安全道路条件计算研究综述与展望

安全道路条件计算研究综述与展望*

胡江碧1▲何荷2沈康鉴3

(1.北京工业大学城市交通学院北京 100124；2.贵州高速公路集团有限公司贵阳 550004；

3.云南省公路开发投资有限责任公司昆明 650200)

摘要为了促进中国道路安全工程的发展，系统梳理了国内外安全道路条件计算领域的学术研究现状、热点前沿、存在问题、具体对策及发展前景。总结了安全道路条件计算发展现状并对其未来发展趋势进行了展望，分别对道路线形、路面条件和驾驶人工作能力方面的研究内容进行了细化和梳理。为改善道路交通安全的严峻形势、完善道路交通安全评价理论与方法，采用驾驶工作负荷理论及表达方法的研究成果，研究驾驶期望行为(运行速度)、驾驶人自身能力阈限(生心理安全舒适感)、道路条件(包括路线平面、纵断面、横断面)、路面平整度等互动关系。研究驾驶人安全舒适性道路条件计算的多因素表达，为安全的道路条件设计与运行管理提供理论与方法支撑。

关键词交通安全；安全道路条件；多因素表达计算；驾驶工作负荷；道路线形条件；路面平整度

中图分类号：U491文献标志码：A

收稿日期：2014-09-28修回日期：2014-12-25

通讯作者▲第一作者()简介：胡江碧(1965-)，博士，教授.研究方向为道路安全工程.E-mail：hujiangbi@bjut.edu.cn

Review and Prospect of Road Safety Audit in China

HU Jiangbi1HE He2SHEN Kangjian3

(1.CollegeofMetropolitanTransportation,

BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China;

2.Guizhouhighwaygroupco.,LTD,Guiyang550004,China；

3.YunnanHighwayDevelopmentInvestmentco,LTD，Kunming650200,China)

Abstract:In order to promote the development of road safety Audit, This paper reviewed and summarized the acdamic situation, hot issues, existing problems, corresponding measures and development prospects of Road Safety Audit in China and abroad. All aspects of the safety audit related to road alignment and pavement condition, driving skills are analyzed in detail. Based on the theory and method of driving workload research, the interaction between expected driving behavior (e.g., operating speed), driver′s physiological and psychological threshold (security and comfort), road (including horizontal alignment, vertical alignment and cross-section) and pavement conditions (rutting and potholes). The multivariate analysis of road safety based on road conditions offering safe and comfort driving experiences is carried out. Study results should provide theoretical support for the design and operation management of "safe road".

Key words:road safety; road safety audit; multivariate analysis; driving workload; road alignment; pavement condition

*国家自然科学基金资助项目(批准号：61271371)

0引言

从解决道路交通事故严重问题的现实角度看，研究道路条件与人和车的协同是“人性化”道路交通发展的1个重要趋势，也是1个极具挑战性的跨学科科学问题。安全道路条件计算最终目的就是要使道路运输条件符合汽车动力性能前提下，满足正常驾驶人在动态驾驶过程中按照安全的行为驾驶时具有安全舒适性感受。现代道路设计主要是以满足汽车动力性能和驾驶运行速度为目标，道路条件标准仍不能满足驾驶行为安全舒适性需求。安全道路条件计算就是试图在驾驶人的工作能力阈限范围内，通过对驾驶人的动态认知行为需求分析和试验，研究驾驶人对道路条件动态认知过程和行为的安全舒适性形成机理和方法；研究驾驶安全舒适性阈限标准、评价方法和安全道路条件计算模型，并根据对驾驶安全舒适性识别和理解的结果进一步研究如何让道路条件更加满足驾驶人驾驶的安全舒适性，从而使道路基本建设各阶段建设和管理的道路条件与驾驶人更加友好和谐，建造自然和谐的人因道路工程交互环境。

安全道路条件计算的理论和应用价值都很高，特别在社会意义方面。但客观地说，目前道路条件计算的研究尚待进一步完善，理论基础也还不够坚实，同时更多工程实践中安全隐患问题亟待解决。

