（道路与铁道工程专业论文）基于驾驶员工作负荷的公路平面线形设计安全评价研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，除了文中特别加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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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：日期：力伊i 口3 、 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名： 悻日期：坐。 摘要 摘要 。现今的以汽车行驶理论为依据的道路线形设计，更多的是基于汽车运动学和 工程难易性方面的考虑，对驾驶员的心生理方面多为定性的考虑，道路线形设计 可能不符合驾驶员心生理需求，增加了道路交通事故隐患。本论文在分析现有规 范和标准的基础上，应用目前经典的认知心理学、生理心理学、行为学、工程心 理学等理论，实验分析道路线形条件对驾驶员心生理的影响。从驾驶员行车工作 负荷度的角度出发，研究高速公路平曲线路段和平直路段线形设计指标的安全 性。 本论文是基于驾驶员行车过程中对道路线形条件的认知过程、驾驶工作负荷 度的相关研究成果。在室外道路进行了实际行车试验，详细分析了平曲线路段构 成要素中对驾驶工作负荷度产生影响的因素，论述了平曲线路段行车过程中驾驶 工作负荷度与道路线形条件的关系，并依此选择了本研究试验数据的代表值；通 过定性和定量分析，提出影响驾驶工作负荷度的平面线形要素。分别建立了平面 线形路段的小客车和大货车驾驶工作负荷度与道路平曲线线形要素的关系模型。 根据驾驶员的主观感受评价，结合试验数据分析所得驾驶工作负荷度变化规律以 及所建立的关系模型，针对小客车和大货车分别提出平曲线半径设置的建议值。 并通过分析试验路段事故数据，可知平曲线路段上事故多发生在设计极小半径的 平曲线路段上，更好地验证了本论文的研究结论。 关键词：平面线形；驾驶工作负荷度；平曲线要素；最小半径 北京t 业大学工学硕上学位论文 a b s t r a c t i i lt h ec u r r e n td a y ，r o a da l i 鲫i i i l e n td e s i 弘o fo u rc o u i l n yi sb a l s e do nm es t a n d a r d o fv e k c l ed y n a m i c sa n dm ee n g i n e e r i n gt e c c a lc o n s i d e r a t i o n s o m e t i i n e si tc a n n o t m e e tt i l ep h y s i c a la 1 1 dp s y c h o l o g yn e e d so ft h e “v e 岱锄ds i g i l i f i c 锄t l yr c d u c et l l e l e v e lo fr o a ds a f 色够ht h i sp a p e r ，s o m ec l 嬲s i ct l l e o r i e ss u c h 嬲c o g i l i t i v ep s y c h o l o g y ， p h y s i o l o g i c a lp s y c h o l o g y ，b e h a v i o r ，e n g i n e e 血gp s y c h o l o g y ，w e r eu s e dt oa 1 1 a l y z e t h ep h y s i o l o g ya n dp s y c h o l o g yc h a n g ei n n u e n c e d b yt h ev a r i a t i o n so f r o a da l i 鲫e n t t l l es a f e t yo fa l i g 姗e n ti n d e x e so f 丘e e w a yl o n g i t u d i n a ls l o p ew 弱 s t u d i e d c o n s i d e r i n gt h ed r i v e r s w o r k l o a d 1 1 1 i sp a p e ri sb a s e do nm ec o g i l i t i v ep r o c e s so fd 曲e r s 嘶v i n g0 nt h er o a d 觚d r e l a t e dr e s e a r c ho nd e 铲e eo fd r i v e