（光学工程专业论文）驾驶员道路安全感量化评价模型的研究.pdf

摘要 汽车在公路上的实际行驶过程表明，驾驶员的道路安全感对行车安全有着非 常重要的影响。因此，对不同道路条件下驾驶员的道路安全感觉进行定量描述与 评价研究，将对道路安全设计与管理有着重要的理论与实践意义。 由于目前关于这方面的研究较少，更缺乏对驾驶员道路安全感的量化评价方 法，有鉴于此，本论文主要以国道二级公路为研究对象，以模糊综合评判法为数 学工具，实现了一种通过建立数学模型对道路条件各因素综合作用影响下驾驶员 的道路安全感进行定量描述与评价的方法。 本研究首先根据对二级公路样本道路典型路段现场勘测的数据资料，确定了 道路安全感综合评价模型中的道路及其环境参数指标；并组织具有不同驾驶经历 的驾驶人员对典型路段道路条件进行了模糊认知评价试验，通过对评价试验数据 的统计分析，将各指标对驾驶员认知的影响作用方式模型化，建立了不同类型参 数指标的隶属函数：同时利用层次分析法确定了各指标对驾驶员安全感的影响程 度，即权重。在以上工作的基础上，继而建立了驾驶员道路安全感的模糊综合评 价模型，并推导了驾驶员道路安全感水平的量化评价指标i p s 。本文最后通过对 该模型的验证和应用分析，表明了模型的合理性与适用性。 关键词：驾驶员道路安全感认知评价量化评价模型模糊综合评判 a b s tr a c t d r i v e r s p e r c e p t i o no fr o a ds a f e t yi nt r a v e l i n gi sr e l e v a n tt or o a d t r a f f i cs a f e t yn e a r l y s oi t i ss i g n i f i c a n to nr o a ds a f e t yd e s i g nn o to n l y j nt h e o r yb u ta l s oi np r a c t i s et om e a s u r et h ep e r c e p t i o no fs a f e t yg i v e n t h ec o m p l e xi n t e r a c t i o n sa m o n gv a r i o u sr o a df a c t o r s o n l yas m a lln u m b e ro fs t u d i e sh a v ea t t e m p t e dt om e a s u r et h ep e r c e p t i o n o fr o a ds a f e t yp r e s e n t y ，e s p e c i a l l yt h eq u a n t i f y i n go fr o a ds a f e t y p e r c e p t i o nl e v e l i ss h o r t w h e r e a st h i s ，b es u b j e c tt os e c o n d c l a s s n a t i o n a lw a y ，u s et h em e t h o do fc o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n ti nt h ef u z z y m a t h e m a t i c s ，t h i sd i s s e r t a t i o n b u i l dam o d e lm e t h o do fm e a s u r i n g d r i v e r s p e r c e p t i o no fr o a ds a f e t y t h i sp a p e rf o r m u l a r e ss e v e r a lm a i n r o a df a c t o r sa si n d e x e so ft h em o d e lo nt h eb a s eo ft h es i t ep r o s p e c t i n g ， e n s u r et h er e l e v a n tm e m b e r s h i pf u n c t i o n so ff a c t o r sa c c o r d i n gt o t h e s t a r i s t i c a lr e s u l to fi n v e s t i g a t i o nt e s t i n gd a t a ，a n dd e f i n et h ei m p o r t a n t d e g r e eo fe a c ha s s e s s i n gi n d e xb ya p p l y i n gs y s t e m a t i ce n g i n e e r i n ga n da h p o nt h eb a s eo ft h e s ew o r k ，t h i sd i s s e r t a t i o ns e t su pam a t h e m a t i c sm o d e l o f