基于數字化技術的高速公路安全設施布局優化研究

馬能利

（甘肅路橋飛宇交通設施有限責任公司）

1 引言

人是影響交通安全的最主要因素，多數交通事故都是由于操作失誤及違法行為導致的，從道路類型上看，高速公路交通事故的死亡率最高，從事故形態上看，運動車輛碰撞的事故比例最大，從路段分析上看，匝道口事故相對突出，根據這些事故特征，必須加強高速公路安全管理，優化安全設施設計布局，從根本上降低交通事故發生的概率，保證人們的生命財產安全。

2 基于數字化技術的高速公路減速標線布局優化

2.1 減速標線設計要點

2.1.1 圖形設計

首先，可以選用標準立方體，包括正方體、三角錐、圓柱、梯臺、六棱立柱等，由于這些圖形本身具有立體效果，能夠產生預期的視錯覺，使駕駛人看到后被迫減速。其次，波浪形也具有良好的視錯覺效果，通過圖形邊緣的曲線形變，能夠產生立體的拱起和塌陷感覺，讓駕駛人誤以為是路面不平導致的，采取降速措施。半側六棱錐形外表類似于滑梯，能夠產生與道路水平面形成一定角度障礙的視錯覺，讓駕駛誤以為會遇到跳板似的物體，從而主動降速[1]。

2.1.2 顏色設計

圖形設計與顏色設計相互補充、相互協調才能發揮三維立體視錯覺減速標線的作用，根據交通標線相關標準，常用的標線顏色為白色、藍色、黃色、紅色、橙色，可以分為暖色調、冷色調和中性色，主要通過顏色對比設計，實現明暗對比，在光影作用下，強化立體感，在此基礎上，搭配白色底面，能夠顯著增強平面圖案立體感，加強減速標線的視覺效果。另外，使用輪廓線設計，也會加大平面交叉沖突感，突出立體結構，設計時要嚴格控制輪廓線寬度。

2.1.3 尺寸設計

達到視錯覺高度是實現三維標線減速的必要條件，駕駛人在駕駛視角應該能夠看到一定的障礙高度，根據視銳度基本特征，計算視覺空間閾值，同時，單元圖形平面拉伸長度的計算也非常關鍵，由于觀察視角的因素，圖形的長度在不同平面上存在著投影損失，需要以視錯覺要求尺寸為基礎，對數值進行拉伸修正。

2.2 視覺效果仿真實驗

2.2.1 創建仿真模型

道路模型是仿真試驗場景中的重要組成部分，可以通過3Dmax進行建模，選擇合適的建模方式，保證道路建模精度，能夠滿足近距離視點道路情況觀察需求。多邊形建模技術是常用方法之一，可以直接創建基本幾何體，并通過修改補充完善，具有操作簡單、處理速度快、占用資源少等優點，比較適用于表型形狀規則的物體模型創建。根據高速公路規范尺寸制作道路模型，并對各組成部分賦予材質，使其更加真實，使用VRay 渲染器進行道路渲染，調整相關光影參數，得到最終的仿真路面效果。車輛模型創建也同樣非常重要，在3Dmax中編輯成型，完善汽車輪轂和內部裝飾，創建目標攝像機，模擬人眼，將攝像機放入駕駛室內，調整其位置、高度以及視野參數，有效模擬駕駛人坐在車內的視覺效果。在3D max中創建固定尺寸圖案比較麻煩，而CAD與MAX之間具有良好的兼容性，所以，在創建平面減速標線時，可以將CAD制作的圖案導入到MAX中，并給二維線框圖設置一個厚度，使之成為真正的三維圖像[2]。

2.2.2 設計方案篩選

上述建立的道路、汽車、減速標線模型都是單獨存在的，需要通過合并命令將各組成部分集成到一個文件中，合理調整位置關系，然后將MAX 文件制作成動畫，渲染輸出為視頻文件，配合最終的試驗篩選。在MAX 窗口中，選擇攝像機視角，將汽車與攝像機編制成組，按一下自動關鍵點，拖動紅色條部分選定時間，然后拖動汽車，讓汽車能夠按拖動軌跡在選定時間內行駛，從而完成車輛行駛畫面的錄制。基于數字化技術得到的減速標線設計方案比選需要以多學科理論為指導，對不同減速標線視頻呈現的立體效果進行調查實驗。首先，播放仿真輸出的行車效果視頻；其次，根據減速標線立體效果要求，確定視頻評價因子，量化評價指標；最后，選取一定數量具有相關專業性的評判者，保證調查過程不受外界影響。評價者獨立觀看視頻后，對各個方案的立體感、減速緊迫感、道路協調感、施工難易度等方面進行評分，通過科學的數據統計與處理后，獲得最終的比選結果。最終發現，在同樣條件下，選擇三角形作為三維視錯覺減速標線圖形的方案更優，能夠有效控制形變導致的視覺效果弱化，可以很好地滿足大小車型安全駕駛的視覺需求。

