未分类

如何使用驾驶模拟器评价公路设计的安全性？

近年来我国交通迅速发展，四通八达的公路为人们的出行带来了极大的便利，公路像一张无所不在的巨网，连接着城市和乡村，串联着社会各个方面的经济、文化和生活。而公路不仅决定了一个地区的交通能力，同时也影响着交通安全。许多交通事故的发生不仅是由于人为，更多是公路设计不合理而导致的。合理、优质的公路设计可以提供清晰醍目的行车方向、足够的视距，符合驾驶人的普遍期望，保证车辆的行驶安全。

四通八达的高架路

公路线形是公路设计中十分重要的一环，要考虑大量的因素，包括公路平面线形、纵断面线形两种线形以及横断面的组成相协调，还要注意视距的畅通等。线形的好坏，对交通流的安全具有极其重要的作用，如果公路线形不合理，则会降低公路通行能力，造成运输者时间和经济上的损失，而且会诱发大大小小的交通事故。^[^1]

某城市快速路道路工程施工图纸

在国内外过往的工程项目中，驾驶模拟是公路线形设计评价的重要手段，基于驾驶模拟技术，可获取人-车-路-环境交互的驾驶操作、车辆运行数据，有助于揭示道路线形、交通安全设施对驾驶人的综合作用机理，为复杂项目、复杂路段安全评价与优化设计提供依据。我国已逐步应用驾驶模拟技术对设计阶段的公路进行评价，如在港珠澳大桥、深圳至中山跨江通道、虎跳峡地下互通立交等大量工程项目的公路交通安全评价工作中得到了应用和使用。

驾驶模拟器的选择

要评价公路线形设计，首先要选择一台合适的驾驶模拟器。有研究对固定底座驾驶模拟器与多自由度驾驶模拟器进行了相关实验测评，结果表明，相比固定底座驾驶模拟器，具有运动系统的多自由度驾驶模拟器可提供更逼真的运动提示，模拟器眩晕更轻。^[2]因此，对于包含线形组合、桥梁、隧道、互通式立体交叉等特殊路段的实验场景，建议采用多自由度驾驶模拟器开展实验。多自由度驾驶模拟器可以基于车辆动力学模型来模拟汽车运动，包括加速、减速、变道、过弯、颠簸、发动机振动等等，能给驾驶人带来接近实际驾驶的体感和沉浸感。

国内外开展驾驶模拟实验的运动系统自由度选取统计

SIMLAB汽车驾驶模拟系统是我们与德国ERGONEERS公司合作研发并制造的研究级汽车驾驶模拟系统，搭配WIVW公司开发的SILAB驾驶模拟仿真软件。提供三自由度、六自由度以及带轨道的大型运动平台，也可以根据客户的需求定制运动平台。

SILAB仿真模拟场景

三自由度运动平台

三自由度运动平台，可以进行纵摇(pitch)、横摇(roll)、垂荡(heave)三个维度的运动模拟。运动平台系统由4个垂直运动的运动电缸和控制器组成，通过上位机软件进行运动控制。三自由度运动平台通过与SILAB驾驶模拟仿真软件实时通讯获取模拟车辆的当前动力学数据和姿态数据，对模拟驾驶舱进行运动控制，增加驾驶人的驾驶体感和沉浸感。

六自由度运动平台

六自由度运动平台可以进行六个维度的运动，分别是上下移动(heave)、左右移动(sway)、前后移动(surge)、俯仰(pitch)、翻转(roll)、偏航(yaw)。整个运动平台由6个运动电缸组成，采用国际上流行的Stewart结构模式进行运动控制与模拟。我们与国内知名厂家合作，定制小型六自由度运动平台，让对六自由度感兴趣但又受限于实验室空间或预算(或者有特殊技术需求)的用户有了更多选择。定制型六自由度运动平台，可以根据用户的具体需求定制，例如尺寸、载荷、运动量程、加速度等技术需求。

我们还可以为用户定制非Stewart结构的六自由度运动平台，让对六自由度感兴趣但又受限于实验室空间或预算(或者有特殊技术需求)的用户有了更多选择。定制型六自由度运动平台，可以根据用户的具体需求定制，例如尺寸、载荷、运动量程、加速度等技术需求。

