毕业设计(论文)外文参考资料及译文-基于司机转向行为的理想缓和曲线长.doc

毕业设计(论文)外文资料翻译翻译资料名称(外文) Desirable Spiral Length Based on Driver Steering Behavior翻译资料名称(中文) 基于司机转向行为的理想缓和曲线长 院 （系）： 交通学院 专 业： 交通工程 姓 名： 丁若愚 学 号： 21105319 指导教师： 程建川 完成日期： 2009年3月14号 基于司机转向行为的理想缓和曲线长Dalia SaidPh.D. GraduateDepartment of Civil and Environmental EngineeringCarleton University1125 Colonel By DriveOttawa, Ontario, Canada, K1S 5B6Tel: (613) 520-2600Fax: (613) 520-3951E-mail: dsaidconnect.carleton.caAbd El Halim O. Abd El HalimChair, ProfessorDepartment of Civil and Environmental EngineeringCarleton University1125 Colonel By DriveOttawa, Ontario, Canada, K1S 5B6Tel: (613) 520-2600X5789Fax: (613) 520-3951E-mail: a_halimcarleton.caYasser HassanAssociate ProfessorDepartment of Civil and Environmental EngineeringCarleton University1125 Colonel By DriveOttawa, Ontario, Canada, K1S 5B6Tel: (613) 520-2600X8625Fax: (613) 520-3951E-mail: yasser_hassancarleton.ca字数统计：正文： 4998图（5*250）： 1250表：（5*250）： 1250总计： 7498提交该文件，以便在2009年一月11号至15号于华盛顿特区召开的第88届交通研究局年会上称述以及可能在交通研究记录中出版。2008年11月基于司机转向行为的理想缓和曲线长设计与驾驶行为相符合的平曲线是达到更好的设计与更加安全的公路的关键。这一点可以通过在现实的公路环境中对驾驶行为的明确的、量化的了解来实现。这项研究涉及采集关于转向行为的司机的行为资料，并且运用这些资料来找到令人满意的平曲线上的缓和曲线的长度。为了实现这一目标，将司机的转向行为与实际的几何定线进行了比较。结果显示司机们在接近平曲线时，会逐渐改变他们的操作以遵循固有的缓和曲线-圆曲线-缓和曲线形式的路径。理想的缓和曲线长度也与曲线的几何特征有关，并且被发现在很大程度上与双车道公路和高速公路的曲率半径有关。另外，也将理想缓和曲线长度与北美设计指南中的不同的缓和曲线长度进行了比较。比较结果显示在缓和曲线的设计过程中存在着矛盾。在这些指南中的最低标准需要修正以更好的描述真实的驾驶行为。此外，本文表明如何通过新的缓和曲线参数推荐值和横向加速度的变化率得到能够很好的符合司机转向行为的缓和曲线长度。 导言公路几何学设计指南试图为设计师们提供方法来说明交通运输系统中三个对道路安全等级有很大影响的构成要素：公路、车辆和司机之间的相互关系。这一点对于平曲线的设计特别的重要。在平曲线上尤其是乡村双车道公路上冲突发生的更加频繁。然而，其中两个要素：车辆与司机的特征已经发生了巨大的发展，但是并没有被这些指南所重视。例如，北美公路设计指南（1，2）基本上是基于20世纪3040年代所设计的车辆的特征的，并且在很大程度上并没有跟上现代的车辆设计和驾驶行为的发展。