目前国内外对安全道路条件计算的研究处于汽车动力性能、道路几何条件和运行速度关系计算研究阶段，驾驶人因影响分析尚处于定性阶段，对驾驶人行为特性理论研究基础不够完善。对道路条件进行安全考虑的历史最早可追溯到1930年，基于驾驶的动力性能开始考虑设计标准的完善，并取得了一些成果。1976年在丹麦Helsingoer举办的OECD论坛“Methods for Determining Geometric Design Standard”为道路研究者们提出道路几何设计如何与交通安全、经济、环境影响和能源消耗协调的新思想，特别是提出了驾驶动力性能和道路特性与运行速度有关，道路设计标准应该基于道路用户的实际驾驶行为。随后欧美一些发达国家开始研究在设计速度下道路条件中的运行速度与交通安全的关系，获得了系列成果。2005年NCHRP项目“Comprehensive Human Factors Guidelines for Road System”提出道路用户在道路系统中具有重要地位，在道路设计和管理中应关注驾驶人特性[1]。目前“人、车、路”协同的研究已受到了学术界和行业界的关注，在驾驶的安全舒适性量化研究方面正在不同程度地建立数据采集和开发平台，成立专门的驾驶行为研究小组。但总的来说，安全道路条件计算的研究均处于起步阶段。

安全道路条件计算领域的研究内容主要包括：道路线形、路面条件和驾驶人工作能力的研究三方面。

1道路条件线形计算

目前国外大多数道路条件线形计算方法均是在对大量事故统计资料进行分析的基础上，对影响交通安全的因素进行定性分析，应用一定的数学理论建立起交通事故与各因素之间的定量关系，来反映道路交通安全水平。1920～1930年，由于机动车发展的需要，以满足驾驶车辆动力性能为服务目标的路线设计工程构成了不同国家道路几何设计指南。1930～1970年，开始基于车辆的动力性能、在设计中考虑道路几何要素与安全。苏联在道路横断面车辆间距、侧向净空与车辆运行速度的关系方面也积累了一些经验公式。1970年至今许多国家出版了道路设计指南，提出驾驶行为、交通流与道路设计特性有关；在设计中需考虑驾驶人特性和驾驶行为，道路用户期望的驾驶行为特性和需求与观测的运行速度有关[2]。

1991年英国IHT率先提出公路安全评价理念并制定了详细的安全评价指导书[3]。美国最早评价道路平纵面几何线形一致性的方法是基于Leisch的平均速度变化和路线平纵面估计的大小车可能速度[4]。1997年，美国联邦公路局组织多方人力、物力进行了系统的工作，对相关的关键技术和应用平台进行了研究、开发，目前已经推出了具有突破意义的交互式的公路安全设计模型(interactive highway safety design model，IHSDM)的集成软件包，为公路安全评价、安全改善提供了核心的技术支持。美国联邦公路局IHSDM采用设计一致性模块度量公路线形设计整体协调性，作为路线设计质量检验、评价手段[5]。德国采用CCR估计V85回归方程作为度量公路一致性标准。澳大利亚提出设计速度超过100 km/h时，V85通常要低于设计速度。瑞士学者使用理论速度模型分析平面线形的一致性[6]。

