（道路与铁道工程专业论文）驾驶员驾车生理、心理反应与道路线形关系的研究.pdf

摘要 道路交通系统是一个由人、车、路构成的动态系统，这三个要素必须协调地运作，才 能达到整个系统的安全、快速、经济、舒适的要求。许多交通事故表面上看来是由驾驶员 失误或粗心大意造成的。但深究其原因，就会发现事故多发段周围的道路环境对驾驶员的 心理、生理、行为等造成了影响。如道路线形不顺畅、某处线形指标突变、道路平、纵线 形指标搭配不当、视距不良等等。 本文的研究正是想在前人已有的研究基础上，通过研究在低等级道路和高等级道路条 件下，以不同车速行驶时线形与驾驶员心理生理反廊的相关规律，并且通过不同类型驾驶 员心理生理反应的异同，分析驾驶员个体差异的一些隋况，来找出其中的普遍和一般的规 律。从而使道路线形适应驾驶行为的需要，以期对道路交通安全与道路设计的“人性化” 做出一定的贡献。 为了实现上述的目标，本文研究应用心理生理学方面的理论方法和仪器设备，通过大 量的行车试验，寻找道路线形与行车心理生理需求的内在关系和规律。 应用回归分析方法，从大量的行车试验中，寻找驾驶员行车时道路平、纵线形及其组 合与其心理生理变化的各种关系和模型，并在对模型分析中讨论适合驾驶员心理生理需求 的各种道路线形指标。另外，根据试验路段实测运行车速与心率的关系建立了运行速度模 型，对道路初步设计的审计和现有道路的改建 ：作提供了数据参考。此外论文还根据研究 路段的事故统计资料，对事故发生的各方面原因进行了分析，用以对研究结果的验证。 本文的最后应用文中分析和建立的行车心理生理反麻与道路线形、午速的各种关系和 模型，定量确定了建立在行车人安全舒适的心理生理需求的道路线形的一些主要指标。 关键词：心率；平曲线半径；纵坡；设计速度；运行速度；个体差异 a b s t r a c t t h er o a d 怕l l s p o 删0 ns y s t e mi sad y n a m i cs y s t e mt h a tc o n s i s t so fp e o p l e ，c a r sa n d m a x i s t h et h r e ef a c t o r sm u s to p e r a t ei nh a r m o n yt oa t t a i nt h er e q u e s to f s a f e l y 、f a s t 、e c o n o m ya n d c o m f o r t a b l eo ft h ew h o l es y s t e m m a n yt r a 伍ca c c i d e n t ss e e mt ob eb r o u g h ta b o u tb yt h em i s p l a y o rc a r e l e s s n e s so ft h ed d v e r - b mg e tt ot h eb o t t o mo ft h er e a s o n ，i tc a l lb ef o u n dt h a tt h er o a d e n v i r o n m e n to ft h e b l a c k - s p o t m a k ee f f e c tt ot h ed r i v e r s m e n t a l i t y , p h y s i c a l i t y a n d b e h a v i o r , e r e s u c ha su n s m o o t ho ft h er o a da l i g n m e n t 、a l i g n m e n ti n d e xb r e a k i n gi ns o m e w h e r e ， t h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a la l i g n m e n ti n d e xn o tm a t c h i n ga p p r o p r i a t e l ya n di n s u f f i c i e n ts i g h t d i s t a n c e b a s e do nt h er e s e a r c ha l r e a d yd o n e ，t h ep a p e ri st or e s e a r c ht h er e l a t e dr e g u l a t i o nb e t w e e n t h er o a da l i g n m e n te n dt h ed r i v e r sm e n t a l l ya n dp h y s i c a l l yd e s p o n d e n c e sw h e ni nd i f f e r e n ts p e e d ， u n d e rt h ec o n d i t i o no f t h el o w e rl e v e er o a de n dt h eh i g hg r a d er o a d t h ep a p e ri st oa n a l y z et h