路暢

摘 要：隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國公路總里程已躍居世界第一，機動車和駕駛員的數(shù)量也在迅速增長，隨之而來的是交通事故數(shù)量居高不下。大多數(shù)交通事故都和駕駛員自身存在密切關系，而道路是車輛行駛的載體，因此基于人類工效學的道路線形設計就應運而生。本文介紹了基于人類工效學的道路平面、橫斷面、縱斷面設計現(xiàn)狀，以期能為安全、舒適的道路線形設計相關研究提供參考。

關鍵詞：人類工效學;道路平面;道路橫斷面;道路縱斷面;道路線形設計

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國公路總里程已達484.65萬公里，居世界第一。同時，機動車保有量和駕駛員數(shù)量也呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢，截至2018年，全國機動車保有量3.48億輛，汽車駕駛員3.97億人。然而，隨之而來的是我國交通事故居高不下，2018年全國發(fā)生交通事故244 937起，死亡人數(shù)63 194人，造成直接財產(chǎn)損失138 455.9萬元。交通事故給人類生活帶來了巨大的災難，大量的研究表明，90%以上的交通事故都是由人的因素所造成的，而其中絕大多數(shù)與駕駛員的心生理有著密切的關系[1]。道路作為車輛行駛的載體，其線形會直接對駕駛員產(chǎn)生影響，繼而影響行車安全。以往的道路設計僅考慮了汽車在運動學方面的安全性，沒有充分考慮駕駛員心生理的需求，因此，探索基于人類工效學的道路線形設計對提高行車安全、降低交通事故的發(fā)生具有重要意義。本文將對近年來基于人類工效學的道路線形設計相關研究進行綜述，以期能對今后進一步開展此方面的相關研究、完善道路線形設計體系以及提高道路行車安全性做出貢獻。

1 人類工效學

1.1 人類工效學的定義

人類功效學是根據(jù)人的心理、生理和身體結構等因素研究人、機器、環(huán)境的相互關系，并將其用于設計、產(chǎn)品、工作場所和設備等領域，以保證人們安全、健康、舒適的工作，并取得令人滿意的工作效果的一門學科[2]。

1.2 道路交通中的人類工效學

道路交通是由人、車、路（環(huán)境）組成的一個動態(tài)系統(tǒng)，其中人是最重要的一環(huán)，而在駕駛過程中，道路線形、沿線設施、天氣變化等都會對駕駛員產(chǎn)生影響，從而影響到駕駛行為。道路交通中的人類工效學即從駕駛員的角度出發(fā)考慮道路交通系統(tǒng)中的各個維度，以期能使人、車、路（環(huán)境）達到最佳的狀態(tài)。

1.3 基于人類工效學的道路線形設計

線形是道路的骨架，決定著道路的具體走向和位置，是道路設計的基礎與關鍵。線形設計直接關系到汽車行駛的方方面面，并且對交通安全起著先決性作用?；谌祟惞ばW的道路線形設計，即從駕駛員的角度出發(fā)對道路線形指標進行設計，確保駕駛員行車過程中的安全與舒適。由于人的心生理活動并不能直觀的表現(xiàn)出來，因此，探索不同線形指標對駕駛員心生理的影響就需要通過大量的駕駛員樣本，結合心電儀、眼動儀等儀器，開展實車試驗或者依托于駕駛模擬設備開展駕駛模擬試驗，得到能夠保證駕駛員行車安全與舒適的道路線形指標。

2 基于人類工效學的道路平面線形設計

2.1 直線長度對駕駛員心生理的影響

城市和山區(qū)公路直線均較短，短距離的行車難以判斷駕駛員心生理的變化，而偏遠地區(qū)現(xiàn)存很多長直線路段，可以更好地判斷直線長度對駕駛員心生理的影響。

高伊蒙[3]選取一條縱坡<2%，設計速度80 km/h的16 km公路，使用生理信號采集儀采集隨著直線長度增加，5位熟練駕駛員腦電信號的變化。用Acqknowledge軟件將原始的EEG信號分離成波、波、波等通道單獨進行功率譜分析，其中波、波與疲勞程度成正比，波與興奮感成正比。

