（交通运输规划与管理专业论文）基于驾驶员心理生理反应的高速公路线形研究.pdf

摘蛰 摘要 在主要以汽车行驶理论支持下的传统道路线形设计理论，随着道路交通不 断高速化的趋势，面j 临着越来越严峻的挑战。为什么经过精心严格设计的各种 道路，特别是高速公路，在数年的运行中，就会留下一串串触目惊心的事故多 发路段或叫交通安全的黑点? 本文的研究企图以种新的思想，新的方法，从另一个角度上，对高速公 路线形的某些部分做一番新的审理，以期对道路交通安全与行车舒适的改善做 出定的贡献。 n j 是在上述思想的指导下，本研究应用医学和心理生理学方面的理论方法 和仪器设备，通过大量的行车试验，寻找道路线形与行车心生理需求的内在关 系和规律。 人的心理和生理变化是瞬时的、动态的，使得其表现出的各种生理信号往 往具有较复杂的波动现象。为了从驾驶员的行车试验中检测出与道路线形有关 的心理信息，本文研究中引进信号处理技术的波谱分析理论与方法来研究驾驶 员行车时的各种心生理信号，例如从驾驶员行车试验的心率功率谱上，能读出 驾驶员心率受到路线线形影响最突出的频率范围，从丽能定量确定各种道路线 形剥驾驶员心理影响的程度。 应用回归分析方法，从大量的行车试验中，寻找驾驶员行车时道路平、纵 线彤及其组合与其心生理变化的的各种关系和模型，并在对模型分析中讨论适 合驾驶员心生理需求的各种道路线形。 道路平面线形是道路线形最主要的部分，所以本文以较大的篇幅分别研究 了在乎曲线行车时驾驶员的心生理特性。在平曲线研究中，发现平曲线的半径 小到一定值后，会使行车驾驶员心理紧张的反应急剧加强。在较小半径平益线 入口处的缓和曲线上，大部分驾驶员都在此作较大幅度的减速。行车途中，被 迫的减速就意味着某种危险。所以驾驶员在缓和曲线入口处的减速点附近，视 减速幅度的大小，心理会表现出不同强弱程度的紧张反应。较小半径的平曲线 问夹看太长的直线段是不利于行车安全与舒适的，因为太长的直线会使驾驶员 不知不觉的加速，太小的平曲线半径又会迫使驾驶员作不情愿的大幅度减速。 从驾驶员行车安全舒适出发，本文定量地分析和计算了较长直线段后应接多大 半径的曲线。从行车速度的连续性和心理反应的平稳性出发，两较小半径的同 向曲线或反向曲线问不宜设置太长的直线段，但从视觉特性及操纵车辆的方便 性出发，该直线段又不宜太短，所以同向、反向曲线特别是同向曲线间的直线 段选取时必须综合考虑这两方面的要求。 在顺直的不同纵坡路段上行车时，不管是上坡或下坡，坡度似乎对心理紧 张的影响较小，而此处的心理紧张仍主要是与车速相关。下坡的弯坡路段对行 北京工业大学工学博士学位论文 车人心理紧张的影响比较剧烈，纵坡越大、半径越小，剧烈的程度就越高，这 种心理反应的现象与常识是一致的。 本文的最后应用文中分析和建立的行车心理生理反应与道路线形、车速的 各种关系和模型，定量确定了建立在行车人安全舒适的心理生理需求上的高速 公路线形的一些主要指标。 关键词：心率增量；平曲线半径；行车速度：缓和曲线 a b s t r a c t t h e t h e o r yo f t r a d i t i o n a lr o a da l i g n m e n t d e s i g nb a s e do nv e h i c l ed r i v i n gt h e o r y i s c h a l l e n g e di n c r e a s e l y h e r e i sa q u e s t i o n ：w h ym a n yk i n d s o fr o a d t h r o u g h e x c e l s i o ra n ds t r i c td e s i g n ，e s p e c i a l l yf o rf r e e w a y ，a f t e rs e v e r a ly e a r s sr u n ，a p p e a ra s e r i e so f s e g m e n to f a h i g h w a yw h e r e a c c i d e n t sa r ef a c i l et oh a p p e n t h er e s e a r c ha t t e m p t st o n e w l ys c r u t i n i z es o m ep a r t so ff r e e w a ya l i g n m e n t f r o mad i f f e r e n tp o i n to fv i e wi n e x p e c t a t i o no fm a k i n gac o n t r i b u t i o nt ot r a f f i c s a f e t ya n dt r a v a lc o m f o r t u n d e rt h eg u i d eo fa b o v ei d e a s ，i no r d e rt of i n do u tt h e i n h e r e n tr e l a t i o na n dl a wb e t w e e n h i g n w a ya l i g n m e n ta n dd r i v i