（交通运输规划与管理专业论文）视知觉理论模型在中长隧道进口安全改善中的应用.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特互l l j ) j i l 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：名垒姿：f i 期：! 型! 竺! ? 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：弓石文字扒导师( 签名) ：日期泌叶t 日3 目 觏包 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着交通事业的发展，我国已成为世界上隧道发展最快、最多、最复杂的 国家，截至2 0 0 8 年底，全国共有公路隧道4 6 7 3 处，其中中长隧道占所有隧道 总数的2 9 2 。高速公路隧道进口是交通的瓶颈，隧道多在山区，隧道前后线型 复杂多变，隧道内外的驾驶员视觉环境的突然改变，导致恶性连环交通事故频 繁发生。我国隧道交通事故死亡人数居世界首位，万车死亡率是发达国家的数 倍乃至1 0 倍以上。隧道进口的交通安全形势非常严峻，需要采取有效措施予以 改善。基于以上情况，本文以国家自然科学基金项目( 基于视觉光流率和边缘 率的车速控制理论与方法研究) 和湖北省交通厅科技项目( 基于驾驶员视知觉 的低成本长大隧道交通事故预防技术) 为依托，对视知觉理论模型在中长隧道 进口安全改善中的应用开展研究。 本文在桥隧比为4 5 7 1 的十漫高速公路上选取有代表性的隧道进口作为实 验路段。首先对隧道进口的道路环境特征、交通流特征、驾驶员的视觉特性和 评价方法进行了分析；接着对隧道进口交通事故的时间、空间、形态、原因等 特征进行了分析；基于调查数据准确全面的原则，采用实验仪器a u t o s c o p e 和 n c 2 0 0 观测为主，人工观测测量进行校核的方法，对隧道进口的交通环境，行 车速度、行车轨迹在时间和空间上的分布等进行了详尽的调查。 根据行车速度调查结果和事故原因分析，隧道进口的事故原因主要是超速 行驶，而隧道进口的超速率达到了6 0 左右，因此降低车速是隧道进口交通安 全改善的重要方法。降速目标是在隧道进口前一段距离就将超速车辆的v 8 5 速度 降低到安全的范围之内，而在进口前1 0 0 米到进口后2 0 0 米路段，则尽量使车 辆匀速行驶，降低速度的离散性。 介绍了基于驾驶员视知觉的控速原理和控速模型，车道保持原理和车道保 持模型。并且根据计算机模拟实验的结果，在道路上进行多次行车实验，对模 型中的一些参数进行标定和修正。并且采用标定过的模型对隧道进口前的车速 进行降速设计。 根据改善方案，在隧道进口前进行施工，将控速边缘线按照设计要求铺设 好。在施工完成后对隧道进口路段的速度、轨迹、驾驶员视觉特征等进行调查 分析。通过分析实验数据的分布规律和变化规律，实验前后数据的比较，结果 武汉理工大学硕士学位论文 显示，控速边缘线铺设后，速度较大幅度降低，超速率得到降低，速度离散性 也得到了减小，与实验预期的结果基本一致。根据标定的模型和实验验证结果， 可以对隧道进口的交通安全进行改善。 关键词：隧道进口；驾驶员视知觉；速度控制；车道保持；行车实验 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et r a n s p o r t ，c h i n ah a sb e c o m eo n eo ft h ec o u n t r i e s w i t ht h ef a s t e s t g r o w i n ga n dl o n g e s tc h a n n e l si nt h ew o r l d a f t e r2 0 0 8 ，t h e r ew e r e 4 ，6 7 3r o a dt u n n e l s ，a l m o s tm o r et h a n2 ，5 5 5 ，5 0 0m e t e r si nc h i n a ，2 9 2 o fw h i c ha r e l o n g e rt h a n5 0 0m e t e r s t h ee n t r a n c eo ft u n n e l si nt h em o u n t a i na r e a s ，w i t ht h e c o m p l e xr o a dl i n ea n dt h es u d d e nc h a n g eo fv i s u a le n v i r o n m e n t ，i st h eb o t t l e n e