基于駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的高原山區(qū)公路安全性評(píng)價(jià)

關(guān)鍵詞： 道路工程 山區(qū)公路 螺旋展線 橋隧相連 駕駛模擬 安全性評(píng)價(jià)

西部高原山區(qū)地形陡峭、地質(zhì)條件復(fù)雜、海拔高、落差大，區(qū)域內(nèi)的公路越來越多地采用螺旋展線，沿線構(gòu)筑物多以橋隧相接的方式布設(shè)。如何評(píng)價(jià)公路螺旋展線與橋隧相連組合的運(yùn)營(yíng)安全是一個(gè)新的問題。近年來，針對(duì)道路安全性評(píng)價(jià)方法和實(shí)例，已有學(xué)者或工程技術(shù)人員開展了相關(guān)研究。陸歡等人分析了高原山區(qū)公路交通事故特征，建立了基于事故形態(tài)視角的評(píng)價(jià)模型，分析了不同事故的致因[1]。蘇東蘭分析比較了國(guó)內(nèi)外道路安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)，建立了基于IHSDM 的高原山區(qū)農(nóng)村公路安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)[2]。WU Y P 等人開展了駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，研究了公路不同平面曲線半徑及線形誘導(dǎo)對(duì)公路安全行駛的影響[3]。黃炎等人提出了基于BIM 和駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的道路安全綜合評(píng)價(jià)方法，在某樞紐互通匝道路段進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證[4]。黃曉明等人針對(duì)瀝青路面抗滑問題，研究了CarSim 軟件在道路工程安全性評(píng)價(jià)方面的實(shí)用性和適用性[5]。李荀[6]、郭啟明等人[7]開展了山區(qū)高速公路駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，研究了不同平面幾何指標(biāo)設(shè)計(jì)的運(yùn)行速度模型，提出了基于安全等級(jí)劃分的安全性評(píng)價(jià)方法及風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。已有研究盡管在高原山區(qū)公路安全性評(píng)價(jià)方面已經(jīng)取得了豐富的成果，但缺乏針對(duì)高原山區(qū)公路螺旋展線與橋隧相接的安全性評(píng)價(jià)[8-11]。文章以四川省阿壩州某高原山區(qū)二級(jí)公路為例，通過駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，利用駕駛員視覺特性，開展對(duì)向雙車道的螺旋橋梁與隧道相接路段的安全性評(píng)價(jià)，識(shí)別運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)因素，提出交通安全措施改進(jìn)建議，提高該公路的運(yùn)營(yíng)安全。

1 工程概況

研究路段為四川省阿壩州某高原山區(qū)國(guó)道公路，采用設(shè)計(jì)速度40 km/h、路基寬度8.5 m 的對(duì)向雙車道二級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)圖1 示意圖可知，路線起點(diǎn)段設(shè)置螺旋展線，最小半徑為125 m，設(shè)置K1 線特大橋，長(zhǎng)1.17 km，該橋梁為3.8% 的上坡，隨后接沙壩特長(zhǎng)隧道，長(zhǎng)3.54 km，該隧道為2.9% 的上坡，研究路段路線全長(zhǎng)5.18 km。

2 駕駛員視覺特性模擬實(shí)驗(yàn)

為研究高原山區(qū)公路螺旋展線與橋隧相接的安全性，開展基于駕駛員視覺特性的駕駛模擬實(shí)驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)采用UC-win/Road 進(jìn)行建模。該軟件是一款三維虛擬仿真模擬軟件，包含地形輸入、道路定義、道路形成、編輯輸出和駕駛模擬等功能，具有兼容性強(qiáng)、仿真環(huán)境真實(shí)等優(yōu)點(diǎn)，可構(gòu)建研究路段的實(shí)際場(chǎng)景，分析駕駛員的駕駛行為特征。根據(jù)圖2、圖3 所示的圖形可知，利用該軟件的“平面線形編輯模塊”“縱斷面變坡點(diǎn)編輯模塊”“橫斷面編輯模塊”構(gòu)建橋梁和隧道模擬場(chǎng)景。其中緊急停車帶、交通標(biāo)志等的設(shè)置位置和構(gòu)造尺寸均根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。

為提高駕駛模擬試驗(yàn)可靠性，選取3 名具有一定駕駛經(jīng)驗(yàn)的駕駛員參與模擬試驗(yàn)。在模擬試驗(yàn)開始前，要求被試駕駛員精神狀態(tài)良好，具體見圖4。反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集足夠多的駕駛員視覺指標(biāo)研究樣本。視覺指標(biāo)對(duì)駕駛員所處行車環(huán)境及眼動(dòng)行為反饋具有代表性，瞳孔直徑的變化真切地反映了駕駛員認(rèn)知工作負(fù)荷和緊張程度，因此，選取駕駛員瞳孔直徑變化率、駕駛員眼動(dòng)掃視特征作為駕駛員視覺評(píng)價(jià)指標(biāo)，以客觀反映研究路段安全運(yùn)營(yíng)狀況。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及安全性評(píng)價(jià)

