高速公路反向曲線駕駛員車速感知規律

劉婷

西安交通工程學院 土木工程學院 陜西省西安市 710300

1 引言

速度感知是車速選擇、躲避碰撞、目標導航的基礎，對個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）綜合感知的結果，感知準確性會受到氣質、年齡、駕齡等機體因素的影響，也會受到車輛性能、氣候環境、道路條件等客觀因素的影響。機體因素、車輛因素、氣候環境都是不可控的，而道路條件可以從減小車速感知誤差的角度進行優化設計。目前關于道路與速度感知的研究，大多數學者多基于室內或實地實驗，側重于總結某一因素對速度感知的影響規律。相關研究成果顯示：道路幾何條件、路面標線、路側環境等都會對速度感知產生影響。

反向曲線是公路設計中常見的一種線形。因連續反彎，線形及車輛操作復雜度較單曲線高，若車速較快，駕駛員極易反應不及時導致安全事故。速度感知不足會使駕駛員傾向于選擇更高的車速行駛，當車速高于容許安全速度時，就會導致車輛側滑、沖出路側進而引發安全事故。本文以半徑和曲線間直線長為變量，設置不同線形組合的反向曲線試驗段，開展室內試驗分別采集各曲線段上不同特征點位處的感知車速與實際車速，對特征點位處車速感知誤差進行量化分析，得到反向曲線車速感知誤差變化規律。

2 模擬駕駛試驗設計

2.1 模型構建

采用三維虛擬現實仿真軟件UC-win/Road 構建道路場景模型，試驗場景選取設計速度為100km/h 的雙向4 車道高速公路。參考《公路路線設計規范》（JTG D20-2017）中圓曲線半徑及曲線間直線長的規定，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，控制路側環境單調，路線縱坡小于2%。超高過渡采用線性內插法。為保證車輛在平曲線內正常行駛，平曲線段前設置長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 反向曲線參數表

2.2 試驗設計

面向社會公開招募駕駛員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，實際駕齡為3 年～27 年，平均駕齡為10.2 年。總體上，駕駛員經驗豐富，駕齡較長，年齡適中。

選取曲線要素點（ZH、QZ、HZ 點）作為感知車速觀測點。為便于對比分析直線與曲線段的感知規律，根據注視距離與車速的關系在直線路段增設兩個觀測點位P、Q。Q 點距離ZH 點前方560m，此時駕駛員的注視點剛好落在入彎點附近，將Q 點向前推400m 得到P 點所在位置。試驗段單元速度觀測點如圖2 所示。

圖2 感知車速觀測點

因模擬駕駛與實際駕駛存在一定的差異性，設置長30km 的預試驗段供駕駛員進行適應性訓練。預實驗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，體驗模擬駕駛情況下不同速度的感受。適應性訓練結束后若駕駛員無不適感，休息5~10 分鐘后進行正式試驗。

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

（2）遮蓋儀表盤，隨機打開道路模型文件，讓駕駛員自由行駛，當車輛到達觀測點時，詢問其感知車速。

（3）試驗員記錄整理觀測點位置處的感知車速數據，軟件內置插件可實時記錄試驗段全程實際車速。

（4）重復步驟（2）～（3），直至駕駛員開完6 段試驗段為止。

3 數據處理與分析

3.1 分析指標的選取

采用V表示感知車速，V表示實際車速，定義為車速感知誤差程度值，表達式如下：

當＜0 時，表明駕駛員低估自身車速；當＞0 時，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定性，相關學者多采用均值作為分析指標。據此，式（1）中實際車速和感知車速均取均值。

3.2 感知車速變化規律

根據ECO 駕駛插件采集的數據提取速度觀測點的實際車速，分別對各點位實際車速及感知車速進行均值化處理，并繪制各試驗段感知車速誤差折線圖如圖3 所示。

圖3 特征點位車速感知誤差值

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

由圖（b）可以看出，ZH1 出現了嚴重的車速低估，車速低估誤差最大可達到11.96%。此外，第二個曲線內的車速感知整體誤差較圖（a）小。當直線長為100m 和400m 時，后曲線的速度感知誤差依然受到前曲線速度感知適應性的影響；直至直線長為600m 時，ZH2 點車速估計誤差均較前一點位出現輕微車速低估，后曲線逐漸呈現出基本型獨立曲線的趨勢。

由圖（c）可以看出，ZH1 處均會出現明顯的車速低估，低估程度為11%左右。進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。當直線長為600m 時，后曲線逐漸呈現出基本型獨立曲線的特征。

綜上所述，可得出以下規律：（1）直線段駕駛員感知車速一般是低于實際車速的，低估值約為8%。（2）第一個曲線入彎點處會出現嚴重的車速低估，估計誤差可達12%左右。可能與以下兩點原因有關：①駕駛員入彎前的減速行為。減速后前一時刻的腦海中運動物體的殘留影響會影響當下的車速感知，當平曲線半徑較小和車速較高時尤為如此。由于速度慣性的存在，減速后前一時刻視野中高速運動的物體的殘留印象會讓駕駛員感覺此時視野中物體運動速度變的很慢，此時車速降低不大，但駕駛員卻會認為車速降低了很多。②駕駛員視野會隨著車速的增加而變窄，使得道路在視野的占比提高。相關數據表明：在雙向6 車道高速公路上以100km/h 的速度行駛時，路面在視野中所占比例會達到30%，空間占比為50%，公路兩側占比小于20%。當路側環境單調且車速較高時，公路主體是駕駛員速度感知的重要信息。車輛由直線路段進入曲線時，駕駛員視點前移，道路在視野中的占比減小會使駕駛員對速度產生誤判。（3）反向曲線速度感知的疊加效應與半徑組合和曲線間直線長有關。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，即后曲線入彎點也會出現明顯的車速低估現象。

4 結語

（1）駕駛員對車速的感知是不準確的，一般情況下會低估車速。路側環境較單調的四車道高速公路上，直線路段駕駛員會將車速低估8%左右。

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

（3）曲線間的速度感知存在疊加效應，且該疊加效應會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，呈現出基本型獨立曲線的特征。