c ko f t h eh i g h w a y , w h e r ev i c i o u sa n ds e r i a lt r a f f i ca c c i d e n t so c c u r r e df r e q u e n t l y a st h e d e a t hr a t ep e rm i l l i o nc a r so ft u n n e l si nc h i n ai so v e r10t i m e sm o r et h a nd e v e l o p e d c o u n t r i e s ，t h es a f e t ys i t u a t i o na tt h ee n t r a n c eo fm e d i u m l o n gt u n n e l si ss e v e r ea n d i m p r o v e m e n tm e a s u r e sn e e dt ob et a k e n i nt h i sc a s e ，v i s u a la n dp e r c e p t i o nt h e o r yi s a p p l i e di ns a f e t yi m p r o v e m e n tf o rt h ee n t r a n c eo fm e d i u m - l o n gt u n n e l s ，w h i c hi s s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u a ls c i e n c ef o u d a t i o no fc h i n aa n dd e v e l o p m e n t p r o j e c t so f h u b e ic o m m u n i c a t i o n sd e p a r t m e n t s e l e c tr e p r e s e n t a t i v et u n n e le n t r a n c ea st h ee x p e r i m e n t a ls e c t i o n so ns h i m a n h i g h w a y f i r s t l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o a de n v i r o n m e n t t r a m cf l o wa n dd r i v e r v i s u a l sa tt h et u n n e le n t r a n c ea r ea n a l y z e d t h e nt h et i m e ，s p a c e ，m o r p h o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e a s o n so ft r a f f i ca c c i d e n t sa r ed e s c r i b e d m e a s u r ei n s t r u m e n t s ， s u c ha sn c 2 0 0a n da u t o s c o p ea r eu s e df o rt r a f f i cf l o wi n v e s t i g a t i o n ，a n dm a n u a l o b s e r v a t i o ni sc a r r i e do u tf o rd a t aa c c u r a c y a c c o r d i n gt oad e t a i l e di n v e s t i g a t i o no n t r a f f i ce n v i r o n m e n t ，t r a v e ls p e e d ，d r i v i n gt r a c k ，a n dd r i v e r s v i s u a lc h a r a c t e r i s t i c sa t t h et u n n e le n t r a n c e ，t h er e a s o n sf o rh i 曲f r e q u e n c yo ft r a f f i ca c c i d e n t sa r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt oi n v e s t i g a t i o n ，o v e r s p e e di st h em o s tc o m m u