高速公路反向曲線駕駛員車速感知規(guī)律

劉婷

西安交通工程學(xué)院 土木工程學(xué)院 陜西省西安市 710300

1 引言

速度感知是車速選擇、躲避碰撞、目標(biāo)導(dǎo)航的基礎(chǔ)，對(duì)個(gè)體駕駛安全具有重要意義。行車過程中，速度感知是駕駛員多知覺（視覺、聽覺、觸覺等）綜合感知的結(jié)果，感知準(zhǔn)確性會(huì)受到氣質(zhì)、年齡、駕齡等機(jī)體因素的影響，也會(huì)受到車輛性能、氣候環(huán)境、道路條件等客觀因素的影響。機(jī)體因素、車輛因素、氣候環(huán)境都是不可控的，而道路條件可以從減小車速感知誤差的角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前關(guān)于道路與速度感知的研究，大多數(shù)學(xué)者多基于室內(nèi)或?qū)嵉貙?shí)驗(yàn)，側(cè)重于總結(jié)某一因素對(duì)速度感知的影響規(guī)律。相關(guān)研究成果顯示：道路幾何條件、路面標(biāo)線、路側(cè)環(huán)境等都會(huì)對(duì)速度感知產(chǎn)生影響。

反向曲線是公路設(shè)計(jì)中常見的一種線形。因連續(xù)反彎，線形及車輛操作復(fù)雜度較單曲線高，若車速較快，駕駛員極易反應(yīng)不及時(shí)導(dǎo)致安全事故。速度感知不足會(huì)使駕駛員傾向于選擇更高的車速行駛，當(dāng)車速高于容許安全速度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致車輛側(cè)滑、沖出路側(cè)進(jìn)而引發(fā)安全事故。本文以半徑和曲線間直線長為變量，設(shè)置不同線形組合的反向曲線試驗(yàn)段，開展室內(nèi)試驗(yàn)分別采集各曲線段上不同特征點(diǎn)位處的感知車速與實(shí)際車速，對(duì)特征點(diǎn)位處車速感知誤差進(jìn)行量化分析，得到反向曲線車速感知誤差變化規(guī)律。

2 模擬駕駛試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型構(gòu)建

采用三維虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件UC-win/Road 構(gòu)建道路場景模型，試驗(yàn)場景選取設(shè)計(jì)速度為100km/h 的雙向4 車道高速公路。參考《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20-2017）中圓曲線半徑及曲線間直線長的規(guī)定，半徑選取1000m 和650m（緩和曲線長度取175m），直線長度分別選取100m，400m 和600m，最終參數(shù)組合如表1 所示。為避免其他因素（行道樹、填挖等）的影響，控制路側(cè)環(huán)境單調(diào)，路線縱坡小于2%。超高過渡采用線性內(nèi)插法。為保證車輛在平曲線內(nèi)正常行駛，平曲線段前設(shè)置長2km 的直線路段。模擬道路場景如圖1 所示。

圖1 模擬道路場景

表1 反向曲線參數(shù)表

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

面向社會(huì)公開招募駕駛員20 名，其中男性17 名，女性3 名。受試者年齡分布為24歲～62 歲，平均年齡36.4 歲，實(shí)際駕齡為3 年～27 年，平均駕齡為10.2 年?？傮w上，駕駛員經(jīng)驗(yàn)豐富，駕齡較長，年齡適中。

選取曲線要素點(diǎn)（ZH、QZ、HZ 點(diǎn)）作為感知車速觀測(cè)點(diǎn)。為便于對(duì)比分析直線與曲線段的感知規(guī)律，根據(jù)注視距離與車速的關(guān)系在直線路段增設(shè)兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位P、Q。Q 點(diǎn)距離ZH 點(diǎn)前方560m，此時(shí)駕駛員的注視點(diǎn)剛好落在入彎點(diǎn)附近，將Q 點(diǎn)向前推400m 得到P 點(diǎn)所在位置。試驗(yàn)段單元速度觀測(cè)點(diǎn)如圖2 所示。

圖2 感知車速觀測(cè)點(diǎn)

因模擬駕駛與實(shí)際駕駛存在一定的差異性，設(shè)置長30km 的預(yù)試驗(yàn)段供駕駛員進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練。預(yù)實(shí)驗(yàn)中駕駛員熟悉駕駛模擬器的剎車油門、檔位位置及基本操作，體驗(yàn)?zāi)M駕駛情況下不同速度的感受。適應(yīng)性訓(xùn)練結(jié)束后若駕駛員無不適感，休息5~10 分鐘后進(jìn)行正式試驗(yàn)。

（1）告知駕駛員注意事項(xiàng)：“試驗(yàn)段是一條設(shè)計(jì)速度100km/h 的雙向四車道高速公路，您可以在遵守交通規(guī)則的前提下自由駕駛。駕駛中全程遮蓋儀表盤，同時(shí)我們會(huì)詢問一些問題，希望您簡短迅速的給出答復(fù)”。

（2）遮蓋儀表盤，隨機(jī)打開道路模型文件，讓駕駛員自由行駛，當(dāng)車輛到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，詢問其感知車速。

（3）試驗(yàn)員記錄整理觀測(cè)點(diǎn)位置處的感知車速數(shù)據(jù)，軟件內(nèi)置插件可實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)段全程實(shí)際車速。

（4）重復(fù)步驟（2）～（3），直至駕駛員開完6 段試驗(yàn)段為止。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 分析指標(biāo)的選取

