隧道中央隔离设施安全效果的模拟评价研究＊

郭凤香 熊 坚 刘洪启 秦雅琴 万华森

（交通部公路交通安全工程研究中心1） 昆明理工大学交通工程学院2） 650500）

0 引 言

中央隔离设施一般用于城市道路，以保证交通流的畅通和行车安全，其设置形式是人们普遍关注的一个问题.近年来，人们开始重视城市道路交通隔离设施的安全性分析的相关研究［1］，出现了利用虚拟现实技术对道路及其相关设施进行评价的方法［2－4］.本文以云南小磨路 K109＋600～K122＋024路段上的隧道群为样本，对隧道内使用的3种中央隔离设施：可倒伏示警柱、视觉标线、常规标线（无设施）进行效果评价.通过驾驶模拟实验，获取汽车相关的动态参数，从速度、速度标准差、车辆行驶的横向位置及标注差几个方面进行对比分析，为非分离式隧道中央隔离设施的设置提供设置依据.

1 仿真实验方法［5－6］

1.1 驾驶模拟实验场景的建立

本次研究对象为样本路段上的3个隧道：坝卡隧道、勐腊1号和2号隧道.研究中，将这3个隧道分别命名为1号隧道、2号隧道、3号隧道，根据相关数据资料，完成了包含3个样本隧道在内的三维虚拟实验路段的静态模型.其中，在隧道内设置了上述3种隔离设施（用于评价），使隧道内驾驶实验处于自然状态，为保证车速在隧道内的平稳状态在每个隧道前后延续了一定的路段距离.

根据研究及评价内容，为了增强实验过程的随机性和实验结果的有效性，并考虑提高实验效率，对3个样本模型隧道进行了排列组合，建立了3个实验场景组，分别表示为T1，T2，T3.各组的隔离设施的设置如表1所列.

表1 实验场景组

为营造出真实的驾驶环境，在实验样本路段需要加载一定的车流，为了避免车流影响驾驶员（受试者）对车速的选择，将交通流设置在对向车道；同时在驾驶模拟车辆的前、后方（同车道上）也设定了一定的车辆.另外，在2号隧道内加载了行人，以考察行人的影响；在3号隧道设置了前置车，以考察超车情况.图1所示为模拟实验场景隧道内外的拾取图.

图1 三维虚拟实验场景

1.2 受试驾驶员

选取40名驾驶员进行驾驶模拟实验，其中男性25人，女性15人，年龄在28～48岁之间，驾龄最低5 a，最高24 a，平均驾龄13 a.实验前先让受试驾驶员熟悉并适应驾驶模拟器，并在预备路段上进行预驾驶，适应后开始正式实验.

1.3 实验过程

每位驾驶员要完成3个实验场景组（T1，T2，T3）的实验（顺序随机抽取），这样可以保证每种场景下都有40组数据进行分析.根据实验场景隧道中有行人及无行人2种情况，又将实验人员分为2个组，每组20人；第一组做有行人实验，第二组做无行人实验，见表2.实验时实时的记录下车辆的位置与车速等动态参数，驾驶员完成实验后填写问卷.

表2 受试人员分组

1.4 实验数据采集及处理

在实验时，模拟系统计算机每隔0.01 s记录一次数据，记录的数据包括车辆的行驶坐标、速度、加速度等.由于采集的参数都是基于时间记录的，因此要将其转换为基于道路里程的数据，以便分析车辆的轨迹及相关速度及加速度.为了便于分析，选取1号隧道的入口前200，100 m；隧道入口、入口后100，200 m；隧道中部、出口前200，100 m；隧道出口、出口后100，200 m等11个点；及2号隧道的入口前100，50 m；隧道入口、入口后50，100 m；隧道中部、出口前100，50 m；隧道出口、出口后50，100 m等11个点作为特征点，分析车辆速度及车辆行驶轨迹横向位置（车辆中心与道路中桩之间的水平距离）.

2 实验数据分析

2.1 速度分析

车速是评价隧道隔离设施的一个主要指标.汽车在公路上行驶速度的分布与事故率具有一定的性关系，一般说来，速度离散度越高，道路安全性越差［7］.在隧道内，由于空间、亮度的限制，速度离散程度对安全性的影响更为明显.

图2为1号隧道实验路段各个特征点的速度分布情况.进一步统计了隧道入口段、中间段、出口段的平均速度标准差如表3所列.

表3 1号隧道各段的平均速度标准差 k m／h

图2 1号隧道各特征点在3种设施下的速度复合误差条图

从图2及表3中可以看出，在隧道各特征点处，3种设施下的速度大小及变化趋势基本相同.但从速度的离散程度来说，在隧道入口处，常规标线的程度离散程度较小；在出口处，3种设施的速度离散程度差别不大；在隧道中间段，常规标线的速度离散程度远远大于可倒伏示警柱和视觉标线；3种设施中，可倒伏示警柱的离散度最低.

2.2 横向位置分析

车辆行驶轨迹横向位置的均值和标准差表征了车辆行驶时的横向位置及波动情况，即考核汽车在车道内行驶的轨迹及横向稳定性［8］.图3为1号隧道内各特征点处车辆轨迹横向距离及误差条图.进一步统计隧道入口段、中间段、出口段的轨迹横向标准差如表4所列.