r s w o f 心o a d t h ea c t l l a ld r i v i n gt e s ti st r i e do nm e r o a do u t s i d ea n dd e t a i l e da i l a l y s i s 、_ h j c hi st l l e 仃a f j f i cs a f e t yf a c t o ri n l ec o n s t i t u e n t e l e m e n t so fh o r i z o n t a lc u i 、，es e c t i o n so nd e 铲e eo fd r i v e 璐w o t 心o a di sc o i n p l i e d t h e c o r r e l a t i o nb e t v 旧e nd e 星邸：eo fd r i v e r s w o t u o a d 觚dm a dt r a 赶i cc o n d i t i o n sw a s s t u d i e d a 1 1 dt 1 1 er e p r e s e n t a t i v ev a l u eo ft m ss t u d yi ss e l e c t e da c c o r d i n g l y t h r o u g h q u a j i t a t i v ea 1 1 dq u 舭t i t a t i v ea 1 1 a l y s i s ，t l l e 仃a m cs a f e t ) rf a c t o r so fh o r i z o n t a lc u r v ea r e p r o p o s e d t h em o d e l so fb o mc a ra n dt r u c kd r i v e r s w o d d o a do nh o r i z o n t a lc u i v e w a r ee s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt od r i v e r s s u q e c t i v ee v a l u a t i 0 玛i n t e g r a t i n gv a r i a t i o i l so f d r i v e r s w o r u o a d 行o ma n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t aa i l dn l er e l a t i o n a lm o d e l e s t a b l i s h e df o rc a r sa i l dt n l c k s ，p r o p o s er e c o 删 1 1 e n d e dv a l u e so fh o r i z o 删c u n r e r a d i u sf o rc a r s 锄dt r u c k s t h r o u g ha i l a l y s i so fa c c i d e md a t ao ft e s ts e c t i o n s ，o b t a i n r e s u l t st h a ta c c i d e n t so fh o r i z o n t a lc u i 、，es e c t i o n so c c u r r e di nt 1 1 es e c t i o n so fd e s i g n e d v e 叫s m a nh o r i z o n t a lc u r v er a d i u s ，w h i c hv e r i f i e dm ec o n c l u s i o n so fn l i sr e s e a r c h b e t t e r k e y w o r d s ：h o r i z o n t a la l i g m e m ；d r i v e r s 、o r k l o a d ；e l e m e n t so fh o r i z o n t a jc u r v e ； m i n i m 删nr a d i u s 目录 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景、意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 1 国外研究现状一2 1 3 1 国内研究现状4 1 3 研究内容及技术路线7 1 3 1 主要研究内容7 1 3 2 主要研究目标8 1 3 3 拟解决的关键问题8 1 3 4 技术路线8 1 4 本章小结一9 第2 章驾驶工作负荷度与平面线形互动关系分析1 1 2 1 驾驶员的工作负荷1 1 2 1 1 驾驶工作负荷度。