这可以归结于缺少研究来升级设计纲要和标准以考虑车辆和驾驶行为的不断的发展。作为弥补在驾驶行为方面知识差距的研究的一部分，卡尔顿大学设计并实施了一项试验，在不同分类的道路上使用一辆测试车来收集驾驶行为数据，包括:车辆路径，转向角度，速度和横向加速度。本文对收集到的数据进行了分析，目的是开发一个模型，以用来确定基于实际的司机转向行为的平曲线设计中的理想缓和曲线长。为了实现这一目标，对司机转向行为和实际的几何学定线进行了比较。此外，本文提出了新的缓和曲线参数建议值和横向加速度的变化，以得到能够符合司机转向行为的缓和曲线长度。背景许多研究都声称缓和曲线的存在是无效的并且建议设计法规应该不再推荐使用它们，因为他们会欺骗司机，使他们保持过高的速度(3,4)。Tom(4)也表示没有缓和曲线的曲线拥有较低的冲突率。Perco(5)发现在曲线上的自然行驶时间平均为2.232.25秒，并不因为有没有缓和曲线过渡而发生改变。有人建议，使用缓和曲线的优势在于在曲线开始之前速度的下降就能够结束。那就是说，在比圆曲线曲率更小的缓和曲线上，司机们会断地刹车。这样，横向摩擦力的需求将会减少，更大轴向摩擦力将用来在缓和曲线上减速。另一方面，在没有缓和曲线过渡的曲线上，至少会有一部分的减速发生在圆弧段，该处对横向摩擦力的要求是最大的，因此会减小刹车所产生的有效轴向摩擦力。为了确认缓和曲线的这项优点，研究建议对alignment curvature与实际车辆路径进行比较。Perco(5)也指出，如果缓和曲线过长的话它的优势会减小，这样会影响司机的曲线感，而且必然会影响他们在曲线入口处所采用的路径和速度。最后，Perco(5)建议，最可取的缓和曲线长，它提供了之前所解释过的相对于没有缓和曲线的曲线的优势，等于在运行速度下的自然转向时间内行驶的距离。Bonneson（6）也提出了这样的建议，并且在本文中被采用。北美设计指南中当前的做法绿皮书（1）在司机舒适性、最小的侧向位移控制和超高缓和段长度足够的基础上定义了一个最小缓和曲线长。它也定义了一个基于最大侧向位移的最大长度，以及一个基于大部分司机所采用的自然转向时间的理想长度。加拿大指南（2）建议缓和曲线长度：这里A是取决于设计速度的缓和曲线参数。这里的缓和曲线参数考虑了三个标准：横向加速度逐渐增加过程中司机的舒适性，足够的长度以提供超高，以及公路审美学定义的自然转向时间。对上述每一项控制的综述以及收集的司机驾驶数据的比较将会在下面给出。司机驾驶舒适性司机们通过在车辆进入曲线时对横向加速度增加速率的限制来得到舒适性。缓和曲线的长度就是通过下面的公式由这个增加速率（c）和曲线的设计速度(V)控制的：绿皮书建议c使用的最大值1.2m/sec3.使用更小的值将会导致更长、更“舒适”的缓和曲线长度；然而它们并不能代表符合司机舒适性的最小长度（1）。另一方面，加拿大指南（2）建议c的范围为0.3-0.9，并且使用0.6m/sec3这个值。美学控制（理想的长度）此外，为了实现舒适的视觉调整，建议缓和曲线的长度应该使在车辆缓和曲线上的行驶时间至少有2秒，那就是：这也是绿皮书依照自然转向时间定义的理想长度。数据采集卡尔顿大学设计并且实施了一项试验来收集司机行为数据。这项试验的目的之一，也就是本文的范围，是使用收集到的数据以及现有曲线的几何特性进行平曲线上的司机转向长度的分析。数据的收集过程在另外的文献中进行了详细的说明，这里仅仅简要的说明下.测试车是一辆装有测试仪器的小型客车：1.在测试过程中使用全球定位系统接收器记录车辆的行驶轨迹。2. 记录车速、转向角度以及横向和纵向加速度。3.两个激光枪装置用来衡量测试车与前后车辆之间的距离，以确定自由流状态的存在。30名志愿者被招募来驾驶测试车。测试在夏季和秋季、干燥的环境以及白天的状况下进行。测试路线被确定要涵盖各种不同的公路等级、设计速度、乡村和城市环境。测试路线涵盖了范围广泛的平曲线半径。平曲线上的驾驶行为一般图1（a）显示的是依照30位司机的转向行为的第85百分位值得来的曲线，图1（b）则显示的是其中一个司机的转向行为曲线。