基于BIM和駕駛模擬的道路安全評價研究*

黃 炎 鄧 敏 王欣南

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢 430063)

2015年，交通運輸部發布了JTG B05-2015《公路項目安全性評價規范》，提出應在公路項目不同的設計階段，采用定性和定量的方法，對公路交通安全性進行全面、系統的分析與評價[1]。公路安全性評價應用在設計和施工階段，對完善公路設施，改善交通安全環境，提升公路安全水平起到了重要作用。現階段道路安全評價主要基于路線線形計算的運行速度等指標，強調了“路”的影響，而缺乏“人”的影響考慮；此外，在道路安全評價實踐的過程中，仍然存在標準率低、工作量大，多專業配合困難，成果不直觀等問題[2]。

為彌補以上不足，JTG D20-2017《公路路線設計規范》推薦利用模擬駕駛技術，在對設計道路路線、構造物及沿線的地形、地物等元素三維建模的基礎上，模擬公路建成后的整體環境和駕駛狀態，從而對公路線形設計和其他要素進行檢驗和評價分析[3-4]。利用模擬駕駛進行道路安全評價是該領域重要研究方向，眾多學者進行了大量探索。如路林軍[5]提出可利用駕駛員生理指標建立綜合評價模型，提出安全設計指南；閔泉[6]研究了從駕駛員生理心理、駕駛表現、主觀評價三個面建立指標體系，并結合專家打分法和層次分析法形成安全評價模型；王路等[7]基于UC-Win/Road駕駛模擬仿真和ADAMS/Car車輛動力學仿真軟件分別對道路線形指標組合進行仿真試驗，研究了人-車-路系統中道路因素對其他2個因素的影響；文獻[3]通過BIM技術與公路安全評價相結合，對各專業的指標進行量化，提供了一種新的思路；劉鑫[8]利用BIM技術，基于Civil3D進行二次開發，對運行速度和三維空間視距2個方面，對道路安全進行評價。

然而現階段基于駕駛模擬進行道路安全評價的方法還存在一些問題[9]，如模擬駕駛系統必須依靠使用者自行建立環境模型和工程模型，十分耗費時間資源和人力資源，且還原精度存在一定偏差；由于缺乏系統的自動化的方法，無法及時對設計方案提出優化建議；現階段模擬駕駛軟件只能隨機生成仿真車流，與設計預測交通流存在一定差異，需要借助交通仿真軟件生成預測值，并在模擬駕駛軟件中進行三維還原，才可進一步體現車流對駕駛的影響。如何準確高效地構建駕駛模擬仿真環境及基于駕駛模擬數據的公路安全評價體系，是該領域亟待解決的問題。本文提出一種基于道路工程信息模型(以下簡稱道路BIM模型)快速構建模擬駕駛環境，在此基礎上進行駕駛模擬，通過采集駕駛車輛信息和駕駛員生理信息，對設計道路安全性進行評價的方法，從而提高利用駕駛模擬進行道路安全評價的準確性和效率。

1 基于BIM-駕駛模擬的道路安全評價方法概述

利用BIM技術，結合駕駛模擬，進行道路安全評價，并根據評價結果優化調整設計方案，具體技術流程如下：①利用數字化協同設計平臺進行道路設計，包括路線設計，橫斷面設計，路基路面設計，橋梁、隧道等構造物布置等，形成道路BIM模型；②結合駕駛模擬平臺數據需求，借助多源數據轉換工具，將道路BIM模型信息快速轉化為駕駛模擬所需的要素，主要包含行駛道路、沿線地形、場景對象，以及仿真交通流四方面，從而實現設計道路駕駛模擬場景的快速準確還原；③進行駕駛模擬仿真，設置多路段的單人、多人組合實驗，收集駕駛員生理指標數據和車輛行駛姿態數據，并進行數據清洗；④利用構建的道路安全評價體系，結合設計線形數據、駕駛平臺采集數據，進行生理心理評價、車輛橫向穩定性評價、運行數據評價及道路交通綜合安全評價，并給出評價結果和優化建議；⑤根據評價結果，對道路設計進行優化調整；進行對照實驗，驗證設計優化效果，最終輸出安全評價報告。