1 1 2 2 驾驶工作负荷度影响因素分析1 4 2 2 1 驾驶行为的影响1 4 2 2 2 驾驶行为特性和驾驶工作负荷的互动关系1 5 2 3 + 平面线型构成一15 2 3 1 平曲线构成1 6 2 3 2 平曲线路段行车安全分析1 9 2 4 驾驶工作负荷度评价方法一2 0 2 4 1 驾驶工作负荷度分类一2 0 2 4 2 分类阈值2 0 2 5 本章小结一2 1 第3 章试验设计方案一2 2 3 1 试验方案一2 2 3 1 1 试验目的一2 2 3 1 2 试验仪器和设备一2 2 北京工业大学工学硕士学位论文 3 1 3 试验对象2 3 3 1 4 试验方法2 6 3 2 试验路段选择2 6 3 2 1 山岭重丘区公路特征2 6 3 2 2 试验路段2 7 3 2 3 试验路交通安全情况2 7 3 3 本章小结2 7 第4 章数据分析处理2 8 4 1 公路平曲线线形划分2 8 4 1 1 平曲线路段划分2 8 4 2 道路线形安全评价模型选取3 8 4 3 本章小结3 9 一 第5 章平曲线模型建立4 0 5 1 平曲线路段模型4 0 - 5 1 1 特征值的选取4 0 5 1 2 模型影响因素4 0 5 1 3 小客车平曲线路段模型4 6 5 1 4 货车平曲线路段模型5 1 - 5 1 5 平曲线指标阈限建议值5 6 5 2 模型的事故验证一5 7 - 5 3 本章小结5 8 一 第6 章平曲线指标的安全评价5 9 6 1 平曲线安全评价建议5 9 6 2 本章小结6 0 结论与创新点61 。 参考文献6 3 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 5 致谢。6 6 第1 章绪论 1 1 研究背景、意义 第1 章绪论 在世界范围内，道路交通事故是一个严重的社会问题。据世界卫生组织统计， 在一些工业发达国家中，全国总死亡人数中有4 死于车祸，而1 5 2 4 岁的男青 年死亡人数中有5 0 死于道路交通事故。我国的交通事故也是相当严重的，万 车事故率、万车死亡率和交通事故致死率均为世界几个主要国家的几倍甚至十几 倍，同时道路交通事故所带来的经济损失则更为严重。具统计，2 0 0 7 年，我国 发生道路交通事故3 2 7 2 0 9 起，造成8 1 6 4 9 人死亡，3 8 0 4 4 2 人受伤，直接财产损 失1 2 亿元【。 我国中西部地区经济发展水平落后，地形环境条件复杂。在我国中西部山区 高速公路建设中，因山高、坡陡、沟深、地质条件复杂等自然条件引起的诸如工 程规模加大，造价增高，地质灾害加重，对沿途环境的破坏加重等引起我们重视 的同时，我国中西部地区高速公路表现出来的日益严重的安全问题同样不容忽 视。据近5 年的交通事故统计资料：在各种道路交通事故次数和死亡人数中，一 般公路所占比例分别达到6 5 5 和7 8 8 1 2 j ，特别是近年来，特大交通事故多发 生在西部山区公路上，造成了重大的经济损失和不良的社会影响。 影响公路行车安全的因素很多，如：驾驶员的驾驶习惯、汽车的性能、道路 状况、天气变化、车辆的超载等等。但是，如果公路在线形的设计过程中，线形 的连续性、线形的平纵组合、视距的保证等方面存在问题，往往很难去弥补。这 些在设计阶段就埋下的隐患却往往是致命的，+ 且很难根治p j 。因为公路一旦建成， 关于公路线形包括几何线形要素方面的修改与完善几乎是不可能的。所以，要彻 底解决安全问题，就必须从勘察设计阶段入手，从路线设计理念与方法入手。 以人为本，注重“安全、环保、舒适、和谐”是我国公路建设特别是山区高 速公路建设的新理念和指导思想【3 】。为了促进中西部山区公路建设又快又好地发 展，应从勘察设计阶段起，加强路线总体设计和安全选线，针对山区高速公路特 别是我国中西部山区的自然特点，在解决山区高速公路建设中方案的经济合理 性、抗灾害能力和生态环保等难点的同时，还应重点从勘察设计阶段起从技术上 解决西部地区公路交通安全等问题，在设计阶段消除各种可能的安全隐患，将安 全设计、设计安全的高速公路的理念贯穿到设计的各个环节中。 交通部颁布的公路路线设计规范( j t gd 2 0 2 0 0 6 ) ( 以下简称规范) 、 公路工程技术标准( j t gb 0 1 2 0 0 3 ) ( 以下简称标准) 是适用于全国范围内 的，具有普遍指导意义的标准与规范。其中所体现的设计方法在平原微丘地区不 会出现问题。但是由于西部山区特殊的地理环境及对其认识的局限性，目前的设 北京工业大学工学硕十学位论文 计方法在中西部山区公路建设的应用中存在较大的局限性。