nr e a s o nf o rt r a f f i c a c c i d e n t sa tt h et u n n e le n t r a n c e w i t ht h eo v e r s p e e dr a t eo f6 0 ，s p e e dc o n t r o l m e a s u r e ss h o u l db et a k e nt oi m p r o v et r a f f i cs a f e t ya tt h et u n n e le n t r a n c e o nt h er o a d s e c t i o n30 0m e t e r sa r o u n dt h et u n n e le n t r a n c e v 8 5i sl o w e rd o w nt oar e a s o n a b l e r a n g ea ss o o na sp o s s i b l et ok e e ps p e e dc o n s t a n ta n dr e d u c es p e e dd i s c r e t e b a s e do nd r i v e rv i s u a la n dp e r c e p t i o nt h e o r y , t h es p e e dc o n t r o la n dl a n ek e e p i n g m o d e l sa r ei n t r o d u c t e d a c c o r d i n gt oc o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ec a l i b r a t i o na n d c o r r e c t i o no f m o d e lp a r a m e t e r sa r em a k e na f t e rd r i v i n gt e s to nt h er o a d i i i 武汉理工大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h ei m p r o v e m e n tr e q u i r e m e n t s ，t h es p e e dc o n t r o le d g ei sp u tu p a t t h et u n n e le n t r a n c e a f t e rt h ec o n s t r u c t i o n ，i n v e s t i g a t i o no nt r a v e ls p e e d ，d r i v i n gt r a c k a n dd r i v e r s v i s u a lc h a r a c t e r i s t i c si sc o n d u c t e d r e s o u r c e ss h o wt h a tt r a v e ls p e e dh a s s l o wd o w na n ds p e e dd i s p e r s i o nh a sb e e nr e d u c e ds i g n i f i c a n t l ya f t e ru s i n gt h es p e e d c o n t r o le d g e ，w h i c hi sc o o r d i n a t e dw i t he x p e c t e de f f e c t a c c o r d i n gt o m e t h o d m o d i f i c a t i o na n de n v i r o n m e n tv a l i d a t i o n ，t h et r a f f i cs a f e t yi m p r o v e m e n tm e a s u r e sa r e r e a s o n a b l e k e yw o r d s ：e n t r a n c eo ft u n n e l ；d r i v e r sv i s u a la n dp e r c e p t i o n ；s p e e dc o n t r o l ；l a n e k e e p i n g ；d r i v i n gt e s t ；p r o g r a md e s i g n i v 武汉理工大学硕士学位论文 口罩 日刊k ： 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 