3.1 駕駛員瞳孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及評(píng)價(jià)

為客觀地衡量駕駛員的行車狀態(tài)，消除駕駛員之間的個(gè)體差異，利用瞳孔直徑變化率作為瞳孔直徑表征指標(biāo)。將駕駛員于平直路段的瞳孔直徑作為基準(zhǔn)值，以瞳孔直徑變量百分比（PPDV）作為瞳孔變動(dòng)指標(biāo)，其計(jì)算如式（1）所示。

式（1）中：PPDV 為駕駛員瞳孔直徑變量百分比，單位：%；d0為駕駛員瞳孔直徑的基準(zhǔn)取值，單位：mm；di 為i 時(shí)刻行駛時(shí)駕駛員瞳孔直徑，單位：mm；Δt 為時(shí)間間隔，單位：s。

根據(jù)式（1）計(jì)算駕駛員瞳孔直徑變化百分比，為保證數(shù)據(jù)的有效性，將瞳孔直徑追蹤質(zhì)量小于0.5 的數(shù)據(jù)剔除，追蹤質(zhì)量數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)眼動(dòng)儀獲取。高原山區(qū)公路實(shí)驗(yàn)路段正向上坡、反向下坡的駕駛員瞳孔直徑變化率分布具體見圖5、圖6。

進(jìn)一步對(duì)普通路基路段、橋梁路段、隧道路段的瞳孔直徑變化率進(jìn)行單因素方差分析，由結(jié)果顯示：3種路段在0.05 的水平下具有顯著差異，具體情況見圖7。

駕駛員在出入隧道，在明暗適應(yīng)過程中，瞳孔變動(dòng)將最為敏銳、直觀地反映隧道路段的行車環(huán)境。根據(jù)圖5～圖7 所示的示意圖可知：駕駛員由特大橋駛?cè)肷硥嗡淼肋^程中，隧道洞口光線劇烈變化，駕駛員視覺經(jīng)歷暗適應(yīng)過程，瞳孔直徑呈現(xiàn)高頻率波動(dòng)；駕駛員駛出沙壩隧道過程中，又經(jīng)歷了明適應(yīng)過程，瞳孔直徑先小幅減小，在到達(dá)隧道出口處，瞳孔直徑先急劇收縮，再急劇擴(kuò)張。從駕駛員視覺特征瞳孔直徑變化分析，隧道出入口為風(fēng)險(xiǎn)路段，建議沙壩隧道設(shè)置入口距離、出口距離標(biāo)志，隧道出入口路面采用彩色防滑路面，提高隧道出入口的安全性。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)路段駕駛員的瞳孔直徑變化數(shù)據(jù)分析，得到瞳孔直徑變化率的累計(jì)頻率曲線，具體見圖8。結(jié)果表明：瞳孔直徑變化率累計(jì)頻率曲線在瞳孔直徑變化率0.3 處形成平滑突變點(diǎn)，累計(jì)頻率曲線上升趨勢(shì)變化明顯，由此確定0.3 作為實(shí)驗(yàn)路段瞳孔直徑變化率的風(fēng)險(xiǎn)閾值。通過圖5、圖6 示意圖可知：駕駛員在橋梁路段行駛相對(duì)普通路段瞳孔直徑變化率偏高，多處超過累計(jì)頻率曲線確定的風(fēng)險(xiǎn)閾值0.3，表明駕駛員橋梁路段行駛相對(duì)緊張。其主要原因?yàn)镵1 特大橋路線平曲線半徑為125 m，且反向?yàn)?.8% 的下坡路段，因此，建議對(duì)特大橋路段采用限速措施，并設(shè)置加強(qiáng)型SS 級(jí)橋梁防撞護(hù)欄。

3.2 駕駛員掃視實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及評(píng)價(jià)

駕駛員在行車過程中視覺搜索時(shí)出現(xiàn)眼球大幅度的運(yùn)動(dòng)過程被稱為掃視，從一次注視結(jié)束到下一次注視開始所消耗的時(shí)間被稱為掃視持續(xù)時(shí)間。掃視行為可作為研究駕駛員心生理特性的指標(biāo)之一。駕駛員掃視持續(xù)時(shí)間越短，說明行車環(huán)境對(duì)于駕駛員越復(fù)雜，駕駛員行車警覺性和行車緊張感越高；掃視持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，說明駕駛員在視覺搜索范圍內(nèi)可以較為輕松的獲取行車信息，駕駛員行車警覺性和行車緊張感低。由于不同持續(xù)時(shí)間的掃視行為伴隨駕駛員整個(gè)行車過程，直接采用掃視持續(xù)時(shí)間難以表征駕駛員在具體路段行車時(shí)的心生理特性，故采用短時(shí)掃視頻率F（次/s）作為駕駛員掃視行為分析的心生理特性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

