高速公路桥梁临界结冰风险驾驶行为分析

申全军, 樊兆董, 王孜建, 张昱, 杨耀辉

(1.山东高速集团有限公司创新研究院, 济南 250000; 2.山东省交通科学研究院, 济南 250000)

高速公路桥梁是保障交通运输事业发展的瓶颈路段,是公路网组成的重要纽带,其交通运行状态决定了整个道路网运行的效率和安全性。随着中国高速公路里程的增加,高速公路桥梁的数量显著增加,但是中国气候环境复杂,由于高速公路桥梁的特殊构造,相比普通路面更容易遭受不良天气的影响[1],据统计高速公路桥梁路段交通事故死亡率约为全部道路交通事故死亡率的3倍[2],其中桥面结冰是影响高速公路桥梁运行安全的主要因素,因此探索结冰环境下的桥梁运行风险对提升通行安全水平具有重要的意义。目前国内外针对桥梁的研究主要集中桥梁荷载方面或者高速公路路面桥面整体结冰状态下运行风险方面,而针对桥梁结冰的临界点的研究比较少。桥梁结冰的临界点是指在低温环境下空气湿度较大或降雨雪时,桥面温度小于或等于0 ℃,而路面温度高于0 ℃的节点。桥梁结冰的临界点具有较大的危害,往往由于不可预知的特殊性,造成严重的交通事故。

国内外专家学者针对道路结冰风险从多个角度开展研究,胡继超等[3]、李佑珍等[4]研究了道路结冰的不同预测模型,白永清等[5]利用Logistic回归方法对高速公路桥梁结冰预警开展研究;Najafi等[6]基于模糊理论研究路面摩擦因数与湿滑系统之间的关联性。王强等[7]以路面材料为变量研究不同材料在路面结冰条件下的摩擦因数变化量。谭忆秋等[8]探讨了冰雪路面的胎-冰-路摩擦机理、影响因素、预估模型及其评价方法。赵晓华等[9]运用驾驶模拟技术分析多种雨、雪、雾等不良天气对直线路段下跟驰行为的影响以及不良天气对交通流的影响。朱兴林等[10]从驾驶负荷的角度研究了降雪等5种不良天气对驾驶安全的影响。温惠英等[11]基于事故与风险理论研究了公路交通中的雨雾天气的风险要素,提出了确定公路运行风险值的方法。李青林等[12]从驾驶行为变化特性入手研究不同交通环境下换道规律。

国内外专家对公路路面的结冰进行了丰富的研究,提出了多种模型方法,对指导路面结冰风险管控提供了理论支持[13-15]。但是针对路面-桥面过渡处的桥梁临界结冰点的研究较少,管控方案的研究笼统、缺乏针对性。基于此,现针对桥梁临界结冰点的安全影响分析问题,通过采用环境模拟实验舱模拟桥梁临界结冰点的状态并获取相关数据,结合高自由度驾驶模拟实验系统研究在桥梁临界结冰点时驾驶员的驾驶行为特征,分析驾驶员在临界状态的风险特征,以期为桥梁结冰风险管控提供理论支撑。

1 环境模拟实验

1.1 试验设备

环境模拟实验设备采用气象环境模拟实验舱,如图1所示。该实验舱能够模拟降雨、降雪、结冰等不同环境类型。实验舱7 m长、4.5 m宽、2.5 m高;实验舱可实现-30～60 ℃的温度调节;相对湿度控制范围为40%～95% ;降雨强度范围为0～40 mm/h;覆冰强度范围为0～2 mm/h;降雪强度范围为0～5 mm/h。

图1 环境模拟实验Fig.1 Environmental simulation experiment

试验采用T2GO便携式连续摩擦因数测定仪测试路面的摩擦因数,该设备能够有效地模拟车轮刹车的真实过程,可以连续采集路面的摩擦因数(测量间距30 mm)。另外,试验过程中利用维萨拉遥感道面状态传感器DSC111监测冰层厚度、水膜厚度,检测厚度为0～99 mm,检测精度为0.01 mm。

