王　品　張?zhí)m芳

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室　上?！?00092)

基于駕駛模擬器的山區(qū)公路路段安全評價方法的檢驗*

王品張?zhí)m芳

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室上海200092)

摘要為了對山區(qū)公路路段進行安全評價，以運行車速和行車軌跡偏移量為評價指標，提出了基于駕駛模擬器的安全評價方法。為了驗證該方法的有效性，選取山區(qū)路段進行了實測實驗，與基于駕駛模擬器的評價結(jié)果進行對比。結(jié)果顯示2種情況下運行車速和行車軌跡偏移量差異性不顯著，表現(xiàn)出相似的變化趨勢，且評價得出的危險路段一致，表明了基于駕駛模擬器的安全評價方法的可靠性。

關(guān)鍵詞安全評價方法駕駛模擬器山區(qū)公路路段運行車速軌跡偏移量

據(jù)統(tǒng)計，在公路交通事故中，約有20%的事故發(fā)生在山區(qū)公路上[1]，而山區(qū)由于地形地質(zhì)情況復雜，一旦發(fā)生交通事故，多為車毀人亡的惡性交通事故。山區(qū)的特點是山高谷深，高差大，地形、地質(zhì)條件復雜，導致對路線平、縱、橫3個方面產(chǎn)生較大的約束[2]。有些道路`為了滿足設(shè)計規(guī)范中的指標要求，只注重線形指標是否達到標準，而對線形的安全性考慮不足，如未充分考慮線形是否連續(xù)、是否存在視距不足等問題，從而導致交通事故繁發(fā)。因此，探索適合山區(qū)公路道路的安全評價方法，以提高山區(qū)道路的行車安全水平，意義重大。

傳統(tǒng)的路線設(shè)計方法以汽車行駛理論為基礎(chǔ)，假設(shè)汽車的行駛狀態(tài)處于一種理想狀態(tài)，即汽車嚴格地按照設(shè)計行車軌跡線(一般為行車道中心線)行駛。設(shè)計行車軌跡線是駕駛員追蹤的理想曲線，如果嚴格按照該線行駛，將能在最大程度上保障行車安全。然而，嚴格按照理想軌跡線行駛卻非易事，駕駛員的駕駛行為是一個牽涉因素較多的復雜過程。同時，線形設(shè)計要素與實際行車速度不相容性，線形設(shè)計要素之間不相容性，以及線形的行車速度標準的不一致等方面，也導致了普通的道路設(shè)計方法在山區(qū)低等級公路中存在一定的安全隱患[3]。特別是彎道路段，是交通事故預防和交通安全改善的難點和重點所在。在彎道處行車，駕駛員的操作會存在一定難度，行車速度和行車軌跡會與設(shè)計車速和車道中心線出現(xiàn)偏差。行車軌跡偏移量的大小與行車速度的高低與道路交通安全水平密切相關(guān)[4]。山區(qū)的交通事故往往是由于彎道處車速過高或駕駛不慎導致車輛偏離車道而引發(fā)的。在實際中，車輛的行車軌跡與行車速度也較易觀測得到。因此，以行車速度和行車軌跡偏差(即行車軌跡與車道中心線的偏差)作為山區(qū)道路安全水平的評價指標，具有一定的可靠性和可行性。

但對于一些低等級山區(qū)道路，由于車流量較少，加之基礎(chǔ)設(shè)施匱乏，很難采集到足夠的車速與行車軌跡數(shù)據(jù)。因此，尋找一種行之有效的安全評價方法很有必要。近年來，不少研究者開始把駕駛模擬器引入到交通安全評價中來，利用駕駛模擬器構(gòu)建駕駛環(huán)境，進行道路安全評價[5-6]。駕駛模擬器可以便捷、有效地采集數(shù)據(jù)，且降低了實際實驗中的行車風險，得到廣泛應用。但近來一些學者對基于駕駛模擬器得出的安全評價結(jié)果的可靠性也提出了質(zhì)疑[7]。為了尋找一條便捷、高效地提高山區(qū)公路安全水平的方法，研究中以山區(qū)公路路段為對象，根據(jù)實測實驗采集車速與行車軌跡信息，對特定路段進行安全評價；建立模擬駕駛場景，基于駕駛模擬器對該路段再次進行安全評價；對比2種情況下的評價結(jié)果，驗證駕駛模擬器用于研究山區(qū)公路安全問題的可靠性和可行性。