因此，本论文的最终 目的是根据目前的车辆性能、驾驶行为与驾驶工作负荷的调查分析，提出能确保 行车安全又与西部地区道路交通特点相适应的路线设计方法与评价指标体系，补 充和完善标准与规范，切实贯彻交通部以人为本、为车服务的设计新理 念。 1 2 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 近年来，随着对道路安全问题重视程度的提高，许多发达国家对道路线形、 速度与安全的关系进行了深入的研究。 1 ) l e i s c h 方法：美国最早建立并用来评价道路平面、纵面几何线形一致性的 方法。它基于平均速度的变化，主要根据路线平面及纵断面路况估计小客车和大 货车的可能速度，并将可能平均速度绘制成车速变化图，根据拟定的判断准则确 定线形上的速度是否达到设计一致性。 另外，美国f h w a 还开发了一套较为完善的道路安全审核软件i h s d m 。其 中，设计连续性模型( d c m ) 是用于“事前型 的分析模块。其核心作用是预测 单元路段上的运行速度8 5 ) ，进而判断道路安全性m l 。 其中运行速度预测基于以下假设：( 1 ) 车速只受道路线形变化的影响；( 2 ) 不 考虑缓和曲线的影响，且在圆曲线上车速保持不变；( 3 ) 在长直线段上的车速可 以达到期望速度。 评价指标和预测模型如表1 1 和表1 2 所示： 表1 1 评价指标 t a h 1 1h l d e x 线形组合可选变量所选变量r 丑2 c p n 平直线和竖直线 l 瓜、e 、g 、l h 、e 瓜 l r 、e 、g0 6 61 2 54 8 平直线和竖凸曲线 l k 、l vl ko 0 31 1 28 平曲线和竖凹曲线 l k 、l vl k 、l v0 5 43 0 06 平曲线和竖凸曲线 l 瓜、l 、e 、e 瓜、l hl 瓜、i 、e 、l h o 5 0 4 3 32 5 平曲线和竖凹曲线 1 瓜、l 依、e 、e 瓜l r0 9 50 0 51 6 第1 章绪论 表l 一2 预测模型 亿i b 1 - 2p r e d i c t i o nm o d e l 线形条件客车的回归模型 nr 2m s e 平曲线和竖曲线0 g 4 v s 5 = 1 0 6 3 0 + 3 5 9 5 2 9 瓜 2 80 9 22 8 4 平曲线和竖直线4 g 9 v s 5 = 9 4 4 6 + 2 7 4 4 4 9 瓜 1 40 5 66 8 6 平曲线和竖直线9 g 0 v 舒5 1 0 0 8 7 + 2 7 2 0 7 8 瓜 2 2o 5 96 3 8 平直线和凹竖曲线 v 3 f 1 0 0 1 9 + 1 2 6 0 7 瓜 50 6 83 5 l 平曲线和凹竖曲线 v 鲇= 1 0 6 3 0 + 3 5 9 5 2 9 瓜 2 80 9 22 8 4 平直线和限制视距凸竖曲线k 4 3v 8 5 = l l1 0 7 + 1 7 5 9 8 瓜 6o 5 43 5 l 平曲线和限制视距凸竖曲线k 4 3v 8 5 = 1 0 1 9 0 + 3 2 8 3 0 1 瓜 1 60 7 8 3 9 5 2 ) 瑞士使用理论速度模型分析评价平面线形的一致性。该模型使用速度分 布图解法来鉴别项目设计速度上的突然变化地段。使用这一速度该模型期望得到 特定路段上最大速度的预测值。其评价标准为项目设计速度变化值不允许超过 1 2 m p h ( 2 0 l ：，并建议道路项目设计速度变化临界值为6 m p h ( 1 0 i 。 3 ) 德国把运行速度作为控制道路设计的指标。采用曲率变化率指标( 平曲线 角度变化绝对值除以路线长度) 来描述整体路段线形，并避免同一路段运行速度 出现突变。如果同一路段曲率变化率过大，那么平面线形必须调整【5 j 。 随着研究手段和方法的深入，世界上主要发达国家的研究者开始从驾驶员的 生理心理反应特性的角度来研究道路交通的安全问题。当然，这些研究是伴随着 生心理仪器的发展而逐渐发展起来的。 早些时候，利用人体各种生物电( 如脑电、心电、皮电、肌电等) 的测量来 研究道路设计和交通安全问题，国外已有的文献记述不是很多。可能原因大概有 以下三种：一是早期测这些生物电的仪器本身不够完备，如只能静态而不能用于 动态，或者设备笨重而不易野外操作，或者测量数据不稳定不准确等等。这些不 利于采集驾驶员在野外行车时的动态生理数据，很多时候只能在实验室内进行摸 拟测量，因此不能得以推广应用；二是上述这些仪器发明制造的目的主要应用于 医学、生理学和心理学等领域，若应用于驾车动态中的驾驶员的研究，需根据具 体情况和需要对仪器作一定的改装处理。而这种改装处理不是由交通专业的人能 够完成，必须依赖于研究制造这些仪器的单位。这阻碍了仪器在交通研究上的推 广应用；三是应用心理、生理学研究交通安全问题，需要研究者有较广较深入的 心理、生理学方面的知识，而这些知识与传统的交通安全研究是不相干的。