山區高速公路橋隧連接段駕駛仿真與安全評價*

吳 剛 覃李麗 陳 豐 潘曉東

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804)

山區地形復雜，高速公路多采用橋梁與隧道結合的形式。在橋隧連接段，受地形條件限制，縱坡一般較大，常伴有長大下坡、連續急彎等復雜線性。另外，由于隧道口光環境變化劇烈，山區天氣變化極不穩定，橋隧路段易出現濃霧、側風等惡劣天氣，其復雜的交通環境極易引發交通事故。賀敏等[1]從駕駛人心理角度分析分析道路線形對交通安全的影響。張興儉等[2]結合工程案例說明了駕駛仿真模擬技術能夠應用在交通工程和環境工程領域，可滿足交通安全研究的基本要求。鄔洪波等[3]基于駕駛人心理生理指標數據，分析發現隧道洞口平縱線形和隧道間連接段的長度對于車輛平均速度差、加速度和駕駛人心率增長率都有影響，并提出了基于平均速度差、加速度和心率增長率的安全評價方法。王品等[4]利用駕駛模擬仿真實驗論證了基于駕駛模擬的山區公路路段安全評價方法的可靠性。高晗[5]利用駕駛仿真，測量駕駛人在不同交通條件及駕駛環境下的心理生理指標，得出駕駛行為、行駛條件對于駕駛人心理生理指標的影響規律。

當前山區高速公路橋隧連接段一直是事故的高發路段，針對此路段的安全性研究相對較少，因此，本文基于駕駛人心率變化率指標對山區高速公路橋隧連接段進行駕駛仿真試驗，探討行車速度、極端天氣、道路線形條件，以及安全設施等方面對橋隧連接段行車安全的影響。

1 基于UC-win/Road山區高速公路橋隧連接段仿真試驗

1.1 試驗場景建立

山區高速公路連續穿越多座山峰的情況較為常見，為了保證橋隧連接段的真實性及模擬駕駛試驗的可靠性，基于湖南省炎陵至汝城高速公路的設計資料，選取“四峰山隧道-洣水河大橋-新家洞隧道”橋隧連接段，建立“隧-橋-隧”模型，見圖1。

圖1 “隧-橋-隧”橋隧連接段建模效果圖

1.2 試驗儀器設備

UC-win/Road 8.0駕駛模擬平臺，心率儀(POLAR RS800CX)，視頻拍攝設備等。

1.3 試驗條件及人員

場景一，晴朗天氣條件下駕駛模擬速度為60 km/h和80 km/h；場景二，橋梁段大霧天氣駕駛模擬速度為60 km/h。本試驗被測駕駛人10人，矯正視力5.0，均持有駕駛執照，在試驗前熟悉并適應模擬駕駛環境及模擬駕駛操控。

2 試驗數據處理及分析

相關研究顯示[6]，心率的變化能夠很好地反應駕駛人的行車狀態及駕駛危險程度，因此，利用駕駛人心率變化指標分析行車速度及大霧天氣對于行車安全的影響，間接反應不同車速及天氣條件下橋隧連接段行車的危險程度。考慮到個體差異，選擇心率變化率指標來表征駕駛人的心理變化。心率變化率表示駕駛人行車過程中某一時刻(段)的心率變化，即某一時刻(段)的心率變化量與駕駛人安靜狀態下平均心率的比值。其計算公式為

(1)

2.1 行車速度對心率變化的影響

在模擬駕駛試驗中，為判斷行車速度對駕駛人心率變化的影響，進行了2組對照性試驗。試驗車速分別為60 km/h和80 km/h，并記錄駕駛人行車過程中每時刻的心率值。在剔除駕駛人心率變化的異常數據后，在速度為60 km/h時駕駛人心率變化率的變化情況見圖2(圖中編號為參與測試駕駛員的編號，下同)。當車速控制在80 km/h時，駕駛人的心率變化率的變化情況見圖3。對被測駕駛人的心率值求平均值，并計算心率變化率和繪制心率變化率曲線,見圖4和圖5。

圖2 駕駛人心率變化率(60 km/h)

圖3 駕駛人心率變化率(80 km/h)

圖4 駕駛人平均心率變化率(60 km/h)

圖5 駕駛人平均心率變化率(80 km/h)

平均心率變化率曲線更直觀地說明了駕駛人在橋隧連接段行車時心率的變化情況。當行車速度較高時，駕駛人在橋隧連接段行車，心率變化的幅度有所增加。因為橋隧連接段路況較之正常高速公路路段更為復雜，駕駛人行車需要保持高度的專注和警覺性，在遇到危險時需要處理的信息更多。而車速過快，駕駛人相應的做出反應的時間也就越短，心理更容易出現緊張情緒，內心的變化程度也更為劇烈，心率變化的幅度較大。因此，在山區高速公路行車時，行車速度過快對心率的變化有一定的影響，駕駛人的心理負荷隨著速度的增加而增大，行車危險性也隨之提高。

