安全道路條件計算研究綜述與展望

安全道路條件計算研究綜述與展望*

胡江碧1▲何荷2沈康鑒3

(1.北京工業(yè)大學城市交通學院北京 100124；2.貴州高速公路集團有限公司貴陽 550004；

3.云南省公路開發(fā)投資有限責任公司昆明 650200)

摘要為了促進中國道路安全工程的發(fā)展，系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外安全道路條件計算領域的學術研究現(xiàn)狀、熱點前沿、存在問題、具體對策及發(fā)展前景。總結(jié)了安全道路條件計算發(fā)展現(xiàn)狀并對其未來發(fā)展趨勢進行了展望，分別對道路線形、路面條件和駕駛?cè)斯ぷ髂芰Ψ矫娴难芯績?nèi)容進行了細化和梳理。為改善道路交通安全的嚴峻形勢、完善道路交通安全評價理論與方法，采用駕駛工作負荷理論及表達方法的研究成果，研究駕駛期望行為(運行速度)、駕駛?cè)俗陨砟芰﹂撓?生心理安全舒適感)、道路條件(包括路線平面、縱斷面、橫斷面)、路面平整度等互動關系。研究駕駛?cè)税踩孢m性道路條件計算的多因素表達，為安全的道路條件設計與運行管理提供理論與方法支撐。

關鍵詞交通安全；安全道路條件；多因素表達計算；駕駛工作負荷；道路線形條件；路面平整度

中圖分類號：U491文獻標志碼：A

收稿日期：2014-09-28修回日期：2014-12-25

通訊作者▲第一作者()簡介：胡江碧(1965-)，博士，教授.研究方向為道路安全工程.E-mail：hujiangbi@bjut.edu.cn

Review and Prospect of Road Safety Audit in China

HU Jiangbi1HE He2SHEN Kangjian3

(1.CollegeofMetropolitanTransportation,

BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China;

2.Guizhouhighwaygroupco.,LTD,Guiyang550004,China；

3.YunnanHighwayDevelopmentInvestmentco,LTD，Kunming650200,China)

Abstract:In order to promote the development of road safety Audit, This paper reviewed and summarized the acdamic situation, hot issues, existing problems, corresponding measures and development prospects of Road Safety Audit in China and abroad. All aspects of the safety audit related to road alignment and pavement condition, driving skills are analyzed in detail. Based on the theory and method of driving workload research, the interaction between expected driving behavior (e.g., operating speed), driver′s physiological and psychological threshold (security and comfort), road (including horizontal alignment, vertical alignment and cross-section) and pavement conditions (rutting and potholes). The multivariate analysis of road safety based on road conditions offering safe and comfort driving experiences is carried out. Study results should provide theoretical support for the design and operation management of "safe road".

Key words:road safety; road safety audit; multivariate analysis; driving workload; road alignment; pavement condition

*國家自然科學基金資助項目(批準號：61271371)

0引言

從解決道路交通事故嚴重問題的現(xiàn)實角度看，研究道路條件與人和車的協(xié)同是“人性化”道路交通發(fā)展的1個重要趨勢，也是1個極具挑戰(zhàn)性的跨學科科學問題。安全道路條件計算最終目的就是要使道路運輸條件符合汽車動力性能前提下，滿足正常駕駛?cè)嗽趧討B(tài)駕駛過程中按照安全的行為駕駛時具有安全舒適性感受?，F(xiàn)代道路設計主要是以滿足汽車動力性能和駕駛運行速度為目標，道路條件標準仍不能滿足駕駛行為安全舒適性需求。安全道路條件計算就是試圖在駕駛?cè)说墓ぷ髂芰﹂撓薹秶鷥?nèi)，通過對駕駛?cè)说膭討B(tài)認知行為需求分析和試驗，研究駕駛?cè)藢Φ缆窏l件動態(tài)認知過程和行為的安全舒適性形成機理和方法；研究駕駛安全舒適性閾限標準、評價方法和安全道路條件計算模型，并根據(jù)對駕駛安全舒適性識別和理解的結(jié)果進一步研究如何讓道路條件更加滿足駕駛?cè)笋{駛的安全舒適性，從而使道路基本建設各階段建設和管理的道路條件與駕駛?cè)烁佑押煤椭C，建造自然和諧的人因道路工程交互環(huán)境。

安全道路條件計算的理論和應用價值都很高，特別在社會意義方面。但客觀地說，目前道路條件計算的研究尚待進一步完善，理論基礎也還不夠堅實，同時更多工程實踐中安全隱患問題亟待解決。

