高速公路曲線路段駕駛員速度感知變化規(guī)律

劉 婷， 裴 霏， 王 倩

(西安交通工程學(xué)院 土木工程學(xué)院， 西安 710300)

相關(guān)事故統(tǒng)計(jì)報(bào)告表明，超速是平曲線事故發(fā)生及增加事故嚴(yán)重程度的重要因素，而超速往往與駕駛員的“速度感知”有關(guān)。行車(chē)過(guò)程中，實(shí)時(shí)車(chē)速的獲取是駕駛員多知覺(jué)(視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等)綜合感知的結(jié)果。基于此，從“路”的角度出發(fā)，道路結(jié)構(gòu)特性、路側(cè)環(huán)境、幾何特性等都會(huì)影響速度感知結(jié)果。道路結(jié)構(gòu)特性方面，有學(xué)者[1-5]從視覺(jué)感知的角度出發(fā)，研究了減速標(biāo)線、路面色彩、路面寬度、路肩等因素對(duì)速度感知的影響。路側(cè)環(huán)境方面，有學(xué)者[6-8]通過(guò)對(duì)路側(cè)行道樹(shù)、冰雪天氣、霧天等因素的研究，發(fā)現(xiàn)隨著路側(cè)參照物的豐富，駕駛員的速度感會(huì)增強(qiáng)。道路幾何特性方面，程國(guó)柱等[9]通過(guò)回歸分析實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)車(chē)速大于100 km/h時(shí)，感知車(chē)速與平曲線半徑呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性，與縱坡大小無(wú)關(guān)。Deton[10]研究了直線路段上駕駛員的“速度適應(yīng)性”現(xiàn)象，即前一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的殘留影像會(huì)影響當(dāng)下的車(chē)速感知。余博等[11]從駕駛員視覺(jué)感知的角度出發(fā)，綜合考慮視覺(jué)車(chē)道信息和視覺(jué)路側(cè)環(huán)境信息，建立了基于道路幾何信息感知的車(chē)速預(yù)測(cè)模型。Milosevic等[12]發(fā)現(xiàn)駕駛員在小半徑曲線的中間部分會(huì)低估車(chē)速，當(dāng)車(chē)速較高時(shí)低估程度會(huì)更嚴(yán)重。有學(xué)者認(rèn)為曲線路段駕駛員低估車(chē)速可能與入彎前的減速行為有關(guān)。對(duì)于設(shè)計(jì)指標(biāo)不連續(xù)的路段或其他進(jìn)入彎道前需要大幅降低車(chē)速的情況，由于速度慣性的存在，減速后的感知車(chē)速會(huì)遠(yuǎn)低于自身車(chē)速[13]。相關(guān)事故資料也表明,入彎前顯著降低車(chē)速的平曲線路段的確存在更突出的安全問(wèn)題[14]。因此，研究曲線路段駕駛員速度感知規(guī)律對(duì)提高道路安全水平有重要意義。目前關(guān)于線形條件與車(chē)速感知關(guān)系的研究較少，且針對(duì)曲線路段感知車(chē)速的研究多集中于某一固定的點(diǎn)位。

本文選取不同半徑的曲線路段為研究對(duì)象，開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，分別采集各曲線段上不同特征點(diǎn)位處的感知車(chē)速與實(shí)際車(chē)速，并對(duì)特征點(diǎn)位處車(chē)速感知誤差程度進(jìn)行量化分析，得到曲線路段車(chē)速感知誤差變化規(guī)律。

1 模擬駕駛試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型構(gòu)建

采用三維虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件UC-win/Road構(gòu)建模擬駕駛場(chǎng)景模型。模擬駕駛場(chǎng)景選取設(shè)計(jì)速度為100 km/h的雙向4車(chē)道高速公路，車(chē)道寬3.75 m。根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)中極限最小半徑的規(guī)定，兼顧現(xiàn)有公路設(shè)計(jì)指標(biāo)，增設(shè)稍大的圓曲線半徑，最終選取曲線半徑R依次為400 m、500 m、650 m、800 m、1 000 m。為避免其他因素可能對(duì)感知車(chē)速帶來(lái)影響，控制試驗(yàn)段路側(cè)環(huán)境單調(diào)、縱坡小于2%。超高過(guò)渡采用線性內(nèi)插法。路段交通流為自由流。為保證車(chē)輛進(jìn)入平曲線時(shí)具有一定的速度，平曲線路段前設(shè)置長(zhǎng)2 km的直線路段。曲線入彎點(diǎn)附近模擬道路場(chǎng)景如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1) 受試者選取

面向社會(huì)公開(kāi)招募22名駕駛員，其中男性19名，女性3名。受試者年齡分布為24歲～62歲，平均年齡38.9歲，實(shí)際駕齡為3年～27年，平均駕齡為10.2年?？傮w上，駕駛員經(jīng)驗(yàn)豐富，駕齡較長(zhǎng)，年齡適中。