f u z z yc o m p r e h e n s i v e a s s e s s m e n tt o q u a n t i t a t i v e e v a l u a t e d r i v e r s p e r c e p t i o no fr o a ds a f e t y ，a n dd e r i v i n gf r o mt h i sm o d e l ，g a i n s t h ei n d e xo fp e r c e i v e ds a f e t y ( i p s ) l a s t l y ，t h ep a p e ra l s ot e s t sa n d a p p l i e st h i sm o d e lw i t ha c t u a ls t a t e ，a sar e s u l t ，i ts p e a k sv o l u m e sf o r t h er a t i o n a l i t ya n da p p l i c a b i l i t yo ft h i se s t i m a t e dm o d e l k e yw o r d s ：d r i v e r s p e r c e p t i o no fr o a ds a f e t y p e r c e i v e de v a l u a t i o n q u a n t i f i e da s s e s s m e n tm o d e l f u z z ya s s e s s m e n t 长安大掌司l 士掌位论文 第1 章绪论 道路交通是目前人类社会最主要的一种交通方式。汽车自诞生以来的1 0 0 多 年闻，以其特有的优越性为现代社会的发展和人类生活条件的改善作出了巨大的 贡献，但是，汽车的大量普及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，尤其是道路交通事故发生率的居高不下，死伤人数的逐年增长，经 济损失的同益加大，令人发出“车祸猛如虎”的惊叹! 道路交通事故已成为当今 人类社会共同面临的一大威胁和最为严重的社会公害，它不仅给众多家庭带来极 大的痛苦，同时也给社会造成了重大经济损失。因此道路交通安全领域内的相关 研究一直是各国学者普遍关注的社会问题和科学进步所面临的重要课题。 1 1 1 道路交通系统分析 1 1 问题的提出 从系统论的观点来看道路交通系统是由人、车、路( 含交通环境) 三大要 素构成的一个复杂系统，一切交通活动都是发生在这个大系统之中。其中各组成 要素又自成系统，各为子系统。这些子系统既独立作用又相互制约，它们本身的 可靠性程度和它们之间的相互作用决定了这个复杂系统的运行状况和交通安全水 平。因此，交通事故的发生主要是由于人、车、道路环境组成的动态系统失衡的 结果。动态交通系统各子系统的相互作用机理如图1 1 所示。 人 1 1 道路交通系统示意圈 长_ 盔j 大学硕士学位沦文 从上图中可以看出，“人”是整个系统的中枢；“路”是整个系统的基础；“车” 是完成运输功能的工具。首先“路”限定了“人”的信息来源和“车”的行驶状 态，“人”通过感觉器官不断摄取道路信息；并经过加工处理，再通过运动器官来 控制车辆，使车辆来适应不断变化的道路条件和环境条件，同时感觉器官又不断 的摄取车辆对道路的适应情况信息，并对车辆进一步的微调，这样周而复始达到 安全行驶的目的。显然，对于确定的人( 驾驶员) 和车，在人、车、路构成一个 特定的闭环系统后，各要素之间就产生了相互依赖、相互作用和不可分割的联系。 因此汽车的安全行驶实际上是人、车辆、路等要素和谐统一的结果。 1 1 2 驾驶员道路安全感释意 在道路交通系统中，驾驶员虽是影响道路交通安全的最活跃的因素，但就驾 驶过程而占，驾驶员的任何主动行为都时刻受到车辆、道路及交通条件的作用和 约束。 一般来说，驾驶员的驾驶过程可以通过这三个基本任务来描述：获取信息、 制定决策和操作车辆( 如图1 2 所示) 。驾驶员首先通过视觉探索等活动感知到道 路及环境条件的信息，并通过对这些信息进行加工，从而对应采取的驾驶行为做 出相应决策。 驾驶员行为特性 图1 2 道路交通信息传递与驾驶员信息处理过程示意图 实际上，驾驶员在行车过程中，对于各种道路及交通环境信息的刺激，必须 在极短的时间内作出准确的分析、判断并采取相应的对策。在大多数情况下，驾 驶员不可能有充分的时间进行定量认知、分析、决策，而完全是靠一种主观的安 长安失掌j 日! 士掌位论文 全感来控制车辆，因此驾驶员的安全感与其行车安全是密切相关的。不同的信息， 经驾驶员认知、判断后产生不同的心理反应，称为安全感。 根据交通系统动态信息传递和处理过程的分析易知，驾驶员的安全感是受到 道路、交通条件，车辆技术状况及驾驶员自身经验等多方面因素影响的，在本文 中主要针对道路条件( 含路侧环境，以下同) 的影响进行了研究。对每一辆行驶 在道路上的车辆来说，驾驶员和车辆都是相对固定的因素，是无变化的，而道路 条件与交通条件则是时刻动态变化的，是驾驶员操作行为的主要信息激励源。道 路条件作为系统依赖的基础，为系统提供了第一部分的信息输入，是影响驾驶员 安全感的重要因素。