e d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i co ft h ed r i v et h r o u g hd i f f e r e n tr e s p o n d so fd i f f e r e n td r i v e r s ，t of i n do u tt h e g e n e r a lr e g u l a t i o n t h e nt h er o a da l i g n m e n ti sm o r ea c c o m m o d a t et ot h ed r i v i n gb e h a v i o r i tw o u l d c o n t r i b u t et ot h et r a n s p o r t a t i o ns a f e t ya n dt h eh u m a n i z a t i o no f t h er o a dd e s i g n t oa c t u a l i z et h ea b o v et a r g e t , t h ep a p e ra t t e m p t st og e tt h ei n t e r n a lr e l a t i o n s h i pe n dr u l e s b e t w e e nt h er o a da l i g n m e n ta n dm e n t a la n dp h y s i c a lv a r i a t i o n ，b yr e g r e s s i o na n a l y s i sa n dm a n y d r i v i n gt e s t s t h ep a p e ra u d yt h er e l a t i o n s h i pe n dt h em o d e lb e t w e e nm e n t a la n dp h y s i c a lv a r i a t i o na n d r o a da l i g n m e n tb yr e g r e s s i o na n a l y s i sa n dm a n yd r i v i n gt e s t s i td i s c u s s e st h er o a da l i g n m e n t w h i c hm e e t st h em e n t a la n dp h y s i c a lr e q u e s to ft h ed r i v e ra c c o r d i n gt ot h em o d e l ，i n a d d i t i o n ，i t e s t a b l i s ht h eo p e r a t i n gs p e e dm o d e la c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dr e l a t i o n s h i pb e t w e e no p e r a t i n g s p e e da n dh e a r tr a t e t h em o d e lc a na f f o r dt h ed a t at ot h ea u d i to ft h ep r e l m i n a r yd e s i g nd e s i g n a n dt h er e t r o f i tp r o j e c t s 、f u r t h e r m o r e , t h ep a p e ra n a l y z ea l lr e a s o n so f t h ea c c i d e n ta c c o r d i n gt ot h e a c c i d e n ts t a t i s t i cd a t ao f t h et e s tr o a dt ov a l i d a t et h er e s e a r c hr e s u l t s i nt h ee n d ，s o m em a i ni n d e xo f t h er o a da l i g n m e n ta r eq u a n t i f i c a t i o n a l l ye s t a b l i s h e d 1 1 1 e ya r c m e e tt h em e n t a la n dp h y s i c a lr e q u e s to ft h ed r i v e r t h e r er e l a t i o n s h i p sa n dm o d e l so ft h ed r i v i n g r e s p o n s e 、r o a da l i g n m e n ta n dd r i v i n gs p e e da n a l y z e da n d e s t a b l i s h e di nt h ep a p e ra r eu s e d k e yw