基于数字化技术的高速公路安全设施布局优化研究

马能利

（甘肃路桥飞宇交通设施有限责任公司）

1 引言

人是影响交通安全的最主要因素，多数交通事故都是由于操作失误及违法行为导致的，从道路类型上看，高速公路交通事故的死亡率最高，从事故形态上看，运动车辆碰撞的事故比例最大，从路段分析上看，匝道口事故相对突出，根据这些事故特征，必须加强高速公路安全管理，优化安全设施设计布局，从根本上降低交通事故发生的概率，保证人们的生命财产安全。

2 基于数字化技术的高速公路减速标线布局优化

2.1 减速标线设计要点

2.1.1 图形设计

首先，可以选用标准立方体，包括正方体、三角锥、圆柱、梯台、六棱立柱等，由于这些图形本身具有立体效果，能够产生预期的视错觉，使驾驶人看到后被迫减速。其次，波浪形也具有良好的视错觉效果，通过图形边缘的曲线形变，能够产生立体的拱起和塌陷感觉，让驾驶人误以为是路面不平导致的，采取降速措施。半侧六棱锥形外表类似于滑梯，能够产生与道路水平面形成一定角度障碍的视错觉，让驾驶误以为会遇到跳板似的物体，从而主动降速[1]。

2.1.2 颜色设计

图形设计与颜色设计相互补充、相互协调才能发挥三维立体视错觉减速标线的作用，根据交通标线相关标准，常用的标线颜色为白色、蓝色、黄色、红色、橙色，可以分为暖色调、冷色调和中性色，主要通过颜色对比设计，实现明暗对比，在光影作用下，强化立体感，在此基础上，搭配白色底面，能够显著增强平面图案立体感，加强减速标线的视觉效果。另外，使用轮廓线设计，也会加大平面交叉冲突感，突出立体结构，设计时要严格控制轮廓线宽度。

2.1.3 尺寸设计

达到视错觉高度是实现三维标线减速的必要条件，驾驶人在驾驶视角应该能够看到一定的障碍高度，根据视锐度基本特征，计算视觉空间阈值，同时，单元图形平面拉伸长度的计算也非常关键，由于观察视角的因素，图形的长度在不同平面上存在着投影损失，需要以视错觉要求尺寸为基础，对数值进行拉伸修正。

2.2 视觉效果仿真实验

2.2.1 创建仿真模型

道路模型是仿真试验场景中的重要组成部分，可以通过3Dmax进行建模，选择合适的建模方式，保证道路建模精度，能够满足近距离视点道路情况观察需求。多边形建模技术是常用方法之一，可以直接创建基本几何体，并通过修改补充完善，具有操作简单、处理速度快、占用资源少等优点，比较适用于表型形状规则的物体模型创建。根据高速公路规范尺寸制作道路模型，并对各组成部分赋予材质，使其更加真实，使用VRay 渲染器进行道路渲染，调整相关光影参数，得到最终的仿真路面效果。车辆模型创建也同样非常重要，在3Dmax中编辑成型，完善汽车轮毂和内部装饰，创建目标摄像机，模拟人眼，将摄像机放入驾驶室内，调整其位置、高度以及视野参数，有效模拟驾驶人坐在车内的视觉效果。在3D max中创建固定尺寸图案比较麻烦，而CAD与MAX之间具有良好的兼容性，所以，在创建平面减速标线时，可以将CAD制作的图案导入到MAX中，并给二维线框图设置一个厚度，使之成为真正的三维图像[2]。

2.2.2 设计方案筛选

上述建立的道路、汽车、减速标线模型都是单独存在的，需要通过合并命令将各组成部分集成到一个文件中，合理调整位置关系，然后将MAX 文件制作成动画，渲染输出为视频文件，配合最终的试验筛选。在MAX 窗口中，选择摄像机视角，将汽车与摄像机编制成组，按一下自动关键点，拖动红色条部分选定时间，然后拖动汽车，让汽车能够按拖动轨迹在选定时间内行驶，从而完成车辆行驶画面的录制。基于数字化技术得到的减速标线设计方案比选需要以多学科理论为指导，对不同减速标线视频呈现的立体效果进行调查实验。首先，播放仿真输出的行车效果视频；其次，根据减速标线立体效果要求，确定视频评价因子，量化评价指标；最后，选取一定数量具有相关专业性的评判者，保证调查过程不受外界影响。评价者独立观看视频后，对各个方案的立体感、减速紧迫感、道路协调感、施工难易度等方面进行评分，通过科学的数据统计与处理后，获得最终的比选结果。最终发现，在同样条件下，选择三角形作为三维视错觉减速标线图形的方案更优，能够有效控制形变导致的视觉效果弱化，可以很好地满足大小车型安全驾驶的视觉需求。

