易引发交通事故,对应路段应采取速度限制、设置强制检查站、车道管理等措施,以提高行车安全[10]。

根据国内外经验,选取世界道路协会PIARC出版的《Road Safety Manual》中的GSRS模型、陈立辉等[11]辅助制动温升预测模型与雅康高速公路实车试验实测制动鼓温度进行对比。GSRS模型的计算公式如式(1)所示。

T=T0×e-K1L/V+Ta(1-e-K1L/K)+
K2PBV(1-e-K1L/V)

(1)

其中,T0为制动鼓初始温度,℃;K1=1.23+0.016V;L为至坡顶的距离,m;V为行车速度,km/h;Ta为环境温度,℃;K2=0.1+0.001 3V;PB为制动功率,PB=PG-PE-PF,hp;PG=WθV/272.16,hp;PE为发动机制动功率,hp;PF=(450+10.78V)V/600,hp;W为车辆总重,kg;θ为纵坡坡度,%。

基于发动机辅助制动条件下制动鼓温升模型如式(2)所示。

(2)

其中,T0为制动鼓初始温度;Pi为纵坡坡度;Li为各纵坡对应的坡长;Vi为各坡段下坡速度。

货车实车试验下坡过程中,全程未开启淋水或使用其他辅助制动,仅依靠挡位和主制动器控制速度,且为自由行驶,车速非匀速。GSRS模型未考虑辅助制动,车速也保持匀速行驶。辅助制动模型中,全程开启发动机辅助制动,依靠发动机辅助制动和主制动器联合制动控制车速,车辆保持60 km/h匀速行驶。各验算模型制动鼓起始温度均取65.5 ℃。计算得到不同模型下制动鼓温度值、变化趋势分别如图2所示。

由图2可知,辅助制动模型预测温度曲线和实车试验温度曲线变化趋势相近,均为波动上升;但在实车试验中货车制动鼓温度变化起伏较大,辅助制动模型中则起伏较小,这与行驶车速、道路条件、发动机功率因素有关,实车试验则更接近现实情况。同时,与实车试验相比,采用辅助制动后,制动鼓温度有明显下降趋势,达到临界温度的坡顶距离也有所提高,这说明采取辅助制动后,能够有效降低制动鼓温度值。根据制动鼓温度对山区高速公路长大下坡路段严重程度不同,将沿线交安设施设置划分为四类:Ⅰ类:坡段最高温度低于200 ℃;Ⅱ类:坡段最高温度达到临界温度250 ℃;Ⅲ类:坡段最高温度达到临界温度300 ℃;Ⅳ类:坡段最高温度超过300 ℃。

4 长大下坡路段交通安全提升技术

4.1 交安设施设置标准

基于驾驶员行为适应特征和汽车制动鼓温升特征变化规律,将长大下坡路段交通安全与沿线设施划分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ四个类别,并分别根据坡前路段、驶入单元、适应单元、驶出单元四个设计单元对行车安全的影响及其安全保障需求,制定山区高速公路长大下坡路段交通安全设施设置标准,如表2所示。

表2 长大下坡路段交安设施设置表

4.2 长大下坡路段交通安全提升措施

根据雅康高速公路实车试验驾驶行为特征及货车制动鼓温度变化规律,对既有长大下坡路段交通安全设施提出提升措施:

1)标志。雅康高速公路长大下坡路段标志设置情况如表3所示,可以看出,两处长大纵坡路段均设置了长大下坡路段余长提醒、禁止空挡行驶、低挡行驶等标志,并配合纵向、横向减速标线提醒驾驶员减速慢行,对行车安全有利。但在长大下坡路段前应配合陡坡警告标志设置限速标志或者建议速度标志,因此,建议在K64+750附近位置设置长大下坡路段限速标志[12]。

表3 长大下坡路段标志设置情况

受道路线形影响,雅康高速公路K64+770—K58+970段长大下坡路段设置了系列警示标志与减速标线,在长大下坡路段结束同样设置了结束提醒标志,但在K58+266长大下坡路段结束后接曲线路段,且该路段存在不良天气影响。因此,建议在长大下坡路段标志K58+266前设置弯道提醒标志,并将连续下坡结束标志设置于弯道结束后K57+900左右。在K64+200左右长大下坡路段限速标志,小型车限速100 km/h,大型车限速80 km/h,此路段处于冰雪影响路段,存在暗冰风险,建议在此处按限速80 km/h行驶。

另外,该项目长大下坡路段仅设置了一般的静态标志,警示效果一般,建议设置“动态+静态”标志,配合纵向视觉减速标线以及限速标志,提示驾驶员长下坡路段减速慢行。

2)长下坡与暗冰结合路段标志标线。在雅安方向水獭坪中桥、前碉左线大桥、大柏牛中桥等桥梁处于长大下坡路段,且位于暗冰影响区域,对行车安全不利。建议在水獭坪中桥、前碉左线大桥、大柏牛中桥桥头前设置“注意暗冰”警告标志,并于桥头前200 m～500 m位置设置暗冰路段预告;在新沟互通及喇叭河互通两处互通合流出口200 m～500 m位置及互通匝道,提醒刚进雅康高速车辆长大下坡路段信息;在新沟服务区匝道入口前200 m～500 m设置“前方长大下坡路段”警告标志,提醒行驶一段距离的车辆做好连续下坡准备;在二郎山停车区、新沟服务区设置连续纵坡路段示意图,提前告知驾驶员做好连续纵坡路段行车准备。

3)护栏。雅康高速公路雅泸段长大下坡路段按照JTG/T D81—2006公路交通安全设施设计细则要求设置护栏,采用SB级波形护栏,活动护栏开口处设置具有一定防撞能力的“钢管预应力索式防撞活动护栏”。但对于连续纵坡路段,且与降雨和冰雪天气等不良天气叠加影响,车辆对于防护设施要求更高,建议在连续下坡路段的弯道、临崖及高路堤路段应将波形护栏改为SA级单幅混凝土护栏,提高护栏防撞等级,保障行车安全。

4)管理设施。两处长大下坡路段均未设置监控及超速警告情报板,由于两处长大下坡路段均与隧道路段衔接,且隧道路段同样为下坡路段, K81+111.22—K64+770段的平均纵坡为-2.38%,与长大下坡路段形成连续长下坡路段,对行车安全不利。建议在长大下坡路段K62+000位置设置超速抓拍和超速警告情报板进行强制减速;配合超速抓拍及超速警告情报板在摄像头前200 m～500 m设置静态限速标志;由于危险品车辆通行连续纵坡隧道路段,其事故风险、事故严重程度与隧道事故疏散救援困难的特性,建议禁止运载爆炸物品、易燃易爆化学物品以及剧毒、放射性等危险物品的车辆进入雅康高速公路。

5 结语

我国西部四川、重庆、云南、西藏等省正在建设或规划建设的山区高速公路长大下坡里程长、坡度大,往往又与冰、雪、雾和强暴雨等恶劣气候条件等不利因素组合,普遍面临长大下坡运营安全问题。以雅康高速公路长大下坡路段为例,开展了现场实车试验,研究驾驶员驾驶行为变化特征及货车制动鼓温度变化规律,定义了长大下坡路段单元划分,制定了不同路段单元的交通安全设施设置标准,结合雅康高速公路从标志、标线、护栏及管理设施等方面提出了交通安全提升措施建议,可供山区高速公路长大下坡路段交安设施设计参考。