該方法相較傳統的道路安全評價方法，優勢體現在2個方面：①利用BIM模型包含的豐富數據，快速準確還原設計道路的三維場景，優化了手工搭建駕駛模擬場景效率低，精度不足的弊端；②提出了1套基于駕駛模擬的安全評價方法，作為現階段基于運行速度安全評價方法的補充?；贐IM和駕駛模擬的道路安全評價方法技術流程圖見圖1。

圖1 道路安全評價流程圖

2 基于BIM的駕駛模擬環境快速搭建

真實的交通駕駛環境組成因素比較復雜，由“人”“車”“路”和“環境”共同構成，相互影響，模擬駕駛環境應當盡量還原這些影響因素。駕駛模擬平臺選用日本FORUM8公司的UC-Win/Road駕駛模擬器與生理心理反饋儀實現；交通仿真模擬分析選用德國PTV公司的VISSIM軟件實現。利用道路正向設計BIM模型的數據解構和轉換，實現駕駛模擬環境的快速搭建。駕駛模擬組成要素主要可以分解為以下4個方面。

2.1 駕駛道路

行駛道路是模擬駕駛最重要的要素，定義了駕駛車輛的運動邊界。仿真道路需要體現路線設計平縱組合線形指標，同時盡量還原道路橫斷面設計，包括車道寬度、車道數量、路面橫坡和超高。通過解析道路BIM模型所含線形數據，轉換為駕駛模擬平臺能夠識別的LandXML格式道路BIM模型，實現行駛道路的快速還原。

2.2 沿線地形

沿線空間地理信息體現了道路的建設環境，通過道路與地形的融合，還原擬建道路沿線地形地貌。道路BIM模型所含的橫斷面地面線，已經進行了橫斷面設計，道路與邊坡已經完成了融合設計，將橫斷面地面線高程點轉換為數字地面模型，并寫入LandXML中Surfaces元素下的Pnts子元素，作為駕駛模擬軟件的地形輸入，還原沿線地形地貌。

2.3 場景對象

場景對象包含交通工程設施模擬，如標志、標牌、標線、護欄、視線誘導設施、防眩設施等；土建工程模型，如邊坡、橋梁、隧道、被交道路，以及景觀模型，包括沿線建筑、綠化及景觀等。場景對象能夠反映行車視野的遮擋情況，提升駕駛模擬感受的真實性。經過總裝的道路BIM模型，包含了上述全部的場景對象，且模型與道路相對位置關系準確。通過梳理篩選出駕駛模擬所需的BIM模型，并轉換為駕駛軟件支持的三維模型格式，從而實現場景對象的真實還原。

2.4 仿真交通流

駕駛模擬的行車環境中很重要的一部分是周邊環境中車輛的運行情況，包括車輛組成、流量大小、預測車速、信控方案等。結合設計路段的預測交通流，仿真得到道路中非自控行駛車輛模型，為駕駛模擬車輛的跟馳行為、變道行為、超車行為提供基礎數據。仿真車流數據可利用PTV-VISSIM交通分析軟件獲取，同時，駕駛仿真軟件UC-win/Road已經開放了與VISSIM的實時數據對接。利用道路BIM模型的道路信息，將車道線形數據、橫斷面信息、道路工程信息等映射為VISSIM工程項目支持的格式，實現仿真車流數據快速制作。

利用道路BIM模型實現駕駛模擬仿真環境快速搭建方法的流程圖見圖2。

圖2 道路BIM模型快速搭建駕駛模擬環境流程圖

3 基于模擬駕駛的道路交通安全評價體系

基于駕駛模擬的道路安全評價體系分為2個層級：①包括生理心理評價、運行速度評價和橫向穩定評價的單指標評價，分別采用5個評價等級；②基于熵權-模糊評價法的綜合評價。基于模擬駕駛的道路交通安全評價體系結構見圖3。