n gp h y s i c a lr e q u e s t ， t h et h e o r ya n dt h ei n s t r u m e n to nm e d i c i n e ，p s y c h o l o g ya n d p h y s i o l o g ya r ea p p l i e d t ot h er e s e a r c h ，a tt h es a m et i m e ，l o t so f d r i v i n ge x p e r i m e n ta r ed o n e b e c a u s eh u m a n sm e n t a la n dp h y s i c a lv a r i a t i o ni s i n s t a n t ，a n dd y n a m i c ，t h e p h y s i c a ls i g n a ld u r i n gd r i v i n gb e c o m ec o m p l e xa n df l u c t u a n t i no r d e rt og e tt h e p h y s i c a ls i g n a lr e l a t i n gt or o a da l i g n m e n t ，t h et e c h n o l o g yo fs i g n a lp r o c e s s i n g ，t h a t i st h et h e o r yo fs p e c t r u ma n a l y s i s ，i si n t r o d u c ei n t ot h er e s e a r c ht os t u d yt h es i g n a l o fd r i v e rd u r i n gd r i v i n g ，f o re x a m p l e ，f r o md r i v e r st h ef i g u r eo fh e a r tr a t ea n d p o w e r ，w e c a no b t a i nt h ef r e n q u e n c yr a n g ei nw h i c ht h eh e a r tr a t ei se x t r a o r d i n a r i l y a f f e c t e db yr o a da l i g n m e n t ，c o n s e q u e n t l y , c a nq u a n t 湎c a t i o n a l l yd e t e r m i n et h ee 能c t t h a ta l lk i n d so fr o a da l i g n m e n th a v eo nd r i v e r b yr e g r e s s i o na n a l y s i s a n d m a n yd r i v i n gt e s t s ，w ea t t e m p t t o g e t t h e r e l a t i o n s h i p a n dt h em o d a lb e t w e e nm e n t a la n d p h y s i c a l v a r i a t i o na n dr o a d h o r i z o n t a la n dv e r t i c a la l i g n m e n ta n di t sc o m b i n a t i o n ，a n da c c o r d i n gt ot h em o d a l ， d i s c a u s st h er o a da l i g n m e n tm e e t sd r i v e r sm e n t a lr e q u e s t t h eh o r i z o n t a la l i g n m e n ti st h em a i na l i g n m e n ti nh i g h w a y , s ot h ep a p e rg i v e e m p h a s i st om e n t a l i t yc h a r a c t e r i s t i cw h e n d r i v e ri st r a v e l l i n ga tt h eh o r i z o n t a lc u r v e t h er e s e a r c hd i s c o v e rt h a tr e s p o n s eo fd r i v e sm e n t a l i t yi st ov e r ys h a r p ，w h e nt h e t a d i u so fc u r v er e d u c et oaf i x e dv a l u e a tt h ea p p r o a c ho fe a s e m e n tc u r v ef o l l o w e d b ys m a l lc i r c u l a rc u r v e ，m a j o r i t i