選取駕駛員在模擬實(shí)驗(yàn)路段行車時(shí)的掃視持續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù)，對(duì)駕駛員的掃視持續(xù)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，駕駛員全線最小掃視持續(xù)時(shí)間為16.67 ms，最大掃視持續(xù)時(shí)間為483.33 ms。實(shí)驗(yàn)路段正向上坡、反向下坡的掃視持續(xù)時(shí)間分布情況如具體見圖9、圖10。

為進(jìn)行長(zhǎng)短時(shí)間掃視的界定，分析不同持續(xù)時(shí)間掃視行為次數(shù)及累積頻率分布，并且擬合累計(jì)頻率分布曲線見圖11。

當(dāng)掃視持續(xù)時(shí)間約為25 ms 和76 ms 時(shí)，累積頻率分別達(dá)到了25％分位和75％分位。根據(jù)掃視持續(xù)時(shí)間分布特征，可將掃視持續(xù)時(shí)間劃分為t≤25 ms、25 ms75 ms、t≥76 ms這3個(gè)區(qū)段，具體情況見表1，將掃視持續(xù)時(shí)間≤25ms的掃視行為定義為短時(shí)掃視，將掃視持續(xù)時(shí)間≥75ms的掃視行為定義為長(zhǎng)時(shí)掃視。

由表1 可知，在橋梁路段行駛駕駛員的短時(shí)掃視占比最高，而駕駛員掃視持續(xù)時(shí)間越短，表明行車環(huán)境對(duì)于駕駛員越復(fù)雜，駕駛員行車警覺性和行車緊張感越高。對(duì)駕駛員行車緊張感最高的橋梁路段進(jìn)行重點(diǎn)分析，根據(jù)橋梁路段每秒出現(xiàn)的短時(shí)掃視次數(shù)篩選出異常點(diǎn)位置，每秒出現(xiàn)3 次短時(shí)掃視次數(shù)對(duì)應(yīng)短時(shí)掃視頻率累計(jì)曲線約為80%。因此，將短時(shí)掃視頻率每秒3 次作為異常點(diǎn)判別的臨界值，實(shí)驗(yàn)路段異常點(diǎn)位置如表2 所示。

由表2 可知，橋梁路段異常點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)路段直坡路段相比，小半徑彎坡路段的線形指標(biāo)與行車環(huán)境更容易對(duì)駕駛員的掃視行為造成影響，建議加強(qiáng)小半徑曲線橋梁路段速度控制和交通安全設(shè)施設(shè)置，特別是線形誘導(dǎo)設(shè)施的設(shè)置。

4 結(jié)論

本文以四川省西部某高原山區(qū)二級(jí)公路為研究對(duì)象，通過駕駛模擬實(shí)驗(yàn)獲取駕駛員視覺特征數(shù)據(jù)，選取駕駛員瞳孔直徑變化率、駕駛員眼動(dòng)掃視特征作為駕駛員視覺評(píng)價(jià)指標(biāo)，以客觀反映研究路段安全運(yùn)營(yíng)狀況，結(jié)論如下。

（1）駕駛員在出入隧道，經(jīng)歷明暗適應(yīng)過程，瞳孔直徑呈現(xiàn)高頻率波動(dòng)，隧道出入口為風(fēng)險(xiǎn)路段，建議沙壩隧道設(shè)置入口距離、出口距離標(biāo)志，隧道出入口路面采用彩色防滑路面，提高隧道出入口的安全性。

（2）瞳孔直徑變化率0.3 為橋隧相連實(shí)驗(yàn)路段瞳孔直徑變化率的風(fēng)險(xiǎn)閾值，駕駛員在橋梁路段行駛相對(duì)普通路段瞳孔直徑變化率偏高，多處超過累計(jì)頻率曲線確定的風(fēng)險(xiǎn)閾值0.3，表明駕駛員橋梁路段行駛相對(duì)緊張，建議對(duì)特大橋路段采用限速措施，并設(shè)置加強(qiáng)型SS 級(jí)橋梁防撞護(hù)欄。

（3）實(shí)驗(yàn)路段短時(shí)掃視頻率每秒3 次作為異常點(diǎn)判別的臨界值，橋梁路段異常點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)路段直坡路段相比，小半徑彎坡路段的線形指標(biāo)與行車環(huán)境更容易對(duì)駕駛員的掃視行為造成影響，建議加強(qiáng)小半徑曲線橋梁路段速度控制和交通安全設(shè)施設(shè)置，特別是線形誘導(dǎo)設(shè)施的設(shè)置。