目前國內(nèi)外對安全道路條件計算的研究處于汽車動力性能、道路幾何條件和運行速度關系計算研究階段，駕駛?cè)艘蛴绊懛治錾刑幱诙ㄐ噪A段，對駕駛?cè)诵袨樘匦岳碚撗芯炕A不夠完善。對道路條件進行安全考慮的歷史最早可追溯到1930年，基于駕駛的動力性能開始考慮設計標準的完善，并取得了一些成果。1976年在丹麥Helsingoer舉辦的OECD論壇“Methods for Determining Geometric Design Standard”為道路研究者們提出道路幾何設計如何與交通安全、經(jīng)濟、環(huán)境影響和能源消耗協(xié)調(diào)的新思想，特別是提出了駕駛動力性能和道路特性與運行速度有關，道路設計標準應該基于道路用戶的實際駕駛行為。隨后歐美一些發(fā)達國家開始研究在設計速度下道路條件中的運行速度與交通安全的關系，獲得了系列成果。2005年NCHRP項目“Comprehensive Human Factors Guidelines for Road System”提出道路用戶在道路系統(tǒng)中具有重要地位，在道路設計和管理中應關注駕駛?cè)颂匦訹1]。目前“人、車、路”協(xié)同的研究已受到了學術界和行業(yè)界的關注，在駕駛的安全舒適性量化研究方面正在不同程度地建立數(shù)據(jù)采集和開發(fā)平臺，成立專門的駕駛行為研究小組。但總的來說，安全道路條件計算的研究均處于起步階段。

安全道路條件計算領域的研究內(nèi)容主要包括：道路線形、路面條件和駕駛?cè)斯ぷ髂芰Φ难芯咳矫妗?/p>

1道路條件線形計算

目前國外大多數(shù)道路條件線形計算方法均是在對大量事故統(tǒng)計資料進行分析的基礎上，對影響交通安全的因素進行定性分析，應用一定的數(shù)學理論建立起交通事故與各因素之間的定量關系，來反映道路交通安全水平。1920～1930年，由于機動車發(fā)展的需要，以滿足駕駛車輛動力性能為服務目標的路線設計工程構(gòu)成了不同國家道路幾何設計指南。1930～1970年，開始基于車輛的動力性能、在設計中考慮道路幾何要素與安全。蘇聯(lián)在道路橫斷面車輛間距、側(cè)向凈空與車輛運行速度的關系方面也積累了一些經(jīng)驗公式。1970年至今許多國家出版了道路設計指南，提出駕駛行為、交通流與道路設計特性有關；在設計中需考慮駕駛?cè)颂匦院婉{駛行為，道路用戶期望的駕駛行為特性和需求與觀測的運行速度有關[2]。

1991年英國IHT率先提出公路安全評價理念并制定了詳細的安全評價指導書[3]。美國最早評價道路平縱面幾何線形一致性的方法是基于Leisch的平均速度變化和路線平縱面估計的大小車可能速度[4]。1997年，美國聯(lián)邦公路局組織多方人力、物力進行了系統(tǒng)的工作，對相關的關鍵技術和應用平臺進行了研究、開發(fā)，目前已經(jīng)推出了具有突破意義的交互式的公路安全設計模型(interactive highway safety design model，IHSDM)的集成軟件包，為公路安全評價、安全改善提供了核心的技術支持。美國聯(lián)邦公路局IHSDM采用設計一致性模塊度量公路線形設計整體協(xié)調(diào)性，作為路線設計質(zhì)量檢驗、評價手段[5]。德國采用CCR估計V85回歸方程作為度量公路一致性標準。澳大利亞提出設計速度超過100 km/h時，V85通常要低于設計速度。瑞士學者使用理論速度模型分析平面線形的一致性[6]。

國內(nèi)對道路線形條件計算研究起步較晚，也取得了一定成果。1999年交通運輸部公路科學研究院等單位開展“公路項目安全性評價指南”研究，得出用V85與設計速度的差值和道路相鄰評價單元運行速度差值作為評價路線設計安全性標準[7]；同濟大學提出“空間曲率”指標評價道路線形連續(xù)一致性[8]；長安大學提出在山區(qū)公路彎道處對“大小車區(qū)別限速”理念[9]，采用運行速度與設計速度差、相鄰路段運行速度差、速度降低因子、車輛橫向力系數(shù)變化因子及路段間的加速度值等指標值進行道路安全評價[10]，以及“可能速度”和“可能速度速差量”的公路路線安全評價指標[11]；東南大學以V85與平均速度所圍成的相對面積和路段各相鄰單元運行速度差值的平均值構(gòu)建了評價雙車道公路路段線形一致性綜合模型[12]，提出“臨界速度”是線形設計和道路交通安全分析的基礎指標[13]；昆明理工大學趙琳琳[14]運用速度一致性評價方法、視距安全評價方法、基于幾何線形設計安全評價方法、橫向力系數(shù)安全評價方法4種方法建立道路線形安全評價模型。武漢理工大學張航等[15]針對新建公路高危險路段運用虛擬視景技術和擬合技術研究公路線形的安全設計。安徽理工大學王雪力[16]利用可靠度理論研究公路線形安全性分析，提出了基于可靠度理論的公路幾何線形安全設計方法。祝站東等[17]利用心率變異性與運行速度協(xié)調(diào)性、速度梯度指標的關系評價公路路線安全。胡江碧等[18]采用駕駛工作負荷度作為高速公路線形安全性的評價方法。近年來也有學者從駕駛?cè)说慕嵌仍u價公路線形，其方法與基于運行速度的方法相似，以駕駛?cè)笋{駛工作負荷的變化作為評價指標。