隧道进口交通事故分析2 1 2 2 隧道进口视觉震荡及解决方法3 1 2 3 驾驶员在隧道进口交通事故中的作用3 1 2 4 车速控制理论与方法4 1 2 5 驾驶员车道保持研究5 1 3 研究内容及思路6 1 3 1 研究目标6 1 3 2 主要研究内容一6 1 3 3 研究思路7 第2 章隧道进口环境特征及驾驶员视觉特性8 2 1 隧道进口环境特征8 2 2 隧道进口驾驶员视觉特性1 0 2 2 1 驾驶员的动态视觉特征1 0 2 2 2 驾驶员眼动评价方法1 2 2 3 隧道进口交通事故特征13 2 3 1 隧道交通事故空间分布特征1 3 2 3 2 隧道交通事故时间分布特征1 4 2 3 3 隧道交通事故形态特征15 2 3 4 隧道交通事故车辆类型特征1 6 2 3 5 隧道交通事故原因统计1 6 2 4 本章小结1 7 第3 章隧道进口基础数据调查1 8 v 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 实验路段的选取1 8 3 2 隧道进口环境调查1 9 3 2 1 调查方案设计1 9 3 2 2 调查结果分析1 9 3 3 隧道进口速度调查2 2 3 3 1 调查方案设计2 2 3 3 2 调查数据统计分析2 3 3 4 隧道进口行车轨迹调查2 8 3 4 1 调查方案设计2 8 3 4 2 调查数据统计分析3 0 3 5 隧道进口驾驶员生理心理调查3 2 3 5 1 调查方案设计3 2 3 5 2 调查数据统计分析3 4 3 6 本章小结3 7 第4 章基于驾驶员视知觉的安全理论模型3 9 4 1 车速控制理论模型3 9 4 1 1 限速边缘线设计原理3 9 4 1 2 边缘率设计模型4 0 4 2 直线路段的模型标定4 1 4 3 隧道和弯道路段的模型标定4 2 4 3 1 试验设计4 2 4 3 2 试验过程4 4 4 3 3 试验结果4 5 4 4 车道保持理论模型4 6 4 5 本章小结4 6 第5 章隧道进口安全改善方案4 8 5 1 隧道进口行车速度改善方案4 8 5 1 1 隧道进口限速车型的选取4 8 5 1 2 隧道进口限速值的确定4 9 5 1 3 隧道进口限速起止地点的确定5 0 v 1 武汉理工大学硕士学位论文 5 1 4 隧道进口边缘线铺设方案5 1 5 2 控速设计期望5 4 5 3 铺设边缘线施工过程5 5 5 4 隧道进口行车轨迹改善方案5 6 5 5 本章小结5 6 第6 章隧道进口改善效果评价5 8 6 1 行车速度改善效果评价5 8 6 1 1 隧道进口改善后车速分布规律5 8 6 1 2 实验设计符合性检验5 9 6 2 实验效果分析6 0 6 2 1 不同速度区间的速度变化分析6 0 6 2 2 实验前后速度变化对比分析6 4 6 3 行车轨迹改善效果评价6 8 6 4 驾驶员生理心理改善效果评价7 0 6 5 本章小结7 2 第7 章结论与展望。7 4 7 1 主要研究结论7 4 7 2 主要创新点7 4 7 3 需要进一步研究的问题7 5 致谢7 6 参考文献7 7 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研情况。8 2 v i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着交通事业的快速发展，我国己成为世界上隧道发展最快、最多、最复 杂的国家，截至2 0 0 8 年底，全国共建成公路隧道4 6 7 3 处、总长度达到2 5 5 5 5 万延米，其中有长隧道6 0 7 处，中隧道7 5 8 处，中长隧道占所有隧道的2 9 2 。 高速公路隧道进口是交通的瓶颈，由于驾驶员视觉环境的突然改变，容易引起 交通事故，而且隧道多在山区，隧道前后常常不可避免的连接曲线，复杂的线 型则更加容易导致恶性连环交通事故频繁发生。隧道进口处事故率是隧道内事 故率的2 3 倍，也远高于其他一般路段。2 0 0 7 年全国公路隧道发生交通事故4 3 4 起，死亡人数1 2 9 人，受伤人数5 5 7 人，事故死亡人数居世界首位，万车死亡 率是发达国家的数倍乃至1 0 倍以上。在我国，超过3 0 0 0 米的特长隧道不多， 而短隧道由于长度在5 0 0 米以内，隧道内外明暗变化不大，对交通安全的影响 较小，因此中长隧道的进口交通安全形势最为严峻。 隧道进口是交通事故多发地段，事故形态主要是追尾碰撞、撞隧道壁、车 辆侧碰；交通事故的主要原因是车辆超速，非正常偏离轨道，驾驶员的视觉震 荡和速度差。因此要提高隧道进口的交通安全，就必须采取有效地措施进行限 速、车道保持、降低速度差。视觉信息是驾驶员从外界获取的最主要的信息， 比例达到9 0 以上，驾驶员对车速及车辆位置的感知主要通过周边的视觉信息， 然后进行判断、决策、行动。