关于这一点，驾驶行为在这里使用转向角度来衡量，就是方向盘与直线形成的角度。理论上，这个角度的范围是从在直线方向上的0到360，反之亦然。转角曲线果然很接近所有显示与研究的曲线上的车辆路径。该曲线证实司机们在接近平曲线时逐渐改变他们的驾驶行为以遵循缓和曲线-曲线-缓和曲线的自然路径。司机们开始时沿着缓和曲线过渡行进并且在园区显出结束，并没有在意缓和曲线的存在。一般来说，司机们会在意识到道路弯曲之后转向，而这一点在圆曲线上会比在缓和曲线上更加明显。因此，在缓和曲线开始的地方，车辆路径的曲率并没有达到真实线位的曲率，为了校正这种情况，现对于真实线位的曲率，车辆路径在曲线中部时将需要更大的曲率。图1.曲线上转向路径举例理想缓和曲线长术语转向长度被引入以作为司机们从切线部分到圆曲线部分之间调整车辆路径的长度，并且用来对车辆路径与已有的线位进行比较并确定缓和曲线长。对于测试路线上的每一个曲线，转向长度是通过使用在测试样本中的30个司机中每一个的转向角度曲线来估量的。每个司机的转向长度开始于当车辆在切线部分上转向角度偏离一个常数值处，随着转向角度的增加不断继续，当转向角度在曲线上再一次达到一个常数值时结束。图1展示了其中一个司机的转向行为的例子以及估量转向长度的方法。在30个转向长度的值中，第85百分位值是可能的并且与真实线位上的缓和曲线长度相匹配的。在确定转向长度的过程中，自由流与非自由流都被考虑在内。这是因为转向行为主要是被曲线的几何特征所影响的，而不是周围车辆的速度特征，因此司机们的转向曲线也是如此。如同本文中稍后将要证明的，依靠曲线半径确定的平曲线几何特征解释了转向长度值86%以上的变化。两种不同的可能的方式被尝试以对转向长度建模。第一种方式，通常用在公路设计中，是对转向长度的第85百分位值进行建模。然而，最近的研究认为，为了提供更大的安全界限，值也是很重要的。因此，第二道方式就是对平均转向长度及其分布建模。后者是由Medina和Tarko引入的，并且在公路几何学设计中得到了很大程度的认同，因为它能够预测总得分布而不是单个的统计量，例如第85百分位值。这项方式的另一个优点是它可以确定影响平均转向长度及其分布的因素。一般模型的书面形式如下：在该形式中，表示在已确定的曲线(i)上任意百分位（p）处的转向长度。假定一个正常的分布，是通过将该曲线（）上的平均转向长度添加到该曲线（）上标准化的普通变化()以及转向长度的标准偏差的产物中去来估算的。在回归形式中，在公式（4）的右边部分，是每个有关的说明变量与其回归系数的乘积的总和的模型，分布则是每个相关的说明变量与其回归系数以及的乘积的总和的模型。入口缓和曲线对于研究中的每一个平曲线，30名志愿驾驶员中每个人的由转向角度所表示的自然转向曲线都被逐个的标绘出来。然后从这些曲线中估算出转向长度，然后确定每条曲线上的以及。表1显示该分析涵盖了一个较宽的半径范围：双车道公路为72m到944m，高速公路为489m到3147m。分析中使用的是孤立的曲线以及反向曲线中的第一条曲线，并且附近没有交叉口。反向曲线中的第二条并没有被包含在理想缓和曲线长度的分析中，因为在反向曲线上的过渡与从切线到曲线上的过渡是不同的。应当指出的是，这些曲线是以三条为一个工作区域范围的。然而，研究发现转向长度与残余的曲线上的转向长度遵循同样的趋势。因此，它们仍被留在转向长度的分析中以增加自由度。针对双车道公路和高速公路也分别制定了单独的模型，因为发现它们并不遵循相同的上述行为。表1.所研究曲线的特征的统计量描述表2显示的是基于曲线半径而分别针对双车道公路和高速公路制定的用来衡量入口转向长度的模型1和模型2。如表所示，统计显示了每个模型在高决定系数与低均方根误差的情况下预测转向长度的可靠度。此外，每个回归系数都有较高的t-统计和较低的p-值证明模型中的每个变量在统计学上都有重要的意义。图2显示的是双车道公路和高速公路之间的联系。对于小半径的双车道公路，其运行速度较低并且随着曲线半径的增加而迅速增加，造成了其转向长度以一个相对较快的速率增加。