2駕駛?cè)斯ぷ髂芰ρ芯?/p>

關于駕駛?cè)笋{駛工作負荷和駕駛行為，目前僅有學者給出了定性模型。Shafer[19]采用視覺閉塞法(vision occlusion method)客觀評價駕駛?cè)斯ぷ髁?；Rasmussen[20]在人類控制行為模型研究中得出：經(jīng)過特殊任務訓練之后可以減少駕駛?cè)嗽谛熊囉龅教厥馇闆r時的精神工作負荷，從而自然地將大量的注意力分配到其他的作業(yè)中去；有學者采用PDT(外部察覺任務)遺漏比例和PDT反應時間2個指標研究了不同復雜程度道路環(huán)境條件下新老駕駛?cè)苏J知負荷。

關于駕駛工作能力的研究主要是運用生心理測量評價方法。上世紀80年代末90年代初， 有學者采用計算機圖(electroencephalogram，簡稱EEG)研究了卡車駕駛?cè)艘归g長距離行車中，瞌睡與生心理反應的關系；有學者用EEG研究不同道路線形對駕駛?cè)诵熊嚑顟B(tài)的影響，有學者用EEG研究匝道進口處不同部位駕駛?cè)诵熊嚲o張狀況。

國內(nèi)陳澤林[21]提出以人的目視為標準的視覺溫度變化判斷方法；王炳浩等[22]研究提出當駕駛?cè)藙幼鞣炔淮髸r腦電波與靜止時的腦電波大致相同。對于工作負荷的量化，黃天[23]采用視覺變量VD來反映駕駛?cè)斯ぷ髫摵珊鸵曈X變量需求；潘曉東[24]應用駕駛?cè)诵穆省⒀獕?個指標定量研究山區(qū)公路線形條件與交通安全的關系。胡江碧[25-26]從駕駛?cè)伺c道路、交通和環(huán)境工程的安全性互動層面建立駕駛?cè)斯ぷ髫摵稍u價方法；鄭柯[27]、喬建剛[28]和王書靈[29]以駕駛?cè)诵穆首兓謩e對高速公路、山區(qū)二級公路、三級公路線形安全進行了研究，提出了道路設計關鍵參數(shù)極限指標；趙亮[30]和曹新濤[31]采用駕駛?cè)诵穆首兓省⑼酌娣e變化率及心率變異指標表征駕駛?cè)司o張度，建立了駕駛?cè)松睦碜兓谋碚鲄?shù)與道路平、縱線形及車輛運行速度間關系模型等；唐登科[32]建立了心率、車速、平曲線半徑的回歸模型；吉林大學冀秉魁[33]利用駕駛行為預測以及意圖辨識方法預測城市道路交通環(huán)境駕駛?cè)嗽谛熊囘^程中的駕駛行為。吉林大學金立生[34]通過駕駛模擬實驗采集了不同駕駛?cè)嗽诓煌缆肪€形下的駕駛行為參數(shù)，建立了不同駕駛?cè)嗽诓煌缆肪€形下的認知分散狀態(tài)監(jiān)測模型。上海交通大學鄭東鵬等[35]利用修正的曼徹斯特DBQ問卷方法研究駕駛?cè)笋{駛行為特性。合肥工業(yè)大學馮忠祥等[36]基于行為學理論和非集計方法，建立了攻擊性駕駛行為選擇模型(多項Logit模型)。并得出駕駛?cè)巳烁窈推渌囕v違法情況在駕駛?cè)斯粜择{駛行為中起決定性作用。葉曉林[37]采用眼動追蹤法研究了模擬駕駛過程中視覺和聽覺認知負荷對駕駛行為的影響，得出高認知負荷影響駕駛情境中危險事件的覺知。徐歡[38]提出基于紅外視頻采集夜間駕駛?cè)嗣婺繄D像駕駛疲勞檢測方法。目前針對基于駕駛?cè)松硇睦硖卣鞣治龊屠斫獾亩嗤ǖ佬畔⑷诤系难芯坎⒉欢嘁?。對于包括腦電、動態(tài)視覺、體位與心電、呼吸、皮膚電、血壓、語言等多通道生理心理參數(shù)指標等的信息，如何提取不同通道不同模式的共同駕駛工作負荷特征信息，如何選擇恰當?shù)男盘柼幚磉M行融合，如何將不同通道，不同層次的融合結(jié)果綜合為最終的駕駛工作負荷信息都是需要深入研究和探索的問題。