可见，从驾驶员的视知觉出发能有效地诱导驾驶 员控制车速、保持车道等。在前人研究的基础上，武汉理工大学交通学院的朱 顺应教授、刘兵、孙琴梅、周孝波等对基于驾驶员视觉光流率边缘率的车速控 制、车道保持、车距保持的机理和设计模型进行了系统的研究，形成了一整套 较为完整理论与方法，并且通过模拟实验得到了较好的论证。然而不足的是， 他们都还缺少实际行车实验，模拟实验和实际行车会存在一定的误差。因此将 这些设计理论具体应用于隧道进口的交通安全改善，通过隧道进口的实际行车 实验，比较分析各个设计方案的优劣，不仅可以提高隧道进口的交通安全水平， 也对基于驾驶员视知觉的限速、车道保持理论进行了验证和完善，对该技术的 推广和应用起到积极地作用。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 隧道进口交通事故分析 马壮林，张生瑞，赵友功，王超深等【1 2 一 对2 0 0 3 年和2 0 0 4 年间的京珠高 速公路韶关段的多个隧道交通事故进行统计，结果显示隧道进口前后 l o o m 2 0 0 m 区间是事故高发地段，事故频数明显高于其他各段。a m u n d s e n 【4 j 在 对1 9 9 2 1 9 9 6 年间挪威5 8 7 条公路隧道的事故资料研究后，发现隧道出人口处的 事故率比隧道内的事故率高2 3 倍。其他研究人员通过统计研究也普遍认为隧 道进口的事故率高于隧道内部和其他一般路段，是急需改善的事故黑点。 在事故的形态和事故原因方面，马壮林【lj ，张生瑞 2 j ，王辉，刘浩学，赵炜 华，丁光明，刘凯峥【5 ，张玉春，何川，吴德兴，曾艳华【6 】等对隧道交通事故形 态进行统计分析，结果表明，在隧道交通事故中追尾碰撞事故最多，占所有交 通事故的5 7 4 ；其次是撞隧道壁和车辆侧碰，占2 3 。王辉【5 j 等通过对全国2 6 2 起隧道交通事故的事故原因进行统计分析发现，隧道交通事故的主要原因是小 型车超速。 文献【6 。1 4 j 通过研究驾驶员引发的交通事故，认为驾驶员在隧道进口的暗适应 和出口的明适应是事故的重要因素。马壮林【l 】，张生瑞【2 ，王辉，刘浩学，赵炜 华，丁光明，刘凯峥 5 】，张玉春，何川，吴德兴，曾艳华 6 】等对隧道交通事故形 态进行统计分析认为，驾驶员视觉出现障碍是事故的重要原因，同时车速过快， 使驾驶员看不清前面车辆或者来不及刹车导致前后车辆相撞或者侧向撞上隧道 壁。杜志刚【1 4 通过实际行车实验和理论分析将由于明暗适应过程中瞳孔面积变 化速度超过视觉适应能力而造成的视觉障碍定义为视觉震荡，并通过实际行车 实验得出了视觉震荡和速度成正比的结论。可见，隧道进口驾驶员的视觉震荡 对隧道进口的交通事故有着重要的影响。 由以上事故形态和事故原因分析得知，超速、车辆非正常偏离行驶轨道、 速度差、驾驶员的视觉震荡是隧道进口交通事故的主要原因。因此要降低隧道 进口交通事故，就要采取措施使车辆降低车速，保持车道，减少速度差，保持 车距，减少驾驶员的视觉震荡。 速度差主要是由快慢车速度不一致造成的，因此除了保持车距外，对快车 进行限速可以减少速度差；而研究表明，降速可以有效减低视觉震荡的影响。 因此隧道进口的交通安全，可以从车速控制、车道保持、车距保持三方面来进 2 武汉理工大学硕士学位论文 行改善。 1 2 2 隧道进口视觉震荡及解决方法 驾驶员视觉出现障碍是隧道进口交通事故的重要原因，杜志刚【lo 】将由于明 暗适应过程中瞳孔面积变化速度超过视觉适应能力而造成的视觉障碍定义为视 觉震荡。视觉震荡不仅和驾驶员的年龄、性别【1 5 1 6 , 1 7 】、照度【1 4 1 8 】有关，也受到 车辆行驶速度的影响。潘晓东，杜志刚，杨轸，郭忠印，郭雪斌【1 4 , 1 9 - 2 5 】等人研究 了隧道进口的驾驶员视觉明暗适应现象，利用眼动仪对驾驶员的瞳孔面积变化 速度、注视点等进行了研究，并通过实际行车实验得出了视觉震荡和速度成正 相关的结论。张生瑞，赵友功，王超深【3 等通过统计测量，分析了隧道进口事故 和车速的关系，发现速度越大，事故率越高，得出随着速度的增加，驾驶员的 视觉障碍( 视觉震荡) 也变严重，事故随之增多的结论。马玉成，孔令旗，郭 忠印【1 3 】为了减少驾驶员的视觉明暗适应时间，提高交通安全，推导了有利于减 轻驾驶员的视觉明暗适应的速度限制值。张殿业，戴明森，金键【2 6 】对暗适应和 夜间安全行车速度进行测试，结果表明：暗适应时间和行车速度成正相关关系， 速度越高，暗适应时间越长；驾驶员的暗适应能力越好，可以接受的行车速度 越大。 综上所述，隧道进口驾驶员的视觉震荡对隧道进口的交通事故有着重要的 影响，而车辆速度对视觉震荡的影响非常大。