基于虛擬駕駛平臺的山區(qū)高速公路行車安全評價研究

龍銘謙 賴俊羽

摘要：文章結合工程實例，采用八自由度駕駛模擬器對山區(qū)高速公路行車進行了仿真，通過實驗數(shù)據(jù)對運行速度一致性和駕駛行為一致性進行了分析和評估，并針對性地提出了優(yōu)化公路線形和交通安全設施等方面的建議，對公路工程的前期設計工作有一定的指導意義。

關鍵詞：虛擬駕駛;高速公路;安全性評價;交通安全

中圖分類號：U492.84 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.049

文章編號：1673-4874（2019）09-0175-04

0引言

虛擬駕駛技術是綜合車輛操控仿真、場景仿真、動力仿真等系統(tǒng)，構建一個人機交互的駕駛環(huán)境，來模擬真實的駕駛行為。虛擬駕駛器的研究早在20世紀60年代就已經(jīng)開展，如通用汽車公司和大眾汽車公司等，但當時這項技術尚處于探索階段，在車輛研發(fā)方面的應用有限。隨著科技水平的發(fā)展，在20世紀80-90年代，出現(xiàn)了新一代的駕駛模擬器，可同時滿足車輛研發(fā)和駕駛行為的研究。近年來，在計算機處理能力和速度的提升上，圖像實時處理技術逐漸成熟，視覺信息、運動平臺、聽覺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步，并被廣泛應用于車輛研發(fā)、駕駛行為研究、駕駛環(huán)境評估等方面。武安娜等用主觀評價技術對駕駛?cè)嗽隈{車過程中使用手持通訊設備的安全性進行了評價。郭鳳香等基于駕駛模擬器，以山區(qū)公路某隧道群為對象，對用于非分離式隧道中的倒伏示警柱、視覺標線、常規(guī)標線等三種中央隔離設施的效果進行了對比研究.龔鳴等對駕駛模擬中指路標志的參數(shù)標定進行了研究，在模擬場景中考慮速度、文字高度因素，在真實場景中考慮速度因素，建立了以可視距離為目標值的關系模型。丁立等通過虛擬駕駛試驗，提出了通過研究超速狀態(tài)下汽車駕駛軌跡來評價公路安全性的方法。Qin Yaqin等利用駕駛模擬系統(tǒng)研究了雙車道公路設置爬坡車道后對微觀交通流特征的影響，對比分析了設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)，通過限定駕駛?cè)诵旭偹俣鹊姆绞?，利用車輛動力學模型輸出指標對公路幾何設計進行安全性分析。

目前，基于駕駛模擬器探討道路線形、交通安全改善對策的研究已被廣泛認可，其研究結論也已被應用于實際工程中。駕駛模擬作為一種替代現(xiàn)實環(huán)境無法開展的實驗研究的技術，已日趨成熟。本文結合工程實例，采用交通運輸部公路院和同濟大學所搭建的八自由度駕駛模擬器（見下頁圖1）對山區(qū)高速公路行車安全性進行評價研究。

1虛擬駕駛建模

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

根據(jù)設計文件，建模時將試驗道路分成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段為樂百高速公路相交隆百高速公路的一段。

2 行車安全性評價

通過3D實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驗，設備可采集獲取駕駛員在整條道路上駕駛時的所有操作行為數(shù)據(jù)，不需要通過預測的運行速度進行分析，只需要將所有實驗被試的駕駛行為數(shù)據(jù)進行分析即可。

本次模擬開展了9名駕駛員的實驗研究，每名駕駛員均在那暮段試驗道路上內(nèi)側(cè)車道駕車進行雙方向的自由行駛?cè)蝿?，同時試驗路段不加載交通流，不限制駕駛員的行車速度，記錄駕駛員在實驗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方向行駛速度的變化情況。可以看出：盡管樂百高速公路那暮段線形條件較差，但駕駛員在沒有速度限制的情況下，往往會以比較高的速度通過，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。由于本研究所用實驗車輛相同，那么導致駕駛員在道路上某一點行駛速度存在差異的唯一因素就是不同駕駛員對該處道路線形指標的感受不同，因而比較道路上同一地點不同駕駛員的速度離散性可以作為評價道路線形設計優(yōu)劣的一個重要指標。

將實驗所獲取的9名駕駛員正逆向行駛的速度數(shù)據(jù)通過R語言進行分析處理，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，說明樂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;（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導致駕駛員在前方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：（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)過一段700m的直線后進入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評價結果及建議

（1）K145+426.872-K146+282.191為連續(xù)三個小半徑平曲線組成的S彎，駕駛員在該路段速度會有顯著的降低，通過后又有明顯的提升，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處設置連續(xù)轉(zhuǎn)彎警告和警示標志;在雙方向路段前方500m處設置多組振動標線或視錯覺標線提醒駕駛員減速;在彎道外側(cè)設置線形誘導標志。

（2）K146+133.097-K147+140.894段為三個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100m樁的速度差離散較大。建議在上行方向K146+400位置設置警示標志、振動標線或視錯覺標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格控制車速。

（3）隧道出入口對駕駛行為一致性的影響比較明顯，隧道進出口前方為整體式路基向分離式路基的過渡段，路面結構形式的變化也對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設置必要的警示標志，使駕駛員更早地改變駕駛策略，以便順利地駛?cè)胨淼?，同時在出入口段采用過度照明，幫助駕駛員更快地適應隧道環(huán)境;由于隧道較長，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一圈反光帶，幫助駕駛員識別隧道輪廓。

（4）K154+578.227-K155+160.110段400m小半徑平曲線，上行方向為出隧道后連續(xù)下坡所遇到的第一個小半徑平曲線，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處設置連續(xù)急轉(zhuǎn)彎標志，在前方1100m半徑平曲線處設置減速標線以控制駕駛員從隧道出口出來后的提速行為。

3 結語

隨著計算機科學的長足發(fā)展，越來越多的先進技術被應用于基礎設施建設，并顯著提高生產(chǎn)力。本文結合工程實例，采用虛擬駕駛平臺對山區(qū)高速公路行車安全評價進行了研究，再次證明了虛擬駕駛技術在工程應用中的可行性。同時根據(jù)對模擬駕駛數(shù)據(jù)的采集分析，能為公路線形及交通安全設施的優(yōu)化設計提供一定的參考。