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硕士研究生吴杏薇通过硕士论文答辩

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基于交通行为虚拟现实平台的公路线形设计安全性评价研究
摘要:
        近20年来,我国高速公路建设发展迅速,高速公路路网得到了较大改善不断完善,然而随着公路里程的不断增加,高速公路交通安全的形势也日趋严峻。道路线形对驾驶员的驾驶行为有着十分重要的影响。不良的道路线形,如在某些道路设计元素上存在突变,会令驾驶员感到措手不及从而引发不当甚至危险的驾驶操作甚至导致事故的发生。
        新建公路项目路线方案的比选与优化,是一个至关重要的环节,尤其是对于西部山区公路项目。我国现阶段,针对多数待建公路往往都是采取一般的规范符合性检查。针对待建公路基于运行车速的安全评价针对待建公路需要利用预测模型计算运行车速,由于现有的预测模型都是依据公路定点观测数据建立,模型形式很多也是直接或者间接借用欧美公路车速预测模型。而我国驾驶员驾驶习惯、地形特点以及道路环境特征与欧美差别很大,导致模型预测结果精度较低。另一方面,我国现有的公路设计规范和标准都是针对单一道路特征断面而制定的,对于线形设计在平纵组合和相邻组合方面的规定大多停留在定性层面,没有针对不同线形组合情况下各个平纵设计指标的具体规定。尤其是对地形复杂地区(如山岭和丘陵地区)公路,往往会出现各孤立设计要素分别满足规范要求,但是平纵线形或者相邻路段组合起来出现不利设计存在引起安全隐患问题的情况。
        随着高仿真驾驶模拟技术的不断发展完善,越来越多的研究者开始利用驾驶模拟器去分析并进而解决道路设计存在中的问题。利用驾驶模拟器可以构建出逼真的道路环境,给予测试者身临其境般的驾驶体验,并采集反映驾驶员驾驶行为和车辆运行特征的数据,这些都使其其在待建道路安全设计评价研究和应用上具备了不可比拟的优势。
        鉴于此,本文针对处于设计阶段的山区待建高速公路,利用驾驶模拟器准确真实地实现公路建成后的场景,通过模拟器实验采集数据,建立反映驾驶行为以及车辆运行状态的评价指标体系,针对各类典型山区组合路段建立安全分析模型,分析不同组合路段情况下道路设计参数对于驾驶行为和车辆运行参数等相关评价指标的影响,提出组合路段安全设计推荐值域。
        第一,论文以湖南永吉高速公路部分路段作为研究对象,基于同济大学交通行为与交通安全虚拟现实平台,在平台核心设备高仿真驾驶模拟器中完全地基于待建高速公路设计参数实现了研究路段的三维虚拟模型。虚拟场景真实地构建了高速公路的线形、断面构造、道路标志标线、及配套设施、和周边山体与自然环境。利用心理学领域的组间设计的的实验设计方法,对严格控制实验测试条件,并通过多次预实验,筛选出所关注的测试指标,确定最终实验设计方案。通过招募驾驶测试人员开展一定规模的地驾驶模拟实验,采集科学、精确、可靠的实验数据,并对实验数据进行整理和分析。
        第二,基于已有的线形安全评价指标和方法,筛选出用于道路设计安全性评价的驾驶行为和车辆运行特征参数,包括运行车速、车速差、横向轨迹偏移、横向加速度和侧翻系数等安全替代分析指标;在此基础之上,从车速一致性、行驶一致性和横向稳定性三个方面,进一步建立了驾驶行为和车辆运行特征参数的公路线形安全评价指标体系,以各类驾驶行为参数分布为基础,针对单项指标选取50th/85th分位值作为区分阈值,对研究路段中可能存在相对安全隐患的路段进行初判。同时,利用基于Ward平方和距离算法的系统聚类方法,综合车速一致性、行驶一致性和横向稳定性三个方面综合对路段进行设计安全等级分类,并与单指标评价的结果进行对比,同时结合主观审视对最终的设计安全等级评价结果进行修正。
        第三,基于规范校核结果,结合针对研究路段平纵线形特点,对典型山区公路组合路段进行分类。针对各类典型组合路段,利用数理统计分析方法中的贝叶斯多元线性回归技术,建立了以线形设计参数为自变量,以运行车速、断面最大车速差、横向偏移标准差和横向加速度等关键评价指标为因变量的安全分析模型。进一步加深了解不同组合路段情况下,各类道路设计参数对于驾驶行为和车辆运行参数的影响。对模型结果进行值域分析,提出组合路段相关设计参数推荐安全值域,并以此帮助了工程设计人员综合考虑设计安全性和工程需求,选择最为合适的道路设计参数值。

关键词:高速公路,线形设计,安全性评价,驾驶模拟器,安全分析模型。

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