采用V表示感知車速，V表示實(shí)際車速，定義為車速感知誤差程度值，表達(dá)式如下：

當(dāng)＜0 時(shí)，表明駕駛員低估自身車速；當(dāng)＞0 時(shí)，表明駕駛員高估自身車速。感知車速影響因素眾多而具有一定的不穩(wěn)定性，相關(guān)學(xué)者多采用均值作為分析指標(biāo)。據(jù)此，式（1）中實(shí)際車速和感知車速均取均值。

3.2 感知車速變化規(guī)律

根據(jù)ECO 駕駛插件采集的數(shù)據(jù)提取速度觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)際車速，分別對(duì)各點(diǎn)位實(shí)際車速及感知車速進(jìn)行均值化處理，并繪制各試驗(yàn)段感知車速誤差折線圖如圖3 所示。

圖3 特征點(diǎn)位車速感知誤差值

由圖（a）可以看出，大半徑接小半徑反向曲線各點(diǎn)位感知車速基本都是低于實(shí)際車速的。直線上P 點(diǎn)車速低估誤差介于7%到8%之間，Q 點(diǎn)車速低估有所減小，ZH1 處車速低估程度顯著增加，估計(jì)誤差達(dá)到11%，進(jìn)入曲線后車速估計(jì)準(zhǔn)確性逐漸提高。當(dāng)直線長L=100m 時(shí)，反向曲線可以看成一個(gè)線形單元，后曲線的速度感知受到前曲線的影響，車速估計(jì)誤差值持續(xù)減小，至出彎處車速低估程度約為2%。直線長為400m 和600m時(shí)，ZH2 點(diǎn)位處車速估計(jì)誤差均較前一點(diǎn)位出現(xiàn)了明顯的車速低估，說明隨著曲線間直線長的增加，前一個(gè)曲線速度感知的適應(yīng)性影響逐漸減弱，后曲線逐漸呈現(xiàn)出基本型獨(dú)立曲線的特征。

由圖（b）可以看出，ZH1 出現(xiàn)了嚴(yán)重的車速低估，車速低估誤差最大可達(dá)到11.96%。此外，第二個(gè)曲線內(nèi)的車速感知整體誤差較圖（a）小。當(dāng)直線長為100m 和400m 時(shí)，后曲線的速度感知誤差依然受到前曲線速度感知適應(yīng)性的影響；直至直線長為600m 時(shí)，ZH2 點(diǎn)車速估計(jì)誤差均較前一點(diǎn)位出現(xiàn)輕微車速低估，后曲線逐漸呈現(xiàn)出基本型獨(dú)立曲線的趨勢(shì)。

由圖（c）可以看出，ZH1 處均會(huì)出現(xiàn)明顯的車速低估，低估程度為11%左右。進(jìn)入曲線后車速低估程度逐漸減輕，且后曲線的感知誤差減緩速度明顯低于前曲線。當(dāng)直線長為600m 時(shí)，后曲線逐漸呈現(xiàn)出基本型獨(dú)立曲線的特征。

綜上所述，可得出以下規(guī)律：（1）直線段駕駛員感知車速一般是低于實(shí)際車速的，低估值約為8%。（2）第一個(gè)曲線入彎點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的車速低估，估計(jì)誤差可達(dá)12%左右。可能與以下兩點(diǎn)原因有關(guān)：①駕駛員入彎前的減速行為。減速后前一時(shí)刻的腦海中運(yùn)動(dòng)物體的殘留影響會(huì)影響當(dāng)下的車速感知，當(dāng)平曲線半徑較小和車速較高時(shí)尤為如此。由于速度慣性的存在，減速后前一時(shí)刻視野中高速運(yùn)動(dòng)的物體的殘留印象會(huì)讓駕駛員感覺此時(shí)視野中物體運(yùn)動(dòng)速度變的很慢，此時(shí)車速降低不大，但駕駛員卻會(huì)認(rèn)為車速降低了很多。②駕駛員視野會(huì)隨著車速的增加而變窄，使得道路在視野的占比提高。相關(guān)數(shù)據(jù)表明：在雙向6 車道高速公路上以100km/h 的速度行駛時(shí)，路面在視野中所占比例會(huì)達(dá)到30%，空間占比為50%，公路兩側(cè)占比小于20%。當(dāng)路側(cè)環(huán)境單調(diào)且車速較高時(shí)，公路主體是駕駛員速度感知的重要信息。車輛由直線路段進(jìn)入曲線時(shí)，駕駛員視點(diǎn)前移，道路在視野中的占比減小會(huì)使駕駛員對(duì)速度產(chǎn)生誤判。（3）反向曲線速度感知的疊加效應(yīng)與半徑組合和曲線間直線長有關(guān)。隨著曲線間直線長的增加，后曲線速度感知逐漸不受前曲線的影響，即后曲線入彎點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)明顯的車速低估現(xiàn)象。

4 結(jié)語

（1）駕駛員對(duì)車速的感知是不準(zhǔn)確的，一般情況下會(huì)低估車速。路側(cè)環(huán)境較單調(diào)的四車道高速公路上，直線路段駕駛員會(huì)將車速低估8%左右。

（2）第一個(gè)曲線入彎點(diǎn)（ZH1）附近是駕駛員車速低估最嚴(yán)重的位置，該點(diǎn)車速低估程度為11%左右。

（3）曲線間的速度感知存在疊加效應(yīng)，且該疊加效應(yīng)會(huì)受到半徑組合方式和曲線間直線長的影響。隨著直線長度的增加，后曲線受到的影響逐漸減弱，呈現(xiàn)出基本型獨(dú)立曲線的特征。