高速公路安全行车间距与追尾事故预防StudyonVehi

11高速公路安全行车间距与追尾事故预防丁建友，李铁柱，李文权（东南大学交通学院南京210096）摘要：高速公路交通管理的主要目标是避免发生交通事故，保障车辆安全运行。追尾事故是高速公路交通事故的主要类型之一，行车间距和车速是影响追尾事故及其严重程度的主要因素。通过分析车辆驾驶员的制动反应特性，结合车辆的制动减速过程，建立了用于指导安全行车的间距模型（绝对安全间距和相对安全间距）。本文分析了车间距的取值和车速控制的原则，结果表明：车辆为了避免发生追尾事故，车间距应在绝对安全间距和相对安全间距间取值；合理的车速控制是降低追尾事故及其严重程度的有效措施之一。关键词：追尾事故；安全行车间距；绝对安全间距；相对安全间距；速度控制StudyonVehiclesSafetyDistanceandthePreventionofRear-endAccidentonFreewayDingJian-you,LiTie-zhu,LiWen-quan(TransportationCollegeofSoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Themaingoaloftrafficmanagementonfreewayistoavoidtheoccurrenceoftrafficaccidentandtokeepthevehiclesoperatesafely.Therear-endcollisionisonemaintypeofthetrafficaccidentsonhighway;thegapdistanceandthevehiclespeedarethemainfactorswhichcausethecollisionandaffecttheseverity.Byanalysisofdriver’sreactioncharacteristics,combiningvehicle’sdecelerationprocess,thispaperattemptstomodelthesafetydistancebetweenvehicles(relativesafetydistanceandabsolutesafetydistance).Byanalyzingthevalueofgapdistanceandtheprinciplesofspeedcontrol,itisfoundthatifthevehicle-gaprangesfromtherelativesafetydistanceandtheabsolutesafetydistance,therear-endcollisionaccidentcanbeavoided;reasonablespeedcontrolisoneeffectivewaytoreducetheamountandtheseverityoftrafficaccident.Keywords：rear-endcollision;safetydistance;relativesafetydistance;absolutesafetydistance;speedcontrol1引言高速行车是引发严重交通事故的主要原因。其中，因行车间距把握不准，控制不当而引发的追尾事故已成为近几年我国高速公路交通事故的主要事故形态之一。鉴于高速公路行车速度快，发生追尾事故的严重危害性，广泛地开展安全机制研究，探讨行车间距与车辆、车速、驾驶员、环境等因素的关系，这将有助于找到事故成因和行之有效的整改措施。不少学者对高速公路预防追尾事故进行过探讨。马骏、郑安文分析了车辆在不同制动情况和不同跟车状态下的行车安全间距[1~3]；徐杰在对分析驾驶员速度判断过程、量化反应能力的基础上提出了在一定车速下避免追尾事故的行车间距值[4]。本文从行车安全性角度出发，利用行车安全间距模型及交通工程的相关理论，分析了高速公路车间距的合理取值问题，提出了控制车速的一般原则，以期为交通管理部门制定相关管理措施和为车辆驾驶员选择适当的行车间距提供参考。基金项目：国家自然科学基金项目(50478071)；国家自然科学基金项目(50608018)；东南大学科基金项目(XJ0521206)。作者简介:丁建友(1983-)，男，四川自贡人，东南大学交通学院硕士研究生，研究方向为交通运输规划与管理。Email:[e-mail]21安全间距模型1.1定义在高速公路上，为了确保行车安全，车辆之间应保证一定的行车间距。我国《高速公路交通管理办法》规定：“正常情况下，当行驶时速一百公里时，行车间距为一百米以上；行驶时速七十公里时，行车间距为七十米以上。遇大风、雪、雾天或者路面结冰时，应当减速行驶”。所谓行车安全间距就是指在同一条车道上，同向行驶前后车辆间的距离（后车车头与前车车尾间的距离），保证既不发生追尾事故，又不降低道路通行能力的适当距离[1]。这里，引出以下两个定义：绝对安全间距（S）：前车突然停止时，保证后车不与之相撞的间距。（绝对安全间距为停车间距，等于驾驶员的反应距离、制动器的反应距离、制动距离之和）。相对安全间距（L）：前车遇到危险情况减速，后车随之减速，保证后车不与之相撞的间距。1.2数学表达式汽车的制动过程由驾驶员反应阶段、制动系统协调阶段（由制动传力延迟阶段和制动增力阶段组成）、持续制动阶段组成。其减速度a随时间的变化如下图1所示。4t3t2t1t0时间t制动减速度aamax图1车辆制动减速过程分析在驾驶员反应时间1t及制动力传递延迟阶段2t内，车辆作匀速运动，设其初速度为0V，则在这期间内车辆的行驶距离101t*VS=；202t*VS=。在制动增力3t阶段，车辆的制动减速度线性增长（即t*kdtdu=，其中3maxtak−=），由t*kdtdu=积分可得末速度=eV230t*k*21V+；行驶距离=3S+30t*V33t*k*61，代入k的值可得=3S23max30t*a*61t*V−。