汽车在公路上的实际行驶过程还表明，当交通密度小与气候 条件良好时，驾驶员行车只受公路的外廓特征( 包括公路本身的技术条件及路侧 环境条件) 的影响“，也就是说在这种条件下驾驶员的驾驶行为( 尤其是对车速 的控制) 基本上只由驾驶员的“道路安全感”决定的。 不同的道路信息的刺激，经驾驶员信息加工后产生的不同心理反应，即为驾 驶员的道路安全感。而驾驶员的信息加工过程实质上是驾驶员对其感知到的道路 几何线形、环境等道路信息进行的一个综合认知评价的过程，驾驶员道路安全感 反映的便是这一过程形成的驾驶员对路段道路条件安全性优劣程度的认知状况， 其外部表现形式即为对驾驶员驾驶行为的影响。 1 1 3 问题的引出 对道路交通系统而言，道路条件作为交通运输的载体，对交通安全有着重要 的影响。我国目前处于公路基础设施建设的高峰期，保障与提高道路安全运营与 效益质量是当务之急。而对于道路的运营质量起到先导作用的，是道路设计在人一 车路协调意义上的安全质量。 到目前为止，我国道路设计的一般程序为：首先根据其建设等级及地形、地 貌确定一个计算行车速度( 也称设计车速) ，然后再以此设计车速为主要依据确定 出符合设计标准的道路技术指标。计算行车速度是控制道路几何线形、行车道宽 度、超高、加宽设计等设计要素最低标准的核心指标，根据现行规范，只要一条 公路所采用的最小几何指标大于该条公路采用的计算行车速度所对应的最小几何 指标，就认为该条公路的设计符合标准规范。理论上讲，从行驶力学的角度出发， 长安大学硕士学位论文 当行驶在道路路段上的车辆( 技术状况良好) 的实际车速不超过该路段道路的“设 计车速”时，道路就能为车辆提供足够的安全保障而不至发生交通事故( 突发性 危险事件除外) 。 但依照这样的程序设计的道路线形，往往只能满足驾驶员安全行车的最低要 求，其基础假设未能描述交通行为中人车路的系统作用，对用路人的心理特性缺 乏重视与引用，特别是对人的安全感没有充分考虑，往往在承载实际的驾驶行为 时产生出功能偏差。例如，道路设计的技术指标都是依据设计车速而确定的，但 在实际的驾驶行为中，没有一个驾驶员自始至终去恪守这一固定车速。如上节所 述，车辆在公路上行驶时，驾驶员一般都是根据其对道路行车条件的认知而形成 的主观“道路安全感觉”来操控自己的驾驶行为，当驾驶员的道路安全感较高时， 他们总是倾向于采用尽量高的速度行驶。这样在特定的路段，实际行驶车速往往 会远高于设计车速，则产生出了高车速与低设计标准的偏差，情况严重时就会产 生安全隐患。根据西安公路研究所对陕西境内干线公路1 0 0 个事故多发点的调查 表明”1 ，绝大多数的事故都与道路因素有关，而且在这些道路交通事故中，相当 多的是发生在设计安全保证高的路段上，也就是说符合工程技术标准要求的路段 不一定就是实际安全的。究其原因，就是在道路设计中对宜人性的问题重视不够， 道路安全感上出了偏差。 因此，道路设计的安全性，不仅取决于道路条件提供的设计安全保障( 即从 道路设计的角度来看，道路的设计标准等级以及道路本身技术条件对标准的满足 情况) ，还取决于这种可靠性能否以信息的形式客观地显示出来，并为驾驶员所证 确认知，也就是说，道路的实际安全性能既与道路的安全保证有关又受驾驶员道 路安全感的影响。关于驾驶员道路安全感水平对道路安全的影响作用，根据有关 文献中总结的研究成果“”“，归纳起来，大致有以下几种情况： 道路设计安全保证与驾驶员道路安全感水平呈较大“逆偏差”即道 路的设计安全水平低，而给驾驶员的道路安全感觉反而相对较高的情况。在这种 情况下，驾驶员的驾驶行为决策倾向于使车辆处于较不安全行驶状态( 如过高的 车速控制) ，容易引发道路交通事故。相对低等级道路路段而言，目前很多高等级 公路( 尤以二级公路为主) 中二者关系呈较大逆偏差的道路路段更具潜在危险性。 长安大掌硕士掌位论文 道路设计安全保证与驾驶员道路安全感水平呈较大“正偏差”即道 路的设计安全水平高，而给驾驶员的道路安全感觉反而相对低的情况。仅从道路 所能提供的安全保障的方面考虑，在这种情况下，此时驾驶员将对车辆进行较低 的车速控制，此时车辆将处于裕量安全行驶状态，不容易发生道路交通事故。但 从充分发挥道路通行能力，提高道路运输效率的角度看，这种情况在道路设计中 是不希望出现的。 道路设计安全保证与驾驶员道路安全感水平相接近的情况。这种情况属 于人车路协调设计匹配性较好的路段，此时驾驶员判断的实际行驶车速往往与该 道路路段的设计车速比较接近，使车辆处于临界安全行驶状态，正常情况下不易 引发道路交通事故。 总之，驾驶员的道路安全感水平对道路安全性有着十分重要的影响。道路条 件给驾驶员提供的安全感信息过高或过低，都不能满足真正安全意义上的道路设 计要求。因此，研究道路因素对道路安全感综合影响作用，度量( 定量化评价) 驾驶员在不同道路条件下的道路安全感水平，对道路安全设计有着重要的理论与 实践意义。 1 2 相关研究方法综述 1 2 1 以生理反应指标反映驾驶员安全感水平的研究方法 1 2 1 1 方法与相关研究概述 到目前为止，国内外在分析道路因素对驾驶员心理的影响关系的研究中，最 常用的度量驾驶员安全感的一种方法就是通过驾驶员生理反应的变化来反映驾驶 员安全感水平。 