根據(jù)各腦電信號的生理意義得到以下結論：

（1）5名駕駛員波的功率均值在10 km前波動下降，10 km后上升。說明在行車之初，受到路旁景觀的刺激，駕駛員不易產(chǎn)生疲倦，但是行駛一段距離后，駕駛員疲勞感逐漸增強，警覺性下降。

（2）5名駕駛員波的功率均值隨直線長度的增大先上升，在4 km處達到最大值，而后緩慢下降，6 km后迅速下降。說明在駕駛前期駕駛員興奮感上升，但隨著直線長度增大，駕駛員興奮感減弱，易產(chǎn)生困倦和疲勞感。

（3）5名駕駛員波的功率均值隨著直線長度的增大而上升。說明隨著直線長度增大，駕駛員疲勞程度增強。

基于以上研究結論可以發(fā)現(xiàn)，隨著直線長度增大，由于沿途單調(diào)的景觀和線形，駕駛員中樞神經(jīng)會逐漸麻痹，駕駛員從最初的興奮轉(zhuǎn)向疲勞，甚至進入“睡眠”狀態(tài)。同時，如果駕駛員急于駛離直線，會加速行駛，導致有效視野范圍變窄，形成“隧道效應”。這些都不利于行車安全。

雖然我國要求道路最大直線長度不超過20V，但并非強制性的。由于直線線形設計簡單，成本低，在沒有地形限制的荒漠戈壁地帶經(jīng)常出現(xiàn)長直線路段?；谝陨涎芯拷Y論，筆者認為從駕駛員的角度出發(fā)，設計速度80 km/h時，長直線路段不宜超過6 km，控制在4 km為宜，10 km為極限值。對于城市和山區(qū)路段，由于地形地物限制，一般不會存在長直線路段，最大直線長度按20V取值即可。以城市快速路為例，其設計速度一般也為80 km/h，直線最大長度1.6 km<

4 km，駕駛員不會產(chǎn)生倦怠心理，行車安全。

2.2 圓曲線半徑對駕駛員心生理的影響

鄭柯[4]選取一段設計速度80 km/h的高速公路，通過測量13名熟練駕駛員行車過程中的心率增量和速度變化，得到不同曲線半徑下駕駛員的速度和心率增量平均值，在此基礎上分析不同曲線半徑對駕駛員心生理的影響。

通過分析發(fā)現(xiàn)，速度與圓曲線半徑之間規(guī)律性較強，隨著曲線半徑減小，速度降低明顯，而心率增量則受曲線半徑和速度的雙重影響。根據(jù)對三參數(shù)關系的定性分析，假定曲線半徑與心率增量呈負冪函數(shù)關系，速度與心率增量呈正冪函數(shù)關系，得出了設計速度80 km/h條件下心率增量與圓曲線半徑關系式：

N=68.189R-0.203 （1）

式中：R為圓曲線半徑（m）（公式引自參考文獻[4]）

通過曲率公式計算得出了曲率突變點約為圓曲線半徑509 m處，通過對心率增量與圓曲線半徑關系分析可知：當圓曲線半徑大于509 m時，駕駛員心率增量隨曲線半徑減小緩慢升高，當圓曲線半徑小于509 m時，心率增量快速升高。分析原因可能是曲線半徑在509 m時橫向力系數(shù)>0.1，駕駛員開始感受到曲線的存在，隨著曲線半徑減小，這種感覺愈發(fā)強烈，心率顯著上升。由此可見，隨著圓曲線半徑減小，駕駛員由于橫向力的作用逐漸感到不適，緊張感逐漸增強，雖然駕駛員采取了減速措施，但是由于小半徑圓曲線會影響駕駛員的視野使駕駛員產(chǎn)生茫然感，再加上駕駛員緊張會影響操作，因此不利于行車安全。