圖3 道路交通安全評價體系

3.1 心理生理評價模型

較差的路線線形指標組合、不良的駕駛員視野和視距、單調的環境景觀、密集的交通車流和突變的旁車行為，會對駕駛員心理產生負面影響，表現為焦慮和緊張、反映遲緩、視野收縮、手腳僵硬，并可以通過心率體現和捕捉。本文采用心率變化率模型來評價駕駛員心理變化。

Nt=[(Ht-Ht-1)/Ht]×100%

式中：Nt為t時刻心率變化率；Ht及Ht-1分別為t時刻及前1 s心率。

3.2 運行速度評價模型

公路設計人員逐漸注意到計算行車速度的設計方法已經不能真實反映我國公路交通的實際運行特性，無法保證線性標準的一致性，存在安全隱患。為了使道路行車安全性提高，我國開始逐步進行相鄰路段結點運行速度的一致性評價、運行速度與設計速度的協調性評價?！豆讽椖堪踩u價規范》推薦采用相鄰路段運行速度差值絕對值和運行速度梯度絕對值對運行速度協調性進行評價。在此基礎上，本文引入減速系數(speed reduction coefficient,SRC)，以及路段運行車速與設計車速差值ΔV，作為運行速度評價指標的補充。運行速度評價模型如下。

|ΔV85|=|V85后-V85前|

SRC=V85后/V85前

|ΔV|=|V運行-V設計|

式中：V85為測定速度的第85百分位行駛速度。

3.3 橫向穩定性評價模型

道路交通環境對駕駛員的影響，可以通過駕駛員操控車輛的反映進行捕捉和體現。緊急情況時，駕駛員的恐慌應對會使車輛運動達到駕駛物理極限，從而導致車輛失控而發生交通事故。通過駕駛模擬車輛姿態的采集，對駕駛員操作測量狀態進行評價，進而對道路安全進行評價。橫向穩定評價模型采用橫向位移量、質心偏側角和側向加速度3個參數。橫向位移量|D|為車輛中心與車道中線距離偏移量，能較直觀反映車體的側滑偏移；質心偏移角β為車輪縱軸在路面上的投影質心處車速在路面上投影的夾角，能直觀反映車輛發生側翻的危險性；側向加速度α能直觀反映車輛側滑的幅度。上述指標的定義見圖4。

圖4 橫向穩定性各參數示意圖

上述3個評價模型對應評價指標值所處范圍對應評價等級見表1。

|D|=|X車輛中心-X車道中心|

β=θ-φ

α=V2/R

式中：θ為車輛航向角；φ為車輛橫擺角；V為當前車速；R為轉彎半徑。

表1 模型影響因素評價表

3.4 熵權-模糊綜合評價模型

由于各指標具有不同的數量綱和數量級，不能直接比較，因此采用極值法對原始指標進行規范化處理，對原始數據進行線性變換，使處理后的結果落在(0,1)區間。對于正向指標、負向指標和合理性指標的規范處理方法如下。

yij=(Bij-Bi min)·(Bi max-Bi min)-1

yij=(Bi max-Bij)·(Bi max-Bi min)-1

式中：yij為規范化處理后的指標值；Bij為第i個人的第j個指標值；Bi min為min{Bij}；Bi max為max{Bij}；B0為合理性指標值。

其次要確定歸一化評價指標的權重系數wj。通過計算第j個指標下，第i個方案的特征比重Pij，繼而得到第j項指標的熵值ej及第j項指標的差異性系數gj，從而得到權重系數wj，具體方法如下。

gj=1-ej

式中：k=1/lnn且ej>0。

最后構建模糊評價矩陣R。上述7個評價要素集為U={U1,U2,U3,U4,U5,U6,U7}， 5個評價等級(安全、良好、一般、差、非常差)評語集為V={V1,V2,V3,V4,V5}。根據評價矩陣R和因素權重向量A，模糊變化將U上的模糊向量A變為V上的模糊向量B，并根據最大隸屬原則確定最終安全性評價等級。

