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雨天高速公路纵坡对驾驶员心率及行车速度影响.docx
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雨天高速公路纵坡对驾驶员心率及行车速度影响.docx
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0. 引言
交通系统是人-车-路-环境共同组成的复杂系统,车辆在道路上行驶时,道路环境会影
响驾驶员的心理状态和对车辆速度的控制,同时车辆的行驶速度和驾驶员状态又直接决定
着行车安全
[1]
。降雨时路面湿滑,并且空气能见度降低,在这种不良环境中行车极易发生
交通事故。美国联邦高速公路局
[2]
的统计数据表明,2007~2016 年,10 年内与降雨因素有
关的交通事故起数和致死人数分别占总数的 10%和 8%。Ali 等
[3]
对数据统计分析后表明年
降雨量上升,道路的安全性降低。香港理工大学 Yuan 等
[4]
的研究也揭示了交通事故数量与
降雨强度之间的关系。不仅如此,高速公路上道路的线形、交通流量等因素也与雨天交通
事故关系密切
[5, 6]
。
降雨时车辆行驶速度会发生改变。李长城等
[7]
根据大量实际交通流采集数据得出车辆
速度与降雨强度之间的函数关系,揭示出与无雨情况相比,雨天随着降雨强度的增大(分别
为小雨、中雨、大雨),车辆行驶平均速度降低的幅度可达 4%~17%。Li 等
[8]
和张存保等
[9]
的研究也表明降雨同时也会显著影响车辆速度的离散性,不论在城市道路上还是高速公路
上,降雨强度对车速的离散性具有不同程度的影响。
降雨天气对驾驶员的整体视野造成干扰,驾驶员难以准确识别周围车辆、障碍物和道
路标线
[10]
。赵亮等
[11]
基于驾驶模拟器研究,表明天气环境越复杂,驾驶员的生理和心理因
素变化越大,而驾驶员的操作错误次数与心率变化率之间服从对数正相关的关系。
Dhaliwal 等
[12]
通过分析南加州的实际交通数据表明,降雨天气高速公路上的车头时距会增
大,表示驾驶员行为更加谨慎。考虑到降雨条件下驾驶员反应时间和路面状态的变化,张
卫华等
[13]
研究了雨天高速公路上车辆的换道模型,黄兆国等
[14]
则对雨天车辆的跟驰风险进
行了重新分析。
降雨条件下行车速度的降低及驾驶员心理和行为发生变化,原因是降雨时环境能见度
降低,同时路面湿滑使得路面与轮胎之间摩擦系数减小
[15]
。分析车辆在行车时的受力情
况,水平路面上车辆受重力、支持力、静摩擦推进力和滚动摩擦阻力的综合作用,路面摩
擦系数减小导致静摩擦推进力和滚动摩擦阻力同时减小;而在纵坡路段上车辆本身的重力
分解成了垂直路面向下和平行路面向下 2 个方向的力,静摩擦推进力和滚动摩擦阻力之间
的平衡关系被打破,因此路面摩擦系数的减小也会对车辆受力产生更复杂的影响,Das 等
[16]
和 Jung 等
[17]
的研究表明,纵坡路段对雨天交通事故的影响相对于其它因素更加明显。
综上所述,当前研究针对雨天交通事故多发的现象,挖掘了降雨对行车速度和驾驶员
心理的作用规律,同时还发现了纵坡路段对交通事故也有显著影响。根据纵坡路段上车辆
的受力分析发现,坡度决定了车辆的受力状态,而当前的研究还没有对于降雨天气坡度与
驾驶员心理和行车速度关系的分析。笔者以道路纵向坡度为切入点,综合天气条件考虑驾
驶员的心生理变化规律和行车速度特性,对晴朗和降雨天气下驾驶员的心率增长率(heart
rate growth rate, HRGR)和速度分别进行分析,探究其与道路坡度之间的量化关系,为考虑
降雨天气的高速公路线形安全设计提供参考依据。
1. 试验方案
1.1 试验对象
16 名有驾驶经验的男性被试者参与完成了试验,被试者的驾龄都在 3 年以上,所有被
试者均持有中国法定驾照,身体健康,裸眼视力在 4.8 以上。被试者的基本信息如下:年