国内对道路线形条件计算研究起步较晚，也取得了一定成果。1999年交通运输部公路科学研究院等单位开展“公路项目安全性评价指南”研究，得出用V85与设计速度的差值和道路相邻评价单元运行速度差值作为评价路线设计安全性标准[7]；同济大学提出“空间曲率”指标评价道路线形连续一致性[8]；长安大学提出在山区公路弯道处对“大小车区别限速”理念[9]，采用运行速度与设计速度差、相邻路段运行速度差、速度降低因子、车辆横向力系数变化因子及路段间的加速度值等指标值进行道路安全评价[10]，以及“可能速度”和“可能速度速差量”的公路路线安全评价指标[11]；东南大学以V85与平均速度所围成的相对面积和路段各相邻单元运行速度差值的平均值构建了评价双车道公路路段线形一致性综合模型[12]，提出“临界速度”是线形设计和道路交通安全分析的基础指标[13]；昆明理工大学赵琳琳[14]运用速度一致性评价方法、视距安全评价方法、基于几何线形设计安全评价方法、横向力系数安全评价方法4种方法建立道路线形安全评价模型。武汉理工大学张航等[15]针对新建公路高危险路段运用虚拟视景技术和拟合技术研究公路线形的安全设计。安徽理工大学王雪力[16]利用可靠度理论研究公路线形安全性分析，提出了基于可靠度理论的公路几何线形安全设计方法。祝站东等[17]利用心率变异性与运行速度协调性、速度梯度指标的关系评价公路路线安全。胡江碧等[18]采用驾驶工作负荷度作为高速公路线形安全性的评价方法。近年来也有学者从驾驶人的角度评价公路线形，其方法与基于运行速度的方法相似，以驾驶人驾驶工作负荷的变化作为评价指标。

2驾驶人工作能力研究

关于驾驶人驾驶工作负荷和驾驶行为，目前仅有学者给出了定性模型。Shafer[19]采用视觉闭塞法(vision occlusion method)客观评价驾驶人工作量；Rasmussen[20]在人类控制行为模型研究中得出：经过特殊任务训练之后可以减少驾驶人在行车遇到特殊情况时的精神工作负荷，从而自然地将大量的注意力分配到其他的作业中去；有学者采用PDT(外部察觉任务)遗漏比例和PDT反应时间2个指标研究了不同复杂程度道路环境条件下新老驾驶人认知负荷。

关于驾驶工作能力的研究主要是运用生心理测量评价方法。上世纪80年代末90年代初， 有学者采用计算机图(electroencephalogram，简称EEG)研究了卡车驾驶人夜间长距离行车中，瞌睡与生心理反应的关系；有学者用EEG研究不同道路线形对驾驶人行车状态的影响，有学者用EEG研究匝道进口处不同部位驾驶人行车紧张状况。

国内陈泽林[21]提出以人的目视为标准的视觉温度变化判断方法；王炳浩等[22]研究提出当驾驶人动作幅度不大时脑电波与静止时的脑电波大致相同。对于工作负荷的量化，黄天[23]采用视觉变量VD来反映驾驶人工作负荷和视觉变量需求；潘晓东[24]应用驾驶人心率、血压2个指标定量研究山区公路线形条件与交通安全的关系。胡江碧[25-26]从驾驶人与道路、交通和环境工程的安全性互动层面建立驾驶人工作负荷评价方法；郑柯[27]、乔建刚[28]和王书灵[29]以驾驶人心率变化分别对高速公路、山区二级公路、三级公路线形安全进行了研究，提出了道路设计关键参数极限指标；赵亮[30]和曹新涛[31]采用驾驶人心率变化率、瞳孔面积变化率及心率变异指标表征驾驶人紧张度，建立了驾驶人生心理变化的表征参数与道路平、纵线形及车辆运行速度间关系模型等；唐登科[32]建立了心率、车速、平曲线半径的回归模型；吉林大学冀秉魁[33]利用驾驶行为预测以及意图辨识方法预测城市道路交通环境驾驶人在行车过程中的驾驶行为。吉林大学金立生[34]通过驾驶模拟实验采集了不同驾驶人在不同道路线形下的驾驶行为参数，建立了不同驾驶人在不同道路线形下的认知分散状态监测模型。上海交通大学郑东鹏等[35]利用修正的曼彻斯特DBQ问卷方法研究驾驶人驾驶行为特性。合肥工业大学冯忠祥等[36]基于行为学理论和非集计方法，建立了攻击性驾驶行为选择模型(多项Logit模型)。并得出驾驶人人格和其他车辆违法情况在驾驶人攻击性驾驶行为中起决定性作用。叶晓林[37]采用眼动追踪法研究了模拟驾驶过程中视觉和听觉认知负荷对驾驶行为的影响，得出高认知负荷影响驾驶情境中危险事件的觉知。徐欢[38]提出基于红外视频采集夜间驾驶人面目图像驾驶疲劳检测方法。目前针对基于驾驶人生理心理特征分析和理解的多通道信息融合的研究并不多见。对于包括脑电、动态视觉、体位与心电、呼吸、皮肤电、血压、语言等多通道生理心理参数指标等的信息，如何提取不同通道不同模式的共同驾驶工作负荷特征信息，如何选择恰当的信号处理进行融合，如何将不同通道，不同层次的融合结果综合为最终的驾驶工作负荷信息都是需要深入研究和探索的问题。