1.2 试验道路及因素设计

试验道路为由3 m长、5 cm厚的车辙板组成的路面,作为实验路面。考虑实验室地面为5 mm厚铁板,因此车辙板直接放置于铁板上组成实验路面。

1.3 实验环境因素设计

根据针对桥梁和路面的温度差异研究[16]判断桥梁结冰的临界条件,一般情况下桥梁铺装面与路面的温度差异在2 ℃左右,因此实验设计针对道路结冰的现象在路桥连接处出现桥面结冰、路面未结冰的现象,设计出以下3种实验方案,如表1所示,实验方案均保持在稳定状态。

表1 环境模拟实验路面桥面状态控制数据

1.4 实验过程

步骤1控制气象环境模拟实验舱保持常温的状态,当路面状态稳定后,用连续摩擦因数测定仪在路面相近点位测量摩擦因数,连续测两三次,记录实验数据。

步骤2控制气象环境模拟实验舱降降低温度至零下,并开始降小雪,状态稳定后,对模拟路面加热控制温度为1 ℃,对模拟桥面控制温度为-1 ℃,状态稳定后,用连续摩擦因数测定仪在路面相近点位测量摩擦因数,连续测两三次,记录实验数据。

步骤3控制气象环境模拟实验舱降低温度至0 ℃,状态稳定后,对模拟路面加热控制温度为1 ℃,对模拟桥面控制温度为-1 ℃,对模拟路面及桥面喷水,至模拟桥面出现薄冰且状态稳定后,用连续摩擦因数测定仪在路面相近点位测量摩擦因数,连续测两三次,记录实验数据。

1.5 实验数据分析

实验结果如图2所示,干燥路面环境下,路面与桥面的摩擦因数基本一致,不同点位的摩擦因数分布比较均匀,均为0.72左右;实验“雪天”条件下,路面由于未结冰的原因其摩擦因数与桥面的差别较大,其中路面的摩擦因数在0.42左右,桥面的摩擦因数在0.15左右;实验“薄冰”条件下,路面的摩擦因数在0.53左右,桥面的摩擦因数在0.26左右。根据路面模拟环境实验,可知干燥环境下路面桥面的摩擦因数一致;雪天环境下,路面段雪融化,前面段部分雪融化并结薄冰,导致路桥摩擦因数突变,桥面摩擦因数降为路面的1/4;薄冰环境下,桥面薄水膜结冰致使摩擦因数变小,降为路面的1/2左右。

图2 环境模拟实验摩擦因数变化图Fig.2 Variation of friction coefficient in environmental simulation experiment

2 驾驶模拟实验设计

2.1 实验设备

实验的主要目的是在不同路面-桥面连接状况下采集不同驾驶员的行为数据研究驾驶行为变化规律,拟采用设备为六自由度驾驶模拟实验系统,如图3所示。其中六自由度驾驶模拟实验系统拥有六自由度运动平台;可实现纵向、横向、垂直、翻滚、俯仰、偏摆等运动,可全景展示高速公路道路环境、交通环境、气象环境等;可以 30 Hz 的频率记录车辆运行参数,包括速度、加速度、侧位移、油门、刹车、方向盘转角、离合、车辆坐标等车辆参数。

图3 驾驶模拟实验设备Fig.3 The equipment of driving simulation experiment

2.2 实验人员

实验中共招募25名具有高速公路驾驶经验的被试人员,为确保实验结果的科学性和有效性,招募的被试人员均具有2年以上驾龄(标准差9.03)。其中男性17人,女性驾驶员8人,年龄分布在25～57岁,平均年龄34.24岁(标准差为9.973),平均驾龄11.47年(标准差为6.39)。

2.3 驾驶模拟实验场景

驾驶模拟实验研究桥梁在临界状态下桥面干燥、薄雪、薄冰3种状态下的驾驶行为变化规律,模拟驾驶实验场景根据环境模拟实验结果进行场景设计;同时为避免出现“无聊驾驶”的现象,对场景线性增加弯道、纵坡等多种驾驶任务,保证驾驶员良好的驾驶状态,实验场景路线图如图4所示。