龄 25~60 岁(均值(M)为 35.8 岁,标准差(SD)为 7.0 岁);驾龄为 3~24 年(M 为 9.7 年,SD 为
5.0 年);上一年度驾驶里程 2 000~30 000 km(M 为 9 540 km, SD 为 7 546 km)。
1.2 试验设备
试验车辆采用的是长城 CC1031PB29 小型汽车 1 辆,该车整车整备质量 1 830 kg,最
大允许总质量 2635 kg,额定载质量 480 kg,乘坐人数 2+3 人,制造年月 2016 年 5 月;试
验过程中使用的 V-Box 数据采集器可以通过高性能卫星接收器测量移动汽车的速度、高程
和距离,并生成移动轨迹,V-Box 采集速度数据时的精度为 0.2 km/h,更新频率为 5 Hz;
使用的 KF2 型动态多参数生理检测仪用于实时记录被测驾驶员的心电图、心率等信号,心
率检测范围:20~200 次/min,误差不超过±5%;使用 1 台摄像机记录试验过程和道路环
境,以备后期进行数据分析时对应具体的环境分析异常数据产生的原因从而决定是否需要
剔除。试验过程中仪器的安装及使用见图 1。
图 1 试验设备及安装
Figure 1. Test equipments and installation
下载: 全尺寸图片 幻灯片
1.3 试验设计
在新开通的高速公路上选择线形变化特征明显的路段开展试验,此时道路上交通流量
较低,容易排除其它车辆对试验结果产生的干扰。试验路段选择在太行山高速公路,设计
速度为 80 km/h,本试验选择的 3 个路段长度分别为 20, 15, 30 km。
考虑到高速公路上的纵坡路段是指坡度大于 1%的路段
[18]
,因此选择的试验路段覆盖
纵向坡度范围为 1%~4%的直线路段,按照坡度尽量服从等差分布原则选择分析路段,按坡
度从小到大的顺序为实际试验路段编号,详细信息见表 1。
表 1 分析路段信息列表
Table 1. Information of the test road sections
路段编号
坡度/%
坡长/m
1
1.00
491
2
1.17
401
3
1.45
408
4
1.65
517
5
2.04
890
6
2.73
696
7
2.92
493
8
3.33
900
9
3.58
700
10
3.82
968
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从研究文献的成果可以发现,降雨强度越大,行车速度和驾驶员 HRGR 与晴天时差
异越大;但由于暴雨天气出现概率较低并且行车风险大,所以选择大雨天气代表雨天开展
试验。关注试验路段所在地的天气预报,首先选择天气预报为大雨并且实际雨量可以形成
路面径流的条件下在所选路段开展 1 次试验;然后在晴朗天气下在所选路段上由同样的 16
名驾驶员再开展另 1 次试验,获取对应的试验数据。
1.4 数据预处理
通过视频回放并依据拉依达准则法对数据进行降噪处理。由于不同设备仪器所使用的
时间格式和采集数据的频率都不一样,所以要对数据进行融合,以确保不同仪器所采集到
的数据在同一时间同一地点上的对应。
速度数据是从 V-Box 数据采集仪直接得到的,频率为 5 Hz,去除特殊点的噪声之后
可以直接进行融合。在行车的过程中,驾驶员的心率信号经过去噪和时频转化之后,获得
的心电数据频率为 1.3 Hz,采用 Akima 插值法增加心率数据的频率,使其与速度数据的频
率一致。
V-Box 记录仪采用的是美国时间,心电仪采用的是中国时间,所以首先要对应上所有
数据的时间,按照试验过程中仪器开始工作时记录的时间,结合仪器自身显示时间,对试
验过程中所有仪器的时间点进行统一和对应。然后对试验数据进行调整频率后的时间一致
性融合。
另外,为了对应实际道路上某具体位置的驾驶员 HRGR 和行车速度,还需要根据 V-
Box 采集到的空间数据还原道路线形。
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