山區(qū)高速公路橋隧連接段駕駛仿真與安全評價*

吳 剛 覃李麗 陳 豐 潘曉東

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804)

山區(qū)地形復(fù)雜，高速公路多采用橋梁與隧道結(jié)合的形式。在橋隧連接段，受地形條件限制，縱坡一般較大，常伴有長大下坡、連續(xù)急彎等復(fù)雜線性。另外，由于隧道口光環(huán)境變化劇烈，山區(qū)天氣變化極不穩(wěn)定，橋隧路段易出現(xiàn)濃霧、側(cè)風(fēng)等惡劣天氣，其復(fù)雜的交通環(huán)境極易引發(fā)交通事故。賀敏等[1]從駕駛?cè)诵睦斫嵌确治龇治龅缆肪€形對交通安全的影響。張興儉等[2]結(jié)合工程案例說明了駕駛仿真模擬技術(shù)能夠應(yīng)用在交通工程和環(huán)境工程領(lǐng)域，可滿足交通安全研究的基本要求。鄔洪波等[3]基于駕駛?cè)诵睦砩碇笜?biāo)數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)隧道洞口平縱線形和隧道間連接段的長度對于車輛平均速度差、加速度和駕駛?cè)诵穆试鲩L率都有影響，并提出了基于平均速度差、加速度和心率增長率的安全評價方法。王品等[4]利用駕駛模擬仿真實驗論證了基于駕駛模擬的山區(qū)公路路段安全評價方法的可靠性。高晗[5]利用駕駛仿真，測量駕駛?cè)嗽诓煌煌l件及駕駛環(huán)境下的心理生理指標(biāo)，得出駕駛行為、行駛條件對于駕駛?cè)诵睦砩碇笜?biāo)的影響規(guī)律。

當(dāng)前山區(qū)高速公路橋隧連接段一直是事故的高發(fā)路段，針對此路段的安全性研究相對較少，因此，本文基于駕駛?cè)诵穆首兓手笜?biāo)對山區(qū)高速公路橋隧連接段進(jìn)行駕駛仿真試驗，探討行車速度、極端天氣、道路線形條件，以及安全設(shè)施等方面對橋隧連接段行車安全的影響。

1 基于UC-win/Road山區(qū)高速公路橋隧連接段仿真試驗

1.1 試驗場景建立

山區(qū)高速公路連續(xù)穿越多座山峰的情況較為常見，為了保證橋隧連接段的真實性及模擬駕駛試驗的可靠性，基于湖南省炎陵至汝城高速公路的設(shè)計資料，選取“四峰山隧道-洣水河大橋-新家洞隧道”橋隧連接段，建立“隧-橋-隧”模型，見圖1。

圖1 “隧-橋-隧”橋隧連接段建模效果圖

1.2 試驗儀器設(shè)備

UC-win/Road 8.0駕駛模擬平臺，心率儀(POLAR RS800CX)，視頻拍攝設(shè)備等。

1.3 試驗條件及人員

場景一，晴朗天氣條件下駕駛模擬速度為60 km/h和80 km/h；場景二，橋梁段大霧天氣駕駛模擬速度為60 km/h。本試驗被測駕駛?cè)?0人，矯正視力5.0，均持有駕駛執(zhí)照，在試驗前熟悉并適應(yīng)模擬駕駛環(huán)境及模擬駕駛操控。

2 試驗數(shù)據(jù)處理及分析

相關(guān)研究顯示[6]，心率的變化能夠很好地反應(yīng)駕駛?cè)说男熊嚑顟B(tài)及駕駛危險程度，因此，利用駕駛?cè)诵穆首兓笜?biāo)分析行車速度及大霧天氣對于行車安全的影響，間接反應(yīng)不同車速及天氣條件下橋隧連接段行車的危險程度?？紤]到個體差異，選擇心率變化率指標(biāo)來表征駕駛?cè)说男睦碜兓?。心率變化率表示駕駛?cè)诵熊囘^程中某一時刻(段)的心率變化，即某一時刻(段)的心率變化量與駕駛?cè)税察o狀態(tài)下平均心率的比值。其計算公式為

(1)

