基于驾驶模拟的高速公路设计一致性评价

熊  坚，万华森，郭凤香

昆明理工大学交通学院，昆明  650224

摘要：阐述了基于交互式驾驶模拟系统平台实验的高速公路的设计一致性评价结果，样本路段选自云南山区的一条高速道路，首先完成了路段的图形建模，并使其可在驾驶模拟系统中运行；选择了30名驾驶员作为受试驾驶员，以完成在测试场景上的模拟驾驶。动态数据由驾驶模拟系统采集，采用线形一致性评价标准对样本路段的安全性进行了评价，结果表明样本道路具有一致性差的路段。

关键词：安全评价；CCR；一致性

Freeway Design Consistency Evaluation a Case Study on Driving Simulator//Xiong Jian,Guo Fengxiang Wan Huasen,Qin Yaqin(Faculty of Transportation Engineering, Kunming University of Science and Technology,Kunming 650224)

Abstract:This paper shows the results of an experimental survey carried out using an advanced full scale interactive driving simulator with the aim of: evaluating design inconsistencies on existing multi-lane freeway road in mountainous area.A sample freeway section was selected from a real road in Yunnan mountainous area as a test course and was modeLED graphically and implemented in the driving simulator.30 drivers were selected as test drivers who performed the simulation driving on the course.Dynamic data were collected from the simulation system and the analysis of data highlighted inconsistencies of the sample road using a well known Safety Criteria Model,the result shows that the consistencies of some elements on this sample freeway section are poor.

Key words:safety evaluation;CCR;consistency

0  引言

公路设计一致性是指设计道路的几何结构不仅要符合驾驶员的期望值，并且能使驾驶员以安全的方式操纵、控制车辆^[1]。因此，设计的一致性成为道路设计需要解决的一个问题。一致性定义中的期望值是指驾驶员在驾驶过程中的主观操作倾向，它关系到驾驶员对未来的突发状况、事件和信息做出预知的反应和合理的处理。因此，驾驶员在决定道路系统设计的成功与失败中扮演着重要的角色。不合理的驾驶行为往往来自于人车交互的缺陷，或对道路行驶条件的错误理解，这将导致危险发生^[2]。

在可观察和测量的驾驶员特征参数中，自由流下的车速可作为一个重要的指标来描述驾驶员对道路几何特征响应的驾驶期望值^[3]。根据一致性的定义，线形一致的道路允许大多数的驾驶员按照自己期望的速度沿道路安全的行驶，相反，不一致的线形要求驾驶员改变期望速度以保证在某些路段的驾驶安全。事实表明当道路几何特征与驾驶期望接近时，驾驶员较少犯错误，但是，当道路几何特征与驾驶员的期望不一致时，事故率和事故损失率均会增加。

根据驾驶期望的概念，国外提出了一个道路设计一致性定量评价的方法 ^[4]，该方法给出了3个安全性评价指标，同时给出3种评价水平：好、一般(可接受的)、差。标准如下：

• 道路设计的一致性（标准Ⅰ）：描述观测路段运行车速（用85^th车速表示，V₈₅）与设计速度之间的差异;

• 运行车速一致性（标准Ⅱ）：描述两段连续几何段的V₈₅之间的差异；

• 驾驶的动态一致性（标准Ⅲ）： 描述横向力系数的实测值f_RA与需求值f_RD之间的差异。

本文中，将通过驾驶模拟的试验，获取速度轨迹线和车辆的动态参数，然后，再对采集的数据进行一致性分析。

试验采用KMRTDS驾驶模拟系统平台^[5]，该模拟系统建在昆明理工大学交通学院交通模拟实验室。模拟系统的外观如图1所示。为了生成和实际接近的驾驶环境，驾驶舱由一辆真车等构成，可视化实验道路场景由计算机生成并投射到驾驶舱前面的屏幕上。驾驶员在驾驶舱内的操作信息、车辆的运动和动力学参数都可以实时记录。

该模拟系统为研究人员提供了科学的工具，在可控的实验室条件下研究道路交通问题。该系统允许研究人员生成任何道路的特定场景以研究相关的道路设计或交通问题。基于图形的建模方法可以精确地再现道路的平曲线、纵曲线、横断面以及交通设施和路边景物。车辆的所有响应参数都可以从复杂的车辆动力学模型中采集，以便进一步处理。

2.1　虚拟测试场景

2.2　车辆模型

由于能够完全代表所有车辆的模型样本并不存在，所以定义3种类型的车辆模型，依据发动机气缸容量对车辆的物理参数进行了定义。发动机的动力模型分别定义1L汽缸容量，1.5L汽缸容量和2.0L汽缸容量3种动力模型。因此，3类模型具有各自的车辆动力性能范围（包括加速度和最高车速）。

2.3  受试者

共选择了30名出租车司机作为试验驾驶员，27～50岁，23名男性，7名女性，不低于5年驾龄，平均驾龄14年。实验要求受试者正常的驾驶。与实际中相一致，在实验路段设置了110km/h（小车）、80km/h（大车）的限速标志，但是告知受试驾驶员，可以按照自己期望的速度驾驶。为了让试验车辆达到自由流的速度，实验车道没有加载交通流。

2.4　数据采集与处理

全部实验在该驾驶模拟系统平台上完成。每一次试验，都从K58里程向K38里程方向驾驶，实验数据从系统中获取，包括车辆的速度、纵向加速度、侧向加速度等参数对后期研究都是很有意义的。因为所有采集的参数都是基于时间记录的，参数需要转换为基于道路里程的数据，以便对道路的某个位置进行分析。更具体地说，是为了便于研究速度在单个曲线段、直线段、上下坡段的变化规律。数据的转换是通过确定车辆在实验道路上的瞬时位置来进行数据坐标变换的，转换后的数据可以绘制成曲线图，车辆的速度及相关参数可以准确地定位在实验里程中（如速度与位置图）。图7表示的是所有受试驾驶员在K43—K38段的速度和加速度曲线。

利用单一曲线的曲线变化率CCRs、坡度和直线长度等参数来描述道路的线形，并将其分为不同的路段单元，如表1所示。

具有缓和曲线的单一曲线的曲线变化率计算公式 ^[6]

             (1)

其中，CCRs指单一曲线的曲线变化率（deg/km）；R指圆曲线半径（m）；L指单向曲线的总长，L＝L_Cl1 + L_Cr + L_Cl2（m）；L_Cr指圆曲线的长度（m）；L_Cl1、L_Cl2：指圆曲线前、后的回旋曲线长度（m）。