欧氏三维空间中公路线形几何连续性衰退对行车安全性影响机理及优化设计方法

Highway alignment designed by separated horizontal and vertical results in space continuity degradation, such as curvature, torsion and tangential direction. Thus, the driver's vision and vehicle trajectory continuity requirements can’t be satisfied, which will inevitably pose a threat to safety. The project aims to systematically study and quantitatively describe the impact effects of space continuity degradation on driving visual continuity and driving trajectory in the Euclidean three-dimensional space. Then, the mechanism of the space continuity degradation impact on the traffic safety will be revealed and constraint model of spatial continuity optimization design parameter for traffic safety will be established. Thus, the control threshold of space alignment parameter can be determined as a parameter constraint in the current horizontal-vertical design. Ultimately, it is designed to solve the problem of horizontal-vertical design optimization. The project proposes to undertake groundbreaking research of two models in the framework of Frenet architecture. One describes the dynamical influence of driving visual continuity due to the continuity degradation and its characterization parameter (through mathematical analysis and geometric characteristic analysis). The other describes the connection between continuity degradation margin and driving trajectory offset. For the first time, the project aims to established the spatial continuity optimization design parameter constraint model based on the mechanism of highway safety caused by the continuous degradation of spatial three-dimensional curve, determine the control threshold of space alignment parameter, and achieve a quantifiable horizontal -vertical combination optimization design method.

平纵分别设计的公路路线在欧氏三维空间中存在曲率、挠率、切线方向等空间连续性衰退现象，不能满足驾驶员视觉及车辆行驶轨迹连续性要求，必然对安全造成一定的威胁。本项目目标是在欧氏三维空间中系统针对空间连续性衰退对驾驶视觉连续性、行驶轨迹的影响展开定量描述研究，揭示空间连续性衰退对行车安全影响机理，建立行车安全的空间连续性优化设计参数约束模型，确定空间线形参数控制阈值，并将其作为一个参数约束考虑到目前平纵组合设计中来，最终旨在解决平纵设计优化问题。拟在Frenet架构中针对空间曲线连续性衰退表征参数（通过数学、几何特性分析得到）、连续性衰退对驾驶视觉连续性的动态影响定量描述模型、连续性衰退幅度与行驶轨迹偏移之间的关联模型展开突破性研究，并首次建立基于空间三维曲线连续性衰退对行车安全性影响机理的空间连续性优化设计参数约束模型，确定空间线形参数控制阈值，提出可以量化的平纵组合优化设计方法。

平纵分别设计的公路路线在欧氏三维空间中存在曲率、挠率、切线方向等空间连续性衰退现象，不能满足驾驶员视觉及车辆行驶轨迹连续性要求，必然对安全造成一定的威胁。本研究基于Frenet架构解析了公路三维线形的各类组合路段的参数表达方程，开发了三维线形参数计算软件，通过调研国内外线形与事故数据、计算三维线形参数并建立三维线形参数与事故之间的关联模型，分析了公路空间线形几何连续性衰退特征及其对交通安全的影响；通过设计开展驾驶员视觉特性信息采集试验、分析视觉过程中眼球运动形式和视觉搜索模型的特点以及构建公路空间线形参数对驾驶员视觉特性表征指标的影响模型，研究了空间连续衰退对驾驶员视觉的影响机理，并提出了基于驾驶员视觉特性的三维线形优化方法；通过设计开展行驶轨迹偏移测量试验、分析车辆行驶轨迹影响因素及选取表征指标以及构建基于机器学习算法的行驶轨迹偏移模型，分析了空间连续衰退对车辆行驶轨迹的影响机理，并提出了基于车辆行驶轨迹的三维线形优化方法。研究可为公路线形安全机理分析以及线形优化设计提供一定的理论依据。