此設計路段的圓曲線最小半徑為200 m，而半徑大于2 000 m以上的圓曲線路段可以被認為是直線，其曲率已經(jīng)不會對駕駛員的心理變化和行車速度產(chǎn)生影響。故此模型適用于80 km/h設計速度，圓曲線半徑200 m～2 000 m的范圍內(nèi)。

基于以上研究結論，筆者認為在設計速度80 km/h時，圓曲線半徑不宜小于500 m，半徑小于500 m的圓曲線會使駕駛員感到緊張與不適，影響行車安全。

3 基于人類工效學的道路縱斷面設計

3.1 坡度、坡長對駕駛員心生理的影響

研究認為，除非駕駛員縱向上坡時視線受到了遮擋或有其他特殊原因，一般情況下駕駛員在上坡路段其心生理指標與線形的關系非常微弱。鄭柯[4]通過分析上坡段不同坡度及其對應的駕駛員平均心率增量，發(fā)現(xiàn)二者相關性較差。曹友露[5]通過研究上坡路段駕駛員視覺負荷強度與坡度的關系發(fā)現(xiàn)，隨著坡度增加，駕駛員視覺負荷強度變化不大，基本呈均勻分布。二人的研究證明了上述觀點。故本綜述只討論下坡路段駕駛員心生理與道路線形的關系。

黃江[6]選取了16名熟練駕駛員，使用心電儀及駕駛模擬艙，研究長大下坡彎坡路段坡度和坡長對駕駛員心生理的影響。試驗道路為設計的包含不同道路線形要素的虛擬路段，設計速度80 km/h，路段內(nèi)最大縱坡5%，最大坡長1 050 m。將不同坡度的坡段作為研究對象，通過試驗數(shù)據(jù)處理，可以得到不同坡度及對應的坡長、心率增量等相關數(shù)據(jù)，進行相關性檢驗發(fā)現(xiàn)：

（1）心率增量與坡度存在相關性，進行線性擬合發(fā)現(xiàn)二者呈正相關，坡度越大，駕駛員越緊張。

（2）心率增量與坡長同樣存在相關性，進行線性擬合發(fā)現(xiàn)凹形二次曲線擬合效果明顯，心率增量最小值約為彎坡長度540 m處，該長度約為試驗數(shù)據(jù)中所有彎坡長度的中值。分析原因可能是當彎坡長度較短時，由于下坡駕駛員行駛到彎坡處速度仍較高，駕駛員會試圖快速通過彎坡，這種情況存在一定風險，駕駛員較為緊張，心率增量較大。當彎坡長度較長時，曲線半徑也較大，駕駛員把彎坡近似當作直線段處理，所以駕駛員并不會減速，心里仍然處于較緊張的狀態(tài)。而當彎坡長度適中時，駕駛員會減速從而使緊繃的情緒有所放松，有利于行車安全。

基于以上研究結論，筆者認為：（1）上坡路段進行縱斷面設計時，不用刻意考慮駕駛員心生理需求，按照規(guī)范要求設計即可。（2）下坡路段駕駛員緊張程度與彎坡坡度呈正比，規(guī)范規(guī)定設計速度80 km/h時最大坡度為5%，結合規(guī)范與上述研究，從駕駛員的角度出發(fā)，考慮彎坡坡度也不宜大于5%，同時坡長宜控制在550 m左右，此時駕駛員心理緊張感最低，行車較為安全、舒適。同時筆者認為上述研究仍存在一些缺陷，即進行心率增量與坡長或坡度的相關性分析時，沒有考慮另一因素以及速度的影響。

4 基于人類工效學的道路橫斷面設計

4.1 道路、路肩寬度對駕駛員心生理的影響

根據(jù)常識，不同的道路和路肩寬度會對駕駛員心生理產(chǎn)生影響，從而影響駕駛的安全性與舒適性。直接對道路、路肩寬度與駕駛員心生理進行相關性分析的研究較少，有學者研究了在不同道路、路肩寬度下駕駛員速度的變化，可以據(jù)此對道路、路肩寬度對駕駛員心生理的影響進行推斷。