一般认为，驾驶员在行驶的过程中，对道路环境安全感的变化会引起驾驶员 神经情绪的变化。比如，当驾驶员在安全感较高的路段上行驶时，其神经情绪就 比较放松；而当驾驶员在安全感较低的路段上行驶时，其精神状况就比较紧张。 从医学上讲，人的神经心理紧张状态可以通过人体的某些生理反应反映出来，并 且人在情绪变化状态下伴随着产生的生理变化与行为反应，当事人往往是无法控 制的。前苏联学者e m 洛巴诺夫曾与r 克龙装备了一辆通用的汽车实 长岳大掣预士掌位论文 验室，在其中安置了记录参加试验的驾驶员的医学生物学指标的仪器。在不同的 平面和纵断面组合的道路上完成的观测表明，驾驶员的身体对于道路条件的变化 有着敏锐的反应，在安全系数降低较大的地方，驾驶员紧张情绪相应地有着急剧 的增长。 在以往的研究中，用得最多的度量驾驶员紧张度的人体生理反应指标是皮肤 的皮肤电流反应次数。临床脑电学认为，皮肤电流反应是在中枢神经系统参与下 的催汗反射，它属于精神性出汗，是由精神紧张或情绪激动所引起的出汗，受脑 高级皮层的调节，并且这种排汗会导致皮肤导电性发生变化。为了确定路线各组 成部分对驾驶员的心理影响作用，在研究驾驶员对各种路段的运行条件的感觉特 点中，皮肤电流反应己被利用了许多年。 早期的研究只是针对着弄清大部分驾驶员对于道路组成部分的要求，并没有 与驾驶员的心理和身体指标的深入研究联系起来。莫斯科公路学院道路勘测与设 计教研室，从1 9 5 0 年就开始了研究驾驶员对汽车运行条件的感觉特点。研究生 八n 维杜吉里斯、b c 穆尔塔津等人利用皮电反应研究了道路平曲线元素 与驾驶员神经紧张之间的关系，给出了一系列关于平曲线元素的要求，以及对不 会使驾驶员引起神经紧张的合理组合的建议。 n 维杜吉里斯与b m 别 列杰夫还通过对小汽车在小半径曲线上行驶的观测，对不同的横向力系数对乘客 的神经紧张状态和驾驶员皮肤电流反应的相对变化的影响做了研究。根据他们的 研究结果，横向力系数与驾驶员皮肤电流反应的相对变化的关系如表卜1 所示。 汽车驶入不同半径的平曲线时皮肤电流反应增强的情况，也被b n 瓦尔 拉什金在山区道路上所进行的观测所证实。使用驾驶员的皮肤电流反应作为衡量 驾驶员安全感的指标也存在着一定的争议性。一些学者认为皮电反应在反映驾驶 员道路安全感水平时的精确性较低，因为在试验时，皮电反应的变化未必就反映 了驾驶员道路安全感的变化，比如说驾驶员受惊而突然产生的某种思想也会引起 驾驶员皮肤电流反应的变化。 当然，除了皮肤的电流反应，驾驶员的紧张情绪还可以通过人体的其他生理 反应表现出来。按照e m 洛巴诺夫的资料，当汽车在半径为6 0 0 米的平曲线 上行驶时，驾驶员紧张情绪的变化，可在脉搏跳动次数增加，皮肤电流反应增强 以及驾驶员在视线从一个目标移向另一个目标的频率中所表现出来的总的活跃性 提高等方面反映出来。 表l - l 横向力系数与驾驶员神经紧张情绪的关系 皮肤电流反应 横向力系数曲线上的行驶条件 的相对变化 乘客不看路时分别不出是在直线路段上还是在曲 0 0 510 0 线路段上行驶，驾驶员没有感到有任何紧张 乘客不看路时。分别不山是在直线路段上还是在曲 o 1 01 o o 线路段上行驶，驾驶员没有感到有任何紧张 乘客轻微的感到汽车沿曲线行驶但没有引起任何 0 1 5的不适，由于曲线行驶引起的驾驶员紧张程度不严重， 1 0 5 1 1 0 并且紧张程度与横向力系数成正比例的增加 明显的感到汽车沿曲线行驶，但没有给乘客带来明 o 2 01 1 0 1 2 5 显的不适，大多数驾驶员感到明显的紧张 4 0 的乘客与驾驶员对这种曲线行驶感到讨厌。皮 o2 51 2 0 1 2 5 肤电流反应证实驾驶员明显地神经心理紧张 在这种曲线上行驶，不论是乘客还是大多数驾驶员 03 015 0 都感到讨厌 在这种曲线上行驶，驾驶员的紧张情绪剧烈的增 03 5 加，路面潮湿时行车具有旁滑的危险性，因此驾驶员很 1 7 0 讨厌这种曲线 后来我国学者潘晓东与日本的山本馘、後藤纯一等学者根据对驾驶员的人体 信息脉搏数和血压的变动特性的分析指出，在指定的道路交通环境下，通过 测定驾驶员的脉搏数和血压就可判明驾驶员因紧张不安或安全感较低产生的心理 和生理的负担程度。然后他们通过在日本高知县山岭重丘区县道的单曲线部上的 道路试验，以测定的血压变动和脉搏变动值建立了衡量驾驶员心理生理负担程度 的评价指标，并主要针对视距的影响对现有道路几何构造给驾驶员提供的舒适性 和行车安全性进行了评价。他们还根据分析结果有针对性的提出了改善方案，指 出现行计算停车视距的设置方法不能满足驾驶员心理上和生理上的行车安全要 求，如果再增加5 1 0 m 的安全距离，便可大大减少驾驶员的心理生理负担程度， 达到安全行车的要求。当然，使用这两个指标作为衡量驾驶员心理生理负担的评 最蜜大掌硕士掌位论文 价指标也存在着一定的缺陷，比如说血压的变动，是肉体上的运动刺激中枢神经 产生的心理压抑的影响，还是病理上的神经刺激的原因，这种因果关系的判别是 很不容易的。 1 2 1 2 综述 根据上节对驾驶员道路安全感的度量方法以及道路条件与驾驶员安全感相关 关系的研究概述，可以得到以下几个结论： 夺利用对驾驶员生理反应的指标来作为驾驶员安全感的度量指标，并以该 指标作为评价指标分析道路及其环境条件各因素对驾驶员安全感的影响。