2.2 大霧對心率變化的影響

由于山區經常出現局部的強對流天氣如降雨、大霧等，行車安全受天氣條件影響很大。為探究大霧對于橋隧連接段安全行車的影響，在進行模擬駕駛試驗時，增設了橋梁段受大霧天氣影響的場景，通過正常天氣和大霧天氣2個對照組觀察駕駛人心率變化的情況，進而得到大霧天氣因素對于駕駛人安全行車的影響，見圖6。由工程設計資料可知，橋隧路段限速為80 km/h，在極端天氣條件下，試驗速度取值為60 km/h。

圖6 大霧天氣下駕駛人心率變化率(60 km/h)

由圖2與圖6對比可見，在相同駕駛速度條件下，大霧天氣對于駕駛人行車影響很大，心率變化率變化劇烈。當駕駛人駕車進入隧道時，隧道的封閉環境給駕駛人造成巨大的壓迫感，想盡快駕車離開隧道，期望出隧道后路況有所改善；但隧道洞外緊接著的橋梁路段受大霧的影響，視距很差，路況不佳，這使駕駛人心理預期產生落差，駛出隧道后的壓迫感并未消除，因而致使駕駛人心理變化幅度巨大，心率變化率的變化情況較之正常天氣下的更復雜。

3 基于心率變化率指標的安全性評價

駕駛模擬試驗分析可知，在相同道路線性條件下，橋隧連接段駕車環境變化導致駕駛人產生心理負荷，易造成交通事故發生。為減弱不利的行車環境，如行車速度過快、極端天氣等對行車安全的影響，通常會從平縱線性組合程度、安全設施有效性等方面對橋隧連接段駕駛環境進行改善，從而實現在不利行車環境條件下的行車安全。因此，本文提出采用駕駛人心率變化率作為山區高速公路橋隧連接段道路線形及安全設施的安全性的評價指標。相關研究表明[7-8]：當心率變化率大于10.5%～12.5%的范圍時，駕駛人會感覺不適，駕駛的宜人性較差。綜合考慮心率變化率對“隧-橋-隧”山區高速公路橋隧連接段對駕駛人舒適閾值的影響，提出表1安全評價指標。

表1 基于心率變化率的安全評價標準

根據表1所示的評判標準，結合最高限速80 km/h速度下駕駛人心率變化情況可知：四峰山隧道-洣水河大橋-新家洞隧道橋隧連接段的安全水平介于好和較好之間。考慮到駕駛模擬試驗過程中，駕駛人的緊張程度較低，且模擬試驗不存在危險性，得出的結論安全程度偏高。在實車試驗的情況下，其駕駛環境復雜多變，存在車流的影響，故本文提出基于模擬駕駛試驗建立的安全評價標準，可靠性需要通過實車試驗進行進一步驗證。

4 結論與建議

根據橋隧連接段模型進行駕駛仿真試驗，得出行車速度及大霧天氣因素對駕駛員心率變化率影響顯著。行車速度越大，對駕駛人造成的心理負荷就越大；濃霧天氣條件也會增加駕駛人心理負荷。結合人、車、環境等影響影響因素，對山區高速公路橋隧連接段交通安全從以下方面提出安全改善建議。

1) 隧道口設置引導式護欄。為引導駕駛人視線，橋隧段線形過渡自然，在隧道洞口前增設引導性柔性護欄，使得橋梁斷面與隧道斷面自然續接。同時，為了防止夜間行駛車輛撞向隧道口處位置增設的護欄，可在隧道洞口設置引導輪廓標，正確引導駕駛員行車視線。

2) 隧道內設置加強照明、視覺誘導設施及可變信息板。隧道口設置加強照明設施，降低隧道洞內外亮度差；在隧道內設置較好的視線誘導設施，避免行駛車輛撞向隧道路肩；在距離隧道出口一定距離處設置懸掛式可變信息情報板，提示將進入橋梁路段或隧道外的天氣情況。

3) 隧道入口處設置減速帶。在隧道出入口設置減速震蕩標線，從工程角度降低橋隧路段的行車速度。

[1] 賀敏，田冬軍.從駕駛員的心理角度分析道路線形對交通安全的影響[J].交通科技,2007(6):88-90.

[2] 張興儉，趙曉華.面向人因因素的駕駛模擬綜合實驗平臺搭建[J].道路交通與安全,2014(1):48-52.

[3] 鄔洪波，甄東曉，周榮貴.山區高速公路橋隧連接段安全評價技術[J].公路交通科技,2012,29(12):12-132.

[4] 王品，張蘭芳.基于駕駛模擬器的山區公路路段安全評價方法的檢驗[J].交通科技，2015(4):118-121.

[5] 高晗.模擬駕駛條件下駕駛員生理特性實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

[6] 湯灃澤，潘曉東，陳豐.駕駛員心率變化率與公路橫向力系數的相關性[J].交通科學與工程,2015,31(2):87-90.

[7] 陳美如,裴玉龍.基于CREAM擴展法的信號交叉口駕駛差錯概率預測[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2017,41(3):375-378,384.

[8] 趙敏.基于駕駛宜人性的山區公路曲線段行車安全評價模型[D].上海：同濟大學，2012.