e so f r i d e r so b v i o u s l yd e c e l e r a t e a sav e h i c l et r a v e l a l o n gt h ec u r v e ，c o m p e l l e dd e c e l e r a t i o nm e a n sc e r t a i nd a n g e rt h ed e g r e eo ft h e t e n s i o ni nd r i v ei sa c c o r dt ot h ed e c e l e r a t i o nr a n g e h a v i n gal o n gs t r a i g h t l i n e b e t w e e nt w os m a l lr a d i u sc u r v e si sa d v e r s et or i d i n ga n dc o m f o r t ，b e c a u s et o ol o n g s t r a i g h t l i n er e s u l t i nr i d e ru n c o n s c i o u sa c c e l e r a t i o n a c c e r a t ，i na d d i t i o n ，t o os m a l l r a d i n sc u r v el e a dr i d e rt od e c e l e r a t er e l u c t a n t l y f r o mt h es a f e t ya n dc o m f o r to f d r i v e r s ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e sa n dc a l c u l a t e sh o wm u c h t h ec u r v ei sa f t e rl o n g s t r a i g h t l i n eq u a n t i f i c a t i o n a l l y f r o mc o n t i n u u mo ft h es p e e da n dt h ep l a c i d i t yo f 北京工业大学工学博士学位论文 p s y c h o l o g yr e p o n s e ，t o ol o n gs t r a i g h tl i n e i sn o ta p p r o p r i a t eb e t w e e nt w os m a l l c o m p o u n dc u r v e s o rr e v e r s i n gc u r v e s b u tf r o mt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ev i s i o na n d t h ec o n v e n i e n c eo fo p e r a t i n gc a r s ，t h es t r a i g h tl i n ei sn o ta l s ot o os m a l l t h e r e f o r e t h et w oa s p e c t sm u s tb ec o n s i d e r e dw h e n s t r a i g h tl i n ei sc h o s e nb e t w e e nc o m p o u n d c u r v e o r r e v e r s i n gc u r v e s ，e s p e c i a l l yc o m p o u n d c u r v e s w h e nt r a v e l i n go ns t r a i g h ts e g m e n t sw i t hd i f f e r e n ts l o p e ，r e g a r d l e s so fd o w n s l o p eo ru ps l o p e ，d r i v e ri ss l i g h t l ya f f e c t e d h o w e v e gt h et e n s e n e s so fd r i v e ri s m a i n l yc o r r e l a t i v et os p e e d w h e nt r a v e l i n go nc u r v es e g m e n tw i t hd o w ns l o p e ， d r i v e ri s g r e a t l ya f f e c t e d t h em o r et h es l o p ei sl a r g e ，a n dt h em o r et h er a d i u si s s m a l l ，t h er n o r et h ed e g r e ei sa c u t e t h ep h e n o m e n o no f m e n t a lr e a c t i o ni sa c c o r d a