通过驾 驶员的生理反应变化来对驾驶员的安全感进行度量，其优点是方便易测且比较直 观。但由于驾驶员在某些情况下生理反应指标变化并不一定就能代表驾驶员心理 反应的变化，故使用该方法对驾驶员安全感进行度量时，其精确性较低； 夺目前关于道路条件对驾驶员安全感影响这方面的研究多处于单一层面。 驾驶员的在某一路段上的道路安全感往往是多种道路信息综合作用的结果，而现 有研究大都只是针对弄清驾驶员对于道路组成部分的一般要求这一目的，对单一 道路要素对驾驶员安全感的影响进行了分柝。如何度量多因素综合作用影响下的 驾驶员道路安全感水平，应是需要进步研究的问题。 夺在问题的研究方法上也基本上都处于单一相关层面上，己有研究总是以 某一道路因素为自变量，以驾驶员的生理反应指标作为反映驾驶员道路安全感的 目标值，常规性地将两种因素进行了直接关联，来分析道路某因素对驾驶员安全 感的影响。这种分析问题的技术路线只表现问题的结果，不明示道路条件对驾驶 员认知的作用机理和过程，未能将问题清晰化。 有鉴于此，在驾驶员道路安全感水平的量化研究中，非常有必要建立一个不 只是基于驾驶员生理反应指标和单一相关分析，而是依据驾驶员对道路条件的认 知机理与安全感形成的过程的，可以映射出道路条件对驾驶员综合影响作用本质 的驾驶员道路安全感水平量化指标。 1 2 2 以数学模型建立驾驶员交通安全感量化指标的研究方法 2 0 0 2 年，我国学者王宝金和澳大利亚学者d a v i da h e n s h e r 和t ut o n 提出，如何对道路交通环境各因素复杂作用下的驾驶员交通安全感进行度量是一 个需要不断研究的问题。在研究中，他们通过建立数学模型提出了一种度量驾驶 员交通安全感的方法。他们以城市道路环形交叉口处的交通环境为研究对象，选 取了描述交叉口交通环境及驾驶员特征的若干参数并采用了一种在市场经济分 析中常用的s t a t e d p r e f e r e n c e 法( 意向调查法) 对一系列环形道路交叉口典型交通 环境处驾驶员交通安全感进行了抽样调查。并利用o r d e r e d p r o b i t 模型( 排序波比 模型) 确定了每个参数对驾驶员安全感影响的分布，并根据各参数及其影响系数 建立了反映驾驶员安全感程度的定量指标。他们在研究中指出，他们在建立模型 时采用的s t a t e dp r e f e r e n c e 方法可以克服采用生理反应方法的许多不足，并且表 明，利用研究中所建立的驾驶员交通安全感预测模型及量化指标，将对确定驾驶 环境中的危险因素并实施相应的管理或改善措施有很大帮助。这项研究提供了一 种对驾驶员交通安全感度量问题的新的研究思路，即数学模型法，这种研究思路 将对本文要进行的驾驶员道路安全感的量化评价研究有很重要的参考价值。 从影响驾驶员安全感的因素出发，先确定各因素对驾驶员安全感的影响的分 柿，然后根据各参数及其影响分布建立起相应的数学模型来推导出反映驾驶员的 安全感定量指标，这是一种通过数学建模来达到对驾驶员安全感进行度量的目的。 这种方法是驾驶员安全感度量研究中的一种新方法，可以克服采用生理反应方法 的许多不足，并且能很好的反映各影响因素对驾驶员安全感的综合影响作用。但 由于驾驶员的主观感受是一个很复杂的问题，很难定量描述，因此，应用数学建 模法对驾驶员的安全感水平进行量化研究，其数学方法的选取将对研究结果的合 理性、精确性产生较大的影响。 1 3 本论文的研究内容与意义 本论文主要以国道二级公路为研究对象，根据驾驶员道路安全感与其形成过 程中的特性，通过选择适当的数学工具，将道路要素对驾驶员认知的影响作用方 式模型化，即先确定道路各因素对驾驶员安全感的影响的分布，然后根据各参数 及其影响分布构筑了驾驶员对道路条件安全性的综合认知评价模型，并根据模型 继而确立了驾驶员道路安全感的量化指标以及初步建立了驾驶员安全感量化指标 i p s 的运作模式。 长安大掌司e 士掌位论文 本论文的研究旨在建立一种可反映驾驶员对道路条件综合认知机理的道路安 全感水平的量化评价模型和量化指标，这一研究为道路设计工作者在道路设计阶 段就能认识到道路因素对驾驶员安全感的综合影响作用提供了基础理论依据。本 论文是道路条件与交通安全关系中的一项应用基础性研究。 近年来，应在道路设计中贯彻“以人为本”的新设计理念已成为业内人士的 共识，该项研究将在提高道路交通安全性、推动“人一车( 环境) 路”协调设计 领域的研究进展有着重要的科学意义和实用价值。 长安大掌硕士掌位论文 第2 章数学工具的选择与本论文的技术路线 如第一章所述，驾驶员道路安全感其实是驾驶员对路段道路条件安全性优劣 程度的认知状况的心理反应，其形成过程实质上则是驾驶员对其感知到的道路信 息进行的一个综合认知评价的过程。因此本文要研究的其实是“人”( 驾驶员) 对 一个复杂的客观存在系统( 道路条件) 的主观认知的问题，本文根据驾驶员对道 路条件的认知特性，为建立驾驶员道路安全感量化评价模型选择适当了数学工具 支持。 