所以 多数从事交通安全的研究者不会首先考虑用这些方面的知识和理论去研究交通 北京工业大学1 = 学硕十学位论文 安全问题【9 j 。鉴于上述原因，见诸报道的应用心理，生理学理论研究交通的文献 不是太多。 尽管心电图( e l e e 仃0 a r d i o g r 锄，简称e c g ) 在医疗临床上的应用已有相当长 的历史，但把它应用丁研究正常人的心理紧张或心理负荷，则仅仅是二十世纪 六十年代以后的事。以1 9 6 3 年k a l s b e e k 和e t t e m c l 等人出版该方面的研究报 告为标志。其后，心电图用于正常人的心理紧张、精神负荷或工作负荷方面的研 究增岁1 0 d 2 1 。在航空上，研究人员用心电图来研究航空中的飞行安全问题。如欧 洲某一航空研究机构，在二十世纪八十年代初，对1 2 名民航飞行员进行了长达 一年的心电图追综监测，获得了大量的飞行员在各种精神、身体和飞行状态下的 心电信息数据。为民航的飞行安全和飞行员的选拔研究做出了很多贡献【1 2 d 钔。在 道路交通上，研究人员用心电图对比驾驶员在不同交通状况下的心理反应情况 【l 孓m l 。如驾驶员在畅通的高速公路上和在拥挤的城市快速路上行车时的心理反应 情况。 日本在二十世纪七十年代末八十年代初，开始陆续有学者用主要包含心率、 血压等生理指标在内的多道生理记录仪，研究驾驶员在驾车时的劳动负荷和心理 负荷与交通安全间的关系。李卿、前原直树等人利用多道生理记录仪研究驾驶员 行车时心率、血压变动情况；岩川治、古谷士郎等人用心率、血压等指标研究林 区道路线形指标与驾驶员行车时心理、生理反应的关系。 在上世纪8 0 年代末9 0 年代初，t o r s v a j l ，a k e r s t e d t 及k e c k l u i l d 等人把 脑电图e l e c 们e n c e p h a l o 留a m 简称e e g 应用于道路交通中驾驶员瞌睡与事故 之间关系的研究【1 7 d9 1 。 美国的s h e r i d a n ，t 1 1 0 m a u sb 和m e y e r ，j o h ne 等人在1 9 9 1 年左右，定量的评 价了座椅的不同对驾驶员长时间驾车疲劳的影响，从而为提高驾驶员座椅设计的 质量问题进行了研究； h e a l e y ，j e m l i f e r 和s e g e r ，j u s t i n 等人于1 9 9 9 年左右，开 发了一套用来分析和研究驾驶员情绪压力生理学特征的系统。 1 3 1 国内研究现状 同济大学博士潘晓东在国内第一次应用检测人体生理反应信息对山区公路 的平面线形展开了较大规模研究，并得到了平曲线半径、行车视距、平曲线转角 和平曲线长度的组合等与驾驶员行车时心理生理反应需求之间的关系模型。另 外，在其驾驶员心率和血压变动与山区公路曲线半径关系的研究中，使用心率和 血压变动指标，研究分析了心率和血压变动分别与曲线半径的关系，得出心率和 最高血压的增加数与曲线半径的大小都有很高的相关性f 1 9 1 。还提出：在山区道 路的平曲线设计中3 0 米以下的小半径的设置，由于增加了驾驶员的心理生理负 担，所以应尽可能的避免；现行标准规定的行车视距应增加5 1 0 米才能满 足驾驶员行车时的心理生理需求等。这些研究思路、方法和成果为我国今后的道 第1 章绪论 路交通研究提供了新思想、新方法和新目标。但是，我国目前的道路交通问题， 特别是道路交通安全问题还非常突出，需要研究的方向还非常之多，需要广大交 通工作者从多方面、多角度，应用新方法、新思想进行研究。 北京工业大学的郑柯在其博士论文相关研究中，采用动态心电仪，辅助皮电 仪和呼吸检测仪对1 3 位驾驶员在高速公路上行车时的心率等数据进行了记录，分 析和计算了高速公路线形的一些参数值，从而最终得到了符合人心理生理反应的 高速公路新线形指标【2 0 】。如：( 1 ) 从车速、心率与平曲线半径的关系出发，界 定了顺直路段概念，并建立了顺直路段上行车心率与车速之间的关系模型；( 2 ) 从试验数据的分析建模出发确定了在单个平曲线上行车时符合驾驶员心理生 理反应要求的最小平曲线半径；( 3 ) 通过对大量行车试验数据的分析，获得了在 顺直路段上车辆在不同的纵坡路段上坡和下坡时车速、心率与纵坡的关系模型以 及在下坡的弯坡段上行驶时心率与纵坡、曲线半径和车速间的关系模型，等等。 这为定量地从驾驶员的生心理出发研究道路平面线形与行车安全之间的关系提 供了新方法。 另外，郑柯博士在高速公路平曲线半径对行车心生理反应影响研究【2 l 】中使 用动态心电仪和g p s 等仪器，得出当车辆以设计车速8 0 k m h 通过不同半径的平 曲线时，与r n 曲线陡缓分界点相对应的平曲线半径为r = 5 0 9 m 的结论。 