3路面平整度计算

路面平整度是影响行车安全、稳定舒适性以及运输效率的重要路面使用性能，是引起车辆振动及影响驾驶人驾驶安全、稳定舒适性的主要因素。我国路面检查项目的诸多评定指标中，由平整度影响的行驶质量指数权重占0.4，足见其重要地位。因此，在道路工程建设与管理中如何提高路面行驶安全、稳定舒适性，如何准确、客观、定量地评价路面运行中的安全、稳定舒适性是亟待解决的课题。

国内外对路面平整度安全舒适性的研究主要通过道路用户的主观舒适性感受和车辆振动位移等方面进行，随着驾驶人生心理测量技术的发展和应用，现阶段对路面平整度研究已能从驾驶人的客观反映进行评价。

欧美等国在路面平整度方面开展的研究工作较早。1980年，NCHRP提出了路面舒适性指数RN，用评分小组对路面服务质量的平均分(MPR)评价路面服务水平；1986年各国道路专家在巴西召开的道路安全会议上提出“国际平整度指数”(IRI)为路面平整度评价指标；捷克有学者通过直尺和“路面情况指示器补偿法”测量路面平整度。印度的Jain-S等利用监测路段的数据建立平整度衰变模型，并在柔性路面的设计寿命期内预测其行驶质量。目前国际平整度指数IRI是国际上使用最广泛的平整性评价指标，但各国采用的指标值不同，如西班牙、瑞典、美国。

我国从“七五”开始在路面管理中采用IRI作为路面平整度指标。早期对IRI阈值的研究均来源于专家打分，路面专家小组沿着评价路段行驶并根据经验打分，小组评分结果主要取决于在评分之前对评分小组成员进行的关于路面特性或质量定义的培训，不可避免地采用了专家们的主观判断，数据缺乏客观性和可靠性。相关学者依据《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价》(GB/T 13441.1—2007/ISO 2631-1:1997)第1部分一般要求中对人体舒适性影响分级的定量描述，对路面平整度安全舒适性进行评价。如根据该标准中的定量描述，提出乘客不舒适感的量化指数，建立了主观感觉量化加权平均值与路面平整度标准差的关系模型；有学者在沥青路面平整度评价中采用与车辆振动有关的加权加速度均方根值作为人体振动舒适性的评价指标，并根据国际标准ISO2631规定的加权加速度均方根值与行车舒适性的关系对人的舒适性作出评价。有学者建立了加权加速度均方根值与IRI的线性回归模型。并选取ISO2631中的乘坐舒适性判定标准对沥青路面平整度IRI进行评价，界定IRI舒适性阈值。有学者基于加权加速度均方根值和人体舒适性的关系,研究了不同摩擦系数、不同平整度、不同速度下的加速度与人体主观感受之间的关系。对室外沥青混凝土普通公路路段和室内驾驶模拟舱所测得的大量数据进行统计分析,给出了在满足驾乘舒适性的条件下,最大行车速度和路面平整度之间的关系。周晓青等[39]在已有的国际平整度指数评价标准基础上，结合上海市沥青路面行驶质量水平评价标准，提出了基于国际平整度指数路面行驶质量评价标准确定方法；北京工业大学张金喜[40]从驾驶人角度出发研究乘车舒适性与路面平整度之间的关系，通过乘客心电指标RMSSD方法、主观打分法和振动加速度评价方法提出基于乘客舒适性的平整度临界值。哈尔滨工业大学王超逸[41]利用多重分形方法刻画道路纵剖面的局部特征，利用多重分形维数谱函数评价道路平整度。

