雨天高速公路安全车速及关闭标准研究

1、雨天高速公路安全车速及关闭标准研究朋1 ，成卫2 ，席建锋2 ，闫玉娇3孙( 1. 吉林大学，长春 130022; 2. 昆明理工大学，昆明 650224;3. 沈阳佳实司法鉴定所，沈阳 110023)摘 要: 由于道路交通环境对车辆通行及安全影响的复杂性，很多标准规范既有其较好的适用性，又有其脱离实际的地方，往往多是根据管理经验确定公路安全车速和关闭的标准，缺乏量化的依据与合理性 为此，采用定性与定 量相结合的方法，分别建立了降雨强度与水膜厚度、能见度以及路面摩擦系数的关系; 通过比较弯道路段车辆侧滑 与安全制动距离下的临界车速，建立了不同降雨强度下的高速公路安全临界车速计算模型 以某路段为

2、例，给出了 不同降雨强度下的安全车速和相应的交通管制措施 研究结论为高速公路交通管理部门开展安全运营工作提供了 可行方法和现实的依据关键词: 高速公路; 降雨强度; 安全车速; 关闭标准中图分类号:文献标志码:文章编号: 1008-2522( 2014) 01-08-05U 4Aesearch on Expressway Safe Speed and Closure Standard in ainyDaySUN Peng，CHENG Wei，XI Jian-feng，YAN Yu-jiao( 1. Jilin University，Changchun 130022;2. Kunming Uni

3、versity of Science and Technology，Kunming 650224;3. Shenyang JiashiJudicial Authentication Institute，Shenyang 110023)Abstract: Because of the complexity of the road traffic environment on the vehicles and securityimplications， many management standards are good applicable as well quite impracticable

4、 The relationship between rainfall intensity and thickness of water film visibility and road surface friction coefficient are established，by using a combination of qualitative and quantitative methods The model of highway safety critical speed is building up under different rainfall intensity by com

5、paring the curve road vehicle sideslip and safety critical speed under braking distance In case study，the safe speed and the corresponding traffic control measures are given quickly It provides a useful tool and practical basis for the highway traffic management departments to carry out safety opera

6、tion measuresKey words: expressway; rainfall intensity; safe speed; closure standard在高速公路上行车，一旦遇到雨天等不良天气，驾驶员由于较难准确地判断周边道路交通状态，因 此很难选择合适的速度来保障通行安全; 当降雨强 度较大时，雨天行车的危险性就大大增加，高速公路 管理部门常常采取安全警告或者直接关闭道路的方式以预防交通事故的发生 然而，降雨天气恶劣程度与行车安全速度究竟是何种关系，在什么天气条 件下需要关闭道路并不是那么显而易见 于是，很 多高速公路交通管理部门就采取较为保守的办法， 一遇到异常天气情况便关

7、闭道路，为地区社会经济收稿日期: 2014-01-06基金项目:作者简介:云南省科技厅社会发展科技计划项目( 2009CA031-4) 成 卫( 1972) ，男，广州人，教授，博士，研究方向为交通信息工程及控制E-mail: chengwei_ding 163 com第 1 期孙 朋，等: 雨天高速公路安全车速及关闭标准研究9发展造成一定的损失; 也有些高速公路交通管理部门比较冒险，一味追求高效益而忽视了安全的重要 性，酿成了很多交通事故惨剧雨天行车尤其是在降雨较大的情况下，行车安 全主要来自能见度和路面摩擦系数的变化 首先是 降雨时，空气中有水滴存在会使空气的能见度降低， 从而引起驾驶员的

8、视野不开阔、对于道路上的一些 标志提示信息等辨识能力差 在强降雨天气时，大 量雨水堆积到挡风玻璃上使 驾驶员的视距急剧下 降，驾驶员所能见到的范围也急剧降低 统计数据 表明，当降雨量达到中雨时，高速公路的能见度就会 小于 1 km，车辆行车安全受 到 严 重 影 响，行 车 存 在 很大的安全隐患 在车速较快情况下，当路面上积 水以后还会形成反射，使驾驶员很难辨清路面上的标志标线1 强降雨对于能见度和行车安全影响会 更加严重 其次，当开始降雨时，雨水与路面的尘土 混杂在一起会形成一种混合剂，此种混合剂具有润 滑作用使路面的摩擦系数降低从而影响车辆制动性 能 当降雨比较大路面上积水逐渐增多时，车