2.1 行車速度對心率變化的影響

在模擬駕駛試驗中，為判斷行車速度對駕駛?cè)诵穆首兓挠绊?，進(jìn)行了2組對照性試驗。試驗車速分別為60 km/h和80 km/h，并記錄駕駛?cè)诵熊囘^程中每時刻的心率值。在剔除駕駛?cè)诵穆首兓漠惓?shù)據(jù)后，在速度為60 km/h時駕駛?cè)诵穆首兓实淖兓闆r見圖2(圖中編號為參與測試駕駛員的編號，下同)。當(dāng)車速控制在80 km/h時，駕駛?cè)说男穆首兓实淖兓闆r見圖3。對被測駕駛?cè)说男穆手登笃骄?，并計算心率變化率和繪制心率變化率曲線,見圖4和圖5。

圖2 駕駛?cè)诵穆首兓?60 km/h)

圖3 駕駛?cè)诵穆首兓?80 km/h)

圖4 駕駛?cè)似骄穆首兓?60 km/h)

圖5 駕駛?cè)似骄穆首兓?80 km/h)

平均心率變化率曲線更直觀地說明了駕駛?cè)嗽跇蛩磉B接段行車時心率的變化情況。當(dāng)行車速度較高時，駕駛?cè)嗽跇蛩磉B接段行車，心率變化的幅度有所增加。因為橋隧連接段路況較之正常高速公路路段更為復(fù)雜，駕駛?cè)诵熊囆枰３指叨鹊膶Ｗ⒑途X性，在遇到危險時需要處理的信息更多。而車速過快，駕駛?cè)讼鄳?yīng)的做出反應(yīng)的時間也就越短，心理更容易出現(xiàn)緊張情緒，內(nèi)心的變化程度也更為劇烈，心率變化的幅度較大。因此，在山區(qū)高速公路行車時，行車速度過快對心率的變化有一定的影響，駕駛?cè)说男睦碡?fù)荷隨著速度的增加而增大，行車危險性也隨之提高。

2.2 大霧對心率變化的影響

由于山區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)局部的強(qiáng)對流天氣如降雨、大霧等，行車安全受天氣條件影響很大。為探究大霧對于橋隧連接段安全行車的影響，在進(jìn)行模擬駕駛試驗時，增設(shè)了橋梁段受大霧天氣影響的場景，通過正常天氣和大霧天氣2個對照組觀察駕駛?cè)诵穆首兓那闆r，進(jìn)而得到大霧天氣因素對于駕駛?cè)税踩熊嚨挠绊懀妶D6。由工程設(shè)計資料可知，橋隧路段限速為80 km/h，在極端天氣條件下，試驗速度取值為60 km/h。

圖6 大霧天氣下駕駛?cè)诵穆首兓?60 km/h)

由圖2與圖6對比可見，在相同駕駛速度條件下，大霧天氣對于駕駛?cè)诵熊囉绊懞艽?，心率變化率變化劇烈。?dāng)駕駛?cè)笋{車進(jìn)入隧道時，隧道的封閉環(huán)境給駕駛?cè)嗽斐删薮蟮膲浩雀校氡M快駕車離開隧道，期望出隧道后路況有所改善；但隧道洞外緊接著的橋梁路段受大霧的影響，視距很差，路況不佳，這使駕駛?cè)诵睦眍A(yù)期產(chǎn)生落差，駛出隧道后的壓迫感并未消除，因而致使駕駛?cè)诵睦碜兓染薮?，心率變化率的變化情況較之正常天氣下的更復(fù)雜。

3 基于心率變化率指標(biāo)的安全性評價

駕駛模擬試驗分析可知，在相同道路線性條件下，橋隧連接段駕車環(huán)境變化導(dǎo)致駕駛?cè)水a(chǎn)生心理負(fù)荷，易造成交通事故發(fā)生。為減弱不利的行車環(huán)境，如行車速度過快、極端天氣等對行車安全的影響，通常會從平縱線性組合程度、安全設(shè)施有效性等方面對橋隧連接段駕駛環(huán)境進(jìn)行改善，從而實現(xiàn)在不利行車環(huán)境條件下的行車安全。因此，本文提出采用駕駛?cè)诵穆首兓首鳛樯絽^(qū)高速公路橋隧連接段道路線形及安全設(shè)施的安全性的評價指標(biāo)。相關(guān)研究表明[7-8]：當(dāng)心率變化率大于10.5%～12.5%的范圍時，駕駛?cè)藭杏X不適，駕駛的宜人性較差。綜合考慮心率變化率對“隧-橋-隧”山區(qū)高速公路橋隧連接段對駕駛?cè)耸孢m閾值的影響，提出表1安全評價指標(biāo)。