o r d s ：h e a r tr a t e ；e v e nc u r v er e d i u s ；v e r t i c a ls l o p e ；d e s i g ns p e e d ；c i r c u l a t es p e e d ；i n d i v i d u a l d i f f e r e n c e l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 研究生签名：座登趟 日期：丑牛t ； 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：摩登聋掣 导师签名 第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 近2 0 年来，我国公路交通运输基础设施系统得到了前所未有的发展，公路路网得到了 较大改善，国省道干线公路逐渐由高等级公路组成。交通是国民经济的基础产业，公路交通 对国民经济发展的重要推动作用和发挥功能是众所周知的。但随着公路建设的发展和汽车保 有量的增加，公路运转周转量的增加不可避免地带来了交通拥挤、环境污染、事故伤害等许 多问题，尤其道路交通事故发生率居高不下，死伤人数的逐年增加( 见图1 - 1 ) 1 5 3 经济损 失的日益加大，令人发出“车祸猛如虎”的惊叹! 凝 _ j 馘 图1 - 1中国近五十多年来交通事故发展情况 虽然国内外交通1 二作者多年来一盲努力地研究着交通安全问题。但在对待这个问题上一 直有个误区，即往往不太重视以道路线形为主的道路条件对交通安全的影响。产生这种错误 的认识主要基于交通事故记录资料的干扰。各国的交通事故记录资料中无一例外地显示着驾 驶员是绝大多数交通事故的罪魁祸首，认为事故的基本原冈是驾驶员的粗心和错误以及汽车 的失修，而把交通事故中道路条件放在了极其次要的地位。前苏联道路安全专家巴布可夫在 道路条件与交通安全一书中写道：“根据统计，认为所有事故中完全应由驾驶员负责的， 联邦德国有8 2 、巴西7 5 、匈牙利7 4 、意大利4 1 、波兰9 6 ；统计中对道路条件原 因则赋予较小的作用，巴西为6 、联邦德国为8 、爱尔兰为1 7 、美国为1 8 、日本为 8 1 7 1 。 其实，一次交通事故的发生，或多或少都与道路条件有着直接或间接的联系。道路交通 系统是一个由人、车、路构成的动态系统( 如图1 - 2 ) 。这三个要素必须协调地运作，才能 达到整个系统的安全、快速、经济、舒适的要求。对于= 者在事故中的作用，一直有争论， 美国t r e a t 和英国的s a b e y 经过对大管事故的深入研究得剑表1 1 的结论。图1 - 3 为澳大利 亚的统计结果： 东南大学硕士学位论文 图1 - 2 人一车一路组成的道路交通系统图1 - 3 人、车、路在事故中的比例 表1 1 各因素对事故的影响程度 s a b e y 的结论 t r e a t 的结论s a b e y 的结论t r e a t 的结论 原因原因 ( )( )( )( ) 单纯路23人和车 4 6 单纯人 6 55 7 路和车 l 1 单纯车22 人，车、路共同 l3 路和人2 43 7 从上面一些图表可以看出来，交通事故的发生还是与道路有联系的。许多交通事故表面 上看来是直接囚驾驶员失误或粗心大意造成的。但深究其原因，就会发现是发生事故周围的 道路条件对驾驶员的心理、生理、行为等造成了影响。如道路线形不顺畅、某处线形指标突 变、道路平、纵线形指标各自搭配或其组合不当、视距不良等等。 随着人们对道路交通安全研究和认识的加深，道路条件与交通安全的关系越来越受到道 路交通工作者的重视。近些年来，国外一些发达国家在研究和治理交通安全问题时，把道路 条件放在了一个应有的重要位置。例如，开展道路规划、设计、施工、运营各环节各阶段的 交通安全审查；在交通安全治理过程中，注重采用工程措施等等都是从道路条件上寻找交通 安全的办法。2 0 0 4 年底，全国公路总里程达到1 8 7 0 7 万公里，比上年末增加6 0 8 万公里。 路网结构进一步改善。全国公路总里程中，国道1 2 9 8 1 5 公里、省道2 2 7 8 7 1 公里、县道4 7 9 3 7 2 公里、乡道9 4 5 1 8 0 公里、专用公路8 8 4 2 4 公里，分别占公路总里程的6 9 、1 2 2 、2 5 6 、 5 0 5 和4 7 。 然而，随着道路交通事业的繁荣昌盛，道路交通安全问题却格外严峻地旱现出来。据公 安部公布的数据，自9 0 年以来，我国每年死于道路交通事故的人数己接近5 万人，到2 0 0 4 年这个数值已接近万，足以显示我国交通事故的严重性，见图1 - 4 。 1 2 0 0 0 0 l o c l 0 0 0 8 0 0 0 0 瓤 吾6 0 0 0 0 赋 4 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 9 9 01 9 9 11 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 51 9 9 61 9 9 7 1 9 9 81 9 9 9 2 0 0 02 0 0 12 22 0 0 3 2 0 0 4 年份 图1 41 9 9 9 2 0 0 4 全国道路交通死亡人数统计图 2 第一章绪论 据资料表明，我国汽车拥有量为世界汽车总拥有量的1 9 ，而交通事故的死亡人数却 占到世界总交通事故死亡人数的1 5 刚，我国道路交通事故的严重性可见一斑。