3路面平整度計算

路面平整度是影響行車安全、穩(wěn)定舒適性以及運輸效率的重要路面使用性能，是引起車輛振動及影響駕駛?cè)笋{駛安全、穩(wěn)定舒適性的主要因素。我國路面檢查項目的諸多評定指標中，由平整度影響的行駛質(zhì)量指數(shù)權(quán)重占0.4，足見其重要地位。因此，在道路工程建設與管理中如何提高路面行駛安全、穩(wěn)定舒適性，如何準確、客觀、定量地評價路面運行中的安全、穩(wěn)定舒適性是亟待解決的課題。

國內(nèi)外對路面平整度安全舒適性的研究主要通過道路用戶的主觀舒適性感受和車輛振動位移等方面進行，隨著駕駛?cè)松睦頊y量技術的發(fā)展和應用，現(xiàn)階段對路面平整度研究已能從駕駛?cè)说目陀^反映進行評價。

歐美等國在路面平整度方面開展的研究工作較早。1980年，NCHRP提出了路面舒適性指數(shù)RN，用評分小組對路面服務質(zhì)量的平均分(MPR)評價路面服務水平；1986年各國道路專家在巴西召開的道路安全會議上提出“國際平整度指數(shù)”(IRI)為路面平整度評價指標；捷克有學者通過直尺和“路面情況指示器補償法”測量路面平整度。印度的Jain-S等利用監(jiān)測路段的數(shù)據(jù)建立平整度衰變模型，并在柔性路面的設計壽命期內(nèi)預測其行駛質(zhì)量。目前國際平整度指數(shù)IRI是國際上使用最廣泛的平整性評價指標，但各國采用的指標值不同，如西班牙、瑞典、美國。

我國從“七五”開始在路面管理中采用IRI作為路面平整度指標。早期對IRI閾值的研究均來源于專家打分，路面專家小組沿著評價路段行駛并根據(jù)經(jīng)驗打分，小組評分結(jié)果主要取決于在評分之前對評分小組成員進行的關于路面特性或質(zhì)量定義的培訓，不可避免地采用了專家們的主觀判斷，數(shù)據(jù)缺乏客觀性和可靠性。相關學者依據(jù)《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價》(GB/T 13441.1—2007/ISO 2631-1:1997)第1部分一般要求中對人體舒適性影響分級的定量描述，對路面平整度安全舒適性進行評價。如根據(jù)該標準中的定量描述，提出乘客不舒適感的量化指數(shù)，建立了主觀感覺量化加權(quán)平均值與路面平整度標準差的關系模型；有學者在瀝青路面平整度評價中采用與車輛振動有關的加權(quán)加速度均方根值作為人體振動舒適性的評價指標，并根據(jù)國際標準ISO2631規(guī)定的加權(quán)加速度均方根值與行車舒適性的關系對人的舒適性作出評價。有學者建立了加權(quán)加速度均方根值與IRI的線性回歸模型。并選取ISO2631中的乘坐舒適性判定標準對瀝青路面平整度IRI進行評價，界定IRI舒適性閾值。有學者基于加權(quán)加速度均方根值和人體舒適性的關系,研究了不同摩擦系數(shù)、不同平整度、不同速度下的加速度與人體主觀感受之間的關系。對室外瀝青混凝土普通公路路段和室內(nèi)駕駛模擬艙所測得的大量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,給出了在滿足駕乘舒適性的條件下,最大行車速度和路面平整度之間的關系。周曉青等[39]在已有的國際平整度指數(shù)評價標準基礎上，結(jié)合上海市瀝青路面行駛質(zhì)量水平評價標準，提出了基于國際平整度指數(shù)路面行駛質(zhì)量評價標準確定方法；北京工業(yè)大學張金喜[40]從駕駛?cè)私嵌瘸霭l(fā)研究乘車舒適性與路面平整度之間的關系，通過乘客心電指標RMSSD方法、主觀打分法和振動加速度評價方法提出基于乘客舒適性的平整度臨界值。哈爾濱工業(yè)大學王超逸[41]利用多重分形方法刻畫道路縱剖面的局部特征，利用多重分形維數(shù)譜函數(shù)評價道路平整度。

