论文总字数：21983字

摘 要

关键词：多车道高速公路出口；减速车道长度；模拟驾驶；

A STUDY OF MULTIPLE-LANE HIGHWAYS EXITS DESIGN BASED ON THE DRIVING SIMULATION

Abstract：As the economy develops, people's living standards have been greatly improved. Coming out a large amount of traffic trouble along with the large quantity of the private car.. By data statistics and analysis, there is a major of traffic accident happening at the exits of multiple-lane highways This article is mainly concentrate on the form and the length of the deceleration lane by model-building and the diving simulation. Then some suitable indexes are confirmed to evaluate the model. And come up with a conclusion about optimized designs of exits on multiple-lane highways.

Key word： multiple-lane highways exits; length of deceleration lane;diving simulation

目录

1、绪论 1

1.1 引言 1

1.2 多车道高速公路出口设计规范 1

1.3不同形式的减速车道特点 2

1.4出口设置的重要性 3

2、主要研究内容 4

2.1多车道高速公路出口设计要素 4

2.1.1减速车道形式。 4

2.1.2减速车道长度 5

2.1.3交通设施 6

2.2高速公路出口特点 7

2.2.1出口多为事故黑点 7

2.2.2出口与入口的不同 8

2.3软件设计模型与心脑电数据采集 9

2.4出口评价指标的选取 12

2.4.1脑电、心电数据 12

2.4.2最终减速速度 12

2.4.3到达最低速度时距离匝道入口的距离 12

2.4.4模拟驾驶与实车 13

3、研究步骤 13

3.1 高速公路出口段减速车道的评价方法 14

3.1.1生、心理数据 14

3.1.2.匝道入口车辆速度： 15

3.1.3.降低到最低速度时距匝道口的距离 17

3.2 实验设计 17

3.2.1 室外实验 17

3.2.2 室内仿真对比实验 20

3.2.3 实验对象及实验时间 21

3.3 室内外试验一致性分析 21

3.3进行室内仿真研究实验 25

4、实验与数据处理 26

4.1.脑电、心电数据。 26

4.2.匝道最终速度 29

4.3.到达匝道规定速度时距离匝道入口的距离 30

5、结论 31

1、绪论

1.1 引言

近二十年来，随着国内经济的蓬勃发展，人民生活也得到了很大程度上的改善。随之而来的变化更是接踵而至，私家车辆数量急剧提升、交通需求量相比之前也有所加大。所以为了已经修建好的道路，在某些特定情况下，可能只能满足以前的交通量，而对如今日益增长的交通量需求并不能很好适应。因此国家把公路、主要是高速公路的扩建任务放在了迫在眉睫的位置上，同时关于高速公路的多车道化设计及改扩建工程也因此被提上日程。而随着高速公路多车道化及扩建后，道路通行能力在很大程度的提升，更加适应日益增加的交通需求后，一些随之产生的问题渐渐展现出来。

随着交通量的增大与高速公路的多车道化，高速公路的出入口明显数量增多。由于出入口处存在着很多变道行为与车速变化行为。由于不同的车速与不同的行驶目的，出入口处会 产生许多冲突点。因此也成为事故多发段。根据数据显示，高速公路绝大部分的事故都发生在其出入口处。故出入口更应该在研究与设计时加以重视，针对不同情况下的出入口进行研究，将其由于出入口设计形式或具体数据产生的事故可能性降到最低，保障出入口处车辆的安全。

1.2 多车道高速公路出口设计规范

高速公路中匝道出入口形式一般分为直接式出入口与平行式出入口。日前，各个国家对于采用哪一种形式的出入口规定都并不一致。其中，以澳大利亚与英国为主的等欧洲国家规定均采用直接式出入口。日本与德国则规定平行式用于单车道匝道入口处，而其他的都采用直接式。而有些国家的则对此并没有明确的规范进行约束。因此我们可以发现出，每种形式都有其优劣与相适应的地方，应对其进行分析与比对。达到因地制宜，合适安全。