近年来，从驾驶人生心理层面研究驾驶安全舒适性及驾驶疲劳，以评价道路线形、隧道照明和路面平整性等已成为道路交通安全发展研究的新趋势。道路交通系统中，驾驶人是核心，在人、车、路、环境之间的协调、配合作用下驾驶人随时会产心理和生理状态的变化。随着驾驶人生心理指标动态测量技术的发展和应用，现阶段对路面平整度的研究已经能够从驾驶人生心理的客观反映进行评价。近年来国内外研究学者将驾驶人脑电、心电等生心理指标用于路面平整性评价中，进一步客观地描述路面行驶质量。日本学者用脑电反应来表征道路使用者对路面状况的感觉。国内学者用心电指标描述路面平整性对驾驶人生心理的影响。但从驾驶人生心理角度的研究仅仅局限于定性的描述，缺乏理论、定量、可靠的评价方法。

4结束语

综上所述，在安全道路条件计算方面，国内外研究人员已经开展了多因素多层面研究工作，并取得了一定成果。但还有很多问题迫切需要解决，主要包括：对驾驶人的动态认知安全舒适行为需求机理分析还不够深入，对安全道路条件的认知信息获取方式单一，数据维度较低，多数研究是把道路线形条件和路面平整度条件分别用不同方法评价；关于路线方面，多基于20世纪70年代初欧美国家提出的驾驶动力性能、运行速度与路线几何要素关系模型，对路线条件计算中基本路段仅进行了单因素或双因素数据采集分析，所处理的驾驶行为状态信号多为断面、短时序信号；关于路面平整度方面，对安全舒适性的认知机理及定量研究尚处于探索阶段。因此，大多数的研究是基于运行速度、经验评价方法或对其进行一定程度的扩展。

道路条件对驾驶安全行为的影响是1种连续的生心理活动过程，其外在表现也必然是长时序过程；而且，驾驶过程中认知生心理行为会在道路条件变化前因视觉认知视距的存在而提前发生变化，并在一定的驾驶行为条件下维持在一定的距离范围内，仅用断面运行参数不能客观表征道路条件与驾驶人驾驶安全舒适性。因此，针对断面短时数据和经验进行分析的技术难以满足道路条件对驾驶行为的影响分析。而目前主流的理论技术方法尚缺乏对驾驶行为和认知需求的动态连续性，以及对道路条件下研究行为认知的提前和这种长时序信号的规律特点的研究。

对道路条件安全舒适性系统评定方法没有进行过“人、车、路”协同的深层次机理分析和统一的分类方法与指标的研究，多为传统、单一统计模式分析和识别方法，难以准确把握道路条件变化时驾驶人的驾驶安全舒适性。

在安全道路条件计算研究中，让道路条件更友好地与驾驶人安全舒适行为保持和谐所具有的因素应该从下述两方面开展研究。

1) 在道路条件对驾驶安全舒适性行为和认知生成机理方面，一方面需要研究动态道路条件驾驶人认知行为安全舒适性表达，另一方面是道路条件中多要素安全舒适感连续信息融合的真实感表达。

2) 在道路条件的安全评价方面，对道路条件安全的评价方法是单一和孤立的，没有将驾驶人与道路协同的特性结合进行系统、连续和长时序的分析和计算研究；在路线基本路段的划分、路面平整度特性和行为特性分析中仅凭经验和根据道路几何特性进行分析评价，缺乏连续、稳定、有效的驾驶人驾驶安全舒适性评价理论和方法。

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