3 基于数字化技术的高速公路突起路标布局优化

3.1 视觉仿真与效果分析

高速公路突起路标视觉仿真设计依然主要采用3Dmax软件进行建模，在车型选择上，由于大车型的车灯照射范围更广，更有利于提前发现突起路标，所以采用小车型为仿真模型。建立高速公路道路模型应着重考虑圆曲线半径选取，保证试验的可行性和计算的简化性。可以在误差允许范围内作出基本假设，通过3Dmax模拟夜间驾驶情境，在道路上分别设置不同数量突起路标。模型创建完成后，制作输出PPT文件，使用投影仪将结果呈现给评价者，将视觉辨识度作为评价尺度，并赋予相应分数，以方便量化统计。评价过程中同样要保证独立性和标准性，减少外界环境及其他人员的干扰。统计分析实验数据结果表明，突起路标数量与线形诱导效果呈正相关，如果数量在三个以下，那么效果就非常差，当数量达到6个时，就能够起到很好的线性诱导效果。

3.2 振动仿真与效果分析

车轮碾压突起路标时，会产生震动警示作用，可以通过Adams软件对凸起路标的振动效果开展仿真试验分析，作为专门针对汽车构建的仿真软件，拥有可视化效果的力学分析模块，能够相对准确地呈现动力荷载变化，而且从多视角展示车辆受力状况、运动效果、运动轨迹以及仿真结果。利用软件中的相关专业模块，分别创建模型，包括道路模型、车辆模型、突起路标模型、驾驶人模型等，同时进行仿真结果分析。根据人体舒适度评价标准，将加权加速度均方根作为振动对人体健康和舒适的影响评价指标。因为垂直方向加速度的影响更大，所以选取垂向加速度作为评价指标，将人的主观感受分为若干等级，并与加权加速度均方根数值区间相对应。根据平直线路段振动仿真结果分析，间隔15m 的突起路标布置方案更为合理，能够产生更好的警示率和更高的碾压率，该布局方案同样适用于长大下坡路段和竖曲线路段[3]。

4 基于数字化技术的高速公路安全设施组合布局优化

4.1 模拟驾驶试验设计

基于高速公路的复杂性，尤其是山区高速公路的特殊性，需要对交通安全设施组合方案进行模拟试验，找到最佳的组合方式。常见的安全设施包括警示标志、减速标志、限速标志、护栏、慢行标志等，在数字化驾驶平台及相关仪器设备的配合下，在虚拟实验场景进行驾驶，采集驾驶行为参数、心理生理参数、眼动参数、车辆运行参数等相关数据，经过统计分析后，深入探索不同组合方式的影响程度。波形护栏在高速公路中比较常见，具有良好的吸收碰撞能量的能力，通过地基、立柱、横梁的变形吸收大部分碰撞能量，在选择波形护栏进行模拟试验时，需要着重对护栏端部进行处理，采用解体消能式护栏端部，能够有效提升吸能效果。在模拟驾驶试验中，需要加强护栏结构验算，通过理论计算、计算机模拟等多种方式，验证护栏结构的牢固性、稳定性、安全性，波形护栏属于半刚性护栏，在碰撞过程中允许有较大横向位移出现，忽略护栏自身质量，将车辆与护栏的碰撞简化为双弹簧单自由度系统，验证波形梁护栏的强度是否满足要求，同时，基础和立柱也要满足相关规范要求。

4.2 模拟驾驶试验实施

模拟驾驶试验采用的主要设备包括驾驶模拟平台、生理心理仪、眼动仪等，同时还有相关数据提取软件。驾驶模拟平台由驾驶系统、图像系统、声响模拟系统、动力学仿真系统、控制系统、交通微观仿真系统等部分组成，通过实体驾驶舱还原驾驶实况，实时反馈人、机、环境的交互状态。生理心理仪采用无线通信技术，能够实时对生理状态指标同步采集传输，在同一时间内记录、追踪、分析个体生理心理变化，眼动仪能够用来采集驾驶人眼动轨迹和基本眼动形式特征数据。选择合适人员参与试验，在驾驶经验、身体状况、视力水平等方面有一定要求，然后根据相关规范标准和技术要求，开展实验场景设计，确定安全设施组合方案，按要求搭建实验场景，保证虚拟驾驶试验的仿真度和可靠性。

4.3 实验数据处理分析

实验数据收集包括车辆数据、生理心理数据、眼动数据等，利用专业数据软件对初始数据进行导出和预处理，有效过滤无效数据、数据噪点，做好特定指标的解释和统计工作，降低后期数据处理的工作量和复杂度。车辆数据包括车辆运行状态参数、操作行为参数，在不同组合方案下，驾驶人在速度处理、方向盘控制等方面存在显著差异，同样在生理心理数据眼动参数上也会表现出不同。为了评价不同组合方案的试验效果，需要建立效用评价指标体系，科学赋予评价指标相应权重，通过驾驶人表现出的安全驾驶水平等级，明确安全设施组合方案效用，以此为依据作出科学论断[4]。

5 结语

综上所述，高速公路是重要的基础设施，涉及国家经济发展和生活水平提升，随着工程建设规模的不断扩大，高速公路交通事故居高不下，提高交通运输安全依然是首要目标。优化交通安全设施布局，保证信息传达清晰顺畅，可以更好地发挥交通安全设施的警示提醒作用，让驾驶人能够集中注意力，提前采取应对措施，避免由于视觉缺陷、操作失误、注意力不集中等因素导致交通事故的发生。