目前，我国出入口也分为直接式与平行式两种，我国的《公路路线设计规范》（JTJ011--94）（以下简称《路规》）规定“变速车道为单车道时，减速车道应该使用直接式，加速车道为平行式。变速车道为双车道时，加、减速车道均应采用直接式”。规范看似十分简便与明了、并且易于实施。可实际设计中却存在着较大的争议，并且对两种形式的出入口的使用时机并不明确。

图1-1 平行式减速车道

图1-2 直接式减速车道

1.3不同形式的减速车道特点

对于平行式车道与直接式出入口进行对比，发现主要有以下的优劣。首先，平行式相比于直接式出入口而言，线性变化突然，有明显的提示作用。而直接式出入口则有可能因为忽略了提示标牌而错过出入口，或者允许反应时间较短，容易出现交通事故。其次，在相同车道数、主线相同速度条件下，平行式所需要的减速车道要长于直接式出入口所需要的规范的减速车道长度。因此平行式所需要的道路面积多余直接式，从而产生了更多的路面浪费，相比之下，直接式出入口更加节约。最后，从驾驶员操作方便的角度上来说，直接式出入口更胜一筹。平行式出入口的变速车道段相比于主线增加了一个车道，因此主线上的车道上的车辆若想驶入匝道，则需要两次侧移。第一次侧移入增加的车道，则进行一次驾驶方向的突变，紧接着再由减速车道侧移入匝道，完成第二次驾驶方向的突变。而直接式车道只需要一次就可以完成驶入或驶出匝道的操作。相比之下驾驶员感受更加舒适，操作简便。综上所述，直接式出入口与平行式出入口各有千秋而又各有不足，如何利用好其各自的优缺点则是我们需要研究的方面。

1.4出口设置的重要性

而出入口之间也存在着较大的差异，即出口与入口之间的差异。相比于入口设计而言，出口设计更加复杂：

首先，出口处车速相比于入口是主线车速较快，较短的反应时间的限制下，驾驶员往往会产生误操作等行为，会大大影响出口处的安全性。

其次，相比于入口，出口往往出现于长时间驾驶行为以后的地方，因此驾驶员容易产生疲劳状态，在此状态下，更有可能出现交通事故。

最后，选择高速公路入口时，在一段范围内，驾驶员的选择是单一的，有目的性的。而选择高速公路出口时，驾驶员的目的性并不强，并且要在临近出口处的各种信息中筛选出有用的信息进行判断。

综上所述，所以，出口相对于入口来说更加复杂。因为车速较快、长时间驾驶后驾驶员的疲劳心理，选择出口目的性不强等因素更容易出现驾驶失误，进而导致交通事故。因此高速公路出口的设计更是设出入口设计中的重点与难点。

出口的设计对于整个高速公路路段的安全性都产生着巨大的影响，不同的出口形式及设计要素都会影响到高速公路的交通安全及驾驶员的生命安全。因此对于多车道高速公路的出口设置要求进行研究，以确保出口段的交通安全，是至关重要也是急需提上日程的。对高速公路多车道出口设计，其中内容包括出口形式，具体规范要素设计，出口段交通设施，出口段提示措施等方面。而目前的研究较多停留在出口的形式，而缺少出口段交通设施（如分流鼻的设置形式等）以及减速车道具体长度等。

2、主要研究内容

2.1多车道高速公路出口设计要素

要了解、掌握并熟悉高速公路出口设置的典型形式，关键要素，基础设施以及具体参数规范等内容。以往的文献中往往只是简单的对其形式进行分析论证与简单的比对和优缺点分析，但是很少有对其具体的交通设施的研究与分析。本次研究应当在减速车道长度与基础设施（如分流鼻的设计形式、路线提示与提示板的设置等方面）对高速公路出口的影响性为重点加以深入研究。

