高速公路反向曲线驾驶员车速感知规律

刘婷

西安交通工程学院 土木工程学院 陕西省西安市 710300

1 引言

速度感知是车速选择、躲避碰撞、目标导航的基础，对个体驾驶安全具有重要意义。行车过程中，速度感知是驾驶员多知觉（视觉、听觉、触觉等）综合感知的结果，感知准确性会受到气质、年龄、驾龄等机体因素的影响，也会受到车辆性能、气候环境、道路条件等客观因素的影响。机体因素、车辆因素、气候环境都是不可控的，而道路条件可以从减小车速感知误差的角度进行优化设计。目前关于道路与速度感知的研究，大多数学者多基于室内或实地实验，侧重于总结某一因素对速度感知的影响规律。相关研究成果显示：道路几何条件、路面标线、路侧环境等都会对速度感知产生影响。

反向曲线是公路设计中常见的一种线形。因连续反弯，线形及车辆操作复杂度较单曲线高，若车速较快，驾驶员极易反应不及时导致安全事故。速度感知不足会使驾驶员倾向于选择更高的车速行驶，当车速高于容许安全速度时，就会导致车辆侧滑、冲出路侧进而引发安全事故。本文以半径和曲线间直线长为变量，设置不同线形组合的反向曲线试验段，开展室内试验分别采集各曲线段上不同特征点位处的感知车速与实际车速，对特征点位处车速感知误差进行量化分析，得到反向曲线车速感知误差变化规律。

2 模拟驾驶试验设计

2.1 模型构建

采用三维虚拟现实仿真软件UC-win/Road 构建道路场景模型，试验场景选取设计速度为100km/h 的双向4 车道高速公路。参考《公路路线设计规范》（JTG D20-2017）中圆曲线半径及曲线间直线长的规定，半径选取1000m 和650m（缓和曲线长度取175m），直线长度分别选取100m，400m 和600m，最终参数组合如表1 所示。为避免其他因素（行道树、填挖等）的影响，控制路侧环境单调，路线纵坡小于2%。超高过渡采用线性内插法。为保证车辆在平曲线内正常行驶，平曲线段前设置长2km 的直线路段。模拟道路场景如图1 所示。

图1 模拟道路场景

表1 反向曲线参数表

2.2 试验设计

面向社会公开招募驾驶员20 名，其中男性17 名，女性3 名。受试者年龄分布为24岁～62 岁，平均年龄36.4 岁，实际驾龄为3 年～27 年，平均驾龄为10.2 年。总体上，驾驶员经验丰富，驾龄较长，年龄适中。

选取曲线要素点（ZH、QZ、HZ 点）作为感知车速观测点。为便于对比分析直线与曲线段的感知规律，根据注视距离与车速的关系在直线路段增设两个观测点位P、Q。Q 点距离ZH 点前方560m，此时驾驶员的注视点刚好落在入弯点附近，将Q 点向前推400m 得到P 点所在位置。试验段单元速度观测点如图2 所示。

图2 感知车速观测点

因模拟驾驶与实际驾驶存在一定的差异性，设置长30km 的预试验段供驾驶员进行适应性训练。预实验中驾驶员熟悉驾驶模拟器的刹车油门、档位位置及基本操作，体验模拟驾驶情况下不同速度的感受。适应性训练结束后若驾驶员无不适感，休息5~10 分钟后进行正式试验。

（1）告知驾驶员注意事项：“试验段是一条设计速度100km/h 的双向四车道高速公路，您可以在遵守交通规则的前提下自由驾驶。驾驶中全程遮盖仪表盘，同时我们会询问一些问题，希望您简短迅速的给出答复”。

（2）遮盖仪表盘，随机打开道路模型文件，让驾驶员自由行驶，当车辆到达观测点时，询问其感知车速。

（3）试验员记录整理观测点位置处的感知车速数据，软件内置插件可实时记录试验段全程实际车速。

（4）重复步骤（2）～（3），直至驾驶员开完6 段试验段为止。

3 数据处理与分析

3.1 分析指标的选取

采用V表示感知车速，V表示实际车速，定义为车速感知误差程度值，表达式如下：

当＜0 时，表明驾驶员低估自身车速；当＞0 时，表明驾驶员高估自身车速。感知车速影响因素众多而具有一定的不稳定性，相关学者多采用均值作为分析指标。据此，式（1）中实际车速和感知车速均取均值。