1　研究方法描述

1.1實地觀測實驗

1.1.1評價路段的選取

實驗地選取四川成都地區(qū)的山區(qū)公路——福洪鄉(xiāng)杏花村的四級公路為實驗地點。為了減少其他因素對實驗數(shù)據(jù)的干擾，實驗路段選取非機動車、行人、農(nóng)用車較少的K0+000～K4+899約4km的路段為評價路段。該路段為雙向2車道，設(shè)計車速為20km/h，路基寬度6m，路面寬度5.5m，路拱橫坡度2%。路面狀況良好，車輛基本處于自由流狀態(tài)，且貨運車輛的比例較低，這為實驗研究的開展提供了較好的觀測條件。研究主要觀測的是小轎車的運行車速和行車軌跡偏移量。

選所評價路段為線形設(shè)計較差的路段，最大圓曲線半徑200m，最小圓曲線半徑15m(基于超限設(shè)計原則設(shè)計)。大部分曲線段無緩和曲線。

1.1.2實驗過程

實驗采用的主要實驗設(shè)備包括測速儀(4臺雷達槍和2臺MetroCount測速儀)和攝像機(5臺VCR攝像機)。實驗數(shù)據(jù)的采集采用斷面法，包括對運行車速和行車軌跡偏移量的采集。理論上，為了能更好地反映整個曲線段的行車軌跡特性，應設(shè)7個數(shù)據(jù)采集斷面，分別為ZH點前約60m處、ZH點、HY點、QZ點、YH點、HZ點及HZ點后約60m處的斷面。但由于實驗路段為低等級山區(qū)公路，絕大多數(shù)彎道處沒有緩和曲線，且相鄰曲線間距離較短，因此研究中共設(shè)5個數(shù)據(jù)采集斷面，分別為ZY點前約30m處、ZY點、QZ點，YZ點及YZ點后約30m處的斷面。圖1展示了實驗場地及實驗設(shè)備的布置情況。速度的采集可以用雷達槍和MetroCount測速儀來獲取。軌跡偏移量的采集略微復雜，首先在曲線段處按25cm的間隔畫上刻度，然后從視頻中提取車輛駛過的軌跡得到與車輛中心線的軌跡偏差。

1.2駕駛模擬實驗

1.2.1駕駛模擬器介紹

試驗所采用的是交通行為與交通安全駕駛模擬器。該駕駛模擬器主要由硬件和軟件2部分組成。硬件系統(tǒng)包括駕駛艙、計算機、投射儀、顯示屏、運動液壓系統(tǒng)等；軟件系統(tǒng)包括道路環(huán)境的計算機實時動畫生成，汽車行駛動態(tài)仿真，聲響模擬，網(wǎng)絡(luò)控制，操作平臺等。

該駕駛模擬器擁有運動系統(tǒng)為8自由度運動系統(tǒng)。駕駛艙為封閉的剛性結(jié)構(gòu)，駕駛車輛置于艙體中央，艙內(nèi)設(shè)有5個投影系統(tǒng)，可將構(gòu)建的道路場景以250°范圍投影到球形幕上。模擬駕駛時，車輛的速度、加速度、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、剎車性能、偏離車道中心線的距離等一系列參數(shù)可實時地輸出到設(shè)備控制室。駕駛模擬器見圖1。