七自由度运动平台

七自由度运动平台是在六自由度运动平台的基础上增加一个水平转动台Yaw Table，基本原理是电机通过齿轮带动水平转台绕轴向旋转，增加偏航(Yaw)的运动量程，可以模拟发卡弯等大幅度转向的运动体感。我们推荐的七自由度运动平台依然是VHT品牌。用户也可以根据要求，选配振动台，来模拟高频路谱或者其他振动。

轨道式运动平台（8+自由度）

轨道式运动平台由六自由度运动平台、纵向轨道和横向轨道组成，组成8个自由度的运动平台，其中纵向轨道可以增加模拟车辆加速和减速的体感和沉浸感，即模拟车辆在仿真软件中加速时整个模拟驾驶舱在纵向轨道上进行实际加速运动，驾驶人体感接近实际驾驶感受。此外，六自由度运动平台可以模拟车辆减速时驾驶舱向后的加速运动，变道和转弯时模拟驾驶舱沿横向轨道加速运动。

道路安全性评价指标

主观评价

选定了合适的驾驶模拟器后，我们需要了解道路安全性的评价指标。进行线形安全性评价，应先进行主观评价。作为道路的使用者，驾驶人的主观感受是重要的评判依据。针对线形主观评价，采用了是否存在线形突变、是否存在视线遮挡、以及行车过程中是否存在颠簸、横向倾斜感三个主观评价指标。线形既要适应沿线地形地物条件变化，又要保证前后线形相协调，线形突变会造成运行速度突变，导致不安全驾驶行为的发生；弯道、陡坡等不良线形组合均可能造成视线遮挡，道路线形应能自然地诱导驾驶人的视线，并保持视觉的连续性，最大限度地保证行车安全；行车过程中存在颠簸、横向倾斜感会影响驾驶人的驾驶心理和驾驶舒适性。要获取驾驶人的行为数据，可以使用眼动仪、生理仪、脑电仪等设备进行综合评估。眼动仪可以识别驾驶人的面部图像，计算驾驶人的表情、头部转动和眼睑开合度，获取主客观的眼动追踪、表情识别等数据。市场上在驾驶行为研究中常用的眼动仪有遥测式眼动仪和可穿戴眼镜式眼动仪。生理仪可全面记录驾驶人的生理数据，包括心电、皮电、肌电、脑电、心跳脉搏、呼吸等。脑电仪能够更准确地监测驾驶人的大脑活动，可分析性更强。

客观评价

评价道路安全性最可靠的指标是交通事故的数量及严重程度，但事故是小概率事件，难以在短时间内获取足够的样本。同时由于事故形成机理复杂，影响因素众多，即使采集到足够的历史事故数据，也很难将事故与道路几何设计参数之间进行直接的关联分析。为了量化地研究线形组合道路设计参数的安全性，考虑引入安全替代指标。安全替代指标指的是与交通事故之间具有同致因关系、且可以通过统计模型构建定量预测关系的各类危险事件，这些危险事件可以基于运行曲线进行提取。安全替代指标应同时考虑纵向行车安全性、横向行车安全性。纵向行车安全性评价指标包括最大车速差、纵向加速度。横向安全性评价的指标包括横向加速度、轨迹偏移标准差。2023年，中华人民共和国交通运输部发布的《基于驾驶模拟技术的公路线形评价指南》对评价标准做了统一：^[3]

同时，《指南》提供了应用实例。在基于交通行为虚拟现实平台的湖南永吉高速公路设计驾驶安全及舒适性评价中，研究人员利用虚拟现实建模技术在驾驶模拟器环境中构建了永吉高速公路，并展开模拟驾驶实验，采用客观分析方法对设计中的永吉高速的舒适性、宜人性进行评价，形成如下图示的评价指标随公路里程变化的折线图。