n t w i t hc o m m o ns e n s e i nt h ee n d ，a t h ep a p e rq u a n t i f i c a t i o n a l l ye s t a b l i s h e ds o m ei n d e xo ff r e e w a y a l i g h m e n tt h a tm e e t t h em e n t a la n d p h y s i c a lr e q u e s to f d r i v e rw i t lt h em o d a l si nt h e p a p e r k e y w o r d s ：a u g m o n t a t i o n o fh e a r t r a t e ；h o r i z o n t a lr a d i u s ；d r i v i n gs p e e d ； a d j u s t m e n t c u r v e - l v 第1 章结论 1 1 论文研究背景 第1 章绪论 道路交通安全是个世界性问题，自地球上诞生汽车以来，人类即面临着交 通事故的威胁。据有关资料报告，在汽车发展的1 0 0 多年历史中，全球死于道 路交通事故的人数已达3 干多万。时至今日，道路交通事故已成了人类意外伤 亡的主要因素。 虽然国内外交通工作者多年来一直努力地研究着交通安全问题。但在对待 这个问题上一直有个误区，即往往不太重视以道路线形为主的道路条件对交通 安全的影响。产生这种错误的认识主要基于交通事故记录资料的干扰。各国的 交通事故记录资料中无一例外地显示着驾驶员是绝大多数交通事故的罪魁祸 首，认为事故的基本原因是驾驶员的粗心和错误以及汽车的失修，而把交通事 故中道路条件放在了极其次要的地位。前苏联道路安全专家巴布可夫在道路 条件与交通安全一书中写道：“根据统计，认为所有事故中完全应由驾驶员负 责的，联邦德国有8 2 、巴西7 5 、匈牙利7 4 、意大利4 1 、波兰9 6 ；统 计中对道路条件原因则赋予较小的作用，巴西为6 、联邦德国为8 、爱尔兰 为1 7 、美国为18 、日本为8 ”u j ”。 其实，一次交通事故的发生，或多或少都与道路条件有着直接或间接的联 系。许多交通事故表面上看来是直接因驾驶员失误或粗心大意造成的。但深究 其原因，就会发现是发生事故周围的道路条件对驾驶员的心理、生理、行为等 造成了影响。如道路线形不顺畅、某处线形指标突变、道路平、纵线形指标各 自搭配或其组合不当、视距不良等等。 随着人们对道路交通安全研究和认识的加深，道路条件与交通安全的关系 越来越受到道路交通工作者的重视。近些年来，国外些发达国家在研究和治 理交通安全问题时，把道路条件放在了一个应有的重要位置。例如，开展道路 规划、设计、施工、运营各环节各阶段的交通安全审查；在交通安全治理过程 中，注重采用工程措施等等都是从道路条件上寻找交通安全的办法。 我国是一个_ i ：f 在发展中的大国，改革开放二十多年来，国家综合国力和人 民生活水平都有了大幅度的增强和提高。为了继续快速地发展经济，改善人民 生活的质量，道路交通是处在一个超速与超前发展的时期。例如，近年来，国 家用于公路建设的投资年均超过2 仟亿元；9 s 年底，全国高速公路总里程不到 1 千公罩，至2 0 0 1 年末，全国高速公路总里程已突破l 万9 千公里。全国道路 建设n i 向高等级、长里程、高密度( 路网密度) 方向发展。 然而，随着道路交通事业的繁荣昌盛，道路交通安全问题却格外严峻地呈 现出斗：。据公安部公布的数据，自9 5 年以来，我国每年死于道路交通事故的人 北京工业大学工学博士学位论文 数已达7 万人以上，9 9 年超过8 万多人，2 0 0 1 年突破l o 万人。与国外发达国 家相比，万车事故率和亿车公里事故率都高出几倍至十几倍。我国近年来交通 安全环境如此恶化，当然牵涉到许多原因，如道路建设速度赶不上汽车拥有量 的增长，驾驶员素质普遍不高，交通管理未走上正规化、科学化，交通安全宣 传教育薄弱等等。但道路作为汽车交通的载体，在规划、设计、施工、运营中， 没有从交通安全上对它予以足够的重视也是其中一个相当重要的原因。 高速公路对于中国的大众，仅仅是八十年代以来出现的一个新名词、新概 念。但是，由于它的快速、经济、安全、舒适和美观的特点，更由于它在短短 二。十年来在中国大地上的迅速发展和普及，使其变为如今中国百姓口中常谈的 事物。 但是，在我国，高速公路在给人们带来各种便捷和效益的同时，也出现了 一些不容忽视的安全问题。据最近几年统计的交通事故资料显示，我国各地已 丌通的高速公路交通事故频发。如3 7 5 k m 长的沈大高速公路，自1 9 9 0 年9 月 丌通至1 9 9 5 年6 月的近6 年时间里，共发生交通事故2 2 7 2 起、死亡3 5 4 人。 高速公路上的交通事故，也像一般公路一样，事故沿路线长度方向分布不 均匀，存在着大量的交通事故多发路段。这些路段的总长度只占全路长度的百 分之几，但交通事故的发生次数却是全路交通事故总数的百分之几十，个别道 路甚至超过5 0 以上。如图1 、图2 分别是华北地区两条高速公路上的事故沿 路线长度方向的分布状况。 