基于虛擬實驗的多立交行駛安全性與舒適性研究

基于虛擬實驗的多立交行駛安全性與舒適性研究

在道路的最初階段，有一個交通碰撞點，這通常是交通擁堵和交通事故的集合。為了減少道路交通事故，解決道路碰撞點，交叉口發(fā)生了。立交利用空間位置，將相交道路控制在不同高程的平面上，使得車輛各行其道，互不干擾。立交按照交通功能可分為分離式立體交叉和互通式立體交叉。隨著汽車保有量的增加，道路擁堵情況更加嚴(yán)重，作為解決道路平面沖突而存在的立交則更多地設(shè)置在道路相交處。雖然立交的出現(xiàn)解決了道路部分交通問題，但是也帶來了一些新的交通問題。比如：立交匝道在分流處與合流處經(jīng)常出現(xiàn)交通追尾和刮擦事故。文獻隨著物質(zhì)生活的豐富，人們更加重視精神方面的追求。在乘車出行時，會選擇更加安全舒適的駕駛方式進行行駛。為了研究車輛在立交匝道上的行駛舒適性與安全性，文獻文獻橫向加速度可以作為車輛行駛舒適性的標(biāo)準(zhǔn)上述實車試驗研究，未能研究道路參數(shù)對車輛行駛的舒適性影響；參考的仿真文獻未進行全面研究車輛從主線到匝道，再從匝道上主線的整個行駛過程。本文研究時，借助Carsim車輛動力學(xué)軟件進行車輛建模，然后使用緯地三維道路設(shè)計軟件進行立交復(fù)現(xiàn)，將生成的立交數(shù)據(jù)導(dǎo)入Carsim車輛動力學(xué)軟件中的道路建模模塊，生成完整立交，進而研究仿真車輛完整地從主線到匝道再到主線的過程。1預(yù)備考試1.1來鳳匝道命名來鳳互通立交在重慶九龍坡至永川高速公路路段，位于來鳳鎮(zhèn)西南側(cè)2.2km處，來鳳互通布置為B型單喇叭一般互通，與S108線來鳳至丁家段相連接?；ネㄆ鹬箻短朘9+970～K11+160，交叉角度77°，匝道上跨主線。為了更好地描述來鳳匝道，首先對每條道路進行命名如圖1(b），其中匝道A、D為上行匝道，匝道C、B為下行匝道。來鳳立交具體參數(shù)如表1表2。1.2條道路的連接在Carsim道路模塊中導(dǎo)入每條道路數(shù)據(jù)，為了將每條道路連接起來需要將道路進行命名，如表3。Carsim車輛動力學(xué)軟件中的Event功能能夠?qū)嶒灺窂街械拿織l道路進行連接。例如實驗研究車輛從主線到匝道D，先將試驗車輛設(shè)置在道路主線上，仿真設(shè)置當(dāng)小客車從主線行駛到匝道D入口處時觸發(fā)Event，由主線Road＿ID=1變換為匝道D的Road＿ID=5，從而實現(xiàn)行駛路徑的變化，與此同時需要給定仿真車輛在上到匝道D的站值，從而實現(xiàn)車輛從道路主線到立交匝道D的換道過程，然后使用同樣的設(shè)置方式實現(xiàn)車輛從立交匝道D到匝道E的換道過程。表3中的PathID的作用是預(yù)瞄參考路徑，可以對車輛進行轉(zhuǎn)向和速度控制。圖2為仿真建模后的立交。1.3車輛建模本文在仿真車輛的選取上，依據(jù)文獻1.4車輛轉(zhuǎn)向控制為了研究仿真車輛完整地上、下匝道過程，設(shè)置仿真車輛的初始位置要距離匝道入口足夠遠，設(shè)置仿真車輛的終點位置要離匝道出口位置足夠遠。對車輛進行轉(zhuǎn)向控制時，在主線和匝道上進行不同方式的轉(zhuǎn)向控制。