3.2 感知车速变化规律

根据ECO 驾驶插件采集的数据提取速度观测点的实际车速，分别对各点位实际车速及感知车速进行均值化处理，并绘制各试验段感知车速误差折线图如图3 所示。

图3 特征点位车速感知误差值

由图（a）可以看出，大半径接小半径反向曲线各点位感知车速基本都是低于实际车速的。直线上P 点车速低估误差介于7%到8%之间，Q 点车速低估有所减小，ZH1 处车速低估程度显著增加，估计误差达到11%，进入曲线后车速估计准确性逐渐提高。当直线长L=100m 时，反向曲线可以看成一个线形单元，后曲线的速度感知受到前曲线的影响，车速估计误差值持续减小，至出弯处车速低估程度约为2%。直线长为400m 和600m时，ZH2 点位处车速估计误差均较前一点位出现了明显的车速低估，说明随着曲线间直线长的增加，前一个曲线速度感知的适应性影响逐渐减弱，后曲线逐渐呈现出基本型独立曲线的特征。

由图（b）可以看出，ZH1 出现了严重的车速低估，车速低估误差最大可达到11.96%。此外，第二个曲线内的车速感知整体误差较图（a）小。当直线长为100m 和400m 时，后曲线的速度感知误差依然受到前曲线速度感知适应性的影响；直至直线长为600m 时，ZH2 点车速估计误差均较前一点位出现轻微车速低估，后曲线逐渐呈现出基本型独立曲线的趋势。

由图（c）可以看出，ZH1 处均会出现明显的车速低估，低估程度为11%左右。进入曲线后车速低估程度逐渐减轻，且后曲线的感知误差减缓速度明显低于前曲线。当直线长为600m 时，后曲线逐渐呈现出基本型独立曲线的特征。

综上所述，可得出以下规律：（1）直线段驾驶员感知车速一般是低于实际车速的，低估值约为8%。（2）第一个曲线入弯点处会出现严重的车速低估，估计误差可达12%左右。可能与以下两点原因有关：①驾驶员入弯前的减速行为。减速后前一时刻的脑海中运动物体的残留影响会影响当下的车速感知，当平曲线半径较小和车速较高时尤为如此。由于速度惯性的存在，减速后前一时刻视野中高速运动的物体的残留印象会让驾驶员感觉此时视野中物体运动速度变的很慢，此时车速降低不大，但驾驶员却会认为车速降低了很多。②驾驶员视野会随着车速的增加而变窄，使得道路在视野的占比提高。相关数据表明：在双向6 车道高速公路上以100km/h 的速度行驶时，路面在视野中所占比例会达到30%，空间占比为50%，公路两侧占比小于20%。当路侧环境单调且车速较高时，公路主体是驾驶员速度感知的重要信息。车辆由直线路段进入曲线时，驾驶员视点前移，道路在视野中的占比减小会使驾驶员对速度产生误判。（3）反向曲线速度感知的叠加效应与半径组合和曲线间直线长有关。随着曲线间直线长的增加，后曲线速度感知逐渐不受前曲线的影响，即后曲线入弯点也会出现明显的车速低估现象。

4 结语

（1）驾驶员对车速的感知是不准确的，一般情况下会低估车速。路侧环境较单调的四车道高速公路上，直线路段驾驶员会将车速低估8%左右。

（2）第一个曲线入弯点（ZH1）附近是驾驶员车速低估最严重的位置，该点车速低估程度为11%左右。

（3）曲线间的速度感知存在叠加效应，且该叠加效应会受到半径组合方式和曲线间直线长的影响。随着直线长度的增加，后曲线受到的影响逐渐减弱，呈现出基本型独立曲线的特征。