基于虛擬駕駛平臺(tái)的山區(qū)高速公路行車安全評(píng)價(jià)研究

龍銘謙 賴俊羽

摘要：文章結(jié)合工程實(shí)例，采用八自由度駕駛模擬器對(duì)山區(qū)高速公路行車進(jìn)行了仿真，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)運(yùn)行速度一致性和駕駛行為一致性進(jìn)行了分析和評(píng)估，并針對(duì)性地提出了優(yōu)化公路線形和交通安全設(shè)施等方面的建議，對(duì)公路工程的前期設(shè)計(jì)工作有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：虛擬駕駛;高速公路;安全性評(píng)價(jià);交通安全

中圖分類號(hào)：U492.84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.049

文章編號(hào)：1673-4874（2019）09-0175-04

0引言

虛擬駕駛技術(shù)是綜合車輛操控仿真、場(chǎng)景仿真、動(dòng)力仿真等系統(tǒng)，構(gòu)建一個(gè)人機(jī)交互的駕駛環(huán)境，來(lái)模擬真實(shí)的駕駛行為。虛擬駕駛器的研究早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開展，如通用汽車公司和大眾汽車公司等，但當(dāng)時(shí)這項(xiàng)技術(shù)尚處于探索階段，在車輛研發(fā)方面的應(yīng)用有限。隨著科技水平的發(fā)展，在20世紀(jì)80-90年代，出現(xiàn)了新一代的駕駛模擬器，可同時(shí)滿足車輛研發(fā)和駕駛行為的研究。近年來(lái)，在計(jì)算機(jī)處理能力和速度的提升上，圖像實(shí)時(shí)處理技術(shù)逐漸成熟，視覺(jué)信息、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、聽覺(jué)信息等模擬器得到飛速發(fā)展，駕駛模擬器也得到跨越性進(jìn)步，并被廣泛應(yīng)用于車輛研發(fā)、駕駛行為研究、駕駛環(huán)境評(píng)估等方面。武安娜等用主觀評(píng)價(jià)技術(shù)對(duì)駕駛?cè)嗽隈{車過(guò)程中使用手持通訊設(shè)備的安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。郭鳳香等基于駕駛模擬器，以山區(qū)公路某隧道群為對(duì)象，對(duì)用于非分離式隧道中的倒伏示警柱、視覺(jué)標(biāo)線、常規(guī)標(biāo)線等三種中央隔離設(shè)施的效果進(jìn)行了對(duì)比研究.龔鳴等對(duì)駕駛模擬中指路標(biāo)志的參數(shù)標(biāo)定進(jìn)行了研究，在模擬場(chǎng)景中考慮速度、文字高度因素，在真實(shí)場(chǎng)景中考慮速度因素，建立了以可視距離為目標(biāo)值的關(guān)系模型。丁立等通過(guò)虛擬駕駛試驗(yàn)，提出了通過(guò)研究超速狀態(tài)下汽車駕駛軌跡來(lái)評(píng)價(jià)公路安全性的方法。Qin Yaqin等利用駕駛模擬系統(tǒng)研究了雙車道公路設(shè)置爬坡車道后對(duì)微觀交通流特征的影響，對(duì)比分析了設(shè)置爬坡車道前后車輛速度、在車道中的橫向位置等交通參數(shù)的變化情況。Carla Benedetto等利用駕駛模擬系統(tǒng)，通過(guò)限定駕駛?cè)诵旭偹俣鹊姆绞剑密囕v動(dòng)力學(xué)模型輸出指標(biāo)對(duì)公路幾何設(shè)計(jì)進(jìn)行安全性分析。

目前，基于駕駛模擬器探討道路線形、交通安全改善對(duì)策的研究已被廣泛認(rèn)可，其研究結(jié)論也已被應(yīng)用于實(shí)際工程中。駕駛模擬作為一種替代現(xiàn)實(shí)環(huán)境無(wú)法開展的實(shí)驗(yàn)研究的技術(shù)，已日趨成熟。本文結(jié)合工程實(shí)例，采用交通運(yùn)輸部公路院和同濟(jì)大學(xué)所搭建的八自由度駕駛模擬器（見(jiàn)下頁(yè)圖1）對(duì)山區(qū)高速公路行車安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