还有，郑柯博士在其高速公路平曲线半径与车辆行驶速度之间的关系分析的 研究中，试验分析了平曲线半径与行驶速度之间的关系，得出如下结论( 1 ) 在其 他条件相同时，熟悉道路的驾驶员比不熟悉道路的驾驶员在各种半径的弯道上 都具有更高的行驶车速；( 2 ) 驾驶员在绝大部分不同半径的弯道上，行驶车速都 高于设计车速，且以半径r 。= 1 0 0 0 m 为界。在这些弯道上，半径越小，驾驶员在 弯道上行车时就感到越不舒适， 行车所获得的安全性也越小。 北京工业大学胡江碧教授研究了驾驶员安全驾驶机理【2 2 l ，给出了驾驶工作负 荷与事故率的关系，如图1 1 所示。定义了驾驶员标准工作负荷：驾驶员轻松保 持工作负荷在一个宽松的范围内，驾驶操作所努力期望的措施即驾驶员达到在给 定任务环境下的最佳工作状态，也可称之为期望工作负荷或安全工作负荷。驾驶 员工作负荷高于标准工作负荷时驾驶员超过其标准工作负荷工作，增加了额外的 工作负荷，由于处理信息量过大或精神紧张，降低了工作能力而使交通事故危险 增加；当驾驶员实际工作负荷与驾驶员标准工作负荷一致时，驾驶员工作水平发 挥正常，驾驶事故率最低。 北京工业大学工学硕士学位论文 二【= 作负荷 图1 1 驾驶员工作负荷示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a 目a mo fd r i v e r s w o r l d o a d 北工大钟小明博士在公路平曲线路段大型车运行速度模型研究【2 3 l 中建立了 道路平曲线半径与大型车运行速度的模型。其中还提到行驶车速对小于1 0 0 0 m 的 小半径曲线很敏感。另外，钟小明博士在其基于高速公路路线设计一致性的中型 卡车运行速度模型研究中得出：( 1 ) 驶入上坡弯坡曲线时，运行的车辆进入曲 线后到曲中前都有不同程度的减速，减速幅度与曲线半径和坡度有关；( 2 ) 驶入 下坡弯坡曲线时，通常对很小半径弯( r 3 0 0 m ) 会有明显的减速，而且半径越小 坡度越陡减幅越大。 北工大乔建刚博士在其基于人性化的双车道公路平曲线半径的研究中，以道 路交通安全为出发点，使用动态心电仪，g p s ，线形检测车等仪器，建立了双车 道公路的半径，行车速度与心率增长率模型【2 4 】。 北京工业大学王书灵博士在建立山区双车道公路驾驶员心率增长率模型的 基础上提出了三级山岭区公路建议的极限坡度和坡长值【2 副。 东南大学硕士唐登科在其硕士论文驾驶员驾车生理、心理反应与道路线形 关系的研究中，使用动态心电仪和水银血压计，试验驾驶员4 名，建立了心率、 车速、平曲线半径的回归模型【2 酬。 = 9 7 5 0 3 6 靠 j 张智君和朱祖祥于1 9 9 7 年左右，对追踪作业中的几种心理负荷评估指标进 行了敏感性研究口7 1 。 林英姿和余群于1 9 9 8 年对车辆转向操纵过程中驾驶员的生理、心理问题进 行了分析与测试2 引。 张开冉和陈刚于2 0 0 1 年左右，研究了道路边线对驾驶行为的影响【2 9 3 0 】。 长安大学闫莹在其硕士论文3 1 1 的相关研究中，采用动态g p s 、动态心电仪等 试验仪器，通过驾驶员在不同坡度和弯坡组合路段的行车试验，获得道路线形指 标、车速对驾驶员心理紧张性影响的数据。重点分析了当驾驶员在连续长大下坡 第1 章绪论 路段上行车时，当高速到达急弯、陡坡、或线形组合不当的路段，心理会出现怎 样不同程度的心率变化，得出：( 1 ) 驾驶员在下坡路段上行驶时，纵坡与车速、 心率增量的回归模型；( 2 ) 上坡路段纵坡和车速的回归模型；( 3 ) 弯坡路段反映 道路平纵线形的综合指标和车速、心率增量问有着很好的相关性及其回归模型； ( 4 ) 驾驶员在高速公路上行车时，自由流条件下车速与心率增量近似的线性正相 关及其回归模型。( 注：该论文中长大下坡的定义为从车辆运行的特性上分析， 指线形设计上出现的容易造成车辆长时间制动或空档滑行的长距离，大坡度的路 段。) 北京工业大学赵亮在其硕士论文【3 2 】的相关研究中，研究分析了道路线形与 驾驶员心生理之间的关系，定义了心率变化率、瞳孔变化率和不安全系数三个指 标，建立了驾驶员心率变化率与车速、平曲线半径之间的关系模型。 北京工业大学曹新涛在其硕士论文【”】的相关研究中，对驾驶工作负荷理论、 规律和评价方法、指标进行了研究。通过大量的实际行车试验，建立了纵坡段驾 驶员行车的心生理反应与纵坡线形指标和车速之间的关系模型，并对极限坡度进 行了界定。 另外，在我国的航空交通系统上，有报道说用多道生理描记仪( 如脑电仪心 电仪、皮电仪、肌电仪等) 研究空军飞行员( 少量也用于研究民航飞行员) 飞行 状态和安全的报导。如空军航空医学研究所自行研制的“便携式飞行生理参数记 录分析系统”【3 4 弼】，有一套记录飞行中心电图、脑电图、肌电图、眼震电图皮 肤温度、耳脉搏和呼吸信号的便携记录器和一套能分析这些记录信号的软硬件。 