9、辆在 高速行驶时轮胎与路面之间会存在一层水膜，当水 不能及时排开时水的阻力就会使轮胎上浮，水膜厚 度继续增加就会形成比较可怕的滑水现象，此时路 面行车速度稍微过大时就会形成车辆的侧滑甚至侧 翻现象，引起车辆的失控2坡面坡度( % ) ; q 为降雨强度( mm / min) ; TD 为路面构造深度: 0. 1 mm在计算时，取 设 计 速 度 为 120 km / h，取 高 速 公 路最大纵坡 3% ，根据高速公路沥青路面抗滑性能 指标竣工验收要求构造深度 TD 为 0. 55 mm，根据高速公路排水设计相关要求，每隔 30 50 m 设置横向 排水管，计算排水长度取 50 m 根据式 (

10、 1 ) 计算降雨强度与水膜的关系如下h = 0. 125 8 L0. 671 5 i 0. 314 7 q0. 779 6 TD0. 726 1 = 0. 398 q0. 778 6( 2)又根据我国降雨强度的划定，可得表 1 所示降雨量与水膜厚度的关系表 1 降雨量与水膜厚度的关系降雨强度 mm / d降雨强度 mm / min水膜厚度 / mm1025501002500. 006 90. 170. 0350. 0670. 170. 070 60. 142 40. 249 80. 423 80. 552降雨量与路面摩擦系数关系雨天会在高速公路路面形成一定的积水，改变 路面的状况，降低路面摩

11、擦系数从而使车辆的制动 性能减弱、行车的危险性增加 此时，如果车辆按照 正常的驾驶行为转弯、制动、加减速等很容易造成车 辆的横向滑移、失控甚至侧翻等严重的交通事故，存 在严重的行车安全隐患车辆在有积水的路面上行驶时，轮胎与路面的 接触( 见图 1) 可以分为 3 个区域: A 是水膜区域; C 是主要接触区域提供主要的摩擦力; B 是两者的过 渡区域 A、B、C 区域的大小主要取决于车辆轮胎的 几何特性、车辆行驶速度以及路面粗糙程度等因素， 当 C 区域的面积较大时车辆可以较安全地行驶，反 之，车辆就会发生严重的“滑水现象”根据流体力学与牛顿定律，对车辆在有水的柏 油路面行驶时的摩擦系数进行数

12、学建模，确定水膜21降雨量与水膜厚度的关系降雨开始一段时间后，路面出现积水，车轮胎面的花纹空隙由于被雨水填满而变得光滑，水膜来不及从磨光的车轮轮胎下挤出，会在转动的轮胎下聚 拢，形成楔形，使该处的动水压力超过车轮的压力 随着楔形长度的增加，轮胎与路面的接触面积不断 减小，附着系数也急剧下降，最终使得车辆与路面的 接触完全破 坏，轮胎在行驶时根本不能接触地面 形成的水膜使前轮失去可控性能，引起制动发生困 难，容易形成滑水 因此，降雨强度与水膜厚度关系 对道路行车安全有很大的影响水膜厚度的形成主要受降雨强度、坡面长度、坡 面坡度和路面粗糙度的影响，是一个高度非线性、空间分布的过程 东南大学的季天剑

13、3根据我国路面 结构情况，将道路的构造以参数的形式体现于研究 之中，利用回归分析得到水膜厚度的回归方程式h = 0. 125 8 L0. 671 5 i 0. 314 7 q0. 779 6 TD0. 726 1( 1)式中: h 为水膜厚度 ( mm) ; L 为 坡 面 长 度 ( m) ; i 为图 1 路面有积水时车辆轮胎接触地面的 3 个区域道路交通与 安 全2014 年10对轮胎的摩擦系数可由下式计算求得雨 在 分布的基础上引入了形状 因 子，即Gamma 分布MP22 vA p0 k 22vA p0 k = F = 2 k me DN( D) = N0 D( 5)( 3)=WW2