图4 驾驶模拟实验场景线型Fig.4 Linetype of driving simulation experiment scene

场景交通流设计为自由流,交通参与对象包括小客车、小货车、大型货车等多种交通类型。

驾驶模拟3种实验场景采用3D技术开发,全景模拟路面及桥面的积雪、结冰的状态,场景开发如图5所示。基于环境模拟实验确定模拟状态下路面桥面摩擦因数,如表2所示。

表2 驾驶模拟实验场景路面及桥面摩擦因数值

图5 驾驶模拟实验场景Fig.5 Driving simulation test scenario

图6 驾驶模拟实验过程Fig.6 The process of driving simulation experiment

2.4 驾驶模拟试验过程

实验过程中,被试人员严格按照实验员的要求,完成实验。

(1)采集驾驶人员基本信息,包括年龄、驾龄、性别、驾驶里程、有无高速公路驾驶经验、精神状态等信息,确保驾驶员具有良好的驾驶经验及实验状态。

(2)适应驾驶模拟,打开与实验场景无关的道路场景,被试人员完成5 min的试驾,并提出试驾过程中的问题,由实验员进行解决,确认试驾没有问题后,准备开始实验。

(4)正式开始实验,由实验员控制驾驶模拟实验系统,打开相应的模拟场景,并确认采集数据模块打开,开始实验,实验过程中出现交通事故(根据事故类型,实验员完成记录)的情况判断继续实验或重新开始实验。实验完成后,确认数据采集全面准确。

(5)完成实验问卷调查,包括驾驶模拟设备的操作性能实验调查以及驾驶模拟场景感受调查。

3 驾驶模拟实验数据分析

为精准研究驾驶员在桥面临界状态下的驾驶行为变化规律,实验数据截取路桥连接处前后100 m的驾驶数据,并且每20 m取一次数据均值。

3.1 影响指标建立

平均速度:是指车辆在通过路桥连接处车辆运行速度的均值,反映车辆运行安全性。根据研究的特征定义平均速度越接低,驾驶安全性越高。

纵向加速度:车辆加减速度的变化情况,反映了驾驶员的心理变化状态。研究定义纵向加速度变化越小越安全,即其绝对值越接近于0,心理舒适性越高。

横向加速度:车辆横向运动的变化状态,反映了车辆行驶的稳定性。研究定义横向加速度变化越小越安全,即其绝对值越接近于0,车辆运行越稳定。

方向盘转角:驾驶员操作方向盘的状态,反映了行驶操作状态安全性。研究定义横向加速度变化越小越安全,即其绝对值越接近于0,操作状态越安全。

3.2 临界条件下驾驶行为分析

根据对路桥连接处驾驶行为分析,在3种路桥连接处不同临界状态下驾驶员的平均速度、纵向加速度、横向加速度、方向盘转角等指标存在显著的差异,如图7～图10所示。从平均速度可知在路桥连接点处在小雪、薄冰与干燥路面状态下的平均速度显著不同(F=6.501,P=0.006),当通过临界点时,摩擦因数降低,驾驶员为保证行驶安全选择降速行驶,且薄冰状态下减速最快;另外针对纵向加速度,3种路面状态下驾驶员在路桥连接处均采取不同程度的减速,但在临界条件下不同路面状态减速过程存在不同(F=1.995,P=0.158)。结冰及小雪路面状态下车辆通过路桥连接处出现较为显著的减速行为,表明驾驶员在该状态下出现紧张心理,从而发生快速减速行为。从横向加速度可知干燥路面与小雪及薄冰路面显著不同(F=5.132,P=0.014),小雪及薄冰路面状态下横向加速度变化较大,车辆出现轻微的左右晃动,其稳定性较差。从方向盘转角可明显看出3种路面状态存在显著不同(F=6.917,P=0.004),干燥路面下方向盘比较稳定,小雪及薄冰路面条件下驾驶员为保证安全对方向盘进行较频繁调整,提高车辆在临界状态下的稳定性。总体来看在小雪及路面薄冰状态下驾驶员的驾驶行为特征较干燥路面状态下显著不同,随着摩擦因数的变化,驾驶员采取减速、稳定行驶方向的行为保证在路桥连接处临界状态下驾驶安全,同时反映了该临界状态下对驾驶的影响规律以及风险水平。