因此，降低中长隧道进口的行车 速度，可以降低视觉震荡对驾驶员的影响，同时还可以减少车辆制动距离和驾 驶员的操作难度，能够大力改善隧道进口的交通安全。 1 2 3 驾驶员在隧道进口交通事故中的作用 高速公路隧道进口的交通事故的原因极其复杂，诱发因素主要有人为因素、 车辆因素、路面因素、隧道线形因素、灯光照明因素、公路设施不全等。但从 总体来说，道路交通系统是由人、车、路和环境等要素构成的一个动态系统， 在这个系统中，任何因素的不可靠、不平衡、不稳定都可能导致种种冲突与矛 盾，从而引发通事故。所以，本文从驾驶员、车辆和道路环境这三个方面进行 事故发生原因的分析。 许多学者从隧道进v i 道路环境的各个方面来研究交通安全【2 7 。0 1 ，而文献 3 , 7 , 1 3 】等从车辆方面进行事故原因分析。 武汉理工大学硕士学位论文 更多的学者从驾驶员的方面进行研究，驾驶员因素在事故中的直接表现为 超速、超车、急刹车、随意停车、超载、疲劳驾驶等违章操作驾驶行为。王辉， 刘浩学，赵炜华，丁光明，刘凯峥9 】等研究发现超速是引起隧道交通事故主要原 因；超载、超车、随意停车、急刹车、及疲劳驾驶等违章行为在事故中占很大 比例，为2 7 2 。总体来看，与驾驶员有关的因素占到8 0 以上，文献【1 , 2 , 3 , 3 1 也 都得出交通事故因素主要与人有关的结论。视觉震荡也是影响隧道进口交通安 全的重要因素，杜志刚在研究隧道进口驾驶员的视觉震荡中发现，5 6 9 的暗适 应样本和2 9 2 的明适应样本存在视觉震荡现象 14 1 ，视觉震荡和其他驾驶员因素 加在一起后比例会更高。 8 0 9 0 的外部世界信息主要通过驾驶员的视觉获得的 3 2 , 3 3 ，视觉是驾驶 员获取道路环境信息最重要的途径。任福田，刘小明，荣建【3 4 j 等通过交通事故 统计表明，在发生交通事故的直接原因或者间接原因中，有8 0 以上与驾驶员 视觉有关。韩飒【3 5 】分析得到各种感觉器官给驾驶员提供交通信息数的比例分布： 视觉占8 0 ，听觉占1 4 ，触觉占2 ，味觉占2 ，嗅觉占2 。可见，如何从 驾驶员这个车速控制主体、事故主因出发，改善其视知觉信息，使之在隧道进 口自主的控制车速、保持车道，对减少事故次数和事故强度，具有重要的现实 意义。 综上所述，驾驶员的因素是引起隧道进口交通事故的主要因素。因此，在 隧道进口的安全改善中必须从驾驶员这个事故主因出发，通过驾驶员的视知觉 合理诱导，才能够有效减少交通事故数和降低事故强度，提高隧道进口的交通 安全。 1 2 4 车速控制理论与方法 对行车速度的控制值，通常情况下采用v 8 5 限速 36 3 7 j 。在普通路段上控制车 速的方法较多，主要有从车出发的自适应巡航控制系统 38 ，3 9 j 、智能速度辅助系统 4 0 1 、新型车速表4 1 ；也有从路出发的改变道路线形、雷达测速 4 2 , 4 3 , 4 4 】等；还有 从驾驶员出发的有警告交通标志、知觉缩减车道宽、超速抓拍系统、触觉振动 减速带 4 5 , 4 6 , 4 7 等。由于这些车速控制方法本身的限速效果、造价等限制，同时由 于隧道出入口的交通环境复杂等原因，目前经常用于隧道进口控制车速的措施 主要有振动减速带 4 8 , 4 9 , 5 0 】、限速标志 5 1 , 5 2 , 5 3 , 5 4 】、超速抓拍以及其他一些新型限速 方法 5 5 , 5 6 ，而且这些方法均存在一定程度的不足和缺陷 5 7 , 5 8 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 视知觉降速措施成本较低，比较适合我国目前的经济发展需要，目前国内 外采用的视知觉降速措施种类很多，归结起来主要有以下两种类型：( 1 ) 知觉 缩减车道式减速技术【5 9 , 6 0 , 6 1 】，本技术缺少完善的理论支撑，在实际应用过程中出 现了矛盾和冲突5 7 , 5 8 】；( 2 ) 知觉速度增加式减速技术 诈6 9 1 ，在设计理论和工程应 用中取得了一定的效果，但是都没有形成完整的理论和设计模型【5 7 弱j 。 武汉理工大学交通学院的孙琴梅【57 1 、刘兵【5 8 1 ，针对前人研究中出现的缺陷 和矛盾，根据光流率边缘率的定义，研究了时空频率对物理速度和感知速度的 关系，阐明了边缘率对速度感知的作用机理。结合道路实际环境，对边缘率在 交通领域中的体现形式以及其度量方法和控制参数进行了提炼和归纳，分别推 导了直线段和曲线段的车速与视觉边缘率的关系模型，并且通过制作场景实验， 对模型进行了模拟验证。 