Godley S[7]等人認為，較寬的車道會使駕駛員處于較放松的狀態(tài)，因此駕駛員往往以較高的速度行駛，而縮小車道寬度可以降低駕駛員的速度，因為窄的通道會使駕駛員處于緊張狀態(tài)。Shou Liu [8]等人通過試驗得到了相同的結論，試驗選取24名熟練駕駛員通過駕駛模擬器研究了車道寬度、車道位置和路肩寬度對三車道城市高速公路駕駛速度的影響，采用平衡設計方法，對試驗數(shù)據(jù)進行了ANOYA分析。

研究表明，在其他變量不變的情況下，隨著車道寬度從2.85 m提升至3.75 m，駕駛速度同樣提升顯著。分析原因可能是由于車道寬度提升，駕駛員處于放松和舒適的狀態(tài)，會提高駕駛速度。同樣，路肩寬度從0.5 m提升至1 m，車道寬度不變的情況下，左側(cè)和右側(cè)車道速度有所提升，但幅度不大，對中間車道的速度則沒有顯著影響，原因可能是肩寬的增加并沒有擴寬中間車道的“寬度”，而對左右車道駕駛速度產(chǎn)生影響的原因與車道寬度相似，但作用有限。

窄的道路和路肩不僅會影響通行能力，還會使駕駛員產(chǎn)生緊張的心理并增加事故發(fā)生的概率?；谝陨涎芯?，筆者認為進行橫斷面設計時，條件允許的情況下在規(guī)范范圍內(nèi)盡量選擇較寬的車道和路肩寬度。

5 當前研究存在的不足與建議

當前研究人員已經(jīng)采用了多種手段與試驗方法，基于人類工效學原理，從駕駛員的角度出發(fā)開展了道路線形設計的研究工作，取得了許多研究成果。但筆者認為當前研究仍有如下不足：

（1）駕駛模擬艙與實際路況可能存在差異，對駕駛員心生理的影響弱于實際路況。

（2）現(xiàn)有的相關性研究，多針對單一因素進行分析，但駕駛員行車是個多因素影響的過程，因此有必要建立多因素耦合作用下駕駛員心理與道路線形關系的評估方法。

（3）當前有關道路斷面布置對駕駛員心生理影響的研究多偏向車道寬度、路肩寬度、縱坡等，但對中央分隔帶、邊溝、豎曲線等組成部分的研究還較為缺乏。

（4）文中實車試驗和駕駛模擬艙試驗模擬的場景幾乎都是在白天進行的，而夜晚行車時對向車燈的照射、漆黑的周圍環(huán)境等因素會對駕駛員的心理和視覺造成很大的影響，因此建議日后可以開展黑暗條件下的相關研究。

基于此，筆者建議，在日后開展關于道路線形對駕駛員心生理影響的相關研究時，研究人員可以基于以上方面進行研究設備和研究方法的改進，并對相對空白的領域開展研究。

6 結論

本文介紹了當前基于人類工效學的道路平面、縱斷面、橫斷面設計的相關研究成果，總結歸納了一些結論：

從駕駛員的角度出發(fā)， 80 km/h設計速度下，直線長度不宜超過6 km，控制在4 km為宜，10 km為極限值;圓曲線半徑不宜小于500 m;下坡路段縱坡坡度不宜大于5%，坡長宜在550 m左右范圍內(nèi);在滿足規(guī)范和條件允許的情況下，應選擇較寬的道路和路肩寬度。這些結論可為80 km/h設計速度下的道路設計提供參考。

現(xiàn)如今，大眾已經(jīng)不再滿足道路設計僅保障最基本的安全需求，而是更多地關注駕乘人員的行車感受。如何在安全的前提下保證駕乘人員行車過程中的舒適性，是道路設計人員未來需要考慮的方向。

參考文獻：

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