随着半径的增加，曲线上运行速度的增长率降低，而通过曲线所需要的必须的转向角度也低了。因此，必须得转向长度随着半径的增加而减小。在这种关系里，转折点被发现是在半径270m左右。需要说明的是该模型不能用于半径大于840m的情况，这个值已经接近先前说及的研究中的最大半径944m，因为过了改点回归模型的三次关系将会向上偏转。最后，对高速公路与双车道公路上转向长度的比较显示司机们在两种道路形式上的转向行为并不相同。例如，对于500m的半径，司机们会采用120m的转向长度，然而在高速公路上这个长度将会在160m左右。这是个预期的结果，因为高速公路的几何特性并不是影响高速公路上驾驶行为的主要因素。表2.转向长度模型（a）双车道公路(b)高速公路图2. 第85百分位值与平均入口转向长度以及曲线半径之间的关系出口缓和曲线同样的，表2分别显示了适用于双车道公路与高速公路上出口转向长度的模型3与模型4。出口转向长度的分析是基于样本中独立的曲线以及反向曲线中的第二条曲线的，并且附近没有交叉口。两个模型在统计学上都有显著的0.05p-级与高决定系数。尽管双车道公路分析中的半径范围覆盖了72m到947m的范围，但是模型3也不应该用在半径大于900m处，因为如图3所示，三次关系在900m之后就会向上偏转。图3也显示双车道公路的出口转向长度与入口转向长度遵循同样的趋势，只是长度较短。对于高速公路，曲线出入口的转向长度基本上相同。由于出入口转向行为的相似性，同时由于实际中在具体的曲线上采用相同的出入口缓和曲线长度，在结合出入口转向长度之后进行了一项回归分析。由此长生的模型在统计学上具有显著地0.05p-级，并且在表2与图3中分别提出了针对双车道公路与高速公路的模型5与模型6.由于这两个模型对出入口处司机的驾驶行为进行了折中，决定系数相对于独立的出入口模型会轻微的减小。推荐使用模型5与模型6作为双车道公路与高速公路出入口的理想缓和曲线长。需要注意的是，这两个模型对于双车道公路的有效半径范围是70m900m，对于高速公路为490m3145m。（a）双车道公路(b)高速公路图3.平曲线出入口处的理想缓和曲线长的第85百分位值比较对北美设计指南的认证和比较司机舒适性先前提及过绿皮书建议c使用最大值1.2m/sec，加拿大指南建议c的范围为0.30.9m/sec3，并且使用0.6m/sec3作为c的值。将会使用手机到的实验数据对这个标准进行进一步的研究。将会针对30名司机在双车道公路与高速公路上的入口转向长度来计算c的值。C值将会使用下面的方程式针对每一个司机计算出来：在这里是入口转向长度在开始与结束处的横向加速度的差额。横向加速度是同过数据收集器来获得的。每个司机的转向时间是通过用转向长度除以转向速度计算得到的。因为转向时间受到转向速度的影响，所以只有自由流的情况被考虑在内。这与转向长度的分析不同，在转向长度的分析中所有的驾驶员都被考虑在内，不管车辆是否遵循自由流条件。这是由于车辆速度会被周围的车辆与自由流状况所影响，而行车路径不会。与通过正面激光枪距离测量计算得到的结果一样，最小前进5秒为鉴别自由流状态的条件。一般而言，对于双车道公路c的范围为0.10.75m/sec3，上下限分别对应最小与最大半径。对于高速公路，c的范围是0.20.6m/sec3，不论曲线半径。因此，加拿大设计指南中给出的范围是有效的。一项通过采用c的第85百分位值作为因变量，R、1/R、转向速度的第85百分位值以及转向长度的第85百分位值作为描述变量的回归分析已经完成。对于双车道公路唯一与c在统计学上有重要关系的参数是R，如（6）所示。不出所料，方程式显示随着半径的增加，司机们的横向加速度的变化率经验性的增加。这种关系有着中等的决定系数，表明两个变量之间有着显著的相同趋势。反过来说，这意味着在设计中c需要采用一个变量而不是常量。对于高速公路，c与R之间并没有显著的联系。正如之前所说的在高速公路上几何因素并不是决定性因素。美学控制（理想长度）我们对转向时间进行了一项回归分析，使用的是和之前转向长度分析相同的方法。