在持续制动4t阶段，车辆以maxa作匀减速运动，其初速度为eV，末速度为cV，故行驶距离=4Smax2c2ea*2VV−,代入eV的值，得=4S8t*a2t*Va*2VV23max30max2c20+−−。于是，车辆的总制动距离S为：3=+++=4321SSSSS24t*aa*2VV)t21tt(*V23maxmax2c203210−−+++略去微元量，于是总制动距离S为：=+++=4321SSSSSmax2c203210a*2VV)t21tt(*V−+++（1）令末速度0Vc=，于是绝对安全间距S的数学表达式S为：=Smax203210a*2V)t21tt(*V+++（2）相对安全间距的数学公式推导如下：Lm,vmv,AB1122Vm,vm,vLLLAB21210图2车辆间距变化分析质量和速度分别为1m，1V的A车；2m，2V的B车同向行驶（同一条车道上），前车B遇见危险情况制动，速度由2V减小为V，跟随车辆A为了确保不与之碰撞需减速，若在与前车B相撞之前车速由1V减为V，则可以保证不发生追尾事故。设两车的原始间距为L，制动后间距变为0L，在此过程中，前车B的运动距离为2L，跟随车辆A的运动距离为1L。它们之间有如下关系：012LLLL=−+利用（1）式中得出的制动距离的数学模型可知1L=Amax2213211a*2VV)t21tt(*V−+++；=2LBmax222'3'2'12a*2VV)t21tt(*v−+++，于是相对安全间距L的数学表达式为：210LLLL−+=Bmax222Amax221b2a10a*2VVa*2VVt*Vt*VL−−−+−+=（3）其中，321at21ttt++=；'32'1bt21ttt++=‘。跟随车辆A有两种制动情况：一是与牵引车辆B同时发现前方危险情况（或限速标志等），于是采取制动措施；一是意识到牵引车辆B正在减速（通常以牵引车辆的尾灯亮起作为标志）而采取制动措施。于是需要对相对安全间距模型进行修正：4LBmax222Amax221b2a10a*2VVa*2VVt*V)Tt(*VL−−−+−Δ++=（4）式中，TΔ为驾驶员发现前方道路危险情况的时间差。其取值因不同的道路状况和车辆驾驶员而变化，可能取正值，负值或零。2安全间距模型参数及取值由安全间距的数学模型可知，制动距离的大小主要与制动初速度、驾驶员反应时间、制动系统协调时间和制动减速性能有关。2.1驾驶员反应时间t1驾驶员对信息的处理是在一定的时间内完成的，反应时间的长短与多种因数有关，如刺激物的种类、颜色、背景和刺激的复杂程度都在不同程度上影响反应时间[5]。图3描绘了不同年龄和性别的人对光信号刺激反应时间的大小[6]。可以看出，三十岁以前，反应时间随年龄的增加而缩短，三十岁以后则逐渐增加；同龄的男性反应时间比女性短0.1s左右。研究发现：驾驶员饮酒后，对中枢神经系统产生抑制作用，注意力分散，对周围情况变化的反应速度明显下降，实验得知，车速为40km/h时，对同种信号的反应，未饮酒的驾驶员只需0.6s，而饮酒后的驾驶员需要1.8s[5]。同时，反应时间与行车速度密切相关。车速越快，驾驶员的视野变窄，反应时间越长；而车速较低时，反应时间则变短。对驾驶员测试后发现：在正常情况下，车速为40km/h时，反应时间为0.6s，当车速增加到80km/h时，反应时间增加到1.3s[6]。平均反应时间(ms)男性反应时间女性反应时间年龄(岁)图3年龄与反应时间的关系2.2制动协调时间t2和t3制动协调时间包括制动滞后时间2t和制动增力时间3t。制动器作用时间一方面取决于驾驶员踩踏板的速度，更主要的是要受制动器系统结构的影响。对于气压制动系，2t不能超过0.6s、3t为0.4—0.9s；对于液压制动，2t不能超过0.3s、3t为0.15—0.2s[7]。52.3路面附着系数ϕ与车辆制动性能指标maxa分析车辆的制动过程可知，当踏板力较小时，地面制动力F足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动，此时地面制动力等于踏板力，并随着踏板力的增长而增长。但由于地面制动力受轮胎与地面之间的附着力ϕF（ϕϕ*GF=）的限制，地面制动力F超过附着力ϕF时，车轮将拖滑。大量实验证明，当车轮的滑移率ε=15%—20%时，纵向附着系数达到昀大值pϕ；当滑移率ε=100%时，附着系数的数值为滑动附着系数Sϕ。在紧急制动时（如出现车辆故障、轮胎损坏、抛锚、货物洒落、违章停车等情况），车辆在瞬间就过渡到车轮全滑移阶段，即地面制动力瞬间就达到S*GFϕϕ=，且几乎保持不变至到车辆停止。为了简化，摩擦系数ϕ的值可近似地用Sϕ代替。根据汽车的运动方程，当制动器制动力小于附着力时（即FϕF），昀大减速度为[6]：m*f*g*mFaumaxδ+=；当FϕF时，若车轮未抱死，则滚动压印制动的昀大减速度为[6]：g*faPmaxδϕ+=；若车轮抱死，则昀大减速度为[6]：g*aSmaxϕ=；式中，δ为汽车旋转质量换算系数；uF为制动器制动力；f为滚动阻力系数。3模型应用在一段长度较小的路段上，可以认为摩擦系数ϕ的值保持不变。于是绝对安全间距S和相对安全间距L的数学表达式可以近似地取为：g**2V)Tt(*VS20a0Sϕ+Δ+=（5）g**2VVt*V)Tt(*VLLS2221b2a10ϕ−+−Δ++=（6）运用上述安全间距模型可以得出不同路面状况、不同天气条件和不同车速下的行车间距（见表一，其中设ta=tb=0.56+0.1+0.5*0.175s；TΔ=0.6s；水泥路面Sϕ=0.7；前车B的速度2V=60km/h；制动后车辆之间的间距0L=5m）。表1不同车速条件下的行车安全间距值V（km/h）60708090100110120L（m）15.026.138.251.566.081.598.2S（m）42.753.865.979.293.7109.2125.94车速控制4.1高速公路车速控制的必要性车辆在公路上行驶，车速过高和过低对行车安全都是不利的。超速行驶降低了驾驶员对