1虛擬駕駛建模

本文以廣西樂(lè)業(yè)至百色高速公路為依托。該公路地處廣西西北部山區(qū)，設(shè)計(jì)橋隧比達(dá)49.9%，是典型的山區(qū)高速公路。依據(jù)設(shè)計(jì)文件選取其中的那暮段K143+360-K156+878（見(jiàn)圖2），并用UC-WinRoad駕駛模擬三維建模軟件搭建了道路3口實(shí)景模型，如圖3所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，建模時(shí)將試驗(yàn)道路分成K-143360、K-L、K-R、K/A和LB五段道路，其中K-L和K-R為分離式路基，且處于隧道路段，LB段為樂(lè)百高速公路相交隆百高速公路的一段。

2 行車安全性評(píng)價(jià)

通過(guò)3D實(shí)景建模搭建三維道路模型，在駕駛模擬器中開展駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，設(shè)備可采集獲取駕駛員在整條道路上駕駛時(shí)的所有操作行為數(shù)據(jù)，不需要通過(guò)預(yù)測(cè)的運(yùn)行速度進(jìn)行分析，只需要將所有實(shí)驗(yàn)被試的駕駛行為數(shù)據(jù)進(jìn)行分析即可。

本次模擬開展了9名駕駛員的實(shí)驗(yàn)研究，每名駕駛員均在那暮段試驗(yàn)道路上內(nèi)側(cè)車道駕車進(jìn)行雙方向的自由行駛?cè)蝿?wù)，同時(shí)試驗(yàn)路段不加載交通流，不限制駕駛員的行車速度，記錄駕駛員在實(shí)驗(yàn)中的所有行為操作數(shù)據(jù)，并將其行車速度作為數(shù)據(jù)分析的依據(jù)。

2.1運(yùn)行速度一致性分析

2.1.1駕駛員行駛速度描述分析

圖4和圖5分別為9名駕駛員在那暮段正反兩個(gè)方向行駛速度的變化情況。可以看出：盡管樂(lè)百高速公路那暮段線形條件較差，但駕駛員在沒(méi)有速度限制的情況下，往往會(huì)以比較高的速度通過(guò)，且速度變化比較劇烈：上行線分別在KT45+360、K148+360、K151+860、K154+360處有顯著的減速行為;逆向行駛分別在K153+860、K149+360、K146+860、K145+860處有顯著的減速行為。

2.1.2 駕駛員速度離散性分析

道路上同一地點(diǎn)車輛速度差異越大，越容易發(fā)生追尾事故。由于本研究所用實(shí)驗(yàn)車輛相同，那么導(dǎo)致駕駛員在道路上某一點(diǎn)行駛速度存在差異的唯一因素就是不同駕駛員對(duì)該處道路線形指標(biāo)的感受不同，因而比較道路上同一地點(diǎn)不同駕駛員的速度離散性可以作為評(píng)價(jià)道路線形設(shè)計(jì)優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。

將實(shí)驗(yàn)所獲取的9名駕駛員正逆向行駛的速度數(shù)據(jù)通過(guò)R語(yǔ)言進(jìn)行分析處理，繪制了每100m樁處駕駛員速度的箱線圖，分別如圖6和圖7所示。由此可以看出：（1）那暮段雙方向駕駛員自由行駛速度差值均較大，很多100m樁位置駕駛員的速度差值都在50km/h以上，說(shuō)明樂(lè)百高速那暮段的線形條件較差，不同駕駛員間自由行駛速度差值較大;（2）那暮段上行線，駕駛員在K145+500處速度顯著降低，之后逐步提升，在K148+500、K152+500、K155+500處速度均有降低的趨勢(shì);（3）那暮段逆向行駛中，駕駛員在K148+500、K145+500處速度有顯著降低。

2.2 駕駛行為一致性分析

2.2.1加速行為

圖8是那暮段上行方向駕駛?cè)思铀俨僮髋c正常值偏離較大行為的概率密度曲線，曲線中概率較高代表在該路段車輛的加速度有更大的概率比正常值高。從圖中可以看出，在K153+860處駕駛?cè)擞休^大概率采用較大的加速度。此處位于連續(xù)下坡路段，且正好處在連接600m和400m小半徑平曲線的直線上，700m后將駛?cè)?00m小半徑平曲線，此處的加速行為可能會(huì)導(dǎo)致駕駛員在前方400m小半徑平曲線上發(fā)生操作事故。

下行方向駕駛?cè)思铀俨僮髋c正常值偏離較大行為的概率密度曲線如圖9所示，從圖9可以看出駕駛員在K148+360處有較大概率的加速行為。此處為隧道出口后方500m的直線上，前方為2500m半徑平曲線，而且位于3.9%的下坡段。