車輛在主線上時，將利用車輛質(zhì)心距離道路中心線的距離進行線性控制；而車輛在匝道上時，采用道路預(yù)瞄路徑進行控制。此種轉(zhuǎn)向控制，避免了以前車輛跟隨道路中心線的研究不足。依據(jù)文獻2車輛橫向加速度研究仿真研究發(fā)現(xiàn)，以加速度作為衡量行車舒適性的標(biāo)準(zhǔn)時，仿真車輛在匝道上的不舒適性主要來自車輛橫向加速度，且以當(dāng)前最高仿真車速行駛時，未發(fā)現(xiàn)車輛出現(xiàn)危險的行駛狀態(tài)。因此在研究時，主要研究車輛橫向加速度。來鳳立交的建立是為了將主線與匝道E進行相連。研究匝道A、D，車輛整個行駛過程是主線到匝道再到匝道E；研究匝道B、C，車輛的行駛過程是匝道E到匝道再到主線。由于主線和匝道E線型不是由單一直線組成，而是由多段緩和曲線和圓曲線組成。因此圖3中的橫向加速度特性曲線在主線和匝道E上會出現(xiàn)波動。2.1橫向加速度特性曲線表現(xiàn)分析圖3，橫向加速度在緩和曲線和圓曲線上的峰值隨著車速的增加而變大，橫向加速度出現(xiàn)波動處的位置一般在緩和曲線與圓曲線上，橫向加速度的極值出現(xiàn)在圓曲線位置，當(dāng)圓曲線的長度夠長，恒速行駛時，橫向加速度在達到峰值后在圓曲線上的值會保持不變，在圓曲線上的橫向加速度表現(xiàn)在曲線上的特征為類似于平行橫坐標(biāo)的直線，并且這種匝道橫向加速度特征在上、下行匝道上都會表現(xiàn)出來，具體如圖3(a）、圖3(c）；而緩和曲線的長度決定了橫向加速度變化率的大小，緩和曲線越短，橫向加速度的變化率越大，橫向加速度的波動變大。分析圖3(a）、圖3(b），從匝道幾何形狀上來看，匝道A、B的形狀基本一致，但是橫向加速度的特征曲線卻表現(xiàn)不一致，研究發(fā)現(xiàn)，在研究匝道A時，將仿真結(jié)束的位置設(shè)置的足夠長，導(dǎo)致車輛駛?cè)朐训繣的末端彎道，致使橫向加速度特性曲線表現(xiàn)為出現(xiàn)兩次峰值；車輛在匝道B上行駛，行駛距離在600～800m之間，匝道B在此處有兩段圓曲線，此處橫向加速度出現(xiàn)兩次較大的波動，總體表現(xiàn)為組成的匝道線型越復(fù)雜，橫向加速度特征曲線波動就越頻繁。因此在立交設(shè)計時，在圓曲線長度過小時，一定要保證緩和曲線長度，并在匝道口設(shè)置相應(yīng)的減速警示牌，在相應(yīng)的圓曲線前端緩和曲線路段上設(shè)置減速帶或減速標(biāo)線等，提醒駕駛員減速過匝道。分析圖3(c），匝道C線型表現(xiàn)為“S”形，因其線型的獨特性，橫向加速度特性曲線也表現(xiàn)出獨特性，由于彎道方向相反，橫向加速度特性曲線被橫坐標(biāo)分為兩部分，由匝道E到匝道C，由于圓曲線長度比較長，此段橫向加速度表現(xiàn)規(guī)律與上述規(guī)律一致；在匝道E到主線上，由于緩和曲線曲線長度比較短，橫向加速度迅速由正值變?yōu)樨撝担捎诖硕蔚膱A曲線的半徑比前段圓曲線的半徑小，橫向加速度的數(shù)值在后半段的峰值比前半段的數(shù)值大。在恒速行駛時，在駕駛舒適性上，此處更容易體驗出駕駛的不舒適性。