永吉高速公路评价指标随公路里程变化的折线图

特殊路段的评价

在公路线形评价中，除了常见路段的线形评价，还设计到一些特殊路段的线形评价，比如桥梁、隧道、互通式立体交叉。

桥梁

一般情况下，在整条路段中，桥梁作为道路中的构筑物，无需基于驾驶模拟技术开展专门的线形安全性评价，但当存在以下情况时，需要对桥梁的线形安全性进行评价：当桥梁的纵坡或坡长接近极限值时、当桥梁较长且位于常年或瞬时风力较强的地区时、当桥梁为跨海跨江大桥处空气湿度较大昼夜温差大的地区时、桥头引道或桥梁的横断面发生变化时、桥梁纵坡坡度较大或坡长较长时。

隧道

当公路隧道的照明尤其是洞口处的照明对车辆行驶安全的影响很大时，隧道会产生“黑白洞效应”从而影响驾驶人的视觉功能，因此需要对隧道开展专门的安全性评价。同时，隧道标志如预告标志、突起路标、隧道出口距离标志等是降低高速公路隧道高事故率和死亡率的有效措施，需重点开展基于眼动特性指标的评价。

互通式立体交叉

由于互通式立体交叉存在多种可选的行驶路径组合，驾驶人以不同路径途经同一路段时的驾驶任务不同，因此评价范围应遍历所有可能途经的路径。互通立交出口区域是车辆进行分流，最终完成路径选择的关键区域，如果驾驶人对路径选择不明确，在这一区域就会犹豫观望，采取突然减速、紧急变道甚至违法停车和倒车，严重影响交通安全。因此对于出口区域预告标志系统，主要评价标志版面形式的一致性、预告次数和标志设置位置等关键设计属性对驾驶人的影响。

对于特殊路段的评价，可以使用SILAB驾驶模拟仿真软件仿真模拟。该软件的环境场景与交通设置模块可为汽车提供驾驶环境，包括声音、天气、场景、智能车辆、道路、天空等模型，还对建筑物等模型设置碰撞体，同时设置智能车辆在不同场景中的行驶路线、速度和数量，尽量符合真实驾驶环境。周围环境与设施包含场景中虚拟的背景交通车辆，以及信号灯、标志牌、路面标志标线等交通辅助设施，收集的数据信息主要为纵向数据（速度、加速度、位置等）、横向数据（方向盘转角，水平偏移等）和状态信息（高级辅助驾驶系统、道路环境等），后期分析时可以根据具体实验要求筛选所需数据。

此外，它可以模拟多种天气环境如晴天、阴天、雨、雾、雪、雷电等，模拟不同湿度条件下的路面反光与镜像效果，并能根据不同的天气环境清晰显示路面车辙、水面波纹等效果。SILAB还能根据一天不同的时间做到日光、灯光及阴影的仿真，达到逼真的路面显示。SILAB能做到多种交通设施的仿真，能以现实的城市交通道路为基础，不但能搭建城市交叉路口、高速道路等基础交通路网，还能构造桥梁、隧道、挡土墙、人行道等复杂多样的路网。SILAB支持添加交通标志牌、景点指示牌、服务区指示牌、道路标线、地面限速标识等场景素材，并有夜景模式功能，可搭建主/被动发光标志牌、诱导牌、导向牌道路、发光道钉等。用户可以自定义修改强度、照射范围等灯光参数，批量添加模型，方便快捷。

软件还支持编辑每个交通参与者的行为，包括车辆和行人，支持复杂的、可变的行为编辑。SILAB支持多种汽车仿真物理模型，如小轿车、厢式车、巴士、卡车、功能车、有轨电车、自行车、电动车、摩托车等。同时，SILAB支持动态交通参与者的行为的仿真，能精确定义每个交通要素，如交通信号灯等动态变化，用户可以根据需求建立出完全满足自己要求的动态交通场景。

交通参与者模拟

以上是我们对公路线形设计安全性评价的分享，希望对您有所帮助！如需获取相关设备方案及报价，欢迎致电4006-111-556详询！参考文献：[1]公路几何设计与交通安全[2]Wang X, Ye X, Wang X. The Effect of Motion System on Driver Performance in Simulated Driving[C]// Transportation Research Board 99th Annual Meeting, Washington D.C., USA,2020 1.12-16.

[3]中华人民共和国交通运输部《基于驾驶模拟技术的公路线形评价指南》