2 1 驾驶员的认知特性 道路条件本身是一个由道路线形、路面以及路侧环境等多因素构成的复杂系 统，由于客观事物的复杂性，使得人类思维对很多客观事物的认知带有很强的模 糊性和复杂性。因此，在驾驶员道路安全感量化评价模型研究时必须考虑驾驶员 对道路信息认知过程的以下特性： 1 涉及的模糊概念多驾驶员不仅在对道路条件各指标认知的时候模糊性 较强，比如说驾驶员在行驶过程中对这些道路信息感知时，不可能对这些量化的 道路线形、路面等指标等有很精确的定量认识，而只能感知到诸如“弯比较急”、 “坡比较陡”等模糊信息；并且在感知到这些模糊化的信息后，对其进行的信息 加工也是一种模糊推理的过程。因此，驾驶员对道路条件的信息感知、安全感形 成的整个认知评价过程中都带有很强的模糊性。而且在建模研究时往往会采取征 求专家经验和意见的方法，这些经验、意见往往也都具有模糊性。如何把这种模 糊性加以解析化和定量化，使对驾驶员道路安全感的评价模型能建立在充分合理 的科学基础上，需要通过选取适当的数学模型和研究手段来实现。 2 涉及多因素综合评价道路条件包含众多因素，道路线形几何要素、道 路路面状况、路侧环境等多种因素，而且这些因素对驾驶员安全感的影响在很多 情况下是相互制约，相互影响的。驾驶员的道路安全感则是在这些因素的综合影 响下形成的对道路条件安全性的一个综合认知评价。众所周知，要评价一件由单 因素确定的事物是比较容易的，但如果涉及的因素多了，就会出现从这个因素出 发对它做出一种判断，而从另一种因素出发又可以对它作出另一个评价的局面， 这样就产生一个综合各方面因素作出一个更接近实际的综合评判问题，避免仅从 1 1 长安夫掌硕士掌位论文 一个因素作出判断而带来的片面性，这就是综合评价方法。 2 2 数学工具的选择 2 2 1 定性和定量相结合加以评价的方法 在系统工程中，许多场合要采用定性分析与定量分析相结合的方法。定量分 析是指数量指标的分析，用数学方法对系统进行精确的数量分析；定性分析一般 是从事物现象入手，利用经验对系统的特征、本质进行深入的研究，它决定研究 的方向。近年来，随着系统工程方法的出现，利用单纯的定性分析方法或单纯的 定量分析方法难以解决科学研究中的具体问题，单纯定性分析容易造成研究的粗 浅化；纯粹的定量分析又容易失去真实性，运用二者相结合的方法才有利于全面 综合、客观真实地反映所研究事物的规律，即在研究各种系统对象时，一定要通 过“定性定量定性”这一循环往复的分析过程，爿+ 能求得最佳方案。 因此本文研究中，尽量采用定性分析和定量分析相结合的方法来建立驾驶员 对道路安全感的综合认知评价模型，比如说利用专家调查和统计试验将专家的经 验和知识转化为各指标对驾驶员安全感的影响程度分布( 隶属函数的确定) ，通过 层次分析法与回归分析相结合的方法确定各指标重要程度系数( 权重) 的定量化 表征。利用定性和定量相结合的方法进行系统评价，可以使人们对于事物的认识 既不偏离正确的方向，又能达到一定的深度。 2 2 2 数学工具的选择 1 9 6 5 年，美国加州大学柏克莱分校的l a z a d e h 教授发表了关于模糊集的开 创性论文。他在研究人类思维、判断过程的建模中，提出了用模糊集作为定量化 研究的手段。在最初的几年里，除了极少数的专家外，模糊数学理论并未受到世 人的注目。到7 0 年代初，模糊理论才逐渐为越来越多的学者关注。由于客观事物 本身在很多情况下都带有模糊性没有明确外延( 有公认标准) ，使得相应的评 价与决策工作必须引入模糊数学的理论和方法，才能使决策的效果更加切合实际， 更加准确。在各项管理工作中，综合模糊评价、模糊信息的理论与方法已经得到 较为广泛的应用，取得了较好的决策效果。近些年来，模糊理论取得了突飞猛进 的发展，模糊技术几乎渗透到了自然科学、社会科学、工程技术的各个领域。 长安大掌司e 士掌位论文 由于人对客观事物的认知特征具有模糊性，故使用模糊数学理论来处理与人 的主观认知评价相关的问题更符合人类的思维方式和心理特征，也更容易为人们 所接受。根据在道路安全感形成过程中驾驶员认知特性的分析，本文在对驾驶员 道路安全感进行研究时采用了模糊综合评判的方法建立了驾驶员对道路条件的综 合认知评价模型( 也即道路安全感的量化评价模型) 。模糊综合评判是在模糊认知 的环境中，考虑了多种因素的影响，关于某种目的对某种事物作出的综合决断， 具有系统性和模糊性的两种特点，是解决人的主观认知评判问题的一个有效方法。 2 2 3 模糊综合评价方法 在现实生活中，同一种事物往往具有多种属性，因此在对事物进行评价时， 就要兼顾事物的各个方面，对相关因素作综合考虑，这就是所谓的综合评判问题。 设给定两个有限论域：u = “，“玉”：) 肛 v i ，v 2 ，h i 其中：u 代表综合评判的n 个因素所组成的集合：v 代表m 个评判等级评语 所组成的集合。综合评判可以用模糊数学语言描述成b = a r ，其中爿为因素权 重集，是影响评价目标诸因素集合u 上的模糊子集：r 为模糊评判矩阵，描述因 素集与评价集v 之间的关系：b 为模糊综合评判集，表示最终评判结果的集合。 由此可看出，模糊综合评判方法有以下几个步骤： 1 确定评价指标，建立因素集和评价集 评价指标的选取要科学合理，这是模糊综合评判能否准确的关键，因此因素 集的选择要具备完备性，又要重点突出。