与国外发 达国家相比，万午事故率和亿车公里事故率都高出几倍至十几倍。我国近年来交通安全环境 如此恶化，当然牵涉到许多原因，如道路建设速度赶不上汽车拥有量的增一长，驾驶员素质 普遍不高，交通管理来走上正规化、科学化，交通安全宣传教育薄弱等等。但道路作为汽车 交通的载体，在规划、设计，旌工、运营中，没有从交通安全上对它予以足够的重视也是其 中一个相当重要的原因。 因此对道路交通事故中的主要方面一驾驶员和道路线形之问关系的研究就显得意义重 大。驾驶员驾车的过程是驾驶员和道路环境各种信息相互交换的过程，驾驶员根据不同的道 路情况作出合乎驾驶员自身内在衡鼍标准的判断，而判断的结果直接影响到驾车安全。所以 在道路设计中应尽可能的使道路条件满足驾驶员正常的生理、心理反应，使驾驶员以一种很 平静的心态去面对道路条件的变化，以便使驾车行为平顺和自然，不要因为道路条件而使驾 驶员驾车过程中出现紧张和慌乱，导致交通事故的发生。公路是一带状的三维空间结构物， 道路线形系由平、纵、横三个面组合而成的立体。道路线形是道路的骨架，支配着道路的规 划和设计，在这里从驾驶员的角度去考虑道路线形的设计，从道路设计的源头来把握道路安 全问题，使道路线形设计的成果更人性化更安全。 1 2 论文的研究意义 1 2 1 公路设计的新理念 在道路系统的长期运营过程中，交通事故的出现，有着其偶然性和必然性。偶然性即每 一条道路，在其数十年的使用时间内发生交通事故是不可避免的。但什么时候什么位置会发 生交通事故事先却无法预知。必然性事故多半与道路条件有关，如急弯、陡坡、线形组合不 当、视距不良、路面路肩宽度突变等处都有可能成为事故的多发地段。在一个视距不良、线 形组合搭配不当的小r 释平曲线上，随着交通流长年累月的作用，发生事故是必然的。这种 必然性反映了道路设计的缺陷，也是我们研究的重点。 本文的研究就是想在前人已有的基础上，从人的生理、心理反应以及运行速度上来考虑 事故发生必然性问题，把人的生理与心理反映指标心率和车速与驾驶员行车安全联系起来， 以驾驶员为主体把驾驶员的生理与心理反映和运行速度作为评判道路安全性能的准则，通过 现场行车试验找出其相关规律并力求使其定量化，以便对现行公路路线设计规范上的一 些参数和指标进行重新审定和改进。突出以人为本的设计理念，希望通过测试的成果来指导 设计和道路改建】二作，减少必然性事故的发生，使道路设计更趋于人性化。 1 2 2 提高设计道路的服务水平 应用回归分析方法，从大营的行车试验中，寻找驾驶员行车时道路平、纵线形及其组合 与其心理生理变化的的各种关系和模犁，并在对模犁分析中讨论适合驾驶员心理生理需求的 各种道路线形指标。另外，根据测试得到的沿线运行速度建立运行速度模犁，以对道路设计 和道路改建进行评价和修正，并根据运行速度来确定合理限速。 按照这些分析得出来的线形指标米指导道路设计，能使道路更人性化更符合道路使用者 的要求，从而能一定稃度上减少交通事故的诱发闵素。而经过合理的线形设计，曲线、直线 的合理组合，能提高道路服务水平舒适性和亲和力，从而提高道路的交通安全水平。 另外，道路的交通安全水平的提高，一是丈人减少了交通事故既减少了人员伤亡义避免 3 东南大学硕上学位论文 了大笔的经济损失，二是提高了道路的通行能力和使用效率，为社会创造更多的财富。还可 以使用路者的身心得到改善，其实这一方面在一个物质生活不断富裕的国家里也是同等的重 要，它们简直无法用金钱米估价。所以从这方面说，道路交通安全水平提高，既有经济效益 也有着社会效益。而所有这些的改善与提高也表明了道路服务水平的提高。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 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，国外己有文献的记述不是很多。许多年来，特别是上世纪八十年代以来随着生理测 试仪器的不断先进和便于应用，断断续续地才有一些学者做着这些方面的研究。但单纯的研 究驾驶员心理与生理状况以及驾驶员本身与交通安全关系却很早就开始了。下面就来叙述这 些研究状况。 在上世纪8 0 年代末9 0 年代初，t o r s v a n ，a k e r s t e d t 及k e c k l u n d 等人把脑电图 ( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m , 简称e e g ) 应用于道路交通中驾驶员磕睡与事故之间关系的研究。 例如k e c k l u n d 在1 9 9 3 ，s l e e p i n e s si nl o n g d i s t a n c et r u c kd r i v i n g ：a l la m b u l a t o r ye e gs t u d yo f n i g h t d r i v i n g ，e r g o n o m i e 中用e e g 研究了夜间氏距离卡车驾驶中磕睡与生理心理反应之间的 关系。