顾及路-人-车耦合机制的公路三维空间线形参数化设计理论与方法

Highway alignment designed by traditional two-dimensional method， has the phenomenon of curvature continuity degradation, which cannot satisfy the basic principle of curvature continuity and lead to the mismatching among geometric properties, driver characteristics and vehicle characteristics. All of those disadvantages endanger traffic safety. Hence, highway design should be based on the final three-dimensional spatial alignment and the relevant parameters should be valued under both considerations of drivers’ subjective safety judgment and the objective safety requirements of driving stability. In this project, the research will start from the geometric properties of highway spatial alignment, then definite the internal connection between the alignment continuity degradation and traffic safety based on road-driver-vehicle mechanism. On the basis of above, the project will propose a highway 3D parametric design theory which take alignment design objective and subjective safety balance into account. The optimal design of three-dimensional spatial alignment will be achieved finally. The purpose of this project is to provide a totally new highway design method and highway safety evaluation theory which can avoid traffic accidents caused by the weakness of highway alignment design.

传统二维设计方法存在“空间曲率连续性衰减”现象，无法满足线形设计“曲率连续”这一基本原则，导致公路线形空间几何特性与驾驶员特性、车辆行驶特性三者之间不匹配，易引发行车安全隐患。公路设计应立足于最终的三维空间线形，相关参数取值应同时考虑驾驶员主观安全性判断和车辆行驶稳定这一客观安全性要求。因此，本项目以“路”为中心，以公路空间线形基本几何特性——连续性为基本出发点，分析空间线形几何特性与驾驶员心理特性、车辆动力学特性间的耦合机制，明确“线形连续性退化”与交通安全之间的内在联系。在此基础上，提出顾及路-人-车耦合机制的公路三维空间线形参数化设计理论与方法，综合考虑线形设计主、客观安全性均衡，建立线形参数设计约束模型，最终实现公路三维空间线形的优化设计。力图从源头上避免因公路几何线形设计不足而引发的交通事故，为公路线形设计理论和方法、线形安全性评价提供新的角度和策略。

针对目前平、纵线形分离设计方法引起的空间曲率连续性衰减及由此产生的安全风险，以公路空间线形几何特性为基本出发点，提出公路三维空间线形参数化设计理论与方法。本研究取得以下研究成果：.（1）构建了全因素特征指标数据获取方法，开展了自然驾驶试验，结合计算机视觉技术提取了全因素特征数据集；采用脉冲响应函数分析驾驶员感知响应层中的心率、皮肤电导反应、注视比例和注视时间对线形因素和环境因素的响应，明确空间曲率、挠率对皮肤电导反应（SCR）影响最大。.（2）采用泊松回归模型和负二项回归模型构建了驾驶人-车辆-道路-环境全因素条件下的高速公路事故预测模型，确定驾驶员因素对事故影响最显著，最大曲率差、平均挠率对事故有重要影响；通过格兰杰因果检验确定了弯道事故频发路段的逐层信息传递结构，结合VAR模型的脉冲响应函数分析和误差的方差分析结果，得出事故频发路段的形成原因。.（3）基于Frenet标架，构建了路-车耦合下的空间运动分析系统和模型，建立了满足车辆行驶稳定性要求的空间线形参数约束；.（4）采用机械系统动力学自动分析软件(ADAMS)对车辆沿路-车耦合空间行驶时的运动特性进行了模拟分析，发现空间线形几何不连续问题会导致汽车动力学指标的突变，动力学指标值突变大小与曲率、挠率突变值正相关，并且发生在平纵组合路段的节点处。采用单因素方差分析方法，结合自然驾驶试验证实三维线形指标与车道偏移具有直接关系，建立了空间曲率突变临界值约束范围。.（5）提出基于四次Bezier曲线分段构造公路三维空间线形的方法，通过给定分段控制点间空间曲线的统一解析表达形式，实现公路三维空间线形设计；.（6）建立了基于多层神经网络的小客车三维运行速度预测模型用于线形质量检查，分析并确定了最优的模型超参数与最优感受范围“前感距离200m+后感距离250m”。.（7）以Google Earth作为公路空间线形设计的三维平台，集成开发了公路三维空间线形优化设计原型系统并进行了测试。