图3 1号隧道特征点下3种设施的复合横向位置误差条图

表4 1号隧道各段的轨迹横向位置标准差 m

从图3及表4中可以看出，在隧道入口段，中间段及出口段，可倒伏示警柱的车辆横向位置均大与其它两种设施，即车辆轨迹距中桩的距离最大，且波动小于另外两种设施.

2.3 行人影响分析

为了分析了3种隔离设施在有行人时的车辆运行情况，在2号隧道对有无行人的情况进行了对比分析.表5为3种隔离设施在有无行人两种情况下各特征点的速度对比情况，从表中看出，有行人时的平均车速降低，但从图4有行人时2号隧道内3种设施下的车速分布情况来看，3种设施速度下降幅度不同，可倒伏示警柱隔离设施情况下降幅度最大；另一方面，有行人时，速度的离散程度减小，驾驶更为谨慎.从图4中还可以看出，在隧道入口处速度的离散程度比较大，然而在进入隧道至出隧道的过程中有逐渐减弱的趋势.

表5 2号隧道各特征点有无行人两种情况平均速度对比表 k m／h

图4 有行人时2号隧道内3种设施下的车速复合误差条图

表6为3种隔离设施在有无行人两种情况下各特征点的车辆轨迹横向位置对比情况，从表中可以看出，在3种设施下，有行人时的车辆行驶轨迹横的向距离均小于无行人时的横向距离，即车辆更靠近隔离设施行驶.图7所示为行人对车辆轨迹的影响.但从图中可以看出，从隧道入口到隧道出口的8个特征点，可倒伏示警柱的车辆轨迹横向位置的波动情况小于其他2种设施.

表6 2号隧道各特征点有无行人两种情况车辆轨迹横向位置对比表 m

图5 有行人时2号隧道各种设施的横向位置复合误差条图

2.4 超车情况及问卷调查

为考察隧道内设置不同隔离设施时驾驶员的超车情况，在3号隧道内设置了速度为40 k m／h的前置车，但参与实验的40名驾驶员行驶到该处时，无论对向车道是否有车，3种隔离设施下驾驶员都采取了刹车减速跟行，无一人超车.

为获得驾驶员对3种隧道中央隔离设施完成模拟实验后都进行了问卷调查，以获得受试者主观评价.问卷调查中，绝大多数驾驶员都认为模拟隧道的逼真性较好：67.5%的人认为模拟隧道的逼真度到80%以上，97.5%的人认为模拟隧道的逼真度到60%以上，并且认为驾驶时接近真车感觉；另外，对于实验的内容，驾驶员仅以实际感觉驾驶，并不知道实验目的；针对3种隔离设施的驾驶感觉，75%驾驶员认为可倒伏示警柱相对于另外两种设施具有较好的安全感.

3 结 论

1）用于评价的3种隧道内隔离设施对车速的平均速度影响不大.

2）使用可倒伏示警柱和视觉标线隔离设施，隧道中车速的离散程度（标准差）相对于普通标线明显减小，并且在整个隧道中车辆运行相对平稳.

3）可倒伏示警柱隔离下的车辆轨迹偏离隔离线最远，其次是视觉标线，常规标线.说明由于视觉的影响，可倒伏示警柱隔离设施会使车辆略偏右行驶，但偏离变化的幅度较另外两种设施小，说明车辆行驶的直线性较好.

4）在有行人的情况下，3种隔离设施下的车速均有下降，且速度的离散度总体减小，其中可倒伏示警柱速度下降最大；另外有行人时，车辆行驶更靠近隔离线.车辆的轨迹的横向变化幅度也有所减少.

5）总体来看，可倒伏示警柱和视觉标线有利于隧道内的行车安全，除去成本因素，可倒伏示警柱的安全性会更高些.

［1］邵春福，曹晓飞.城市道路中央隔离设施的交通安全与景观研究［J］.中国安全科学学报，2004，14（9）：39－42.

［2］赵 希，严新平，吴超仲.车辆驾驶模拟器道路场景中的交通标示设计［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2008，31（3）：552－555.

［3］Laurie N E，Zhang S P，Mundoli R.An evaluation of alter native do not enter signs：failures of attention［J］.Transportation Research Part F：Traffic Psychology and Behaviour，2004，7（3）：151－166.

［4］魏 朗，袁望方.高速公路安全保障工程虚拟现实技术研究［J］.郑州大学学报：工学版，2008，29（1）：79－82.

［5］郭凤香，熊 坚，秦雅琴，万华森.基于驾驶模拟实验的85%位车速预测模型［J］.交通科技与经济，2010，12（3）：104－107.

［6］秦雅琴，熊 坚，刘洪启.山区公路爬坡车道的交通特性及驾驶安全性模拟评价［J］.公路交通科技，2010，27（11）：122－126.

［7］Cheng Guozhu，Pei Yulong.Relationship between speed and traffic accident and speed li mit on freeway［J］.Jour nal of Har bin Institute of Technology（New Series），2008，15（2）：149－155.

［8］Hor berr y T，Anderson J，Regan M A.The possible safety benefits of enhanced road markings：A driving si mulator evaluation.［J］.Transportation Research Part F Traffic Psychology and Behaviour，2006，9（1）：77－87.