他把精心挑选出的1 8 名驾驶员分成两组，一组的连续驾驶时间在夜里2 2 ：0 0 至0 4 ：0 7 ( 称a 组) ，另一组则为夜里2 4 ：0 0 至0 7 ：2 4 ( 称b 组) 。实验开始时，分别观察两组驾驶员 的驾驶操作状况和磕睡状况，并用脑电仪测量他们的脑电波数据。 后来，c h u n g 用e e g 来研究不同的道路线彤( 如同样长度的直线段和曲线段) 对驾驶员行 车疲劳的影响。c h a n g 则用e e g 来研究匝道进口处不同部位驾驶员行车的紧张状况。c h u n g 在同一条道路上分别选了两个试验路段。一段为1 0 k m 长的亩线路段，一段为1 0 k m 长的曲 线路段。分别测驾驶员行进在这两个路段上脑电图的9 波。 驾驶员交通心理研究起始于美国哈佛大学心理学 家闵斯泼格，1 9 1 2 年，美国劳j 立 法协会委托在哈佛人学任教的心理学家闵斯特泼格( h m u n s t e r b e r g ) 研究电车发生事故的原 因。为此，他设计了一套测试驾驶员心智能力的方法和仪器，测试驾驶员的心智能力。他的 工作，推动了驾驶员适应性研究的发展。 1 9 1 9 年，格林伍德和伍兹( m g r e e n w o o d & h w o o d s ) 首先提出事故倾向性问题，即在 某个人身上存在着容易诱发事故的某些特性。到了五十年代，该问题的研究达到高潮。但对 有没有事故倾向性一直争论不休，延至至今。 1 9 3 3 年，美国研究道路标志颜色的可认性。 1 9 3 4 年，美国农业部的w h 西蒙森和r e 罗耶在一篇改善道路边缘的文章中提到， 驾驶员驱车在山区公路上行事，产生害怕心理，感到不舒适。其原因是到路边坡高、陡，驾 驶员坐在驾驶位置上看不见坡脚所致。这种盲点，使驾驶员产生心理上的危险感。 1 9 3 7 1 9 3 9 年，美国提出了道路标志的尺寸和字体大小，采用了工效学的观点，使道路 标志符合人的可视性。 5 0 年代，交通i + 程人员开始把用路者纳入人一机系统进行研究。已注意研究驾驶员的 视认性、驾驶员的l e 确行为、反应特性等问题。1 9 5 9 年，美国公共交通局聘请心理学家从 事管理和研究j ：作。 6 0 年代，美、日、俄、德等国驾驶员在交通过程中产生的各种心理现象、行人心理、 事故心理等进行了厂泛研究。 现在无论从理论上还是实践上都肯定了驾驶适应性的存在，日本、美国、德国、英国等 4 第一章绪论 国对驾驶适应性研究焦躁，俄罗斯、波兰等国的研究【作也很有成效，俄罗斯、波兰还设有 专门研究人的生理、心理与道路交通安全之间关系的研究机构，进行了大量研究。 驾驶员生理研究也很早，1 9 7 5 年，z y l m a n 注意剑3 0 的道路交通事故与驾驶员过量饮 酒有关，驾驶疲劳自2 0 世纪5 0 年代就引起各国学者的关注，但在驾驶疲劳机理的研究上尚 存在较多的困难。1 9 7 2 年，h u l b e r t 的研究发现，3 5 4 0 的道路交通事故与驾驶疲劳有 关，0 h a n l o n 的研究也揭示出，1 4 2 4 的乡村道路交通事故涉及到驾驶疲劳另外， 国外很多学者在对驾驶员个体差异方面也作了大阜研究。 1 3 2 国内研究现状 在国内，潘晓东博士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，北京工业大学博士生郑柯在设计时速为 8 0 k m h 条件下，对驾驶员心理生理反应与高速公路线形方面作了大苗研究以及贺玉龙对高 速公路直线段长度作了大量研究，并通过实验定量的得到了一系列合乎驾驶员心理生理反应 的道路儿何设计参数，在使道路设计人性化方面做出了贡献。这些研究思路、方法和成果为 我国今后的道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，需要我们从多方面，多 角度应用新方法、新思想进行研究。 1 4 问题的提出 北京工业大学任福田教授于9 0 年代初首次提出“道路线形设计新理论”。该新理论认为： 现行以“汽车行驶理论”为基础的道路设计理论仅仅是保障了汽车在运动学方面的最小安全 性，而未充分考虑用路者的心理、生理特性与要求。道路线形设计新理论提出：以用路者的 交通需求和生理一心理反应特征做为道路线形设计的理沦荩础，用动的观点设计路线的各个 元素，力求协调【8 j o 要在道路设计中考虑道路使用者的生理一心理反应特性，应该先了解驾驶员交通心理学。 驾驶员交通心理学最早的研究起始于美国哈佛大学心理学专家闵斯泼格，1 9 1 2 年，美国劳 工立法协会委托在哈佛大学任教的心理学家闵斯特泼格( h m u n s t e r b e r g ) 研究电车发生事故 的原因。为此，他设计了一套测试驾驶员心智能力的方法和仪器，测试驾驶员的心智能力。 驾驶员交通心理学是让我们从驾驶员这个特殊群体的心理方面，来考虑其对道路安全的影 响。 仅仅了解驾驶员交通心理学还不够，还要从人类工效学方面来考虑。