表3，模型7和模型8显示了对双车道公路和高速公路的分析的成果。转向时间和转向长度有着很相似的趋势，它一开始急剧上升，然后随着半径的增加而减小。在加拿大设计指南中，美学控制取决于实现视觉舒适的线位的最小转向时间所需要的最小缓和曲线长。因此，这种需求并不设计驾驶行为。另一方面，在绿皮书中，理想缓和曲线长度被定义为司机的自然转向长度，这被认为是2秒时间内的行驶距离。然而表3中的模型显示转向时间依赖于半径大小。两者之间的联系在统计学上拥有显著的0.05p-级并且拥有高达94%的决定系数。此外，对于研究中的曲线，转向时间的第85百分位值的平均值为4.8秒，这代表的是速度较慢的司机们。另一方面，对于所有的曲线，转向时间的第15百分位值的平均值为2.7秒，这代表的是速度较快的司机们。两个平均值的平决值为3.7秒。表3.转向时间模型从收集到的数据中可以看出85%的司机并没有遵循2.0秒的转向时间。这个值更可能是基于速度较快的司机们得来的（接近于转向时间的第15百分位值）。因此，研究结果建议绿皮书中所使用的2.0秒这个值应该被重新审定。与北美指南的比较如前面所述，在高速公路上几何特征并不是主要的因素。因此，理想缓和曲线的长度在双车道公路上显得更加关键。因此，在本分析中仅会使用双车道公路的关系来对设计指南进行比较。此外，现有的大部分驾驶行为模型规定第85百分位值为设计目的中的建议临界百分位。表4显示了理想缓和曲线长（转向长度的第85百分位值），以及在70m-900m半径范围内用模型5计算出的双车道公路的平均缓和曲线长度。我们对这个理想缓和曲线长度与绿皮书和运输咨询委员会所定义的不同控制标准中推荐的不同最大和最小缓和曲线长度进行了比较。绿皮书以及加拿大设计指南中的设计控制值被计算并且显示在表4以及图4（a）中。比较中所使用的设计速度是设计指南中所规定的在这些半径范围内可允许使用的最大设计速度，范围是50到110km/h。舒适控制的最小长度是使用公式（2）计算的，其中V是每个半径所对应的设计速度，对于绿皮书c取1.2m/sec3而对于加拿大设计指南取0.6m/sec3。超高控制是通过公式7计算的，e与c采用如表中所示的半径与设计速度所对应的推荐值。最小与最大侧向位移采用公式8进行计算，p 采用0.2m作为最小侧向位移、采用1.0m作为最大侧向位移。最后，加拿大设计指南推荐使用如公式2所示的基于缓和曲线参数的理想缓和曲线长。此处w是路面宽度，s是现对坡度的百分比表示。表4.结果确认以及与设计指南比较中所使用的参数。从表4中可以明显的看出，由司机转向行为所表示的理想缓和曲线长度与最小舒适控制遵循相同的趋势，在小半径范围内转向长度随半径的增加而增加，然后在更大的范围内随半径的增加而减小。这证明了模型的有效性，因为舒适控制也是三次方程式并且遵循同样的趋势。然而，基于第85百分位值的理想缓和曲线长度超过了所有的最小控制。更重要的是，最小控制与理想缓和曲线长度之间的差异很大，这一点在小半径范围内尤其关键，这会造成安全隐患。平均值也超过了最小控制，但是两者之间的差异小得多。（a）绿皮书中的控制标准（b）加拿大设计指南中的控制标准图4.理想缓和曲线与当前北美设计指南中的控制标准之间的比较由研究的结果与设计指南的结果之间的比较以及上述研究（如10）可以相信缓和曲线长度之间的差异是由于一个主要的原因。这个原因是上述研究中所得到的缓和曲线长度是通过其他测量到的参数计算出来的而不是直接测量缓和曲线长。例如，在perco(10)的研究中，缓和曲线长度是通过样本使用的转向时间和运行速度得到的，缓和曲线长度是由两个参数的乘积决定的。需要注意的是，加拿大设计指南建议在与安全、舒适、美观有关系的情况下使用建大的平曲线。然而，绿皮书提供了一个基于最大侧向位移控制的最大缓和曲线长度。回头查阅图4，85%的司机采用超过该值的转向长度。这表示在真实驾驶行为与设计指南之间存在着不小的差距。另外一个有关的是绿皮书中c的取值1.2m/sec3。