3 基于數字化技術的高速公路突起路標布局優化

3.1 視覺仿真與效果分析

高速公路突起路標視覺仿真設計依然主要采用3Dmax軟件進行建模，在車型選擇上，由于大車型的車燈照射范圍更廣，更有利于提前發現突起路標，所以采用小車型為仿真模型。建立高速公路道路模型應著重考慮圓曲線半徑選取，保證試驗的可行性和計算的簡化性。可以在誤差允許范圍內作出基本假設，通過3Dmax模擬夜間駕駛情境，在道路上分別設置不同數量突起路標。模型創建完成后，制作輸出PPT文件，使用投影儀將結果呈現給評價者，將視覺辨識度作為評價尺度，并賦予相應分數，以方便量化統計。評價過程中同樣要保證獨立性和標準性，減少外界環境及其他人員的干擾。統計分析實驗數據結果表明，突起路標數量與線形誘導效果呈正相關，如果數量在三個以下，那么效果就非常差，當數量達到6個時，就能夠起到很好的線性誘導效果。

3.2 振動仿真與效果分析

車輪碾壓突起路標時，會產生震動警示作用，可以通過Adams軟件對凸起路標的振動效果開展仿真試驗分析，作為專門針對汽車構建的仿真軟件，擁有可視化效果的力學分析模塊，能夠相對準確地呈現動力荷載變化，而且從多視角展示車輛受力狀況、運動效果、運動軌跡以及仿真結果。利用軟件中的相關專業模塊，分別創建模型，包括道路模型、車輛模型、突起路標模型、駕駛人模型等，同時進行仿真結果分析。根據人體舒適度評價標準，將加權加速度均方根作為振動對人體健康和舒適的影響評價指標。因為垂直方向加速度的影響更大，所以選取垂向加速度作為評價指標，將人的主觀感受分為若干等級，并與加權加速度均方根數值區間相對應。根據平直線路段振動仿真結果分析，間隔15m 的突起路標布置方案更為合理，能夠產生更好的警示率和更高的碾壓率，該布局方案同樣適用于長大下坡路段和豎曲線路段[3]。

4 基于數字化技術的高速公路安全設施組合布局優化

4.1 模擬駕駛試驗設計

基于高速公路的復雜性，尤其是山區高速公路的特殊性，需要對交通安全設施組合方案進行模擬試驗，找到最佳的組合方式。常見的安全設施包括警示標志、減速標志、限速標志、護欄、慢行標志等，在數字化駕駛平臺及相關儀器設備的配合下，在虛擬實驗場景進行駕駛，采集駕駛行為參數、心理生理參數、眼動參數、車輛運行參數等相關數據，經過統計分析后，深入探索不同組合方式的影響程度。波形護欄在高速公路中比較常見，具有良好的吸收碰撞能量的能力，通過地基、立柱、橫梁的變形吸收大部分碰撞能量，在選擇波形護欄進行模擬試驗時，需要著重對護欄端部進行處理，采用解體消能式護欄端部，能夠有效提升吸能效果。在模擬駕駛試驗中，需要加強護欄結構驗算，通過理論計算、計算機模擬等多種方式，驗證護欄結構的牢固性、穩定性、安全性，波形護欄屬于半剛性護欄，在碰撞過程中允許有較大橫向位移出現，忽略護欄自身質量，將車輛與護欄的碰撞簡化為雙彈簧單自由度系統，驗證波形梁護欄的強度是否滿足要求，同時，基礎和立柱也要滿足相關規范要求。

4.2 模擬駕駛試驗實施

模擬駕駛試驗采用的主要設備包括駕駛模擬平臺、生理心理儀、眼動儀等，同時還有相關數據提取軟件。駕駛模擬平臺由駕駛系統、圖像系統、聲響模擬系統、動力學仿真系統、控制系統、交通微觀仿真系統等部分組成，通過實體駕駛艙還原駕駛實況，實時反饋人、機、環境的交互狀態。生理心理儀采用無線通信技術，能夠實時對生理狀態指標同步采集傳輸，在同一時間內記錄、追蹤、分析個體生理心理變化，眼動儀能夠用來采集駕駛人眼動軌跡和基本眼動形式特征數據。選擇合適人員參與試驗，在駕駛經驗、身體狀況、視力水平等方面有一定要求，然后根據相關規范標準和技術要求，開展實驗場景設計，確定安全設施組合方案，按要求搭建實驗場景，保證虛擬駕駛試驗的仿真度和可靠性。

4.3 實驗數據處理分析

實驗數據收集包括車輛數據、生理心理數據、眼動數據等，利用專業數據軟件對初始數據進行導出和預處理，有效過濾無效數據、數據噪點，做好特定指標的解釋和統計工作，降低后期數據處理的工作量和復雜度。車輛數據包括車輛運行狀態參數、操作行為參數，在不同組合方案下，駕駛人在速度處理、方向盤控制等方面存在顯著差異，同樣在生理心理數據眼動參數上也會表現出不同。為了評價不同組合方案的試驗效果，需要建立效用評價指標體系，科學賦予評價指標相應權重，通過駕駛人表現出的安全駕駛水平等級，明確安全設施組合方案效用，以此為依據作出科學論斷[4]。

5 結語

綜上所述，高速公路是重要的基礎設施，涉及國家經濟發展和生活水平提升，隨著工程建設規模的不斷擴大，高速公路交通事故居高不下，提高交通運輸安全依然是首要目標。優化交通安全設施布局，保證信息傳達清晰順暢，可以更好地發揮交通安全設施的警示提醒作用，讓駕駛人能夠集中注意力，提前采取應對措施，避免由于視覺缺陷、操作失誤、注意力不集中等因素導致交通事故的發生。