虽然从整体上看，道路交通事故的发生具有偶然性，但在事故多发路段发 生交通事故却有很大的必然性。因为这些路段要么道路线形的各项指标低劣， 要么是它们的组合构成不当。怎样从以线形为主的道路条件角度来改善和提高 高速公路的交通安全? 近年来我国各地的一些相关部门已陆续展开了该课题的 研究探索，国外也有一些可供参考的成功经验和成果。但从国内来看，各地都 是一些个别的、局部的、零散的和大部分是定性的研究，研究的力度、范围、 规模都非常有限，研究的结果不易推广应用。国外有一些好的经验和成果，但 因国情有别，不能照搬照用，只能作为我们研究道路条件与交通安全的一种借 鉴：况且国外对高速公路安全的研究也在进行之中，并没有得到成熟、完善的 最终成果。 到目前为止，我国在道路建设中还从未严肃认真、有典可据、有法可依地 把交通安全贯彻其中。现行道路上交通事故频发，交通事故多发路段频现就是 上述问题的佐证。眼下正是我国高速公路建设的高峰期。如不尽快展开对高速 公路设计、运营安全的大规模系统性研究，不尽快拿出一套科学、可行、便于 规范化的高速公路设计、运营与交通安全关系的研究成果，将可能又有一大批 存在安全隐患的高速公路被建成，它们将和现存许多有安全缺陷的高速公路一 起，对人民的生命财产造成极大的威胁和损害。 笫1 章绪论 幽i 】京沣塘高速公路北京段1 9 9 8 年事故散点分布图 f i g ur e1 一ia c c i d e n t sd i s t r i b u t i o no nf r e e w a yb e i j i n g t i a n j i n - t a n g g u ，b e i j i n gs e g m e n t 幽1 2 山阿某高速公路1 9 9 9 年至2 0 0 1 年事故散点分布圈里程( k i n ) f i g u r e1 - 1a c c i d e n t sd i s t r i b u t i o no naf r e e w a yo f s a n x ii n 1 9 9 9 2 0 0 1 针对上述问题，在国家自然科学基金、美国通用汽车公司中国科学研究基 金资助课题“道路线形驾驶行为交通安全的互动关系研究”的支持下， 本论文应用检测心理生理反应的仪器，对高速公路线形与驾驶员行车的心理生 理反应之间的关系展开了研究。 1 2 问题的提出 12 1 道路线形设计新理论 导师任福用先生于9 0 年代初首次提出“道路线形设计新理论”。该新理论 认为：现行以汽车行驶理论”为基础的道路设计理论仅仅是保障了汽车在运 动学方面的最小安全性，而未充分考虑用路者的心理、生理特性与要求。道路 线形嫂计新理论提出：以用路者的交通需求和生理- 心理反应特征做为道路线形 北京工业犬学工学博士学位论文 设计的理论基础，用动的观点设计路线的各个元素，力求协调【3 1 。 下面，我们用道路线形设计新理论来粗略检查一遍现行以“汽车行驶理论” 为基础的道路平、纵、横设计主要指标的选取情况。 1 2 11 平面指标 道路平面设计时最重要的指标是平曲线半径和平面视距。 眼下平曲线半径的确定原理，是以标准汽车以一定速度通过弯道时的横向 稳定性为前提的。所谓横向稳定性，是车辆以一定的速度转弯行驶时不发生侧 滑与侧倾。一般，因为现代汽车结构的低重心，侧滑在侧倾之前发生，也即汽 车在转弯时只要保证不侧滑也就不侧倾。根据此特点，再据汽车在转弯行驶时 的动力学分析，就得到下列公式： 1 月= ! ： ( 1 1 ) 1 2 7 ( t f ) 式中只平蓝线半径( m ) ； 卜设计速度( k m h ) ： 横向力系数： f 弯道超高或路拱坡度( ) 。 在该公式中，横向力系数是与人的舒适感受相联系的，即越小，舒适 性越好。表1 1 是横向力系数与驾驶员感觉之间的关系。 虽然高等级公路特别是高速公路平曲线设计指标制定时充分考虑了人的舒 适性感受，即通过舒适性试验来确定值。如美国公路部门广泛使用的球形倾 斜仪试验法。但此间的缺点，首先是舒适性感受是一个定性的指标，舒适不舒 适，分界点到底在哪儿，不同的人有不同的体验，就是同一人在不同的时候也 感受不一样。其次，值的确定只孤立地考虑该曲线自身的情况，无法与前后 平面线形相联系。如按现行公路路线设计规范，高速公路山岭区的设计速度 为8 0 k m h 时，按比较舒适的试验要求，平曲线最小半径规定为4 0 0 米。这就 是说，驾驶员的行车速度不超过8 0 k m h 。他在r = 4 0 0 m 的平曲线上行车是安全 而舒适的。问题是如果与这个平曲线相连的是一段较长的直线，则因为在大多 数情况下，在直线终点、曲线起点的衔接处，许多驾驶员的车速不可能降到 8 0 k m h ，这样又如何保证这个平曲线内的行车安全与舒适昵。 第1 章绪论 表1 1横向力系数与驾驶员感觉之间的关系 t a b e1 1r e l a t i o n so f t o e f f i c i e n to f t r a n s v e r s ef o r c ea n dd r i v e r s s e n s e 横向办系数驶过曲线时的感觉 01 0 感觉不到有曲线存在，驾驶员不紧张。 015 稍感到有曲线，但没有什么不舒服的感觉，驾驶员不紧张，不会使驾驶员疲倦。 02 0 感觉剑通过曲线，无不舒服感觉，稍有不稳定感。