从以上叙述可知，基于驾驶员视觉光流率和边缘率的限速措施，其合理设 计可让驾驶员在经验车速、车距不变下降低车速、维持安全车距，是一种新兴、 效果明显且较容易普及的低成本限速措施，刘兵和孙琴梅已经建立了完整的基 于光流率和边缘率的限速理论和设计模型，并且通过计算机模拟进行了验证。 但是计算机模拟和实际行车存在很大区别，因此，在隧道进口路段进行限速设 计实际行车实验，可以为隧道进口路段的安全改善提供新的方法，也可以验证 完善基于驾驶员视知觉的限速理论和设计模型。 1 2 5 驾驶员车道保持研究 目前已建道路上用于驾驶员车道保持的措施主要有两种：在车辆上安装 智能仪器，通过机器视觉来辅助驾驶员进行车道保持；在道路边缘设置振动 路肩，当驾驶员偏离车道时车辆就会产生振动并发出“隆隆声”，从而提醒驾驶员 注意保持车道。两种措施都能在一定程度上改善了驾驶员的驾驶行为，但都存 在一定的局限性垆引。 武汉理工大学交通学院的朱顺应教授、刘兵筘引、周孝波等，在目前的基于 驾驶员注视点和注意力分布特征的车道保持理论【7 0 。7 3 ；和基于光流和视网膜流 出发的车道保持理论【7 4 。8 0 的两种驾驶员车道保持研究理论的基础上，针对两种 理论的缺陷和矛盾，从驾驶员生理心理出发，根据驾驶员注视点分布、车道保 持有效视觉区域、光流场、视网膜流场等特征，确定驾驶员车道保持的视觉因 子及其重要度与视觉输入变量，解析了基于驾驶员视知觉信息的车道保持机理， 武汉理工大学硕士学位论文 建立视觉信息与驾驶员车道保持行为关系，建立基于路上驾驶员视觉信息的车 道保持行为改善的设计方法，确定了相关设计参数，并且通过模拟实验进行了 验证。但是计算机模拟和实际行车存在很大区别，因此，在隧道进口路段进行 车道保持设计实际行车实验，可以为隧道进口路段的安全改善提供新的方法， 也可以验证完善基于驾驶员视知觉的车道保持理论和设计模型。 1 3 研究内容及思路 1 3 1 研究目标 本文的主要目标包括以下两个部分： 1 ) 将设计理论实际应用于中长隧道进口，得到中长隧道进口的安全改善方 法，并且通过行车实验验证： 2 ) 对基于驾驶员视知觉的限速模型车道保持模型进行实际行车实验验证， 并且对原设计理论模型进行修正完善。 1 3 2 主要研究内容 根据研究目标，本课题主要做以下几个方面的研究工作： 1 ) 中长隧道进口的视觉环境特征和事故特征分析 根据隧道路段事故统计资料分析隧道进口的事故空间分布、事故形态、事 故原因等特征，明确引起中长隧道进口交通事故的主要因素，分析中长隧道进 口路段各种改善方案的优缺点和实用性。 2 ) 中长隧道进口的视觉特征和环境特征分析 分析高速公路中长隧道进口的环境特征和视觉特征，比较其与普通隧道的 不同点。 3 ) 模型参数标定与验证 对在隧道进口处应用的模型进行参数标定。 4 ) 中长隧道进口安全改善方案分析 通过中长隧道进口的事故形态和原因分析，并参照实验道路的实际道路交 通环境，研究能有效减少交通事故的改善方案：限速值的大小，车道保持中对 行车轨迹的要求；各种改善措施的起止地点等。 5 ) 中长隧道进口基于驾驶员视知觉的安全改善措施 根据中长隧道进口安全改善方案和实际平纵曲线的特点，运用基于驾驶员 武汉理工大学硕士学位论文 视知觉的车速控制模型、车道保持模型，对各种改善方案进行具体设计。 6 ) 行车实验验证改善效果 为了验证各种改善措施是否取得了预期的效果，将改善设计运用到工程实 践，进行实际行车实验，通过采集车辆的速度，行车轨迹，车辆距离，速度差， 驾驶员的视觉震荡等数据，将其和预期值进行比较，来分析对中长隧道进口交 通事故的改善效果，并且以之判断几种模型的有效性。 7 ) 对各个模型进行修正完善 将行车实验得到的各种数据和模型预期的值进行比较分析，找出原有模型 的缺陷和不足，分析其原因，对原有模型进行修正完善。 1 3 3 研究思路 在明确研究题目的前提下，通过查阅相关的国内外文献，对研究课题有一 个基本的认识。在此基础上，进行实地考察及相关调查，搜集相关信息。对文 献查找和实地搜集的资料结果进行综合整理，通过比较分析国内外的理论与方 法，得出本论文的主要技术路线框图如下。 隧道进口事故隧道进口环境隧道进1 2 1 视觉1 特征特征 特征 0 车速过快视觉震荡速度差车道偏离 j l 基于驾驶员视知觉 车速控制车道保持l 的车速控制模型 j i 基于驾驶员视知觉 j曲蓥谢：士音安 l l 的车道保持模型 ，1 以晋吸月采 i 、 j ( 实际行车实验 ) i 修下完善卜否 1 5 ( t c s ) 驾驶员的主没有不舒 观感觉适 稍有不舒适不舒适很不舒适极不舒适 对于隧道进口，当t c i s 时，可视为严重视觉震荡，驾驶员基本看不清周围情况，因此极易 发生交通事故【17 1 。 2 3 隧道进口交通事故特征 对隧道交通事故的分析主要从事故时空分布、事故形态特征、事故车辆类 型统计、事故原因分析等几个方面来进行。 