近年來，從駕駛?cè)松睦韺用嫜芯狂{駛安全舒適性及駕駛疲勞，以評價道路線形、隧道照明和路面平整性等已成為道路交通安全發(fā)展研究的新趨勢。道路交通系統(tǒng)中，駕駛?cè)耸呛诵?，在人、車、路、環(huán)境之間的協(xié)調(diào)、配合作用下駕駛?cè)穗S時會產(chǎn)心理和生理狀態(tài)的變化。隨著駕駛?cè)松睦碇笜藙討B(tài)測量技術的發(fā)展和應用，現(xiàn)階段對路面平整度的研究已經(jīng)能夠從駕駛?cè)松睦淼目陀^反映進行評價。近年來國內(nèi)外研究學者將駕駛?cè)四X電、心電等生心理指標用于路面平整性評價中，進一步客觀地描述路面行駛質(zhì)量。日本學者用腦電反應來表征道路使用者對路面狀況的感覺。國內(nèi)學者用心電指標描述路面平整性對駕駛?cè)松睦淼挠绊?。但從駕駛?cè)松睦斫嵌鹊难芯績H僅局限于定性的描述，缺乏理論、定量、可靠的評價方法。

4結(jié)束語

綜上所述，在安全道路條件計算方面，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)開展了多因素多層面研究工作，并取得了一定成果。但還有很多問題迫切需要解決，主要包括：對駕駛?cè)说膭討B(tài)認知安全舒適行為需求機理分析還不夠深入，對安全道路條件的認知信息獲取方式單一，數(shù)據(jù)維度較低，多數(shù)研究是把道路線形條件和路面平整度條件分別用不同方法評價；關于路線方面，多基于20世紀70年代初歐美國家提出的駕駛動力性能、運行速度與路線幾何要素關系模型，對路線條件計算中基本路段僅進行了單因素或雙因素數(shù)據(jù)采集分析，所處理的駕駛行為狀態(tài)信號多為斷面、短時序信號；關于路面平整度方面，對安全舒適性的認知機理及定量研究尚處于探索階段。因此，大多數(shù)的研究是基于運行速度、經(jīng)驗評價方法或?qū)ζ溥M行一定程度的擴展。

道路條件對駕駛安全行為的影響是1種連續(xù)的生心理活動過程，其外在表現(xiàn)也必然是長時序過程；而且，駕駛過程中認知生心理行為會在道路條件變化前因視覺認知視距的存在而提前發(fā)生變化，并在一定的駕駛行為條件下維持在一定的距離范圍內(nèi)，僅用斷面運行參數(shù)不能客觀表征道路條件與駕駛?cè)笋{駛安全舒適性。因此，針對斷面短時數(shù)據(jù)和經(jīng)驗進行分析的技術難以滿足道路條件對駕駛行為的影響分析。而目前主流的理論技術方法尚缺乏對駕駛行為和認知需求的動態(tài)連續(xù)性，以及對道路條件下研究行為認知的提前和這種長時序信號的規(guī)律特點的研究。

對道路條件安全舒適性系統(tǒng)評定方法沒有進行過“人、車、路”協(xié)同的深層次機理分析和統(tǒng)一的分類方法與指標的研究，多為傳統(tǒng)、單一統(tǒng)計模式分析和識別方法，難以準確把握道路條件變化時駕駛?cè)说鸟{駛安全舒適性。

在安全道路條件計算研究中，讓道路條件更友好地與駕駛?cè)税踩孢m行為保持和諧所具有的因素應該從下述兩方面開展研究。

1) 在道路條件對駕駛安全舒適性行為和認知生成機理方面，一方面需要研究動態(tài)道路條件駕駛?cè)苏J知行為安全舒適性表達，另一方面是道路條件中多要素安全舒適感連續(xù)信息融合的真實感表達。

2) 在道路條件的安全評價方面，對道路條件安全的評價方法是單一和孤立的，沒有將駕駛?cè)伺c道路協(xié)同的特性結(jié)合進行系統(tǒng)、連續(xù)和長時序的分析和計算研究；在路線基本路段的劃分、路面平整度特性和行為特性分析中僅憑經(jīng)驗和根據(jù)道路幾何特性進行分析評價，缺乏連續(xù)、穩(wěn)定、有效的駕駛?cè)笋{駛安全舒適性評價理論和方法。

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