多数驾驶员明显紧张。 02 54 0 的驾驶员对曲线上行车感到不舒服。 o3 0 所有通过曲线的人都感到不舒服。 驶过曲线感到非常不舒服，驾驶员的紧张情绪急剧增长，有滑向路边的危险， 03 5 不稳定。 04 0 乘客感到非常不稳定，站立不住，欲倒。车有倾复危险。 对于平面视距来说，仍是以车辆动力学的特性来确定它的大小，下面是停 车视距长度的计算公式： s * 呐坞+ 驴去+ 西等丽+ 岛 ( 1 _ 2 ) 式中s ，司机反应时间所行驶的距离( m ) ： 岛制动距离( m ) ，即司机开始制动到完全停车时车辆行驶的距离 岛车辆停止后与前面障碍物之间的距离( m ) ； 卜车速( k n d h ) ； 西路面附着系数； f 纵坡； 卜制动系数。 在此公式中s ，包含人的反应时间，是考虑了人的因素的，即驾驶员一发现 前方障碍物后即刻反应并开始刹车的全部时间里所行驶的距离。在停车视距中 取用的驾驶员的反应时间是经过了实验侧试后得出的，这无可疑问。但是在具 体行车中，是否每个人都在同一位置上发现了前方的障碍物? 肯定不是，有的 人会发现得早些，有的人会发现得晚些，对于那些发现得晚的驾驶员，上述的 北京工业大学工学博上学位论文 停车视距是不够用的。 12 1 2 纵面指标 纵断面设计时，最重要的控制性指标是最大纵坡、最大坡长和最小坡长： 其次有凹凸竖曲线半径的选用。最大纵坡和最大坡长的确定是根据汽车的动力 特性、道路等级、自然条件以及工程、运营经济的分析等因素综合考虑的。如 纵坡过大及陡坡过长，汽车沿陡坡上驶时，车速降低，水箱出现开锅、气阻情 况，严重时，发动机熄火，从而影响驾驶的连续性；沿陡坡下行时，又因制动 次数多，制动器发热，而易使制动失效引起车祸。不过，下坡的最大坡度值确 定也适当地考虑了驾驶员操纵车辆便利性的因素。以上对最大纵坡、最大坡长 的确定，在汽车方面可谓考虑得周全备至；在人方面，除了下陡坡时注意到了 驾驶员的因素外，其他方面都没有考虑用路者的感受与反应。如果从用路者的 安全感、期望性等出发，确定出的道路纵坡和坡长是否会和上面用汽车行驶理 论得出的结果一样呢，答案是显而易见不一样。 121 3 横断面指标 在横断面上，车道宽是以标准车的外形横向尺寸加车辆以一定的车速行驶 时产生的横向摆动宽构成的。路肩宽度则主要是考虑对行车道的保护及方便临 时停车。其实不管是车道宽还是路肩宽，不同的车道宽和路肩宽对行车的驾驶 员肯定会构成不同的心理、生理反应从而影响安全与舒适。如道路交通安全专 家巴佰可夫研究得出：路面和路肩的不同宽度，对行车安全有极大的影响，一 般是路面和路肩越窄事故越多，而路面边缘到侧面障碍物的距离以及障碍物体 积的大小( 如行道树的直径) 都会对驾驶员的心理造成影响，从而引起不安全 或者给行车带来不舒适”。 1 2 2 道路交通中的人类工效学需求 人类工效学也称人机工程学、工程心理学、人因工程学等。人类工效学在 国外开始于3 0 年代，成长于3 0 6 0 年代，7 0 年代以来开始兴盛：在国内则是 7 0 年代末8 0 年代初引进，9 0 年代开始繁荣起来。 人类工效学的基本定义为：研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合， 使设计的机器和环境系统适合人的生理、心理等特征，达到在生产中提高效率、 安全、健康和舒适的目的l 。综合来说，人类工效学就是按照人的特性设计和 改进人机环境系统的科学。人机环境系统是指由共处于同一时间和空间的人 与其所操纵的机器以及他们所处的周围环境所构成的系统，也可简称为人机系 统。在上述系统中，人是处于主体地位的决策者，也是操纵者或使用者；机是 指人所操纵或使用的一切物的总称，它可以是机器，也可以是设施，工具或用 具等：环境是人、机所处的物质和社会环境。人、机、环境在其构成的综合系 统中相互依存，相互制约和相互作用，完成特定的工作过程。 第l 章绪论 道路交通是由人、机、环境组成的一个复杂的动态的人机系统。在此，“机” 不光是指汽车，还包括道路。因为道路也是人设计建设出来的一种供人使用的 设施，在道路交通中，环境也不光是指驾驶员所处的驾驶室，还指道路沿线与 行车有关的除路和车辆以外的方方面面。与一般人机系统相比，道路交通系统 是一个更复杂的“人一机”系统。一般人一机系统的“机”与环境都是相对固定 和静止的，而道路交通系统中的“机”和环境则是动态变化的。以往，对道路 交通系统中的人与汽车之间的“小”人机系统研究得较多，如驾驶室内的刹车、 加速、换档、座位、仪表等设施的位置和适用性怎样符合人的心理、生理、习 惯要求等。但对道路设施怎样符合动态的驾驶员的心理、生理要求研究欠少。 因而常常发生交通安全问题。在本课题研究中，应当把人机工程学理论和原理 应用二f 其中，体现处处以人为主体的，人、机、路、环境系统的最佳协调，从 而保证道路交通安全及追求人在道路交通中的最大舒适。 1 3 论文研究意义 1 3 1 对传统公路设计理论的一次革命性改进 交通事故在道路上的出现，有分散型与密集型两种。分散型体现了交通事 故发生的偶然性、随机性。即每一条道路，在其数十年的使用时间内发生交通 事故是不可避免的。但什么时候什么位置会发生交通事故事先却无法预知。