由于十漫高速公路建成通车刚两年，且车流量较小，路段上发生的交通事 故较少，构成不了事故统计的条件。隧道进口的道路环境相差不大，交通事故 具有相似性，所以本文对事故的分析，主要借鉴于其他建成多年的隧道的事故 数据。 2 3 i 隧道交通事故空间分布特征 对隧道交通事故的空间分布特征进行分析，可以掌握交通事故在不同位置 的分布情况，更好的了解隧道进口的交通事故特征。通过国内典型隧道发生的 多起交通事故归纳统计分析显示，隧道进口外10 0 m 至洞内2 0 0 m 路段事故分布 比较集中 1 】，事故分布如图2 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 隧道入口段交通事故分布 由图可见，事故数在隧道进口前2 0 0 米左右开始增加，在隧道入口内1 0 0 米左右达到最多。主要原因在于：车辆进入隧道时，路面条件和道路环境的突 然变化容易引起判断失误和操作失误；由于驾驶员的反应时问和制动距离等原 因，交通事故在隧道内1 0 0 米最多。 2 3 2 隧道交通事故时间分布特征 ( 1 ) 白天事故多 白天车速高，隧道内外的照度差大，容易发生视觉震荡，且驾驶员容易产 生麻痹大意心理，所以隧道进口白天发生交通事故的概率显著比夜间高3 。隧 道进口交通事故在时间上的分布规律如下图。 图2 3隧道入口段交通事故时间分布 从图2 3 可以看出，隧道进口的交通事故在以下三个时段高发：5 ：0 0 7 ：0 0 ， 9 ：0 0 1 0 ：0 0 ，1 5 ：0 0 1 7 ：0 0 。这三个时段占全天交通事故发生总量的4 1 0 5 。 5 ：0 0 7 ：0 0 和1 5 ：0 0 1 7 ：0 0 容易发生交通事故的主要原因是疲劳驾驶和视线不清； 9 ：0 0 1 0 ：0 0 期间发生交通事故的最主要原因是超速行驶和视觉障碍【3 1 l 。 ( 2 ) 雨天事故多 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 高速公路隧道交通事故统计资料显示，雨天交通事故要高于晴天，雨天路 面和车轮之间形成一层水膜，摩擦系数变低；同时雨天的能见度也低，驾驶员 往往不能很好的掌握隧道进口前后的道路状况【3 4 1 。 ( 3 ) 春、冬季事故多 根据统计资料，在春、冬两个季节隧道交通事故也较多。主要原因是春季 降雨多，路面摩擦系数低，能见度也低。在冬天较冷地区，路面结冰是引起交 通事故高发的主要原因【3 4 1 。 2 3 3 隧道交通事故形态特征 根据高速公路隧道的行车特点，同时为了便于分析研究，众多研究者普遍 将高速公路隧道交通事故形态分为追尾碰撞、撞隧道壁、翻车、失火和其它等 几种形态。通过对国内京珠高速上的隧道的交通事故进行分析1 1 ，得到交通事故 形态的分布情况如图2 4 所示。 图2 4 隧道交通事故形态 由图可以看出，隧道进i 口的交通事故中，追尾相撞事故比例最大，占事故 总数的5 7 4 6 。其次是撞嘲道壁，占事故总数的2 9 。追尾相撞主要是由于车 辆在通过隧道进口时会减速，而跟车车辆没有减速或者减速不及时，就会发生 追尾事故。当车辆快要撞上前面车辆时，驾驶员为了避开前面车辆防止碰撞会 急打方向盘，然而车辆速度非常快，隧道在横向空间基本上没有闪避危险的余 地，车辆往往会撞上隧道壁；车辆进入隧道驾驶员视觉发生障碍时，驾驶员一 般都拿稳方向盘保持车辆行驶方向不变，如果隧道线型是曲线而非直线，则车 辆很可能就撞上隧道壁。所以总体来看，大多数的事故都与车辆行车速度高有 关。 武汉理工大学硕士学位论文 侧翻、失火和其他事故形态可能由以上两种事故导致发生，也可能是其他 原因引起，由于所占比例较小，不做重点分析。 2 3 4 隧道交通事故车辆类型特征 在分析高速公路隧道进口的交通事故中，确定最危险的车型是非常必要的。 隧道交通事故与各类车辆的动力性能、车速、外形尺寸、爬坡能力、负载程度 有很大关系。 宋晓春等对浙江省高速公路隧道发生的多起起隧道交通事故进行统计分析 显示，小型车辆( 包括轿车、旅行车和小型货车) 占总事故数的8 2 1 9 6 ，远远 高于高速公路交通流构成中的小型车比例【7 7 1 ，具体见表2 2 。 表2 - 2 浙江省高速公路隧道的交通事故车型分布 项目小型客车小型货车大型客车大型货车 事故车型比例 3 6 6 4 5 5 3 1 1 4 8 交通流构成 3 7 5 1 5 8 1 4 3 3 3 4 小客车和小货车在运行中往往速度较高，速度越快，在出现交通问题后对 车辆进行控制的时间越短，难度越大；同时，速度高在隧道进口驾驶员的视觉 震荡带来的影响更加严重，更进步加剧了小型车的交通事故。 2 3 5 隧道交通事故原因统计 对