若考虑因素过多过细，确定诸因素的权 重时可能出现过小，甚至为零。因此需要必要的筛选。 2 确定各评价指标的隶属函数或隶属度 隶属函数是模糊数学中最重要也是最基本的概念，有了隶属函数以后，人们 就可以把元素对模糊集合的归属程度恰当的表示出来( 即隶属度) ，运用隶属函数， 可以表示出事物性质的模糊性。 3 分析每个评价指标对评价目标的影响程度，即建立因素权重集 长堂大掌硕士掌位论j ： 权重是指各因素在评判系统中对评价目标所起作用的大小程度，是建立模糊 综合评判模型的重要环节之一。权重的获取方法有很多，如d e l p h i 法、专家调 查法、层次分析法、分类统计法等，应根据所要研究的问题选择适当的方法。 4 作模糊变换 b = a r ，b 表示被评判事物在评语集合上的综合评判结果。在模糊评判中， 需采用合适的模糊算子以达到既考虑全面又兼顾重点的目的。常用的有“主因素 突出型”、“主因素决定型”和“加权平均型”等算子，根据具体情况选择使用哪 种类型的模糊算子。 5 评判结果向量的清晰化 模糊综合评价的结果是模糊向量，即评判对象隶属于各个评判等级的隶属度 向量，确定评判对象的等级时，需要对该向量进行清晰化，一般较常用的方法是 最大隶属度法和重心法。 2 3 本论文研究的技术路线 根据选用的数学工具( 模糊综合评价法) 及其应用步骤，本文在具体的建模 过程中。采用了如下所示的技术路线： 取样勘测一) 指标确定一 评价试验一 结果分析一 模型建立一 验证应用 即研究建立了以道路试验数据为支撑的驾驶员道路安全感的模糊综合评价模 型。根据这一技术路线，本文在实际研究中主要按照以下几个步骤来进行： 进行道路勘测试验，确定模型评价指标 在整个过程中，道路试验是基础，为使建立的模型能尽量科学、合理的反映 本文所研究的问题，在模型建立以及模型应用验证的过程中都需要有大量的道路 基础数据作为研究的支撑。根据这一需要，确定了相应的道路试验方案，并对相 当规模的道路路段进行了实地勘测，获得了本议题研究的基础数据支持。并根据 对道路参数的实地勘测情况，确定了建立驾驶员道路安全感量化评价模型的评价 指标。 进行模糊统计试验，结合调查结果建立各因素的隶属函数 长苦j 大掣q 甄士掌位论文 根据在道路勘测试验中这些经过实测记录的公路路段中，选取了一些典型路 段进行驾驶员对道路因素和道路安全感水平的认知评价模糊统计试验，确定了我 国驾驶员对典型道路各参数的模糊化分类与认知参数集，并结合调查试验数据的 汇总统计结果，建立了道路要素对各模糊认知评语子集的隶属函数，为驾驶员道 路安全感的模糊综合评价模型的建立奠定了基础。 建立模型 根据确定的评价指标与道路安全感量化评价模型的因素集、评价集，并结合 模糊统计实验的结果与专家经验建立了各因素的隶属函数或隶属度、各指标的权 重系数，确定了模型建立的模糊算子和清晰化方法，最终建立了驾驶员道路安全 感的模糊综合评价模型。根据模型推导的结果，确立了反映各因素综合影响下驾 驶员道路安全感水平的量化评价指标。 模型的验证与应用分析 根据试验数据，论文最后对模型进行了进一步的验证与应用分析，同时也表 明了陔模型的可行性与实用意义。 长碴j 大学硕士掌位论文 第3 章样本公路的实地勘测与评价指标的确定 作为本论文研究的基础工作，首先在国道二级公路选取了一定数量规模的典 型路段进行了实地勘测试验，以获取直接的信息，初步认知基本道路情况，并获 取了道路条件基本状态信息，并在此基础上建成国道主干线二级公路典型路段线 形、路面、道路环境基本类型集数据库，获得了本研究的基础数据支持。并根据 对道路参数的实地勘测情况，确定了建立驾驶员道路安全感量化评价模型的评价 指标。 3 1 实地勘测试验的工作过程 3 1 1 实地勘测实验的工作方式 实地勘测试验的工作方式沿用“调研选样外业勘测内业数据处理” 的操作过程。 首先通过调研，选定3 1 2 国道蓝( 田) 小( 商塬) 二级汽车专用路、1 0 8 国道i n ( 安) 汉( 中) 二级路、3 1 0 国道西( 安) 潼( 关- 级路、3 1 2 国道永( 寿) 长( 武) 二级路作为西 部地区国道主干线二级公路的样本道路。之后携带必要的测量设备，以线形相对 复杂的路段作为典型路段，逐详细考察各区段的道路情况。 在外业勘测阶段，不仅对可精确反映道路路段几何线形状况的线形参数进行 了实地测量，还对路段的路面及路侧环境的基本状况进行了记录。并且除对道路 路况指标的测定外，在每一路段现场都对大量车辆的实际行驶车速进行t n 量， 以作为进一步深入研究的数据支撑。 逐一完成对于各路段的勘查后，在内业中对现场获得的基础数据进行了分类 整理。建成国道主干线二级公路典型路段线形、路面、道路环境基本参数数据库， 作为本研究的基础数据支持。 3 1 2 外业勘测实验大纲 3 1 2 1 实验目的 测定2 0 0 3 0 0 个典型道路路段的道路参数值，获得国道主干线二级公路道路 路面、线形及道路环境的基本类型集。 长安大掌硕士掌位论文 3 1 2 2 测量参数 1 道路几何线形参数： 道路平面线形参数：平曲线半径( m ) 道路横断面线形参数：路面宽度( m ) 2 反映道路路面状况的参数： 道路纵面线形参数：纵坡坡度( ) 行车视距( m ) ： 路面( 破损) 状况；路面附着状态参数( 附着系数) 3 道路路侧环境参数： 横向干扰状态：路侧危险程度。 