圖1 模擬道路場(chǎng)景

2) 觀測(cè)點(diǎn)選取

選取曲線要素點(diǎn)(ZH、QZ、HZ點(diǎn))作為感知車(chē)速觀測(cè)點(diǎn)。此外，在直線段上增設(shè)未看到曲線以及剛看到曲線的點(diǎn)位作為觀測(cè)點(diǎn)。

根據(jù)注視距離與車(chē)速的關(guān)系[8]，當(dāng)車(chē)速為100 km/h時(shí)，駕駛員注視點(diǎn)集中在道路前方560 m的位置。將ZH點(diǎn)反向推560 m獲取直線段駕駛員剛好看到平曲線的位置Q點(diǎn)樁號(hào)，將Q點(diǎn)反向推400 m得到直線段上的另一點(diǎn)P點(diǎn)樁號(hào)。感知速度觀測(cè)點(diǎn)位如圖2所示。

圖2 感知車(chē)速觀測(cè)點(diǎn)

3) 試驗(yàn)步驟

(1) 駕駛員熟悉駕駛模擬器的剎車(chē)油門(mén)、檔位位置及基本操作，體驗(yàn)?zāi)M駕駛情況下不同速度的感受。

(2) 遮蓋儀表盤(pán)，隨機(jī)打開(kāi)不同半徑的道路模型文件，讓駕駛員自由行駛，當(dāng)車(chē)輛到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，詢問(wèn)其感知車(chē)速。

(3) 試驗(yàn)員記錄整理觀測(cè)點(diǎn)位置處的感知車(chē)速數(shù)據(jù)，軟件內(nèi)置插件可實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)段全程實(shí)際車(chē)速。

(4) 重復(fù)步驟(2)～(3)，直至駕駛員開(kāi)完所有試驗(yàn)段為止。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 分析指標(biāo)的選取

采用Vp表示感知車(chē)速，Vt表示實(shí)際車(chē)速,定義D為車(chē)速感知誤差程度值，表達(dá)式如下：

(1)

當(dāng)D<0時(shí)，表明駕駛員低估自身車(chē)速；當(dāng)D>0時(shí)，表明駕駛員高估自身車(chē)速。均值能夠反映出感知車(chē)速變化的整體趨勢(shì)，具有較強(qiáng)的抗干擾性而被眾多學(xué)者作為分析指標(biāo)[15]。據(jù)此，式(1)中實(shí)際車(chē)速和感知車(chē)速均取均值。

2.2 感知速度變化規(guī)律

室內(nèi)試驗(yàn)共獲取22位受試者合計(jì)550個(gè)特征點(diǎn)位的感知車(chē)速與實(shí)際車(chē)速值，將各特征點(diǎn)位的實(shí)際速度與感知速度值取均值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。計(jì)算各感知車(chē)速觀測(cè)點(diǎn)感知車(chē)速誤差D，結(jié)果如圖3所示。

表1 實(shí)際車(chē)速與感知車(chē)速均值

圖3 特征點(diǎn)位車(chē)速感知誤差值

由表1及圖3可以看出，各點(diǎn)位感知車(chē)速基本都是低于實(shí)際車(chē)速的。當(dāng)實(shí)際車(chē)速增加或降低時(shí)，感知車(chē)速也會(huì)相應(yīng)變化。車(chē)速感知誤差D隨里程的變化大致呈“U”型。直線上P點(diǎn)車(chē)速低估值約為7%，Q點(diǎn)車(chē)速低估值有所減小，直緩點(diǎn)ZH車(chē)速低估程度達(dá)到最大，進(jìn)入曲線后車(chē)速估計(jì)準(zhǔn)確性逐漸提高。不同半徑的平曲線路段直緩點(diǎn)最大低估值為11.57%，最小低估值為10.32%。通過(guò)Pearson相關(guān)性分析顯示，直緩點(diǎn)車(chē)速低估程度與半徑無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系(P=0.621，sig=0.263)。出彎處車(chē)速低估程度進(jìn)一步減輕，甚至出現(xiàn)輕微的高估車(chē)速，出彎處線形變得緩直，駕駛員普遍存在加速行為，雖然實(shí)際行駛速度沒(méi)有顯著提升，但駕駛員可能感覺(jué)速度有所增加。

3 實(shí)地試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

綜合室內(nèi)外路線設(shè)計(jì)資料及實(shí)地調(diào)查情況，在陜西咸旬高速選取線形指標(biāo)與室內(nèi)場(chǎng)景基本一致的路段開(kāi)展實(shí)地試驗(yàn)。因室內(nèi)試驗(yàn)中半徑400 m是規(guī)范規(guī)定的極限指標(biāo)，而目前高速公路設(shè)計(jì)指標(biāo)普遍偏高。因此室外線形指標(biāo)無(wú)法做到與室內(nèi)一一對(duì)應(yīng)。最終選取試驗(yàn)段指標(biāo)如表2所示。咸旬高速公路位于銀百高速(G69)陜西段北段，雙向4車(chē)道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度80 km/h～100 km/h，于2011年建成通車(chē)，道路服務(wù)水平為一級(jí)，交通流為自由流。為保證室內(nèi)外試驗(yàn)的一致性，邀請(qǐng)參加模擬試驗(yàn)的22名駕駛員參與實(shí)地試驗(yàn)。試驗(yàn)車(chē)輛選取大眾帕薩特，采用USBCAN-OBD數(shù)據(jù)采集接口及其配套分析軟件ECAN Tools，直接解析車(chē)輛實(shí)時(shí)車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。