14、kW结合雨滴的谱分布函数，m 为单位体积内群雨滴的消光系数( cm 1 ) 为式中: 为水的动力黏度( Pas) ; V 为汽车的运动速度( m / s) ; A 为轮胎的接地面积( m2 ) ; h 为滑水时水 膜厚度( mm) ; W 为轮胎荷载( N) N0 Dme D2( D，m) Drain =ext602 N0 ( m + 5 ) ( 6)3降雨量与能见度的关系m + 5降雨强度( mm / h) 为在降雨天，影响能见度的主要因素是降雨强度不同的降雨强度，能见度也就不同 对降雨强度与 能见度 的关系问题已有 所 研 究，西南交通大学何 杰4利用 MP 分布，由公式推导降雨强度与能见

15、度 的关系 MP 分布是由 Marshall 和 Palmer 提出的，其 形式为42. 28 10 N0 ( m + 5) =( 7)m + 5如果不考虑气溶胶粒子等其他大气粒子的影 响，将式( 5 ) ( 7 ) 联立，可以得到能见度 H( 单位:km) 与降雨强度的关系为13. 76 ( m + 5 ) D( 8) = 4. 1 0. 21N( D) = N0 eH12 ( m + 3)( 4)短时强降雨大多数产生在暴雨天气过程中，随着降雨强度 的 增 大，能见度急剧减小，危 及 行 车 安 全 根据 20072008 年沪宁高速公路 自 动 监 测 站 检测到的多次降雨过程，以每分钟的

16、降雨强度和能 见度为单位，建立降雨强度与能见度的对应统计阈 值关系( 见表 2) N0 = 8 000式中: D 为雨滴的直径 ( mm) ; N为 浓度; 为尺度参 数该谱分布具有一般雨滴谱的特点，对于稳定降 雨拟合效果较好，并且使用于比较稳定的层状云降表 2 降雨强度与能见度对应统计阈值表降雨强度 / ( mmh 1 )1 min 降雨强度 / ( mmmin 1 )能见度区间值 / m能见度可能降低至 / m51015200. 4 0. 60. 7 1. 01. 1 2. 0 2. 01 000 500300 500100 30010015050 100表 2

17、表明，当 1 h 降水量大于 10 mm，其中 1 min的降雨强度达 0. 7 1. 0 mm 时，公路沿线能见度值 就能迅速降至 500 m 以下; 当 1 h 雨量达 15 mm 以 上，其中 1 min 降雨强度达 1. 1 2. 0 mm 时，能见度 即可降至 200 m 左右; 一旦 1 min 降雨强度大于 2. 0 mm 时，能见度将降至 100 m 左右些，二者的关系为 = 0. 97s + 0. 08( 9)机动车整车质量为 G，弯道曲率半径为 ，那么作用在整车质心 C 上的离心惯性力 F 等于质量乘g转弯时的向心加速度，即v2G( 10)Fg = man = g4临界安全

18、车速模型随着车速 v 的增加，离心惯性力迅速增加，当它达到轮胎与路面间横向最大摩擦力 Fy 时，路面上出 现侧滑的擦印，此时的车速称为侧滑时的临界速度， 用 v 表示，于是可根据4. 1基于侧滑的临界车速模型当机动车正常行驶至高速公路弯道路段时，在 摩擦系数很小的情况下，一旦速度过大就极容易发生侧滑或者侧翻事故 当车轮出现横向滑动而纵向并没有制动时，路面对车轮的滑动摩擦系数称为横 向附着系数 ，它比纵向滑动附着系数 s 略 大 一v2G = G( 11)g所以侧滑的临界速度第 1 期孙朋，等:雨天高速公路安全车速及关闭标准研究112max t + iyv( t) = V( 14)v =1 i

