高速公路桥梁临界结冰风险驾驶行为分析.pdf
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1、投稿网址:2023 年 第23 卷 第29 期2023,23(29):12730-07科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T引用格式:申全军,樊兆董,王孜建,等.高速公路桥梁临界结冰风险驾驶行为分析J.科学技术与工程,2023,23(29):12730-12736.Shen Quanjun,Fan Zhaodong,Wang Zijian,et al.Analysis on driving behavior of expressway bridge with critical icing r
2、iskJ.ScienceTechnology and Engineering,2023,23(29):12730-12736.高速公路桥梁临界结冰风险驾驶行为分析申全军1,樊兆董2,王孜建1,张昱2,杨耀辉1(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)摘 要 桥梁是高速公路运行的关键节点,桥面与路面连接特殊的构造特征致使其结冰存在临界点,因此存在较大的运行风险。研究路桥连接处临界条件下车辆运行安全状态,对提升高速公路交通安全水平具有重要的意义。针对桥梁结冰且路基段未结冰的临界状态下高速公路运行风险行为的问题,依托气象环境模拟实验系,对
3、干燥路面、小雪路面、薄冰路面 3 种路面在临界状态下的摩擦因数进行测定。基于不同路面状态摩擦因数并结合驾驶模拟实验系统,采集平均速度、纵向加速度、横向加速度、方向盘转角 4 个指标的驾驶行为数据。结果表明:在 3 种不同临界状态路桥连接处的驾驶行为变化规律特征显著不同,并通过功效系数法计算路桥连接处 3 种路面状态下的驾驶风险值,可见路桥连接处的临界状态具有较高的风险水平。关键词 交通工程;高速公路桥梁;驾驶模拟;运行风险中图法分类号 U491;文献标志码 A收稿日期:2022-11-27;修订日期:2023-07-18基金项目:山东省交通运输厅科技计划(2020B46)第一作者:申全军(19
4、73),男,汉族,山东日照人,硕士,研究员。研究方向:道路工程领域。E-mail:379573881 。通信作者:樊兆董(1989),男,汉族,山东郓城人,硕士,工程师。研究方向:交通安全领域。E-mail:。Analysis on Driving Behavior of Expressway Bridge with Critical Icing RiskSHEN Quan-jun1,FAN Zhao-dong2,WANG Zi-jian1,ZHANG Yu2,YANG Yao-hui1(1.Innovation Research Institute,Shandong Expressway G
5、roup Co.,Ltd.,Jinan 250000,China;2.Shandong Transportation Research Institute,Jinan 250000,China)Abstract The bridge is the key node of expressway operation.The special structural characteristics of the bridge deck and pave-ment connection lead to the existence of a critical point of icing,so there
6、is a greater operational risk.In order to study the safety stateof vehicle operation under the critical conditions of the road bridge connection,it is of great significance to improve the level of express-way traffic safety.Aiming at the problem of expressway operation risk behavior under the critic
7、al state of bridge icing and subgrade sec-tion not icing,the friction coefficient of dry pavement,light snow pavement and thin ice pavement under the critical state was studiedbased on the meteorological environment simulation experiment system.Based on the friction coefficient of different road con
8、ditions andcombined with the driving simulation experiment system,the driving behavior data of average speed,longitudinal acceleration,lateralacceleration and steering wheel angle were collected.The results show that the characteristics of driving behavior change at the roadbridge junction in three
9、different critical states are significantly different.The driving risk value under the road surface state in the roadbridge junction 3 is calculated by the efficiency coefficient method.It is concluded that the critical state at the road bridge junction hasa higher risk level.Keywords traffic engine
10、ering;highway bridge;driving simulation;operation risk 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
11、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研究了道路投稿网址:2023,23(29)申全军,等:高速公路桥梁临界结冰风险驾驶行为分析12731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
12、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
13、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
14、%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。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。图 1 环境模拟实验F
15、ig.1 Environmental simulation experiment1.3 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Table 1 Control data of pavement and bridge deck state inenvironmental simulation experiment路面状态路面温度/
16、桥面温度/路面结冰桥面结冰干燥常温常温否否雪天(小雪)1-1否是薄水层1-1否是(薄冰层)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
17、,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,路面与投稿网址:12732科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(29)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
18、 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 environmentalsimulation experiment图 3 驾驶模拟实验设备Fig.3 The equipment of driving simulation experiment2 驾驶模拟实验设计2.1 实
19、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。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
20、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。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
21、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。图 4 驾驶模拟实验场景线型Fig.4 Linetype of driving simulation experiment scene表 2 驾驶模拟实验场景路面及桥面摩擦因数值Table 2 Friction coefficient values of pavement and bridgein driving simulation experiment scene模拟场景类型路面摩擦因数桥面摩擦因数干燥0.720.72雪天(小雪)0.420.15薄水层0.530.152.4 驾驶模拟试验过程实验过程中,被试人员严
22、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。投稿网址:2023,23(29)申全军,等:高速公路桥梁临界结冰风险驾驶行为分析12733图 5 驾驶模拟实验场景Fig.5 Driving simulation test scenario(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
23、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图 6 驾驶模拟实验过程Fig.6 The process of driving simulation experiment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
24、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
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