山区高速公路桥隧连接段驾驶仿真与安全评价*

吴 刚 覃李丽 陈 丰 潘晓东

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804)

山区地形复杂，高速公路多采用桥梁与隧道结合的形式。在桥隧连接段，受地形条件限制，纵坡一般较大，常伴有长大下坡、连续急弯等复杂线性。另外，由于隧道口光环境变化剧烈，山区天气变化极不稳定，桥隧路段易出现浓雾、侧风等恶劣天气，其复杂的交通环境极易引发交通事故。贺敏等[1]从驾驶人心理角度分析分析道路线形对交通安全的影响。张兴俭等[2]结合工程案例说明了驾驶仿真模拟技术能够应用在交通工程和环境工程领域，可满足交通安全研究的基本要求。邬洪波等[3]基于驾驶人心理生理指标数据，分析发现隧道洞口平纵线形和隧道间连接段的长度对于车辆平均速度差、加速度和驾驶人心率增长率都有影响，并提出了基于平均速度差、加速度和心率增长率的安全评价方法。王品等[4]利用驾驶模拟仿真实验论证了基于驾驶模拟的山区公路路段安全评价方法的可靠性。高晗[5]利用驾驶仿真，测量驾驶人在不同交通条件及驾驶环境下的心理生理指标，得出驾驶行为、行驶条件对于驾驶人心理生理指标的影响规律。

当前山区高速公路桥隧连接段一直是事故的高发路段，针对此路段的安全性研究相对较少，因此，本文基于驾驶人心率变化率指标对山区高速公路桥隧连接段进行驾驶仿真试验，探讨行车速度、极端天气、道路线形条件，以及安全设施等方面对桥隧连接段行车安全的影响。

1 基于UC-win/Road山区高速公路桥隧连接段仿真试验

1.1 试验场景建立

山区高速公路连续穿越多座山峰的情况较为常见，为了保证桥隧连接段的真实性及模拟驾驶试验的可靠性，基于湖南省炎陵至汝城高速公路的设计资料，选取“四峰山隧道-洣水河大桥-新家洞隧道”桥隧连接段，建立“隧-桥-隧”模型，见图1。

图1 “隧-桥-隧”桥隧连接段建模效果图

1.2 试验仪器设备

UC-win/Road 8.0驾驶模拟平台，心率仪(POLAR RS800CX)，视频拍摄设备等。

1.3 试验条件及人员

场景一，晴朗天气条件下驾驶模拟速度为60 km/h和80 km/h；场景二，桥梁段大雾天气驾驶模拟速度为60 km/h。本试验被测驾驶人10人，矫正视力5.0，均持有驾驶执照，在试验前熟悉并适应模拟驾驶环境及模拟驾驶操控。

2 试验数据处理及分析

相关研究显示[6]，心率的变化能够很好地反应驾驶人的行车状态及驾驶危险程度，因此，利用驾驶人心率变化指标分析行车速度及大雾天气对于行车安全的影响，间接反应不同车速及天气条件下桥隧连接段行车的危险程度。考虑到个体差异，选择心率变化率指标来表征驾驶人的心理变化。心率变化率表示驾驶人行车过程中某一时刻(段)的心率变化，即某一时刻(段)的心率变化量与驾驶人安静状态下平均心率的比值。其计算公式为

(1)

2.1 行车速度对心率变化的影响

在模拟驾驶试验中，为判断行车速度对驾驶人心率变化的影响，进行了2组对照性试验。试验车速分别为60 km/h和80 km/h，并记录驾驶人行车过程中每时刻的心率值。在剔除驾驶人心率变化的异常数据后，在速度为60 km/h时驾驶人心率变化率的变化情况见图2(图中编号为参与测试驾驶员的编号，下同)。当车速控制在80 km/h时，驾驶人的心率变化率的变化情况见图3。对被测驾驶人的心率值求平均值，并计算心率变化率和绘制心率变化率曲线,见图4和图5。

图2 驾驶人心率变化率(60 km/h)

图3 驾驶人心率变化率(80 km/h)

图4 驾驶人平均心率变化率(60 km/h)

图5 驾驶人平均心率变化率(80 km/h)

平均心率变化率曲线更直观地说明了驾驶人在桥隧连接段行车时心率的变化情况。当行车速度较高时，驾驶人在桥隧连接段行车，心率变化的幅度有所增加。因为桥隧连接段路况较之正常高速公路路段更为复杂，驾驶人行车需要保持高度的专注和警觉性，在遇到危险时需要处理的信息更多。而车速过快，驾驶人相应的做出反应的时间也就越短，心理更容易出现紧张情绪，内心的变化程度也更为剧烈，心率变化的幅度较大。因此，在山区高速公路行车时，行车速度过快对心率的变化有一定的影响，驾驶人的心理负荷随着速度的增加而增大，行车危险性也随之提高。