这个值超过了在锐曲线上得到的85%的司机们的值。对于半径为86m的最锐利的曲线所能接受的最大值是0.75m/sec3。此外，在大的半径范围内对c使用一个常值被证明是不切实际的。另一方面，加拿大设计指南所采用的值（c=0.6m/sec3）更加的接近驾驶员行为，尤其是在平滑的曲线范围内（R500m）。因此，在下列推荐的建议的前提下缓和曲线将可以与驾驶行为相适应：1. 使用本研究中推导的模型（5）作为双车道公路的理想缓和曲线长，模型（6）作为高速公路的理想缓和曲线长。这些公式是基于真实驾驶情况下所要求的转向长度之上的。2. 表5中c与A的推荐值可用来满足公式（5）中的转向行为。此外，图5显示了基于公式（2）计算出的缓和曲线长度，并且使用表5中的推荐值作为A的值，以及基于公式（1）计算出的缓和曲线长度。事实证明在使用推荐值作为c与A的值时，方程式与驾驶行为能很好的相吻合。表5.对于当前几何学设计指南中的设计速度与横向加速度变化率的修正推荐值。图5.基于新的舒适控制推荐值的理想转向长度与缓和曲线长度的比较。结论 本文展示了一种用来计算基于司机驾驶行为的理想缓和曲线长的成功的方法。首先证明的是司机们采用的曲率和转向长度并不一定遵循实际的缓和曲线路径。理想缓和曲线模型被建立以适应转向行为。在这项研究的基础上，缓和曲线长度遵循与设计指南中的舒适控制相同的三次关系趋势。然而，理想长度比最小值要大很多，这产生了安全问题。此外，当前设计指南中的惯例是使用一个恒定的c值。然而，研究发现c值依赖于曲线的半径，在小半径范围内的最大值为0.75m/sec3。我们做了校正推荐以遵循模型（5）中的转向行为。将转向行为合并到设计指南的控制标准中将可以得到将道路使用者考虑在内的公路设计。我们建议这种方法要在有较大的司机样本与平曲线样本的情况下使用。这样做时，本研究中所研发的模型是精确的。此外，本研究是在以小轿车为测试车的基础上进行的，使用大客车与重卡车来等涵盖更宽广的车辆类型来进行进一步的研究会有更深入的意义。致谢作者谨对自然科学与工程理事会（ NSERC ）提供资金支持本项研究表示感谢。研究中只用的设备是通过加拿大创新基金会（CFI）与安大略省创新信托（OIT）提供的资金获得的。附加资金是由安大略研究生奖学金（ OGS ）和加拿大交通运输协会（TAC）提供的。东部地区规划设计部门和安大略省交通部以及渥太华市绘图部提供了本研究的数据对齐工作。作者还要对驾驶试验中的志愿者们表示感谢。参考文献1. American Association of State Highway and Transportation Officials. A Policy on GeometricDesign of Highways and Streets. Washington, D.C., 2004.2. Transportation Association of Canada. Geometric Design Guide for Canadian Roads. Ottawa,Ontario, 1999.3. Stewart, D. and C. Chudworth. A Remedy for Accidents at Bends. Traffic Engineering and Control.Vol. 31, No. 2, 1990, pp 88 93.4. Tom, G. Accidents on Spiral Transition Curves. ITE Journal, Vol. 65 (9), 1995, pp. 49-53.5. Perco, P. Comparison between Vehicle Paths Along Transition Sections with and without SpiralCurves, 3rd International Symposium on Highway Geometric Design, June 29-July 1, 2005.6