不同公路景觀對行駛軌跡和車輛轉向的影響*

荀雙杰，熊堅，陳瑤，賈現廣

（昆明理工大學交通工程學院，云南昆明 650500）

不同公路景觀對行駛軌跡和車輛轉向的影響*

荀雙杰，熊堅，陳瑤，賈現廣

（昆明理工大學交通工程學院，云南昆明 650500）

為研究不同公路景觀對行駛軌跡和車輛轉向的影響，運用駕駛模擬器模擬4種不同空間場景，隨機選取30名有熟練駕駛經驗的受試者，在同樣的道路線形但空間圍合程度不同的4種場景中駕駛模擬器，獲取方向盤轉角、汽車坐標和道路中線坐標等參數，運用數理統計方法對其進行相關性分析。結果表明，汽車在全封閉空間景觀下，方向盤轉角和行駛軌跡的波動情況最小，駕駛員的駕駛穩定性最好；在全開敞空間景觀下，方向盤轉角和行駛軌跡波動最大，駕駛員的駕駛穩定性最差。

交通安全；公路景觀；行駛軌跡；方向盤轉角

1 公路景觀與交通安全淺析

在道路交通系統中，駕駛員雖是影響道路交通安全最為活躍的因素，但就駕駛過程而言，駕駛員的任何主動行為都時刻受到車輛、道路環境因素的制約（見圖1）。駕駛員采取怎樣的駕駛行為，主要依據其通過視覺、運動感覺等獲得的信息來判斷，其獲取的信息80%以上來自于視覺，而公路兩側的景觀給駕駛員提供了最直接的視覺信息。不良的道路景觀空間設計會影響駕駛人的心理狀態，導致其發生疲勞或警覺水平降低，影響車輛的行駛軌跡和轉向，從而威脅行車安全。因此，開展公路景觀對車輛行駛軌跡和轉向的研究對景觀設計和行車安全具有重要意義。由于用數學模型描述駕駛員的操縱行為非常困難，而利用基于虛擬現實技術構建的虛擬駕駛實驗平臺可以在實驗室環境中進行車輛行駛軌跡和轉向研究，讓駕駛員直接參與實驗驗證，提高仿真實驗的真實性。該文運用駕駛模擬器分析公路景觀對行駛軌跡和車輛轉向的影響。

圖1　駕駛員-車輛-環境閉環系統

2 實驗設計

實驗在昆明理工大學道路交通駕駛模擬實驗系統平臺上完成（見圖2）。該實驗系統包括真實的、設計中的或用于特殊實驗的場景，并能通過對駕駛車輛、交通車流、行人動態參數和其他環境因素有條件的控制，在實驗平臺上實現對各類道路交通問題的動態信息采集、參數分析和仿真實驗。

圖2　KMRTS駕駛模擬系統平臺

實驗以云南省小磨路為研究對象，以其中K109 +600—K122+024為樣本路段建立三維虛擬實驗道路（見圖3），在此基礎上根據不同空間圍合度構建全開敞、半開敞、單側半開敞、全封閉景觀4種不同實驗場景（見圖4）。以上4種空間道路線形（直道、彎道）完全相同，只是圍合程度不同。應用全比例實車駕駛模擬系統實驗平臺進行每組不低于30名的受試者實驗，受試者操作KMRTS駕駛模擬器在同樣的道路線形但空間圍合程度不同的4種場景中行駛，通過KMRTS駕駛模擬系統平臺記錄方向盤轉角、汽車坐標和道路中線坐標等參數，然后對實驗過程和數據進行現場采集和統計分析。

圖3　實驗公路設計（單位：m）

圖4　實驗場景設計

3 數據分析

3.1方向盤轉角

方向盤轉角大小代表汽車的穩定程度。各種力對汽車的干擾將引起輪胎側偏，使汽車偏離行駛方向。為保證正常行駛，駕駛員要隨時調整方向盤控制汽車以抵御外力的影響。對不同道路線形、不同空間景觀下的方向盤轉角進行統計分析，負數代表左打方向盤，正數代表右打方向盤。方向盤轉角的標準差表示方向盤轉角的變化情況，方向盤轉角標準差越大，說明方向盤轉角變化越大，駕駛員的方向操縱穩定性越差；方向盤轉角標準差越小，說明方向盤轉角變化越小，駕駛員的方向操縱穩定性越好。