人类1 = 效学也称人 机r 稃学、工稃心理学、人因工程学等。人类下效学在国外开始于3 0 年代，成长f3 0 一6 0 年代，7 0 年代以来开始兴盛：在国内则是7 0 年代末8 0 年代初引进，9 0 年代开始繁荣起来 【i 】o 人类i 效学的基本定义为：研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合，使设计的机 器和环境系统适合人的生理、心理等特征，达到在生产中提高效率、安全、健康和舒适的目 的i ”。综合来说，人类f 效学就是按照人的特性设计和改进人一机一环境系统的科学。人一 机环境系统是指由共处于同一时间和空间的人与其所操纵的机器以及他们所处的周嗣环境 所构成的系统，也可简称为人机系统。在上述系统中，人是处于主体地位的决策者，也是操 纵者或使_ j 者；机是指人所操纵或使州的一切物的总称，它可以是机器，也可以是设施，j ： 具或j 甘具等；环境是人、机所处的物质和辛 会环境。人，机、环境在其构成的综合系统中相 5 东南大学硕 。学位论文 互依存，相互制约和相互作用，完成特定的- i = 作过程。 道路交通是由人、机、环境组成的一个复杂的动态的人机系统。在此，“机”不光是指 汽车，还包括道路。因为道路也是人设计建设出来的一种供人使h j 的设施，在道路交通中， 环境也不光是指驾驶员所处的驾驶空，还指道路沿线与行车有关的除路和车辆以外的方方面 面。与一般人一机系统相比，道路交通系统是一个更复杂的“人一机”系统。一般人一机系 统的“机”与环境都是相对固定和静止的，而道路交通系统中的“机”和环境则是动态变 化的。以往，对道路交通系统中的人与汽车之间的“小”人机系统研究得较多，如驾驶室内 的刹车、加速、换档、座位、仪表等设施的位置和适用性怎样符合人的心理、生理、习惯要 求等。但对道路设施怎样符合动态的驾驶员的心理、生理要求研究欠少。因而常常发生交通 安全问题。i l l 在本课题研究中，应当把人机工程学理论和原理应用于其中，体现处处以人为 本的，人、机、路、环境系统的最佳协调，从而保证道路交通安全及追求人在道路交通中的 行驶舒适性。 1 5 论文主要研究内容 1 5 1 研究路段、测试仪器的选定 测试路段一为沪宁高速公路南京连接线，该路段城市快速路起于沪宁高速公路南京终 点，终于中山门，道路采用一级公路标准设计，计算行车速度为8 0 k m h ，路线全长6 5 9 9 公里，双向四车道，路幅宽1 9 2 4 5 米。沿线大桥、特大桥共计3 座，总氏1 0 2 5 米。隧道 一道，长4 5 0 米。桥梁原设计荷载为汽超2 0 ，挂一1 2 0 。经过调查，发现该路段事故率一 直比较高，有必要从道路的线性以及其他设计要素来研究其安全问题。 测试路段二为南京青龙山生态园区道路，道路等级为较低，采用山区三级公路标准结合 生态园林道路特点设计时速4 0 k m h 。 选择动态心电仪作为测试驾驶员驾车时心理、生理变化的主要仪器，同时使用水银血压 i f 测培驾驶员驾驶前后的血压值。 1 5 2 数据采集 1 、驾驶员心电数据的采集。按概率统计的样本量要求选择不同类型驾驶员( 如性别， 性格、年龄、驾龄等等) 4 名。在上路正式行驶车辆之前，测试各人的静态心率l o 分钟， 以其作为基准心率，为其后分析各人驾车时的动态心率作对比。车辆起动时记下时间并同时 按下心电仪上的“患者事件”记录按钮，其后在沿途行车的过程中，每隔1 0 0 米或2 0 0 米按 下该按钮并同时记下时间，以为后阶段的数据分析提供更多的信息。 2 、动态行车速度数据采集。在试验车上采集驾驶员心电信号的同时，从汽车车速表上 读出该点的瞬时车速，并用手t 记录一些特殊情况下的时间( 如平曲线、竖曲线起、终点时 间等) 。要求心电仪与手工记录的时间准确一致，这样才能保让各种信息的数据同步。 1 5 3 数据处理分析与回归模型的建立 按使用要求分别对心电数据和手r 记录的相关数据进行! j 类处理。据概率统计理论和一 般常识排除一些异常数据。然后根据己得剑的各变量间对应的样本数据，撤据回归分析理论 和方法，建立心率、车速、平曲线半径及其他主要道路线形指标间的同归模型。 6 第一章 绪论 1 5 4 确定符合驾驶员心理生理裔求的路线主要指标 根据己建立的心生理反应与车速、道路线形问各种模犁，分析和计算一些道路线形及其 组合的主要指标值，从而最终得到符合人的心理、生理反麻的道路新线形指标。 1 5 5 模型验证 按预计利用本课题的研究结果可以检查出己有高等级公路上的不安全路段，用研究结果 模型检究出的这些不安全路段，与按事故资料统计确定出的测试道路事故多发点相对照，可 以相对检验模型的合理性与适用性。 1 6 技术路线 本研究采用“以系统分析理论和心理、生理分析理论为指导，以大量实测数据为基础， 以计算机辅助和数学建模为手段，将建立的模型、确立的指标和阀值与实际观侧结果不断对 比校验相结合”的技术路线。 l 、以系统分析和心理、生理分析为指导。道路线形、车速、驾驶员心理、生理和交通 安全相关模刭研究涉及到人、车、路、环境这样一个综合系统，需要应用到交通工程学、道 路工程学、交通心理学、生理学、驾驶行为理论、人机工程学、计算机技术、数理统计及系 统工程学等众多学科的知识，实验设计和总体研究方案均以系统分析理论和方法、驾驶员心 理一生理分析理论和方法为指导。 