密 集型事故多半与道路条件有关，如急弯、陡坡、线形组合不当、视距不良、路 面路肩宽度突变等处都有可能成为事故发生的密集点1 6 l 。在一个视距不良、线 形组合搭配不当的小半径平曲线上，随着交通流长年累月的作用，发生事故是 必然的。这种必然性反映了道路设计的缺陷。根据现行各条高速公路运营的安 全状况，几乎所有的高速公路上都分布有密集型事故，即有交通事故多发点存 在，如上述图1 1 、图1 2 是华北地区两条不同的高速公路上事故分布的状况。 高速公路上交通事故多发点的出现除少部分是由其他因素引起外，大部分 都与设计因素有关。所以可以说，交通事故多发点的现状分布反映了各条高速 公路设计的不足。但高速公路设计是严格按设计规范进行的，它的各种几何尺 寸和指标选用及其搭配都不会超出规范的范围。那么，为什么还有那么多事故 多发点存在呢? 追根溯源，是现行的设计理论还有待完善。前面已提到，现行 的公路路线设计规范是以汽车行驶理论为依据的，虽然某些部分也考虑了 人的因素，但那是附属的，零星的，许多是定性的，没有充分体现以人的心理、 生理需求为主体的原则。本课题研究希望在现有规范的基础上，把人的心理、 生理需求作为主要因素体现到公路设计理论中，并力求使其定量化，以便对现 行公路路线设计规范上的一些参数和指标进行重新审定和改进。 北京工业大学工学博士学位论文 1 3 2 检查已建高速公路黑点并为其改造提供贴切的理论依据 统计数年的交通事故资料能找出一条高速的事故多发点。一条高速公路上 的事故多发点，基本上体现了这条公路设计缺陷的位置。但这种检查设计缺陷 的代价太昂贵了。因为要得到一条高速公路上的事故多发点的分布规律，必须 等到这条路上交通事故数积累到一定的程度才成。本课题研究成功后，能够代 替交通事故资料检查公路上安全的暗点，从而可在公路投入使用的初期就尽快 地找出需要改善的路段。 另一方面，眼下对事故多发点路段的改造，没有一套什么可依据的理论， 有点头痛医头，脚痛医脚的味道。因为既然道路是按规范要求设计出的，现在 经过使用发现某些路段有问题，重新搬出规范来参照改造那是不可能的了。这 样一来，就有点春秋战国的局面，各家都有自己未必科学合理的改造方法和观 点。如果花了大力气对某一处事故多发点进行了改造，结果收效甚微，岂不劳 命伤财。本课题研究的结果能为事故多发点的改造提供一套比较科学的理论依 掘。 1 3 3 提高高速公路交通的运营效益 从前面提到的道路线形设计新理论知：现行的道路设计理论仅仅是保障了 汽车运动学方面的最小安全性。人是一个有思想、有体验，而且情绪会不断变 化的有机体，不能用约束机器的思想来约束人。例如用自动化控制的火车列车 能按预定的速度在轨道上一毫不差地转弯。但人为驾驶的汽车什么时候能按设 计速度在车道的正中央规规矩矩地拐过弯去昵? 所以，采用道路线形设计新理 论即以人的心理、生理需求为主体设计的道路，不光是线形各指标的选取 和组合上比传统设计理论更讲究更宽容。而且一定会摒弃那些对人不太宽容的 参数指标。这样一来，公路建设的造价高了，原来半径为2 0 0 m 的弯道，现在 变成了4 0 0 m ，原来刚刚能让细心人观看的视距，现在要让它照顾一下有点粗 心的人。这可不行，在设计时对工程土石方与线形指标取舍间斤斤计较的设计 者们可不想那样宽容。殊不知往前看一步海阔天空。道路线形标准提高了，运 行顺畅了，一是大大减少了交通事故既减少了人员伤亡又避免了大笔的经济损 失，二是提高了道路的通行能力和使用效率，为社会创造更多的财富；还未计 及用路者的身心得到改善，其实这一方面在一个物质生活不断富裕的国家里也 是何等的重要，它们简直无法用金钱来估价。 1 3 4 提高高速公路交通的社会效益 高速公路的出现是个国家经济发展到一定水平的象征，也是走向富裕国 度的人民在工作生活中非常重要的物质基础。它给人们提供的快速、安全、舒 第j 章绪论 适、美观，使人们对它产生了美好的印象。但是，在我国，眼下高速公路交通 的安全问题不容乐观。一是与发达国家相比相对事故率高得惊人：二是从国内 现状看，目前高速公路并未充分使用，大部分路上交通流稀疏，在这样的条件 下，交通事故却频发，不可想象随着未来交通流的逐渐增大，高速公路上的交 通安全又会是怎样的局面。如果交通事故与交通流成正比增长，则若干年后， 人们一定会惧怕上高速公路。到达那种状况，高速公路给人们提供的不再是美 好，而是厌恶与诅咒。所以，高速公路的安全问题必须尽早引起足够的重视。 本课题的研究有望对改善高速公路的交通安全提供理论。 1 3 5 为未来研究者探路 在我国，目下还很少有人从定量测量驾驶员行车时心理、生理指标的变化 来研究高速公路设计及交通安全问题。随着本课题的开展，让人们看到用这种 方法研究道路设计和交通安全问题的利与弊，从而使未来研究者对利的一面发 生兴趣，继续深入研究下去，而对弊的一面则将如何避免和克服。能起到这点 作用，也是本课题研究的大价值。 1 4 国内外相关研究综述 1 4 ，1 国外相关研究状况追溯 利用人体各种生物电( 如脑电、心电、皮电、肌电等) 的测量来研究道路 设计和交通安全问题，国外已有文献的电述不是很多。可能原因大概有三：一 是早期这些测生物电的仪器自身不够完备，如只能静态的不能用于动态，体积 笨重不易野外操作，测量的数据不稳定不准确等。