表2 實(shí)地試驗(yàn)段線形指標(biāo)

3.2 數(shù)據(jù)處理與分析

將感知車(chē)速和實(shí)際車(chē)速數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理，結(jié)果如表3所示。計(jì)算各點(diǎn)車(chē)速感知誤差D，結(jié)果如圖4所示。

由表3及圖4可以看出：試驗(yàn)段各點(diǎn)位的感知車(chē)速低于實(shí)際車(chē)速，且二者呈正相關(guān)關(guān)系。車(chē)速感知誤差D隨里程的變化大致呈“U”型。直線上Q點(diǎn)處車(chē)速感知誤差約為5%，直緩點(diǎn)ZH車(chē)速低估程度達(dá)到最大，進(jìn)入曲線后車(chē)速低估程度逐漸減輕。不同半徑曲線段直緩點(diǎn)最大低估值為8.25%，最小低估值為6.17%。出彎處車(chē)速低估程度進(jìn)一步減輕，車(chē)速估計(jì)誤差D程度與直線路段相當(dāng)。

表3 實(shí)地試驗(yàn)實(shí)際車(chē)速與感知車(chē)速均值

圖4 實(shí)地試驗(yàn)特征點(diǎn)車(chē)速感知誤差

4 室內(nèi)外數(shù)據(jù)對(duì)比分析

對(duì)比室內(nèi)外數(shù)據(jù)可以看出：

1) 室內(nèi)試驗(yàn)與戶外試驗(yàn)段車(chē)速感知誤差隨里程的變化規(guī)律基本一致。即感知誤差與平曲線里程關(guān)系大致呈“U”型，直線路段駕駛員對(duì)車(chē)速有輕微的低估，直緩點(diǎn)ZH車(chē)速低估程度有所加劇，經(jīng)過(guò)曲中點(diǎn)QZ后，車(chē)速低估程度逐漸減輕。入彎點(diǎn)附近車(chē)速低估可能有以下2點(diǎn)原因：(1) 駕駛員一般在進(jìn)入彎道前會(huì)存在減速行為，當(dāng)平曲線半徑較小和車(chē)速較高時(shí)尤為如此。由于速度慣性的存在，減速后，前一時(shí)刻高速運(yùn)動(dòng)物體的殘留印象會(huì)讓駕駛員感覺(jué)此時(shí)視野中物體運(yùn)動(dòng)速度變得很慢，此時(shí)車(chē)速降低不大，但駕駛員卻會(huì)認(rèn)為車(chē)速降低了很多。(2) 駕駛員視野會(huì)隨著車(chē)速的增加而變窄，使得道路在視野的占比提高。相關(guān)數(shù)據(jù)表明：在雙向6車(chē)道高速公路上以100 km/h的速度行駛時(shí)，路面在視野中所占比例會(huì)達(dá)到30%，空間占比為50%，公路兩側(cè)占比小于20%。當(dāng)路側(cè)環(huán)境單調(diào)且車(chē)速較高時(shí)，公路主體是駕駛員速度感知的重要信息。車(chē)輛由直線路段進(jìn)入曲線時(shí)，駕駛員視點(diǎn)前移，道路在視野中的占比減小會(huì)使駕駛員對(duì)速度產(chǎn)生誤判。

2) 戶外實(shí)地駕駛情形下，直線路段車(chē)速低估程度較室內(nèi)小。直線路段模擬場(chǎng)景下車(chē)速低估程度為7%左右，而戶外實(shí)地試驗(yàn)中車(chē)速低估程度為5%左右。這是因?yàn)閼敉猸h(huán)境無(wú)法像室內(nèi)那樣進(jìn)行嚴(yán)格控制，路側(cè)參照物豐富多變，戶外實(shí)際的車(chē)輛駕駛體驗(yàn)一定程度上提高了車(chē)速感知的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

1) 駕駛員對(duì)車(chē)速的感知是不準(zhǔn)確的，一般情況下會(huì)低估車(chē)速。通過(guò)戶外實(shí)地駕駛數(shù)據(jù)分析，可得出路側(cè)環(huán)境較單調(diào)的4車(chē)道高速公路上，直線路段駕駛員會(huì)將車(chē)速低估5%左右。

2) 曲線入彎點(diǎn)附近是駕駛員車(chē)速低估最嚴(yán)重的位置，室內(nèi)模擬駕駛和戶外實(shí)地駕駛試驗(yàn)中，曲線入彎點(diǎn)附近車(chē)速低估程度分別為11%和7%左右。

3) 不同半徑曲線路段，速度感知誤差隨里程的變化規(guī)律基本一致。即曲線入彎點(diǎn)附近車(chē)速低估程度最大，經(jīng)過(guò)曲中點(diǎn)后，車(chē)速感知準(zhǔn)確性逐漸提高。