2 ，以大量实测数据为基础。由于现场实测数据量能反映在实际道路、交通条件下人的 心理一生理和车辆行驶的变化规律，也是数学建模的基础，只能取得足够的精确的数据样本， 才能真实客观地建立起可供实际应用的数学模趔。 3 、以数学建模为手段。通过大鼍实测数据，并应用心理学、生理学、行为学、人机工 稃学、数理统计模璎等来描述在一定的道路，交通条件下驾驶员在道路上行车的心珲、生理 特征及车选待征，从而建立数学模型，确立各种阀值和指标，并对模型、阀值和指标进行必 要的验证和评价。 1 7 论文主要成果 本论文研究通过阅读大量的相关文献，特别是心理、生理学方面的大量文献，并通过现 场行车试验以及试验数据的分析建模和模型的验证等环节，最终得到了下列主要的研究成 果。 1 、获得了人体生理信息在道路交通研究中应用的方法与经验。如论述人体几种主要心 理、生理反应指标的特点，检测方法及它们在交通研究应用中的特点。 2 ，从车速、心率与道路几何线形的关系出发，在试验数据的分析建模基础上，确定了 在平曲线、竖曲线以及弯坡组合路段上行车时符合驾驶员心理、生理反戍要求的最小平曲线 半径以及临界横向力系数值。 3 ，通过对行车试验中行车速度以及道路断面实测运行车速测颦的数据分析，获得了运 行速度预测模碰，并根据实际运行速度给出了推荐限速。 4 、根据试验数据分析驾驶员的个体差异情况。 7 东南大学硕士学位论文 本章小结 1 、针对目前我国公路线形设计理论的现状及道路交通运营中出现的人量事故多发点的 事实，开展了本论文的研究工作。 2 ，在追溯国内、外类似研究状况的前提下，提出了本论文具体的研究方向，即应用检 测人的心理、生理反应指标的方法，寻找和建立驾驶员在道路上行车时心理、生理反府与车 速、线形之间的关系，从而确定符合驾驶员行车心理、生理反应的道路各种线形指标。 3 、分析了课题研究的意义。即本研究是对道路设计理论从一个新的角度和方法进行补 充：给道路上的事故多发点改造时提供科学的切实可行的依据，从而提高道路的服务水平。 描述了课题研究的内容和技术路线。归纳了课题研究获得的主要成果。 8 第一二章试验路段事故资料收集整理与分析 第二章试验路段事故资料收集整理与分析 2 1 沪宁高速公路南京连接线概况 沪宁高速公路南京连接线地处南京市东大fj 的重要窗口地带，是南京市通往上海、苏州， 无锡的主要城市快速路，对南京市的经济发展起到了重要的作用。沪宁高速公路南京连接线 建成于1 9 9 6 年，并于同年正式通车，使用临时路面。1 9 9 7 进行路面加铺，路面加铺厚度为 8 5 厘米。该段城市快速路起于中山门，终于绕城公路。道路采用一级公路标准设计，设计 行车速度8 0 k n v h ，路幅宽1 9 2 4 5 米，双向四车道，路线全长6 5 9 9 公里，总车行道面积 为1 6 3 1 0 0 平方米左右。 2 2 沪宁高速公路南京连接线安全状况 通过沪宁高速公路南京交警支队的有关同忐的配合项目组对沪宁高速连接线全线事故 路段进行实地调查，勘查事故多发位置处的一些实际情况，并作了归纳，主要有以f1 2 个 方面的内容： 一、上海南京方向( 上行道) i ) 连接线起点附近标志过多，且与广告牌混杂，提供信息凌乱，导致很多外地大货车 进入连接线后，才发现走错道，往往在中山陵( 陵东路) 出口处掉头逆行，存在很大的安全 隐患。 2 ) 牌楼西约1 0 0 米处，竖向凹曲线底部与平面反向曲线拐点重合，造成路面排水不畅， 雨天产生积水，引发多起交通事故。 3 ) 牌楼处于两同向曲线之f b j 的一段短直线上，同向曲线问短直线，会使驾驶员形成视 觉错觉，把短直线段看成反弯，驾驶员有沿前曲线行驶的倾向。以上两点都会造成车辆不 按行车道行驶，引发交通事故。 4 ) 体院高架桥弯道前设置有注意弯道视距不良，桥面积水、结冰警告标志，但标志过 小，不宜看清，不醒目，驾驶员一般不太会注意，在2 0 0 4 年1 2 月一次下雪后的上午造成十 多起追尾碰撞事故。 5 ) 体院高架桥设置隔音板，高架桥处于弯道上，且未设置紧急停车带，弯道内侧行车 视距严重不足。 6 ) 体院高架弯道上中央隔离栏经常被大货司机拆开掉头，可以考虑设置新泽西州防撞 墩。 7 ) 卫岗隧道前2 0 0 米处，农民拆除隔离网横穿公路卖菜，前方通道位于翻越地点往后 约2 0 0 米处，农民并未利用，宣传教果也不明显。 8 ) 卫岗隧道出口处接平曲线，且隧道内外光线亮度往往反差较大，视距不良，高速行 驶也易发生事故。 9 ) 中山门前陵闻风景区出口处易发生追尾，主要是前方指路和限速标志离匝道入口距 离太近，司机往往反应不及时。 二、南京上海方向( 下行道) 1 ) 出中山门约2 5 0 米处苜蓿周人街匝道入口合流交织区，视距不良，车速快，易撞车。 2 ) 卫岗隧道东侧路面有渗水、积水，冬季结冰，易造成交通事故；且由于内外光线反 9 东南大学硕十学位论文 差大，视距不良，刹车导致追尾。 3 ) 卫岗隧道出口5 0 0 米处弯道内侧易积水，这种情况下司机刹车或变换车道，将影响 其他车辆，继而引发事故。 