2.2.2 減速行為

下頁(yè)圖10是那暮段上行方向駕駛?cè)藴p速操作與正常值偏離較大行為的概率密度曲線，曲線中概率較高代表在該路段車輛的減速度有更大的概率比正常值高。從圖中可以看出，駕駛員存在較大減速度概率的位置包括三個(gè)：（1）K145+360處，連接2500m小半徑平曲線和600m小半徑平曲線的直線上，前方100m進(jìn)入600m小半徑平曲線，且之后為連續(xù)S彎;（2）K148+360處，弄衣隧道入口前方500m;（3）K153+360-K155+360處，隧道出口后700m，先為1100m半徑和600m半徑的S彎，再經(jīng)過(guò)一段700m的直線后進(jìn)入400m小半徑平曲線。

下行方向駕駛?cè)藴p速操作與正常值偏離較大行為的概率密度曲線如圖11所示，從圖中可以看出駕駛?cè)嗽贙153+860、K148+860-K146+360處有較大概率的減速行為。K153+860處為600m小半徑平曲線上，且為連續(xù)上坡，同時(shí)又是弄衣隧道入口前方1km;K148+860-K146+360處主要是駕駛員由線形較好的路段駛?cè)肭胺竭B續(xù)S彎路段。

2.3評(píng)價(jià)結(jié)果及建議

（1）K145+426.872-K146+282.191為連續(xù)三個(gè)小半徑平曲線組成的S彎，駕駛員在該路段速度會(huì)有顯著的降低，通過(guò)后又有明顯的提升，且異常轉(zhuǎn)向行為概率較高。建議在該路段雙方向前方500-1000m處設(shè)置連續(xù)轉(zhuǎn)彎警告和警示標(biāo)志;在雙方向路段前方500m處設(shè)置多組振動(dòng)標(biāo)線或視錯(cuò)覺(jué)標(biāo)線提醒駕駛員減速;在彎道外側(cè)設(shè)置線形誘導(dǎo)標(biāo)志。

（2）K146+133.097-K147+140.894段為三個(gè)同向圓曲線連接的卵形曲線，駕駛員在上行方向K146+660和下行方向K146+860處前后兩個(gè)100m樁的速度差離散較大。建議在上行方向K146+400位置設(shè)置警示標(biāo)志、振動(dòng)標(biāo)線或視錯(cuò)覺(jué)標(biāo)線等交通工程措施控制車速;在下行方向2660m半徑平曲線路段采取一定的交通工程措施嚴(yán)格控制車速。

（3）隧道出入口對(duì)駕駛行為一致性的影響比較明顯，隧道進(jìn)出口前方為整體式路基向分離式路基的過(guò)渡段，路面結(jié)構(gòu)形式的變化也對(duì)駕駛員的操作行為有所影響。因此建議在整體式路基向分離式路基的變化段，以左側(cè)標(biāo)線內(nèi)側(cè)增加漸變塊的方式提醒駕駛員;在隧道入口前方500m設(shè)置必要的警示標(biāo)志，使駕駛員更早地改變駕駛策略，以便順利地駛?cè)胨淼溃瑫r(shí)在出入口段采用過(guò)度照明，幫助駕駛員更快地適應(yīng)隧道環(huán)境;由于隧道較長(zhǎng)，行駛環(huán)境單調(diào)，建議除常規(guī)的行駛方向LED指示燈外，在隧道內(nèi)壁每隔一段距離增設(shè)一圈反光帶，幫助駕駛員識(shí)別隧道輪廓。

（4）K154+578.227-K155+160.110段400m小半徑平曲線，上行方向?yàn)槌鏊淼篮筮B續(xù)下坡所遇到的第一個(gè)小半徑平曲線，且為S形曲線，因而駕駛員速度、車輛控制等易失控，進(jìn)入后面連續(xù)小半徑曲線易引發(fā)事故。建議在其前方500m處設(shè)置連續(xù)急轉(zhuǎn)彎標(biāo)志，在前方1100m半徑平曲線處設(shè)置減速標(biāo)線以控制駕駛員從隧道出口出來(lái)后的提速行為。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的長(zhǎng)足發(fā)展，越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并顯著提高生產(chǎn)力。本文結(jié)合工程實(shí)例，采用虛擬駕駛平臺(tái)對(duì)山區(qū)高速公路行車安全評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究，再次證明了虛擬駕駛技術(shù)在工程應(yīng)用中的可行性。同時(shí)根據(jù)對(duì)模擬駕駛數(shù)據(jù)的采集分析，能為公路線形及交通安全設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。