具有反向彎道的匝道，在設(shè)計時，連接彎道的緩和曲線長度需要盡可能的大，延長橫向加速由正變負的變換過程，給駕駛員充分的調(diào)整適應(yīng)時間，且在這種匝道設(shè)計時，建議后一個彎道的半徑選取上要比前一個大，增加行車的安全性。分析圖3(d），匝道D的圓曲線半徑值比來鳳立交其他三條匝道的圓曲線半徑值都小，在相同車速下，反映在車輛橫向加速度峰值更大。匝道D主要由直線、緩和曲線、圓曲線和緩和曲線組成，與主線相連的直線和接直線的緩和曲線就占到整個匝道D的50%以上。而匝道D的減速車道主要設(shè)置在組成匝道的直線與緩和曲線上，平緩的減速車道會誘導(dǎo)駕駛員輕微減速甚至不減速，以至于從主線來的車輛可能會在匝道D圓曲線位置處發(fā)生事故。因此在設(shè)計這種匝道時，盡量將直線的長度設(shè)計短點，緩和曲線設(shè)置長點，在圓曲線半徑的選擇上盡可能的取較大數(shù)值。在已經(jīng)建好的立交上，需要在這種匝道的減速車道上設(shè)置減速帶，設(shè)置位置選在直線與緩和曲線連接處，迫使駕駛員進行制動減速。2.2車速選擇的影響依據(jù)文獻由圖3(a）、圖3(b）發(fā)現(xiàn)，在實驗車速下，匝道A上的橫向加速度值大部分都在舒適區(qū)間，車速為60km/h時，橫向加速度的值在圓曲線上未超過1.8m/s分析圖3(c），在匝道C的前一個彎道上，在滿足設(shè)置的所有車速的過程中，橫向加速度基本保持在稍有不適與無感覺區(qū)間；而在后一個彎道上，車速超過45km/h以上，駕駛過程中就會出現(xiàn)明顯不適的狀況，且在兩個彎道之間的緩和曲線上橫向加速度的變化率過大，增大了駕駛的不適性?？紤]整個匝道C，建議在車速選擇上不超過45km/h。由于匝道D的半徑較小，速度過快就會出現(xiàn)駕駛不適的感受。由圖3(d）發(fā)現(xiàn)，在仿真速度超過45km/h以上，橫向加速度的峰值就達到了明顯不適的區(qū)間內(nèi)，駕駛員在速度的選擇最好在45km/h以內(nèi)，考慮駕駛員會選擇輕微超速進行行駛，以此在匝道D上建議限速值為35km/h。3加速度特性分析為了能更好地研究不同匝道半徑對行駛舒適性的影響，將仿真車速設(shè)置為60km/h，使用緯地三維道路設(shè)計軟件對匝道圓曲線半徑進行更改，匝道其他數(shù)據(jù)保持不變。對于具有多段圓曲線的匝道，選擇圓曲線長度較長的圓曲線進行研究，具體匝道半徑選擇如表4。仿真結(jié)束將數(shù)據(jù)進行處理加工后，得到橫向加速度隨行駛里程的變化規(guī)律圖。研究圖4發(fā)現(xiàn)，由于匝道其他參數(shù)不變，仿真車速為60km/h，就某一條匝道而言，不同速度下的橫向加速度特征曲線趨勢與規(guī)律一致。雖然來鳳立交匝道幾何形狀不同，但是將匝道圓曲線半徑變大，橫向加速度的峰值都一致表現(xiàn)為變??；在匝道半徑變小時，橫向加速度峰值增大。研究還發(fā)現(xiàn)，同一車速下，在緩和曲線的參數(shù)不變時，匝道上的橫向加速度增長率將不會發(fā)生變化。在相同車速下，匝道半徑變大，車輛實現(xiàn)轉(zhuǎn)向所需要的轉(zhuǎn)角變小，由轉(zhuǎn)向引起的車輛橫向加速度就會變小。在同一車速下，匝道半徑變大，橫向加速度變小，行駛舒適性與安全性都會變好。以研究結(jié)論為指導(dǎo)，匝道半徑取值越大行車安全性就越高。