圖1　駕駛模擬器

1.2.2模擬駕駛過程

(1) 模擬駕駛場景。模擬駕駛的場景根據(jù)福洪鄉(xiāng)杏花村實驗路段的路線設(shè)計指標構(gòu)建而成，在最大程度上保持與真實環(huán)境下的一致性。模擬場景見圖2。

圖2　模擬駕駛場景

(2) 駕駛員的招募。駕駛實驗由20位志愿者實際操作，每人在不同的時間駕駛次數(shù)為3～5次。駕駛志愿者年齡在22～53歲之間，駕齡為3～10年，均無違法駕駛經(jīng)歷。經(jīng)過篩選，得出的有效車速與軌跡的樣本量約為323組。

(3) 駕駛模擬過程。實驗開始前，詳細地給駕駛員講解有關(guān)駕駛操作的注意事項，并進行試駕訓練。駕駛員需在特定的駕駛場景下進行10～15min的駕駛模擬，進行加速、減速、剎車、轉(zhuǎn)彎等操作，以熟悉駕駛模擬器的操作過程。

當實驗正式開始，駕駛員按照平時的行車習慣在所構(gòu)建的場景中行駛。

2　路段安全評價結(jié)果對比分析

采用車輛運行速度和軌跡偏移量作為路段的安全評價指標,對實測數(shù)據(jù)和通過模擬駕駛得出的數(shù)據(jù)進行了分析，因篇幅所限，僅給出了部分具有代表性路段的運行車速和軌跡偏移的分析結(jié)果，其他曲線的評價過程類似。

2.1基于實測實驗的安全評價結(jié)果

(1) 運行車速分析。對幾處具有代表性的平曲線路段的5個特征點的運行車速進行分析，統(tǒng)計見表1。

表1　運行車速統(tǒng)計分析表　km·h-1

(2) 行車軌跡偏移量分析。代表路段行車軌跡偏移量統(tǒng)計見表2。

表2　行車軌跡偏移量統(tǒng)計分析表　cm

由各曲線段的車速及軌跡偏移觀測的分析結(jié)果，可得以下主要結(jié)論。

在小半徑曲線(R=20m)段上，由于線形條件差，車輛的運行車速較低，但是軌跡偏移量較大；在半徑較大的曲線段，車輛運行車速較高，軌跡偏移量相對較小。由此可見，在山區(qū)公路上，平曲線半徑過小會導致車輛偏移過大，存在安全隱患，尤其在車道寬度較窄、一邊臨溝壑的道路上，不僅會加大駕駛員的緊張心理，更易因車輛偏離車道太大而導致翻下懸崖的事故發(fā)生。

對于半徑過大的平曲線路段，雖然行車軌跡偏離車道中心線較小，但運行車速普遍較高，甚至高出設(shè)計車速的1倍多。低等級山區(qū)公路上如果線形指標過高，往往導致車輛以較高的車速行駛，這種在低等級公路上高速行駛的車輛最易因剎車不及時而引發(fā)交通事故。所以，線形指標過高的路段也是應該格外引起注意的路段。

另外，還可以發(fā)現(xiàn)，一般情況下，車輛在進曲線前開始控制車速，在曲線中減速較多且保持較低數(shù)值，在即將出曲線時開始增高，可以反映出駕駛員在發(fā)現(xiàn)曲線，進入曲線和駛出曲線的過程中對于車速控制大體表現(xiàn)為一個從預減速到減速再到加速的變化過程。從各曲線段的均值及行車軌跡側(cè)向偏移量來看，車輛在曲線段內(nèi)的行駛軌跡，存在著進入曲線時朝曲線內(nèi)側(cè)偏移，出曲線時向曲線外側(cè)偏移的運動趨勢。

2.2基于駕駛模擬器的安全評價結(jié)果

通過駕駛模擬實驗，同樣可以得到車輛的運行車速和行車軌跡偏移量。通過對比駕駛模擬數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，二者具有極為相似的數(shù)據(jù)變化趨勢，且數(shù)據(jù)絕對值較為接近。為了避免重復和節(jié)省篇幅，僅給出模擬駕駛情況下和實測環(huán)境下運行車速和軌跡偏移量的方差對比分析。