图7 路桥连接处平均速度Fig.7 Average speed at the junction of road and bridge

图8 路桥连接处纵向加速度Fig.8 Longitudinal acceleration at the junction of road and bridge

图9 路桥连接处横向加速度Fig.9 Lateral acceleration at the junction of road and bridge

图10 路桥连接处方向盘转角Fig.10 Steering wheel angle at the junction of road and bridge

4 路桥连接处临界状态下风险评估

4.1 基于熵权的功效系数

为进一步评估在路桥连接处临界状态下驾驶行为的综合风险水平,研究拟选择平均速度、纵向速度标准差、横向速度标准差、方向盘转角4个微观驾驶行为指标,运用熵权法确定4个指标的权重,并基于功效系数分析方法建立路桥连接处临界状态下风险值,功效函数法根据多目标原理对每一项评价指标确定一个满意值和不允许值,以满意值为上限,以不允许值为下限,计算各指标实线满意值的程度,经过加权平均进行综合,实现对研究对象的综合评估。该方法可充分提高个方案的对比性,保证结果的科学和理性。

评估过程如下。

步骤1确定反映路桥连接处临界状态的驾驶行为指标xi(i=1,2,…,n)。

步骤2根据选择的平均速度、纵向加速度、横向加速度、方向盘转角4个驾驶行为指标的含义,分别确定3种路面状态下的最优值及最劣值,

步骤3计算各个指标的单项功效系数,计算公式为

(1)

步骤4选择熵权法计算4个指标的权重ωi,熵权法是从客观角度结合各指标数据变化基础上的综合定权方法,其主要是结合指标贡献的信息量大小来确定权重。熵权法应用比较成熟,具体过程参考相关文献[17]。

步骤5结合各指标权重值,分别计算3种不同路面状态下的总体功效系数,进而确定路桥连接处临界状态下风险值,具体计算公式为

(2)

4.2 路桥连接处临界状态风险评估

运用功效系数法的多目标评估优化的优势计算3种不同路面状态下的驾驶风险值,具有较强的实用性。通过驾驶模拟实验获取路桥连接处临界状态下干燥、小雪、薄冰等3种路面状态下的平均速度、纵向加速度、横向加速度、方向盘转角4个指标的数据,并分别计算每个方案各项指标的功效系数,如表3所示。

表3 路桥连接处临界状态下不同路面状态的功效系数值

运用熵权法得出平均速度、纵向加速度、横向加速度、方向盘转角4个风险判断指标的权重值,如表4所示。

表4 单项指标权重

在确定4个指标权重的基础上,分别计算路桥连接处临界状态下的干燥路面、小雪路面、薄冰路面的总功效系数,即确定不同路面状态下的风险值,如表5所示。

表5 3种路面状态的风险值

根据表5可以得出3种路桥连接处临界路面状态的风险水平,薄冰路面状态下具有较高的运行风险,小雪路面运行风险与薄冰路面接近,干燥路面状态下风险水平相对较低。因此可知,在路桥连接处于临界状态时,桥面结冰或积雪对驾驶安全具有较大的风险,同时表明了该方法对评估路桥连接处于临界状态下的风险水平具有较好的效果,能够直观地反映出在临界状态下路桥连接处的驾驶行为变化规律及风险程度。

5 结论

基于环境舱实验系统以及驾驶模拟实验系统,针对路桥连接处不同路面状态在临界条件下的驾驶行为规律分析以及风险评估的问题开展研究。研究选择干燥路面、小雪路面、薄冰路面3种不同的路面状态,运用环境实验获取路桥连接处临界条件下干燥、小雪、结冰等状态下的摩擦因数,并对其变化规律进行分析。基于环境实验结果,研究运用驾驶模拟实验获取多种驾驶行为数据,并选取平均速度等4项评价指标对路桥连接处临界条件下的驾驶行为进行分析,研究驾驶员在路桥连接处临界状态下的不同驾驶行为变化规律,并运用功效系数法研究了路桥连接处不同路面状态的驾驶风险评估。研究得出以下结论。

(1)路桥连接处在结冰临界状态下(满足结冰条件下)路面与桥面路面摩擦因数存差别较大。

(2)在路桥连接处不同的路面状态驾驶行为显著不同,其中在路桥连接处结冰临界状态下存在急减速、车辆行驶不稳定的现象。

(3)在路桥连接处不同的路面状态驾驶风险水平不同,薄冰条件下风险最高,对驾驶安全的影响较为突出。