这些妨碍了采集野外驾驶员 行车时的动态生理数据，只能在实验室里摸拟测量，所以不能得以推扩应用。 二是上述这些仪器，发明制造的目的主要是为医学、生理学和心理学等的研究 和应用，若应用于处于驾车动态中的驾驶员，需对原仪器根据具体情况和需要 作一定的改装处理。这种改装处理不是由交通部门的人能够完成的，必须依赖 于研究制造这些仪器的单位，这给它们在交通研究上的推扩应用带来了一定障 碍。三是应用心理、生理学研究交通问题，需要有较广较深入的心理、生理学 方面的知识，而这些知识与传统的交通研究是不相干的，所以大部分从事交通 研究者不会首先考虑用这方面的知识和理论研究交通问题。鉴于上述原因，所 以见诸于报道的应用心理、生理学理论研究交通的文献不是太多。尽管这样， 许多年来，特别是上世纪八十年代以来随着这些生理测试仪器的不断先进和便 于应用，断断续续地还是有一些学者做着这方面的研究。下面分几部分叙述这 些研究状况。 北京工业大学工举博l 学位论文 141 1 脑电仪在道路交通研究中的应用 在上世纪8 0 年代末9 0 年代初，t o r s v a l l ，a k e r s t e d t 及k e c k l u n d 等人把脑电 图( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，简称e e g ) 应用于道路交通中驾驶员瞌睡与事故之 间关系的研究。例如k e c k l u n d 在文献【2 1 】中用e e g 研究了夜间长距离卡车驾 驶中瞌睡与生理心理反应之间的关系。他把精心挑选出的1 8 名驾驶员分成两 组，一组的连续驾驶时间在夜里2 2 ：0 0 至0 4 ：0 7 ( 称a 组) ，另组则为夜里2 4 ：0 0 至0 7 ：2 4 ( 称b 组) 。实验开始时，分别观察两组驾驶员的驾驶操作状况和瞌睡 状况，并用脑电仪测量他们的脑电波数据。试验完毕后，对所测数据进行分析 处理，得到如图1 3 、图l 一4 所示的各种规律。 从图中可见，两组相比，b 组的瞌睡( s l e e p i n e s s ) 状况比a 组严重，驾驶 操作( p e r f o r m a n c e ) 的质量则下降。在脑电波中，与困倦及浅度睡眠相关的b ( t h e t a ) 波及与清醒闭眼相关的( a l p h a ) 波。b 组比a 组的变化激烈得多。特别 是b 组越到早上这种变化越大。而与深度睡眠相关的6 ( d e l t a ) 波及与大脑兴奋 相关的1 3 ( b e t a ) 波，b 组虽比a 组变化要大些，但与同组的q 波、0 波相比变 化较平缓。 后来，c h u n g 用e e g 来研究不同的道路线形( 如同样长度的直线段和曲线 段) 对驾驶员行车疲劳的影响。c h a n g 则用e e g 来研究匝道进1 2 1 处不同部位驾 驶员行车的紧张状况。 c h u n g 在同一条道路上分别选了两个试验路段。一段为1 0 k i n 长的直线路 段，一段为1 0 k m 长的曲线路段。分别测驾驶员行进在这两个路段上脑电图的 b 波。对数据分析整理后，得如下结果。见图1 5 、图1 - 6 。 图j 5 、图i 一6 分别是驾驶员行车在1 0 k i n 直线段和曲线段上在脑的左前部 和后部两个部位测得的路段起、终点处的b 波。可以看出，直线段上起、终点 处脑后部( o c c i p i t a l 管视觉刺激) 1 3 波之差为2 2 2 ，而曲线段上的则为o 8 2 ； 直线段上起、终点处1 3 波变化比曲线段上的大2 7 倍l j ”。1 3 波是反映人的兴奋 性的，说明长时i 剐在直线段上行车与曲线段相比，人的兴奋性大大降低，也即 很快就产生疲劳感。 那么，公路设计时到底用多长的直线段合适呢。在图1 7 中，c h u n g 在1 0 k i n 直线段上从2 4 k m 开始，其后每隔0 6 k m 计算一次驾驶员1 3 波值，则发现驾驶 员行驶至4 2 k m 处b 波值突然大幅降低说明行车至此处人已开始产生疲倦。 所以c h u n g 提出：保持驾驶员适当的觉醒水平的道路直线长度大约是4 ，2 k m 。 c h a n g 则用脑电图来研究匝道进口处的行车兴奋状况。他把匝道进口处的 行车状态分成3 部分，如图1 - 8 所示。测驾驶员行车在这3 个部分上的平均b 波值，如图1 9 所示”。 1 0 - 第1 章绪论 s l e e 口s s p e l o r m 姐c e 2 40 40 8 2 0 t l m eo fd 吖 2 40 40 8 t i m e o fd a y 图i - 3 两组驾驶员在夜间不同的驾驶时间里瞌唾和驾驶操作状况对比 f i g u r e1 - 3c o n t r a s to f t w og r o u pd r i v e r s s l e e p i n e s sa n dp e r f o r m a n c e o f d i f f e r e n tt i m ed u r i n gn i g h t 2 02 40 40 82 0 2 40 40 8 1 5 0 1 3 0 t 1 t 0 9 0 7 0 如 2 02 4 0 4 t i m o f d