2.1.1减速车道形式

我国的高速公路出口路段减速车道按形式分为平行式减速车道与直接式减速车道

1.平行式减速车道：按照一定渐变率与主线分离达到一个车道宽度并以此宽度与主线平行直到分流鼻端的一种减速车道形式。其线性变化明显，易于驾驶员感受到出口的存在并且提前做出操作。但是汽车轨迹为S型，会出现两次车辆行驶方向的变化，驾驶员操作感受不舒适，并且十分容易出现追尾事故。

2.直接式减速车道：直接式减速车道是按一定的渐变率将主线及匝道平顺相接。车辆到达减速车道后，直接顺匝道方向驶出主线。大部分车的行驶方向与主线相同。利于车辆平稳，快捷的驶出主线，可以减少因为车道变化行为而在主线减速而引起的追尾事故。按照《路规》规定：减速车道可以按照车道宽度分为单车道和双车道两种设计形式，在匝道出口处，减速车道都应该采用直接式。

2.1.2减速车道长度

减速车道长度是指从主线 分离开始到匝道口处这一段道路的长度，这段长度是提供给主线车辆变道驶入匝道。《公路路线设计规范》（JTJ011--94）中规定了单车道、双车道对应的直接式与平行式的减速车道分别在主线不同设计速度下的长度。减速车道设计过短，则会造成车辆没有足够的空间完成变道行为，轻者造成拥堵，影响主线的通行能力，重则会出现交通事故，发生追尾等现象。若减速车道设计过长，则会出现减速车道与主线速度差距较小的情况，不利于车辆分流，并且在道路建设方面会出现一些程度上的会产生一些浪费。所以在关于减速车道的长度设计上需要多加研究与实验，才能最终确定合适的减速车道长度。

变速车道的长度为加速或减速长度与渐变段长度值和；加、减速长度是指渐变段车道宽度达到一个车道宽度的位置与分流和合流鼻端之间的距离，可根据规范中的表进行查用。

表2.1《路规》中对减速长度的要求

表中入口为单车道的双车道匝道，其加速车道的长度增加10m或20m。渐变段长度：渐变段长度是指渐变段车道宽度达一个车道宽度的位置至正线之间的渐变长度。渐变段的长度和渐变率可以根据《路规》中查表使用，表中单车道入口为平行式的，若为直接式采用括号内数值。变速车道长度的选用除了符合上述的要求以外，在满足最小长度的要求下，还应该与正线的速度、交通量以及大小车型的比例相综合，对加速车道与减速车道的长度进行综合，在需要时应该要增加变速车道的长度。

2.1.3交通设施

分流岛：分流岛是高速公路平面交叉中设计的重要组成部分之一，其中包括了渠化交通设计、平面与立体设计。优秀的分流岛设计可以提升交通效率，减少交通事故的发生，疏散交通流。

图2-1 分流鼻在减速车道的尾端也就是匝道的入口处，可以给进入匝道的主线车辆更多的空间与时间进入匝道，并且减少驾驶员的紧张感，使其操作轻松，不易出现严重的追尾等交通事故。

2.2高速公路出口特点

2.2.1出口多为事故黑点

要分清高速公路出入口的差别，找准出口设计的特点与切入点。高速公路的出口与入口相比有着车速较快、出口位置目标性不强、驾驶员长期驾驶疲劳性以及到达目的地急切心理等不同的方面。这也正是出口相比于入口更加容易交通事故的原因。所以高速公路出口的设计比入口的要更加复杂，在研究时应找准关键点，切入点，研究关于出口设计特性的方面。在高速公路出口的路段，即减速车道到匝道入口处，经常会发生车辆碰撞、连环追尾、侧移、车辆侧翻等车辆交通事故，高速公路出口出现如此事故的原因有许多，正确分析这些原因才是找到纠正问题的关键，大多是因为驾驶员非法驾驶，盲目操作，没有保持良好视距，以及线型、标志标牌提醒不足等原因产生。