2 3 沪宁高速公路南京连接线1 9 9 9 2 0 0 4 年间安全事故统计分析 笔者在这里通过1 9 9 9 2 0 0 4 六年间连接线上交通事故资料，分别从事故时间、事故空 间、事故形态、事故原因以及天气状况等方面来分析这六年间沪宁高速南京连接线交通事故 的统计资料。首先来看沪宁高速南京连接线上1 9 9 9 2 0 0 4 年间每年事故起数分布情况，见图 2 一l ： 图2 - 11 9 9 9 2 0 0 4 年间每年事故起数分布 从图2 - 1 可以看出，从1 9 9 9 - 2 0 0 4 年间连接线上交通事故起数大致呈降低趋势，其中在 经过1 9 9 9 年的事故高峰期( 3 0 起) 后，在2 0 0 2 年又出现一个小高峰( 1 7 起) ，但波动幅度 不大。仅从图表中数据来看，事故率呈下降趋势。 图2 - 21 9 9 9 2 0 0 4 年间事故月份分布 图2 2 为1 9 9 9 2 0 0 4 年间连接线上事故的月份汇总分布图，从图中大致可以看出f 半 年事故多下上半年，其中1 、6 、7 、8 、1 1 、1 2 月份为事故多发月份，3 、1 0 月份事故最少， 当然这与每月的交通量也有一定的联系。不过通过图2 - 2 人致反映出了全年事故的多发爿份 分布，即在一年中最冷和最热的月份事故率较高，如6 、7 、8 月份和1 、1 1 、1 2 月份。在大 气比较炎热的季节，驾驶员会因为天气的燥热而变得焦躁不安，驾驶动作会变得较大和冲动， 这时候在驾车时特别容易出错而导致事故率较高：在天气比较寒冷的季节，同样驾驶员会因 为温度很低而反应变得迟缓，在处理问题时往往不够及时而导致事故的发生。图2 - 2 反映的 o 第二章 试验路段事故资料收集整理与分析 现象也基本与实际比较的符合。 图2 - 31 9 9 9 2 0 0 4 年间事故小时分布 图2 - 3 为测试路段 9 9 9 2 0 0 4 年间事故的小时分布图，从图中看反映的事故多发时段比 较模糊，从早上8 点到下午6 点以及晚上8 点到1 2 点事故率都比较高，但经过分析还是可 以得出一些必然的结论，上午8 点到1 2 点一般为上班时间车流量较大，又容易赶时间从而 导致事故多发；中午1 2 点下午2 点为人心情比较烦躁时期，会由于冲动和大幅度动作导致 事故发生：下午2 点到下午6 点以及晚上8 点到1 2 点为状态低迷的时间段，这时人很容易 犯困而导致发生事故，这与人的生理节律以及交通量还是比较吻合的。由此说明我们在驾车 时应该注意人的生物钟对驾驶行为的影响，尽量避免在生理低潮或生理焦躁的状态下驾车出 行，无法避免时应特别注意。 图2 - 41 9 9 9 2 0 0 4 年问事故形态分布 图2 - 4 为为测试路段1 9 9 9 2 0 0 4 年间事故形态分布，由于统计资料的记述不是很清晰， 所以从统计资料上来看其他不明的事故形态事故次数最多，但从图中还是可以看出撞固定 物、侧面相撞、尾随相撞以及正面相撞还是占了很大一部分比例，大约占全部事故的6 3 。 这与道路的横断面形式是有很大关系的，因为连接线是双向四车道，有隔离栅分割对向行驶 在很大程度上避免了同向刮擦和对向刮擦，其中正面相撞很大一部分原因是由于外地驾驶员 不熟悉路况，走错路而违章掉头引起的，从图2 5 的事故原因可以看出，违章掉头引发的事 故占有很大一部分。 东南大学硕士学位论文 图2 - 51 9 9 9 - - 2 0 0 4 年间事故原因分布 图2 - 5 为测试路段1 9 9 9 - 2 0 0 4 年问事故原因的分布，从图表中可以看出其他操作不当、 制动不当、违章掉头、超速行驶以及未保持安全距离引发的交通事故占有绝大多数，大约为 全部交通事故的8 0 ，由于连接线上车速较高，这几方面原因引发的交通事故占有很大部 分手比 、妒理解的，这与高等级公路事故原因也大致吻合。从图2 5 中还可以看出单纯由操 作不当日，i 的交通事故最多，包括其他操作不当、制动不当和油门控制不当，大约占全部交 通事故翻4 2 1 ，对于制动不当，这主要是由于每逢下雨或雨雪天气沪宁连接线上多处积水 或结冰，导致路面抗滑性能严重降低，另外由于超速和视距不良以至于驾驶员不能及时的采 取措施，而导致事故的发生。从图表中可以看出违章掉头也是引发事故的关键原因之，一 般来说对于封闭的高速公路连接线是不允许掉头的，为什么会出现如此多的车辆掉头呢? 经 过实地调查发现，在连接线入口处的指路标示牌相当凌乱，一些驾驶员特别是外地驾驶员在 入口处所获得的信息很模糊或者驾驶员根本就没有从连接线入口处找到其所需要的信息，这 就导致很多驾驶员在进入连接线后才发现行车路线不对，于是冒着危险被迫掉头，与对向来 车相撞引发交通事故。 图2 _ 61 9 9 9 - - - 2 0 0 4 年间事故的天气分布 图2 - 6 为测试路段1 9 9 9 2 0 0 4 年间事故的天气分布情况，从图中可以看出晴天事故率最 高，雨天、阴天次之，f 雪和起雾犬气f 事故率较低。这似乎与常理不合，按照正常的理解 应该f 雪和起雾天气_ 卜事故率最高，雨天、阴天次之，晴天事故率最少，冈为在犬气条件恶 劣的情况r ，除事故率会高一些。但实际情况却恰恰相反，这一方面可能由于在恶劣的天气 条件卜，驾驶员驾车时都很谨随车速较低，前而市