通过上述对国内、外相关研究状况的追溯，可以看出，不管是用脑电仪心电 仪，还是用血压测量仪，首先是应用人体各种生理电检测来研究道路交通问题的 报导不是很多；其次是用这些医学、心理、生理学方面的仪器和方法来研究道路 线形和交通安全的事例就更少。从国外来看，虽然韩国学者c h u n g 和c h a n g 等 人应用脑电仪对道路的直线长度和交叉口的进口道进行很好的研究【1 6 1 ，也获得 了令人信服的研究成果，但这些研究毕竟是局部的，没有获得他们对公路线形或 几何设计方面做更大范围研究的报导。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 本论文以中西部山区高速公路为研究对象，研究内容主要包括： 1 ) 根据生理、心理学规律，比较各种心电变化指标的优缺点和应用范围， 确定适合的研究指标； 2 ) 采用室外试验的方法，对西部高速公路典型平面线形的安全性进行研究； 3 ) 结合人类工效学原理和数学方法，建立选定驾驶工作负荷度和道路平面 北京工业大学t 学顾七学位论文 线形指标之间的关系模型q = f ( v ，x ) ，并确定适合的驾驶员工作负荷阈值； 4 ) 对现有的中西部山区高速公路平面线形设计进行安全评价。 1 3 2 主要研究目标 1 ) 研究分析平曲线路段行车时驾驶员的驾驶工作负荷特征； 2 ) 确定适合的驾驶员工作负荷范围和西部高速公路平面线形指标的阈值； 3 ) 建立驾驶员工作负荷度和平曲线指标的关系模型； 4 ) 确定符合人性化道路设计的平曲线指标阈值。 1 3 3 拟解决的关键问题 1 ) 确定驾驶员在平曲线上的行驶特性 2 ) 平面线形指标的选取：采用哪些平面线形指标来表征平面线形； 3 ) 如何确定适合驾驶的驾驶员工作负荷阈值。 1 3 4 技术路线 研究的技术路线图如下所示： 第1 章绪论 查阅国内外研究文献 设计合理的试验方案 收集依托工程设计资料和 交通事故资料 现场记录和采集数据 分析驾驶工作负荷度变化 规律并得到其与平曲线指 标的相关关系 验证所建立的预测模型 使用数学原理和方法 建立驾驶工作负荷度和平 面线形指标的关系模型 确定合适的驾驶员工作 负荷度阈值 1 4 本章小结 确定符合人性化设计的 公路平曲线阈值 公路平面线形评价 论文技术路线图 r o a d m a po fp 印e rt e c h n o i o g y 道路交通事故对人民生命财产安全影响日益严重，交通安全已成为影响社会 经济发展和人民生活质量的一个重要因素。长期以来，我国的道路设计规范中更 多的是基于汽车动力学方面的要求和对工程技术难易性的考虑，没有定量地考虑 驾驶员的心生理需求。本论文拟从驾驶员心理、生理需求的角度出发，在对国内 外相关研究进行总结分析的基础上，对我国西部地区高速公路平面线形指标进行 北京工业大学工学硕士学位论文 研究。并介绍了本文主要研究内容和研究的技术路线。 第2 章驾驶工作负荷度与平面线形互动关系分析 第2 章驾驶工作负荷度与平面线形互动关系分析 2 1 驾驶员的工作负荷 公路系统的使用者是机动车驾驶员，公路设计者若能了解驾驶员行为特征需 求，就更容易实现道路产品的“人性化”设计。研究驾驶员行为特征需求首先应 从驾驶员如何获取道路交通信息和使用道路交通信息，即驾驶员的认知过程开 始。 2 1 1 驾驶工作负荷度 认知是个体理解和获得知识的过程，从信息加工的观点来看，认知就是信息 加工，就是人对信息的接受、编码、操作、提取和使用的过程n e i s s e r ，1 9 6 7 ) ， 包括感知觉、注意、记忆、思维等。认知可以分解为一系列阶段，驾驶员的认知 过程可以分解为感知、思考决策和操纵3 个基本过程。 驾驶员感官对外界信息的刺激会有短暂的记忆，记忆会把刺激信息按基本样 式记录下来。驾驶员根据自身条件( 包括生理心理条件、驾驶经验和安全态度) 和 驾驶任务的要求，通过选择性注意，将驾驶所需信息传入大脑中枢神经接受进一 步的加工，其它道路交通、环境信息( 可称为道路信息冗余) 则会随时间的流逝 而消失。被选取的信息进入知觉阶段并被整合和归类，形成短时工作记忆，由工 作记忆完成相应的思考、判断和决策【3 。工作记忆完成决策后，驾驶员选取并 采取适当的反应动作来驾驶操作决策。操作完成后，驾驶员同时会根据道路交通、 环境和车辆的运行状况，不断接受信息，调节自身驾驶行为以适应新的道路交通 环境信息，这些反应成为新的信息输入，由此不断往复形成驾驶员的认知过程系 统，如图2 1 所示。 知觉阶段思考决策阶段操纵阶段 图2 1 驾驶员认知过程系统 f i g 2 - lc o g n i t i v ep r o c e s ss y s t e mo fd r i v e r s 驾驶员在认知过程中，由于其知觉和思考决策通道的容量的有限性，使驾驶 北京_ 业大学工学硕七学位论文 员的驾驶工作能力受到了限制。