图2-2 事故现场

据有关统计，交通事故总量与死亡人数总量70%会大量集中发生在高速公路出口500米的范围内。2014年四月13日河南省新乡段长垣段，高速公路出口段发生了一起重大交通事故，多辆汽车连环追尾，如图片所示一辆白色的SUV车辆全部车身已经完全挤压变形，另一辆大货车车头也发生了十分严重的损坏，多车连环追尾事故在高速公路出口往往会多数发生，发生后造成的危害与损伤也是十分巨大的，所以高速公路出口处的安全应当提起相当程度上的注意。

2.2.2出口与入口的不同

高速公路出口路段与高速公路入口路段实际上存在着许多的不同；

a.在车速方面：高速公路入口路段经常是车辆刚刚从匝道进入高速公路主线，速度较小，发生紧急情况下允许驾驶员反应的时间较充裕，不易发生追尾等严重的交通事故，造成财产与生命的安全。而高速公路出口路段则不然，驾驶员在高速公路主线上以相当的高速行驶，在进入减速车道时需要减速并发生变道行为，在这种情况下，追尾事故就会经常发生。驾驶员也处于高度紧张的状态，可能会引起其的误操作而导致事故的发生。

b.在行驶行为方面：高速公路出口路段存在着较多的车辆变道行为，并且是在减速行为下的变道，更容易产生冲突点。导致事故的发生。尤其是多车道高速公路出口处。

c.在驾驶员心理方面：高速公路出口路段与高速公路入口路段相比，驾驶员 心理也会存在着相当程度上的差异。驾驶员在行驶在高速公路入口路段时，注意力一般比较集中，只有单一的目的地，即入口，不易出现紧急事故。而高速公路出口则实则不然，驾驶员在经过长时间的驾驶后，会产生一定程度的疲劳与反应延迟。在此状态下往往会产生紧急情况，驾驶员的误操作等会很大程度上导致事故的产生。

d.道路提示方面：在高速公路入口地段，往往目的性非常强烈，通过收费站后沿着匝道就进入主线，并不需要十分明确、明显的标识引领。而高速公路路段出口则有所区别。在高速公路主线上行驶的车辆会经过若干个出口，驾驶员需要在众多信息中辨别出自己所需要的信息，选择合适的出口选择驶出。这样就需要道路设计时，对于高速公路出口路段的标志、标识以及线性指引方面，需要进行研究与设计。

因此高速公路出口路段的设计的重要性与方向性就十分突出，有利于我们进行研究。

2.3软件设计模型与心脑电数据采集

对多种出口模型的设计，需要十分强的综合设计性以及软件使用能力。驾驶模拟需要设计多种出口模型用来分析必选。所以要求熟练掌握UC win/ROAD的运用，以及综合性掌握出口设计的要点。

UC-win/Road以计算机的三维虚拟实现的表现为原理的一款设计软件。主要用于城市道路、公路、城市规划、园林设计、小区规划设计。其优点是，操作者可以通过较为简单和基础的操作将设计成果快速做成模型，利用三维虚拟表示各种方案。通过对各种方案的实际景观的查看，允许驾驶者通过空间移动模拟（例如步行、驾驶车辆、飞机）软件设计的目的是为了可以使设计人员与投资方之间更方便的沟通与交流，成为两者这件沟通交流的桥梁。与传统的动画展示相比，该软件的优点在于其成型快，建模速度快，成本相对较低。并且专业性相对较高。

在道路设计模拟方面，可以在软件中设计各种道路的线型，平纵横设计，路面材料，断面类型。在软件中可以用划线坐标输入，断面输入等相对简便的方式实现三维效果道路的构建。并且可以根据不同的地形改变道路施工中的隧道、桥梁、挖填方的设计。以及路旁景观与道路标牌、提示的设计。

图2-3出口指示标牌

根据实验要求构建出直接式减速车道、平行式减速车道等几组不同形式，依据规范设定不同长度的高速公路出口段模型以后。为了进行对这几个模型的比对，需要进行室内模拟驾驶分析。