3.1.1直線路段

直線路段不同空間景觀下方向盤轉角統計見表1，方向盤轉角偏差見圖5。

表1　直線路段不同空間景觀下方向盤轉角統計rad

圖5　直線路段不同空間景觀下方向盤轉角偏差

由圖5可知：全封閉景觀下方向盤轉角偏差最小，全開敞景觀下方向盤轉角偏差最大，單側半開敞景觀與半開敞景觀的方向盤轉角相差不大。

圖5雖然可以顯示各景觀下方向盤轉角偏差均值的不同，但不能確定總體是否有差異。為分析總體差異情況，對兩兩景觀之間進行差異性分析，結果見表2。

表2　直線路段不同空間景觀下方向盤轉角偏差差異性分析

由表2可知：當顯著性水平為0.01時，全封閉景觀與半開敞、全開敞景觀有顯著性差異，半開敞景觀與全開敞景觀有顯著性差異，單側半開敞景觀與全開敞景觀有顯著性差異。

3.1.2彎道路段

由于彎道路段分為左轉和右轉，方向盤的取值會出現正負，為計算簡便，方向盤轉角均取正數。彎道路段不同空間景觀下方向盤轉角統計見表3，方向盤轉角偏差見圖6。

表3　彎道路段不同空間景觀下方向盤轉角統計rad

圖6　彎道路段不同空間景觀下方向盤轉角偏差

由圖6可知：彎道路段方向盤轉角的變化規律與直線路段相同，即全封閉景觀下方向盤轉角偏差最小，全開敞景觀下方向盤轉角偏差最大，單側半開敞景觀與半開敞景觀的方向盤轉角相差不大。與直線路段相比，彎道路段方向盤轉角均值大且離散程度小，這是因為汽車轉彎時方向盤轉動角度較直線時大，且在彎道路段駕駛員受道路線形和圍合程度的影響視野較窄，注意力集中，故駕駛較穩定。兩兩景觀之間的差異性分析結果見表4。

表4　彎道路段不同空間景觀下方向盤轉角偏差差異性分析

由表4可知：當顯著性水平為0.01時，全封閉景觀與半開敞景觀有顯著性差異，半開敞景觀與全開敞景觀有顯著性差異，全開敞景觀與單側半開敞景觀有顯著性差異。

3.2軌跡偏差

軌跡偏差是指車輛運行軌跡偏離車道中心線的距離。行車軌跡和車速一樣，是道路交通系統各要素作用于駕駛行為上的一種表現形式，也是評價道路景觀設計舒適性和安全性的重要指標。下面對實驗場景中沒有中央隔離帶的雙向車道的直線和彎道路段行駛軌跡偏差進行分析。

把實驗數據經轉換處理后得到的基于道路里程樁號的車輛所在位置坐標與基于道路里程樁號的車道中線坐標進行吻合程度對比，得到軌跡偏差計算模型如下：

式中：D（l）為偏差距離；S（ r，y，z，l）為汽車的坐標位置；R（ r，y，z，l）為車道中線坐標；l為車道中樁坐標。

通過前面對車輛動態參數數據的轉換處理及偏差計算，得到每個受試者在實驗過程中駕車行駛時的基于道路里程樁號的軌跡偏差。把所有20名受試者對應于道路里程樁號的軌跡偏差取平均值，得到基于里程樁號的軌跡偏差。

行駛軌跡標準差表示車輛偏離中心線的變化情況，行駛軌跡標準差越大，說明駕駛員行車時偏離道路中心線越遠，駕駛員的方向操縱穩定性越差；行駛軌跡標準差越小，說明駕駛員行車時偏離道路中心線越小，駕駛員的方向操縱穩定性越好。

3.2.1直線路段

直線路段不同空間景觀下行駛軌跡偏差見表5，軌跡偏差誤差見圖7。

表5　直線路段不同空間景觀下的行駛軌跡偏差m

圖7　直線路段不同空間景觀下的行駛軌跡偏差誤差

由圖7可知：直線路段全開敞景觀空間下橫向軌跡偏差均值最大且離散程度最大，全封閉景觀空間下橫向軌跡偏差均值最小且離散程度最小。兩兩景觀之間的差異性分析結果見表6。

表6　直線路段不同空間景觀下行駛軌跡偏差差異性分析

由表6可知：當顯著性水平為0.01時，全封閉景觀與半開敞景觀、全開敞景觀有顯著性差異，半開敞景觀與全開敞景觀有顯著性差異，全開敞景觀與單側半開敞景觀有顯著性差異。

3.2.2彎道路段

彎道路段不同空間景觀下行駛軌跡偏差見表7，軌跡偏差誤差見圖8。

表7　彎道路段不同空間景觀下的行駛軌跡偏差m

圖8　彎道路段不同空間景觀下的行駛軌跡偏差誤差

由圖8可知：與直線路段車輛軌跡偏差相比，彎道路段車輛軌跡偏差受景觀空間影響小，各景觀空間下軌跡偏差均值較小。這可能是因為在直線路段行駛時駕駛員不受道路線形的影響視野較開闊，注意力較分散；而在彎道路段駕駛員受道路線形和景觀空間的影響，視野較窄，注意力較集中，駕駛較謹慎，縮小了景觀空間軌跡偏差的差異。兩兩景觀之間的差異性分析結果見表8。

表8　彎道路段不同空間景觀下行駛軌跡偏差差異性分析

由表8可知：在顯著性水平為0.01時，全封閉景觀與半開敞景觀、全開敞景觀有顯著性差異，全開敞景觀與單側半開敞景觀有顯著性差異。

4 結論

該文以小磨路為研究對象，以實現道路景觀設計的“安全可控”為根本目標，綜合考慮駕駛員、車輛及道路（環境）三者之間的相互作用機理，采用計算機仿真和實驗研究相結合的手段開展公路景觀與車輛轉向和行駛軌跡的關系研究，得到了不同公路景觀對行駛軌跡和車輛轉向的影響規律。結論如下：汽車在全封閉空間景觀下，方向盤轉角和行駛軌跡的波動情況最小，說明在該景觀下駕駛員的駕駛穩定性最好；而在全開敞空間景觀下，方向盤轉角和行駛軌跡波動最大，說明在該景觀下駕駛員的駕駛穩定性最差。

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U491.2

A

1671-2668（2016）05-0053-04

國家自然科學基金資助項目（71261012）；云南省交通運輸廳科技計劃項目（2010（A）16-a）

2016-04-25