4 道路安全感外部表现形式参数：车辆行驶速度( k i n h ) 3 1 2 3 测试工具、仪器 试验车、3 0 m 卷尺、直尺、标杆、手水准( 仪) 、摆式仪、雷达测速枪。 3 1 2 4 道路条件各参数的测量方案 1 路段名记录线路名+ 旱程数( 公路桩号) 。 2 路面宽度的测定使用3 0 m 卷尺直接人t - 钡, u 量包括路肩在内的路面宽 度和车道宽度。 3 平曲线半径的测定一一在弯道中部的道边轮廓标线上取一基准点( p 2 ： x 2 = o ，y 2 = o ) ，分别往其前后各取一个等距点 p l ：( x 1 ，y 1 ) 、p 3 ：( x 3 ，y 3 ) ) ， 并约定沿路线切线方向为x ，内法线方向为y 。使用3 0 m 卷尺分别测量出 x 1 、y 1 、x 3 、y 3 的值，然后根据p 1 、p 2 、p 3 点的坐标值利用相应的计算 程序求得该路段的平曲线半径值。 4 纵坡坡度的测量使用手水准( 仪) 、标杆和3 0 m 卷尺测量路段的平均 纵坡度值。 5 视距长度的测量在实验观测路段的主要弯道处设置观察物( 标杆) ， 使用3 0 m 卷尺测量路段的平均视距长度值和最小视距长度值。 6 路面状况通过观察记录道路标线是否齐全清晰、路面的破损情况。 长蜜夫掌硕士掌位论文 7 路面附着状态的测量使用摆式仪来测量路面附着系数( 干燥路面) 。 8 道路横向干扰状态通过观察记录道路隔离状况、实验路段中匝道路1 ：3 数量、道路两侧环境状况( 是否有住户、村落等) ，并观察期间行人数量 和横穿行为状况来反映。 9 路侧危险度通过观察记录道路路侧的安全设施( 是否有安全护栏) 、 路侧边坡高度、路侧地形条件( 如路侧是否有峡谷) 来反映。 3 1 2 5 行车速度的测量方案 在自由流交通状态下，在路段的各个观测点使用雷达测速枪连续测定并记录 1 5 辆左右的过往车辆的行驶速度( 观测车型为标准设计车型小客车) 。最后采用 其平均值作为该实验路段的观测车速。 3 1 2 6 外业勘测实验记录表格式 试验中采用的路段参数勘测记录表参见附表1 。 3 2 样本道路实验勘测路段道路参数基本情况 3 2 1 各样本道路实验勘测路段基本路况 3 2 1 1 3 1 2 国道蓝小二级汽车专用路实验勘测路段基本路况 3 1 2 国道蓝小二级汽车专用路穿越秦岭进入陕西省关中平原，沥青混凝土路 面，全线铺装质量良好且标线清晰。该二级路平均纵坡度比较大，尤其是在快要 进入关中平原的秦岭峡谷地段坡陡弯急，属于典型的二级公路交通事故多发点( 路 段) 。 试验中在3 1 2 国道蓝小二级汽车专用路上共测量了6 4 组路段数据。路面宽度 的变化范围从l o m 到1 2 m ( 含路肩宽度) 。3 1 2 国道蓝小二级汽车专用路基本都 设置了封闭护栏，选取的典型路段中，设置护栏的路段有4 9 处。在蓝小二级汽车 专用路的试验路段中基本无干扰路段有5 5 处，有干扰路段有9 处。平均而言，整 个路段横向干扰情况不太严重。 道路纵坡度的变化范围为0 6 5 ，选取的典型路段中( 参见图3 1 ) ：纵坡度 为o 2 的路段2 5 处、2 4 的路段1 9 处、4 6 的路段1 6 处、6 以上的 长安犬掌硕士掌位论文 路段4 处。 道路平曲线半径的变化范围为6 9 m 到无穷大( 直线路段) 。选取的典型路段中 ( 参见图3 2 ) ：平曲线半径为1 5 0 m 以下的路段8 处、1 5 0 m 3 0 0 m 的路段1 8 处、 3 0 0 m 5 0 0 m 的路段1 4 处、5 0 0 m 1 0 0 0 m 的路段l l 处、1 0 0 0 m 以上的路段1 3 处。在这条二级公路上，小半径的路段主要集中在快要进入关中平原的秦岭峡谷 地段。 图3 23 1 2 国道蓝小二级汽车专用路测量路段平曲线半径情况 3 1 2 国道蓝小二级汽车专用路的行车视距长度变化范围为6 0 m 至2 0 0 m 以上， 选取的典型路段中( 参见图3 3 ) ：行车视距长度在5 0 m 1 5 0 m 的路段为1 6 处、行 车视距长度在1 5 0 m 2 0 0 m 的路段为1 6 处、行车视距长度大于2 0 0 m 的路段为3 4 一1 9 - 长喜大掌司e 士掌位论文 处。 3 2 1 23 1 2 国道永长二级路实验勘测路段基本路况 3 1 2 国道永长二级路起自陕西省永寿塬翻越永平梁后经长武进入甘肃平凉地 区，沥青混凝土路面，路面铺装质量良好且标线清晰。该二级路平均纵坡度也较 大，尤其是在翻越永平梁的地段坡陡弯急，事故多发点( 路段) 较多。本研究在 3 1 2 国道永长二级路上共测量了5 0 组路段数据，路面宽度的变化范围为1 l m 至 1 4 m 。3 1 2 国道永长二级路局部地段设置有封闭护栏，选取的典型路段中设置护栏 的路段有7 处。整个路段上基本无横向干扰的试验路段有4 4 处、有干扰的路段有 6 处，平均而言，整个路段横向干扰情况不太严重。 其中道路纵坡度的变化范围为0 - 4 ，选取的典型路段中( 参见图3 4 ) ：纵 坡度为o 2 的路段