图2-4 模拟驾驶实验装置

并使用模拟驾驶平台进行模拟驾驶实验。本次研究所采用的驾驶模拟平台是由日本的FORUM 8提供。采用UC-win/Road中所制作的高速公路出口路段模型与驾驶模拟器组成。实验模型由UC-win/Road设计，模拟驾驶器中由方向盘、档、油门、刹车与座位等仿真部分组成。与以往的模拟驾驶器相比，FORUM 8驾驶模拟器性能得到了太高，硬件成本有所降低，可以适应各种自由制作的场景数据。因为可以直接利用UC-win/Road所制作的模型。所以新建路线的制作，修改现有数据等都可以十分简便的完成。在模拟的形式方面，既可以从

UC-win/Road向模拟器主体输出设定信息，也可以通过驾驶模拟器的主体UC-win/Road传输行驶信息。

图2-5生心理测试仪器、界面

2.4出口评价指标的选取

将模拟驾驶中十分抽象的轨迹转化成相关的安全的数据。在进行众多出口模型的比选分析的过程中，我们直接得到的数据只有模拟驾驶时汽车的轨迹与速度等较为抽象的指标。为了达到比选的目的，我们需要确定相关的安全数据，并且将抽象的数据量化为具体的数字。比如驾驶者的平均反应时间，汽车的加速度，轨迹变化率等具体的指标，然后再进行高速公路出口的分析与选择。

2.4.1脑电、心电数据

在模拟驾驶中为了获取驾驶员在驾驶过程中对于道路线型变化以及标志、标牌等道路元素产生的影响，本次研究采用测量驾驶员在模拟驾驶与实车驾驶时的生心理数据来表达其在当时的反应。我们选取脑电、心电等数据进行表征，利用多通道生心理反馈仪进行测量与研究。

多通道生心理反馈仪：本次采用的是加拿大Thought Technology公司生产的Infiniti 3000A八通道生物反馈仪。其组成结构包括：皮电传感器（SC）、八通道Pro Infiniti放大器、呼吸传感器（RESP）、表面肌电图传感器（EMG）、脑电传感器（EEG）、心电传感器（EKG）、血容量搏动传感器（BVP）、皮温传感器（TEMP）。该反馈仪可测试驾驶人员肌电、脑电、心电等生心理参数，且携带方便，在长时间的驾驶过程中也不会对驾驶者产生较大的压迫。

2.4.2最终减速车速

在评价高速公路减速车道的性能优劣时，我们选取主线车辆从开始进入减速车道进行减速，到达匝道入口处的最终速度作为评价指标。评价一个减速车道的功能是否满足要求，最基本的评价要素就是其是否有充足的空间帮助车辆进行减速。因此我们选用车辆通过减速车道到达匝道前的速度作为评价指标，速度越低，越接近匝道规范速度，则说明该减速车道的减速功能越好。

2.4.3到达最低速度时距离匝道入口的距离

为了评价减速车道是否经济，是否设计合理、没有较多路面的浪费。本研究实验选择车辆到达最低速度时距离匝道入口的距离作为另一指标。模拟驾驶车辆时，测量车辆减速到最低速度时距离匝道入口的距离。若该距离随减速车道长度增加而显著增加，并且几乎增长幅度相同时，说明该长度的减速车道已经足够使用，无需增加减速车道。否则会增加道路的铺张浪费，降低道路的经济性。

2.4.4模拟驾驶与实车

将模拟驾驶与实车驾驶相比，分析其差异性与相同性。我们将模拟驾驶中设计出来的高速公路出口应用于实际情况中，需要分析模拟情况与实际情况的差别。因此，在进行模拟情况与实车情况的分析时，要考虑例如模拟驾驶时因为重复实验有心理预期对结果产生的影响、实际驾驶时疲劳因素对出口功能评价的影响等等因素。