(1) 運行車速對比分析。見表3。

表3　仿真實驗與實地觀測車速方差分析表

由表3可見，檢驗統(tǒng)計量F值均較小，低于1.0，顯著性數(shù)值均大于0.05。說明駕駛模擬情況下行車速度和實驗觀測值兩者之間不存在顯著差別。

(2) 軌跡最大偏移量對比分析。見表4。

表4　仿真實驗與實地觀測行車軌跡側(cè)向偏移誤差分析表

由表4可見，對于軌跡最大偏移量來說，其模擬駕駛數(shù)據(jù)和實驗觀測值相對誤差均在10%以內(nèi)，最小為1.57%，最大為8.58%，平均誤差5.0%，總體來說誤差處于較小范圍，即模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)不存在明顯差異。

2.3小結(jié)

由以上分析可見，無論運行車速還是行車軌跡偏移量，實測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)都不存在顯著性差異，表明基于駕駛模擬器對山區(qū)公路進行安全評價具有一定的可靠性。由于基于實測實驗的安全評價需要采集大量數(shù)據(jù)，實驗的實施需要耗費大量的人力、物力，且易受天氣、設(shè)備、周圍環(huán)境的影響，因此，在具有較完整的線形資料的情況下，采取基于駕駛模擬器的安全評價方法對路段的安全性進行評估是一種行之有效的方法。

3　結(jié)語

為了解決山區(qū)公路數(shù)據(jù)收集困難的難題，提出了基于駕駛模擬器的安全評價方法。為了驗證所提方法的可靠性，以運行車速和行車軌跡偏移量為評價指標，分別通過實測實驗和駕駛模擬實驗，對山區(qū)低等級公路幾處具有代表性的路段進行了安全評價。經(jīng)過對比分析2種情況下運行車速和軌跡偏移量的差異性發(fā)現(xiàn)，實驗觀測結(jié)果與模擬仿真結(jié)果不僅表現(xiàn)出相同的趨勢，而且差異性不顯著。這表明采用基于駕駛模擬器方法對山區(qū)公路進行安全評價不僅是一種便捷、高效的安全評價方法，而且具有一定的可靠性。

另外，通過實測和模擬數(shù)據(jù)反映出，過小的曲線半徑會增加駕駛員駕車的緊張感，如果操作不當，容易引發(fā)交通事故，是安全水平較低的路段。當平曲線半徑過大、行車條件較好時，雖然行車軌跡偏移量不大，但運行車速較高，且遠遠高出路段的設(shè)計車速，如果前方出現(xiàn)突發(fā)情況，往往因剎車不及時導致交通事故。所以，在低等級公路路段上采用較高的設(shè)計指標也屬于安全水平較差的路段，存在安全隱患。

參考文獻

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收稿日期：2015-03-13

VerificationofRoadSafetyEvaluationMethodon
MountainousHighwayBasedonDrivingSimulator

Wang Pin, Zhang Lanfang

(SchoolofTransportationEngineering,TongjiUniversity, 4800Cao'anHighway,Shanghai201804,China)

Abstract：Due to the high frequency of accidents in mountain areas, road safety evaluation based on driving simulator was put forward to assess the road safety of mountainous highway with the indexes of vehicle speed and deviation of traveling trajectory. To verify the feasibility of the proposed method, field test was conducted on a mountainous highway and the results were compared with those derived from the simulated experiment. Results show that the variation trends of vehicle speeds and trails were consistent and their differences were small, which indicats that the driving simulator is effective to be used in the safety evaluation of mountainous highway.

Key words:road safety evaluation; driving simulator; mountainous highway; vehicle Speed; traveling trajectory

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.040

*國家科技支持計劃課題(2014BAG01B05)資助