2.2 大雾对心率变化的影响

由于山区经常出现局部的强对流天气如降雨、大雾等，行车安全受天气条件影响很大。为探究大雾对于桥隧连接段安全行车的影响，在进行模拟驾驶试验时，增设了桥梁段受大雾天气影响的场景，通过正常天气和大雾天气2个对照组观察驾驶人心率变化的情况，进而得到大雾天气因素对于驾驶人安全行车的影响，见图6。由工程设计资料可知，桥隧路段限速为80 km/h，在极端天气条件下，试验速度取值为60 km/h。

图6 大雾天气下驾驶人心率变化率(60 km/h)

由图2与图6对比可见，在相同驾驶速度条件下，大雾天气对于驾驶人行车影响很大，心率变化率变化剧烈。当驾驶人驾车进入隧道时，隧道的封闭环境给驾驶人造成巨大的压迫感，想尽快驾车离开隧道，期望出隧道后路况有所改善；但隧道洞外紧接着的桥梁路段受大雾的影响，视距很差，路况不佳，这使驾驶人心理预期产生落差，驶出隧道后的压迫感并未消除，因而致使驾驶人心理变化幅度巨大，心率变化率的变化情况较之正常天气下的更复杂。

3 基于心率变化率指标的安全性评价

驾驶模拟试验分析可知，在相同道路线性条件下，桥隧连接段驾车环境变化导致驾驶人产生心理负荷，易造成交通事故发生。为减弱不利的行车环境，如行车速度过快、极端天气等对行车安全的影响，通常会从平纵线性组合程度、安全设施有效性等方面对桥隧连接段驾驶环境进行改善，从而实现在不利行车环境条件下的行车安全。因此，本文提出采用驾驶人心率变化率作为山区高速公路桥隧连接段道路线形及安全设施的安全性的评价指标。相关研究表明[7-8]：当心率变化率大于10.5%～12.5%的范围时，驾驶人会感觉不适，驾驶的宜人性较差。综合考虑心率变化率对“隧-桥-隧”山区高速公路桥隧连接段对驾驶人舒适阈值的影响，提出表1安全评价指标。

表1 基于心率变化率的安全评价标准

根据表1所示的评判标准，结合最高限速80 km/h速度下驾驶人心率变化情况可知：四峰山隧道-洣水河大桥-新家洞隧道桥隧连接段的安全水平介于好和较好之间。考虑到驾驶模拟试验过程中，驾驶人的紧张程度较低，且模拟试验不存在危险性，得出的结论安全程度偏高。在实车试验的情况下，其驾驶环境复杂多变，存在车流的影响，故本文提出基于模拟驾驶试验建立的安全评价标准，可靠性需要通过实车试验进行进一步验证。

4 结论与建议

根据桥隧连接段模型进行驾驶仿真试验，得出行车速度及大雾天气因素对驾驶员心率变化率影响显著。行车速度越大，对驾驶人造成的心理负荷就越大；浓雾天气条件也会增加驾驶人心理负荷。结合人、车、环境等影响影响因素，对山区高速公路桥隧连接段交通安全从以下方面提出安全改善建议。

1) 隧道口设置引导式护栏。为引导驾驶人视线，桥隧段线形过渡自然，在隧道洞口前增设引导性柔性护栏，使得桥梁断面与隧道断面自然续接。同时，为了防止夜间行驶车辆撞向隧道口处位置增设的护栏，可在隧道洞口设置引导轮廓标，正确引导驾驶员行车视线。

2) 隧道内设置加强照明、视觉诱导设施及可变信息板。隧道口设置加强照明设施，降低隧道洞内外亮度差；在隧道内设置较好的视线诱导设施，避免行驶车辆撞向隧道路肩；在距离隧道出口一定距离处设置悬挂式可变信息情报板，提示将进入桥梁路段或隧道外的天气情况。

3) 隧道入口处设置减速带。在隧道出入口设置减速震荡标线，从工程角度降低桥隧路段的行车速度。

[1] 贺敏，田冬军.从驾驶员的心理角度分析道路线形对交通安全的影响[J].交通科技,2007(6):88-90.

[2] 张兴俭，赵晓华.面向人因因素的驾驶模拟综合实验平台搭建[J].道路交通与安全,2014(1):48-52.

[3] 邬洪波，甄东晓，周荣贵.山区高速公路桥隧连接段安全评价技术[J].公路交通科技,2012,29(12):12-132.

[4] 王品，张兰芳.基于驾驶模拟器的山区公路路段安全评价方法的检验[J].交通科技，2015(4):118-121.

[5] 高晗.模拟驾驶条件下驾驶员生理特性实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

[6] 汤沣泽，潘晓东，陈丰.驾驶员心率变化率与公路横向力系数的相关性[J].交通科学与工程,2015,31(2):87-90.

[7] 陈美如,裴玉龙.基于CREAM扩展法的信号交叉口驾驶差错概率预测[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2017,41(3):375-378,384.

[8] 赵敏.基于驾驶宜人性的山区公路曲线段行车安全评价模型[D].上海：同济大学，2012.