但是結(jié)合實際，匝道半徑值越大，實際行車速度就會偏大，相應(yīng)的橫向加速度值也會變大，安全性又會降低。在匝道設(shè)計時還要考慮地理地形等因素，因此在匝道半徑的選取上還要結(jié)合實際進行設(shè)置。4加速度的擬合分析上述研究發(fā)現(xiàn)，來鳳立交匝道A、B在線型上的行車安全性與舒適性要好于匝道C、D。因此在研究速度與圓曲線半徑大小對橫向加速度的影響時，選擇來鳳匝道C、D進行研究。仿真實驗將針對，某一匝道半徑下，車速為30km/h、40km/h、50km/h、和60km/h進行實驗，兩條匝道共做32組實驗。將數(shù)據(jù)進行取絕對值，進行排序，然后取最大值，然后使用Matlab中的二次多項式進行三維圖形擬合，如圖5，匝道C、D三維Matlab圖。表達式（1）、（2）分別為匝道C、D的擬合曲面表達式。分析匝道C的三維Matlab圖發(fā)現(xiàn)，匝道C半徑在120～150m之間變化時，半徑的大小對橫向加速度的大小影響較小，而車速對橫向加速度的影響較大，雖然匝道C的半徑較大，但是駕駛員也不能超速進行行駛，以車速為60km/h進行行駛時，橫向加速度也已經(jīng)達到了明顯不適的區(qū)間?？紤]匝道C還有一個前彎道，為了駕駛的安全性與舒適性，在匝道C行車要控制車速行駛。相比于匝道C，匝道D由于半徑值較小，匝道半徑與車速對橫向加速度的值都有較大影響，在車速為50km/h，匝道半徑為60m時，橫向加速度就已經(jīng)達到了極度不適的區(qū)間。在行駛在匝道D上，駕駛員更要嚴(yán)格遵守匝道限速進行行駛。5在匝道上的駕駛舒適性本文使用緯地三維道路設(shè)計軟件對在建的來鳳立交，進行立交復(fù)現(xiàn)，利用Carsim車輛動力學(xué)軟件首先對該立交分別進行車速與匝道半徑大小對立交駕駛舒適性與安全性分析，最后綜合考慮車速與匝道半徑大小對橫向加速度的影響，最終得到如下結(jié)論。(1）研究線型類似的匝道A、B時，發(fā)現(xiàn)在立交設(shè)計中，當(dāng)匝道圓曲線長度過小時，為了行駛安全性，一定要保證緩和曲線長度，并在匝道口設(shè)置相應(yīng)的減速警示牌，在相應(yīng)的圓曲線前端緩和曲線路段上設(shè)置減速帶或減速標(biāo)線等，提醒駕駛員減速過匝道；從駕駛舒適性的角度進行研究分析，在來鳳立交匝道A、B上，最好將車速控制在50km/h以內(nèi)。(2）研究匝道C時，在設(shè)計具有反向彎道的匝道時，連接彎道的緩和曲線長度需要盡可能得大，延長橫向加速由正變負的變換過程，給駕駛員充分的調(diào)整適應(yīng)時間，且在這種匝道設(shè)計時，建議后一個彎道的半徑選取要比前一個大，增加行車的安全性；為了駕駛的安全性與舒適性，在匝道C上，車速建議不超過45km/h。(3）研究匝道D時，在設(shè)計“喇叭”匝道時，若有連接處是直線，盡量將直線的長度設(shè)計短點，緩和曲線設(shè)置長點，在圓曲線半徑的選擇上盡可能取較大數(shù)值，并且在這種匝道的減速車道上設(shè)置減速帶，設(shè)置位置選在直線與緩和曲線連接處，迫使駕駛員進行制動減速；考慮小半徑匝道的行駛安全性與舒適性更低，建議將匝道D的限速設(shè)置為35km/h。(4）在一定的