表1 基于心率變化率的安全評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表1所示的評判標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合最高限速80 km/h速度下駕駛?cè)诵穆首兓闆r可知：四峰山隧道-洣水河大橋-新家洞隧道橋隧連接段的安全水平介于好和較好之間?？紤]到駕駛模擬試驗過程中，駕駛?cè)说木o張程度較低，且模擬試驗不存在危險性，得出的結(jié)論安全程度偏高。在實車試驗的情況下，其駕駛環(huán)境復(fù)雜多變，存在車流的影響，故本文提出基于模擬駕駛試驗建立的安全評價標(biāo)準(zhǔn)，可靠性需要通過實車試驗進(jìn)行進(jìn)一步驗證。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)橋隧連接段模型進(jìn)行駕駛仿真試驗，得出行車速度及大霧天氣因素對駕駛員心率變化率影響顯著。行車速度越大，對駕駛?cè)嗽斐傻男睦碡?fù)荷就越大；濃霧天氣條件也會增加駕駛?cè)诵睦碡?fù)荷。結(jié)合人、車、環(huán)境等影響影響因素，對山區(qū)高速公路橋隧連接段交通安全從以下方面提出安全改善建議。

1) 隧道口設(shè)置引導(dǎo)式護(hù)欄。為引導(dǎo)駕駛?cè)艘暰€，橋隧段線形過渡自然，在隧道洞口前增設(shè)引導(dǎo)性柔性護(hù)欄，使得橋梁斷面與隧道斷面自然續(xù)接。同時，為了防止夜間行駛車輛撞向隧道口處位置增設(shè)的護(hù)欄，可在隧道洞口設(shè)置引導(dǎo)輪廓標(biāo)，正確引導(dǎo)駕駛員行車視線。

2) 隧道內(nèi)設(shè)置加強(qiáng)照明、視覺誘導(dǎo)設(shè)施及可變信息板。隧道口設(shè)置加強(qiáng)照明設(shè)施，降低隧道洞內(nèi)外亮度差；在隧道內(nèi)設(shè)置較好的視線誘導(dǎo)設(shè)施，避免行駛車輛撞向隧道路肩；在距離隧道出口一定距離處設(shè)置懸掛式可變信息情報板，提示將進(jìn)入橋梁路段或隧道外的天氣情況。

3) 隧道入口處設(shè)置減速帶。在隧道出入口設(shè)置減速震蕩標(biāo)線，從工程角度降低橋隧路段的行車速度。

[1] 賀敏，田冬軍.從駕駛員的心理角度分析道路線形對交通安全的影響[J].交通科技,2007(6):88-90.

[2] 張興儉，趙曉華.面向人因因素的駕駛模擬綜合實驗平臺搭建[J].道路交通與安全,2014(1):48-52.

[3] 鄔洪波，甄東曉，周榮貴.山區(qū)高速公路橋隧連接段安全評價技術(shù)[J].公路交通科技,2012,29(12):12-132.

[4] 王品，張?zhí)m芳.基于駕駛模擬器的山區(qū)公路路段安全評價方法的檢驗[J].交通科技，2015(4):118-121.

[5] 高晗.模擬駕駛條件下駕駛員生理特性實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

[6] 湯灃澤，潘曉東，陳豐.駕駛員心率變化率與公路橫向力系數(shù)的相關(guān)性[J].交通科學(xué)與工程,2015,31(2):87-90.

[7] 陳美如,裴玉龍.基于CREAM擴(kuò)展法的信號交叉口駕駛差錯概率預(yù)測[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版),2017,41(3):375-378,384.

[8] 趙敏.基于駕駛宜人性的山區(qū)公路曲線段行車安全評價模型[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2012.