即是说驾驶员在驾驶工作过程中，知觉和思考存 在一个最佳目标密度区域，而在这个密度区域条件下，他能高效地驾驶汽车，及 时地辨别前方道路、交通和环境情况的变化。 当驾驶员处于最佳的目标密度区域时，驾驶员的注意力处于最积极的状态。 而当引起驾驶员注意的目标小，道路交通环境条件单一的情况下，驾驶员在驾驶 工作中知觉与思考会缺乏刺激，致使驾驶员对驾驶过程中所遇到的道路、交通和 环境条件的知觉敏感性降低，驾驶员的注意力就会变得松弛、或转移到与道路交 通无关而能吸引驾驶员的其他不利安全行车的事物上，或使驾驶员感到工作太过 轻松而出现疲乏，进而变得混混欲睡。例如在广阔的戈壁滩、草原和平原地区的 长直线路段上行驶，驾驶员所接受到的信息量少于保持应有积极驾驶工作水平所 必须的信息量，被称为“信息饥饿；当能够引起驾驶员注意的事物或目标密度 大，或者道路、交通和环境复杂的情况下，驾驶员知觉和思考受到的刺激过大， 或称“信息过量或信息冗余 ，同样会降低驾驶员对周围事物的知觉敏感性。驾 驶员的注意力由于过于集中，而吸引驾驶员注意力的事件密度过高，数量超过了 驾驶员在驾驶工作过程中的接受能力，就会导致驾驶员对这种复杂情况做出不正 确的判断。比如在道路交通环境条件复杂路段，由于信息的过量致使驾驶员情绪 过于紧张，使其失去对一些必需的安全驾驶信息的感知与决策，导致驾驶员身体 和心理出现疲乏，从而产生疲劳驾驶；在高海拔地区驾驶时，驾驶员由于在这种 特殊的环境条件下工作，其信息处理能力降低，造成注意目标密度相对增大并导 致驾驶员出现驾驶疲劳i ) 圳。 驾驶员对交通安全的控制是通过其大脑这个中央控制器官来进行。大脑不是 机器，信息容量和处理能力相对有限，也只是具有一定的处理事件的能力，它与 机器的工作负荷原理类似，并因此将其称为“驾驶员的驾驶工作负荷 ( w 6 r “o a d ) ，由此，根据驾驶员驾驶工作的特点引入以下几个基本概念： 驾驶员驾驶工作负荷：驾驶员驾驶车辆在道路上行驶时，道路、交通和环境 条件对驾驶员施加的工作任务和频率而产生的在精神压力下的支撑工作的信息 道能力。本研究的驾驶员工作负荷主要是指驾驶员的脑力负荷，驾驶员在行车过 程中完成驾驶任务需要不断地进行信息采集和加工处理、决策以及反应操纵，由 此产生的精神压力即为驾驶员的工作负荷。 驾驶工作负荷与驾驶员自身生理心理特征、驾驶经验、驾驶安全态度以及行 车道路交通环境条件有关。在同样道路交通环境条件下，如果驾驶员的生理心理 特征、驾驶经验、驾驶安全态度不同，那么驾驶员驾驶相同车辆时的工作负荷就 不同；驾驶员的工作负荷与感知的信息量有关，不同道路线形和行车环境具有不 同的信息量，同一驾驶员在不同环境条件下其驾驶工作负荷也不相同。 当行车环境复杂或驾驶速度快时，感知和处理决策的信息量大，驾驶员必须 第2 章驾驶工作负荷度与平面线形互动关系分析 做出更大的认知努力去选择性接受和理解这些信息，就容易造成驾驶员较强的生 心理变化和认知的改变，从而导致驾驶员驾驶工作负荷增大。当驾驶员工作负荷 过大时，由于要处理过大的信息量，则造成精神上的紧张，如果这种状况持续存 在，就会容易导致驾驶员判断、决策或驾驶操纵失误机率的增加。另外，如果驾 驶员长时间处于高工作负荷状况，就容易导致其驾驶疲劳，都会造成交通事故危 险性增加【加1 。 如果驾驶员长时间在单调的道路交通环境条件下行车，需要接受和理解的信 息量偏少，造成驾驶工作负荷偏小，则会容易引起注意衰减。当这种状况发生时， 驾驶员容易因为疏忽而丢失对行车有用信息，并增加驾驶操作失误的几率，从而 酿成交通事故；如果驾驶员注意的衰减，也容易导致其操作反应变缓，遇到紧急 事件就会处理不当。另外，长期单调的环境也易造成驾驶员驾驶疲劳的出现。通 常这种情况被心理学家们称为“心理惰性【4 i 】，即驾驶员依靠自己的经验以及 对安全问题的态度，采取高于正常安全程度的驾驶操作行为，当驶入驾驶员不熟 悉的路段时并不降低速度，以图不破坏其行车节奏。 所以，驾驶员中存在一个驾驶员驾驶标准工作负荷( s t a i l d 莉、o d d o 删。 驾驶员驾驶标准工作负荷( s t a n d a r dw o 衄o a d ) ：道路交通环境条件对驾驶员 产生刺激，使驾驶员驾驶工作负荷轻松保持在一个相对宽松的范围内，驾驶操作 所努力期望的措施即驾驶员达到在给定任务环境下的最佳工作状态，也可称之为 期望工作负荷或安全工作负荷。当驾驶员实际工作负荷与驾驶员标准工作负荷一 致时，驾驶员工作水平发挥正常，由于驾驶操作失误所造成事故率最低，而而圆 满实现安全运输，驾驶员驾驶工作负荷和事故率间的关系如图2 2 所示。图中a 区域就是研究追寻的最佳驾驶工作负荷驾驶员驾驶标准工作负荷。