驾驶员的生心理指标与外部条件紧密相连，即不同的外部环境的条件下，生、心理参数也会有不同的表现形式，若室内外实验的数据之间没有一致性，那么仿真实验便不能真正的表示实车实验，所有的实验也就都是徒劳的，是没有意义的。因此，必须针对室内外实验、即模拟驾驶实验与实车实验的一致性进行分析。

在室内外驾驶轨迹及驾驶时间相同的条件下，测得各生、心理参数指标可得到真实场景和驾驶模拟的两组数据，即样本对数据。为进一步对比分析驾驶模拟实验的有效性，针对这些样本对数据采用配对样本T检验来探讨数据的绝对有效性，对生理参数的变化率（即实验过程中某时刻的参数值与清醒状态下参数值之差与清醒状态参数值的比值）进行配对样本T检验来探讨数据的相对有效性。

配对样本的T检验用于检验两个相关样本是否来自相同均值的总体。配对的概念是两个样本的数据存在配对关系，样本值之间一一对应，并且两个样本的容量相同，故室内外对比实验严格控制驾驶速度为100km/h，以保证在室内外的路程和时间能够对应，从而使室内和室外指标样本容量相同。以此进行室内外实验差异性分析。

3、研究步骤

本次研究的是高速公路出口段减速车道线型设置与交通设施对于高速公路出口段安全性能与交通性能的影响。本文章主要设置室内驾驶模拟实验与室外实车对比实验。通过设计多种不同形式、不同减速车道长度的多种出口设置模型，进行驾驶模拟研究，通过各种实验确定指标，分析出较为合适的模型。再通过室外实车实验，进行模拟实验与实车实验相对比，以验证室内仿真实验的可行性。

3.1 高速公路出口段减速车道的评价方法

驾驶员的生、心理的状态可以通过观察驾驶人员的动作，表情和眨眼状态等主观获得，也可以通过专业的仪器设备测试驾驶人员的脑电、心率、皮电等指标进行客观判断。所以可以使用生、心理多通道生心理反馈仪进行测量驾驶人员的驾驶感受。利用测试车辆行驶轨迹以及速度随时间变化的数据以客观评价该高速公路出口段的安全性能以及交通性能。通过主观与客观数据相综合，获得最终模型的比对。

3.1.1生、心理数据

a.主观测试法

主观测试主要通过旁人观察驾驶人员的驾驶活动，面部表情，局部动作等来评定驾驶人员的反应激烈程度或者疲劳程度。主要使用的调查表包括：

(1)主观调查表；

(2)睡眠习惯调查表，调查驾驶人员是否存在失眠等情况；

(3)斯坦福睡眠尺度表；

(4)驾驶员自我记录表，用于驾驶员对驾驶任务、习惯和时长进行自我评价；

(5)皮尔逊疲劳量表，最具有代表性，将疲劳程度分为13个等级。

b.客观测试法（生理信号测试法）

(1)脑电EEG测试法

脑电数据主要记录四种不同频率段的波，分别为：δ(0~4Hz)，θ(4~8Hz)，α(8~13Hz)和β(13~20Hz)，这四种不同频率的波以可用来评价驾驶人员的每时每刻不同轨迹状态下的状态，这些一起被誉为测量驾驶员生、心理疲劳评价的“黄金指标”。δ波在较深度睡眠状态下会占有较高程度上的比例。θ波功率的增长则是瞌睡状态时出现的早期提示信息。α波反映的是驾驶员的相对放松的状态，当驾驶员的注意力相对集中、或者受到外部刺激或视线集中时，α波的功率就会变小。但是，如今有一些学者研究发现，在驾驶训练时，驾驶人员快要睡着时，四种不同频率的波段就会表现出不同程度变化，α波的功率也会有所增长。β波与驾驶员的警惕性水平有关，每当在驾驶人员打瞌睡的时候，β波功率就会下降，就会显示出驾驶员在通过高速公路出口路段减速车道的心理活动。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：21983字