B=A1m·Rmn

4 工程案例應用

4.1 工程概況

以某山區新建高速公路項目為例，開展基于BIM和駕駛模擬的道路安全評價。某樞紐互通A匝道路段，由于地形條件受限，分流后先通過隧道路段，出隧道后較短距離設置了分流部；后接左轉小半徑加高邊坡路段，致行車視距不佳；緊接下穿主線橋，下構密集，視野受阻；后接小半徑加大縱坡組合，路段總平面見圖5。該路段線形平縱組合復雜，自然環境變化大，引導信息復雜，視野視距不佳，可能存在一定的安全風險。利用基于BIM和駕駛模擬的道路安全評價方法，對該路段進行仿真和分析，對道路設計提出改進意見并進行驗證。

圖5 樞紐互通路段總圖

4.2 實驗設計與驗證

利用道路設計數據，制作該路段道路BIM模型，包含路線線形數據、地形環境、路基路面、隧道、路基路面、相交道路構造物，以及標志標牌和標線，并構建基于BIM模型的駕駛仿真環境，各路段駕駛模擬第一視角見圖6。

圖6 各路段駕駛模擬第一視角

搭建多自由度駕駛模擬仿真平臺見圖7，進行多人駕駛模擬仿真，并采集該路段各駕駛員及車輛數據。試驗者人數為8人，均為有駕駛經驗的男性。基于模擬駕駛的道路交通安全評價體系，開發道路安全評價軟件系統見圖8，對實驗成果進行分析和評價。

圖7 多自由度仿真平臺

圖8 道路安全智慧評價軟件

評價為“差”的路段是編號為4的下穿段，綜合評價結果見表2。其中4個路段安全評價等級為“安全”， 1個路段為“差”。

表2 各路段綜合評價等級

查看路段4的單指標評價見表3，該段道路運行車速與設計車速差值ΔV、相鄰路段車速差ΔV85及減速系數SRC指標為差的樣本數量較多，各占總體樣本的62.5%，說明試驗人員在該路段對車速的控制情況較差。該路段為下穿主線段，跨線橋下構對視野有嚴重遮擋，之后為小半徑接大縱坡，線形設計存在不合理之處，駕駛員容易產生失誤操作。根據上述分析，對路段線形指標進行優化，并增加提示引導標志，對道路再次模擬。優化后的模擬駕駛安全評價結果顯示，路段4綜合評價由“差”升級為“安全”，單指標評價結果見表4。

表3 路段4單指標評價詳情

表4 路段4優化后單指標評價詳情

5 結語

本文研究了基于BIM和駕駛模擬技術的道路安全評價方法，針對駕駛模擬環境的搭建、仿真車流的實現和安全評價體系等問題展開了深入探討，并在公路工程設計中開展實踐，主要得到以下結論。

1) 利用道路工程信息模型所含線形信息、工程信息和三維模型，能夠實現駕駛模擬軟件UC-win|Road所需的道路、環境及場景對象等要素的快速還原，有效提高駕駛模擬環境搭建的精度和效率。

2) 利用道路工程信息模型能夠實現交通仿真軟件PTV-VISSIM公路項目的快速制作，結合與UC-win|Road的仿真交通流數據接口，實現駕駛模擬中仿真交通流的還原。

3) 在現有安全評價方法的基礎上，結合駕駛模擬仿真，提出心理生理評價、運行速度評價和橫向穩定性評價模型，以及基于熵權-模糊評價法的道路安全評價體系。

4) 將基于BIM和駕駛模擬的道路安全評價方法應用在公路設計中，作為現有安全評價體系的補充，能夠在一定程度上提高項目的交通安全水平，為該領域的研究和實踐提供借鑒和參考。