19、g( 12)02t槡iy对式( 14) 积分，可得车辆在该阶段所行驶的路程式中 为整车横向的附着系数( 15)Si = V0 t1其中 max 为最大制动减速度4. 2基于车辆制动距离的安全车速模型安全距离模型最基本的关系是寻找一个特定的在车辆处于制动 te 阶段，制动减速度恒为 此阶段车辆所行驶过的距离安全跟车距离，可通过经典牛顿运动定理导出5V2t2V t 0 0 i max i Se = 2+( 16)23max因此车辆总的制动距离为前 3 个阶段所行驶的距离之和，大小为22tiV0max tiS = V0 tr + 2 + 2( 17)24max2max ti图 2 减速度随时间的变化

20、图因为 ti 的值很小，的值就更小，所以可以24图 2 为车辆制动过程中减速度随时间的 变 化图 设 tr 为驾驶员反应时间与制动器协调 时 间 之 和，一般 取 值 为 0. 8 1. 0 s; ti 为减速度的增 长 时 间，一般取值为 0. 1 0. 2 s; te 为制动过程中持续时 间，对应各个 时 间 阶 段，车辆行驶的路程分别设为 Sr 、Si 、Se 在 tr 阶段，驾驶员处于反应阶段，此 过 程 中 车 辆速度不发生变化，因此，车辆所行驶的距离忽略不计因此上式可简化为2tiV0S = V0 tr + 2 + 2( 18)max依据不同降雨强度的能见度作为已知条件即可求得相应的

21、安全车速5雨天限速标准建立选取 长 营 高 速 K261 + 50 处 的 弯 道 为 分 析 实例 该路段的设计参数为: 单向两车道，车道宽度为3. 75 m，超高 5. 2% ，车道分割线虚实比例为 9 6( 单 位 m) ，弯道半径为 1 450 m 车辆轮胎取为基本的185 /7013 子 午 线 轮 胎，该轮胎的基本参数如表 3所示Sr = V0tr( 13)在车辆制动 ti 阶段，假设制动减速度与时间成线性增长关系，从零线性增长到车辆的最大制动减速度，则在 ti 阶 段 任 意 时 刻，车 辆 的 速 度 值 v ( t ) 满足表 3 子午线轮胎参数新胎充气后主要尺寸 / mm规

22、格最大负荷能力 / kg相应气压 / kPa断面宽 3%外直径 1%185 /70131855905302705. 1基于侧滑的临界车速计算根据雨天实际雨量的大小，选择大雨条件下水 膜厚度与摩擦系数的换算关系，可得一定水膜厚度 下的摩擦系数与侧滑速度代入已知数据经计算得到基于车辆侧滑的不同降雨强度下的安全临界速度5. 2基于车辆制动距离的安全车速13. 76 ( m + 5 ) H2 ( m + 3)22 p0 h( 20) =V22WhtS = V0 tr + +i022maxv = + iy ( 19)1 i g槡带入已知数据计算得到基于车辆制动距离与能见度的安全临界车速综上所述，在同一降

23、雨强度下，比对式 ( 19 ) 和( 20) 的计算结果，取较小值作为限速标准 经计算，y = v =3. 6道 路 交 通 与 安 全2014 年12不同降雨强度下的安全临界车速见表 4 所示表 4降雨等级、能见度与水膜厚度之间的关系降雨等级1 h 雨强 /mmmin 1限速建议值kmh 1交通管制措施能见度区间水膜厚度小雨小到中雨 中雨2. 52. 5 2. 62. 6 8. 01 50080 1 500( 0，0. 071)0. 071，0. 14)706560实时监控道路交通情况，做好处理各类交通事件的准备中到大雨大雨8. 0 8. 18. 1 15. 9300 8000. 14，0. 24)5550需要在收费站处设置警示牌，并由收费人员提醒小心驾驶大到暴雨暴雨15. 9 1650 3000. 24，0. 86)4030加强路段巡查，发放提醒卡，设置提示标志大暴雨特大暴雨16500. 86， )建议关闭限制车辆驶入，实施