路暢

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)公路總里程已躍居世界第一，機(jī)動(dòng)車和駕駛員的數(shù)量也在迅速增長(zhǎng)，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(guān)系，而道路是車輛行駛的載體，因此基于人類工效學(xué)的道路線形設(shè)計(jì)就應(yīng)運(yùn)而生。本文介紹了基于人類工效學(xué)的道路平面、橫斷面、縱斷面設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，以期能為安全、舒適的道路線形設(shè)計(jì)相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：人類工效學(xué);道路平面;道路橫斷面;道路縱斷面;道路線形設(shè)計(jì)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)公路總里程已達(dá)484.65萬公里，居世界第一。同時(shí)，機(jī)動(dòng)車保有量和駕駛員數(shù)量也呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，截至2018年，全國(guó)機(jī)動(dòng)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(guó)交通事故居高不下，2018年全國(guó)發(fā)生交通事故244 937起，死亡人數(shù)63 194人，造成直接財(cái)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(zāi)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(guān)系[1]。道路作為車輛行駛的載體，其線形會(huì)直接對(duì)駕駛員產(chǎn)生影響，繼而影響行車安全。以往的道路設(shè)計(jì)僅考慮了汽車在運(yùn)動(dòng)學(xué)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(xué)的道路線形設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)近年來基于人類工效學(xué)的道路線形設(shè)計(jì)相關(guān)研究進(jìn)行綜述，以期能對(duì)今后進(jìn)一步開展此方面的相關(guān)研究、完善道路線形設(shè)計(jì)體系以及提高道路行車安全性做出貢獻(xiàn)。

1 人類工效學(xué)

1.1 人類工效學(xué)的定義

人類功效學(xué)是根據(jù)人的心理、生理和身體結(jié)構(gòu)等因素研究人、機(jī)器、環(huán)境的相互關(guān)系，并將其用于設(shè)計(jì)、產(chǎn)品、工作場(chǎng)所和設(shè)備等領(lǐng)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(xué)科[2]。

1.2 道路交通中的人類工效學(xué)

道路交通是由人、車、路（環(huán)境）組成的一個(gè)動(dòng)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(shè)施、天氣變化等都會(huì)對(duì)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(xué)即從駕駛員的角度出發(fā)考慮道路交通系統(tǒng)中的各個(gè)維度，以期能使人、車、路（環(huán)境）達(dá)到最佳的狀態(tài)。

1.3 基于人類工效學(xué)的道路線形設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。線形設(shè)計(jì)直接關(guān)系到汽車行駛的方方面面，并且對(duì)交通安全起著先決性作用?；谌祟惞ばW(xué)的道路線形設(shè)計(jì)，即從駕駛員的角度出發(fā)對(duì)道路線形指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(dòng)并不能直觀的表現(xiàn)出來，因此，探索不同線形指標(biāo)對(duì)駕駛員心生理的影響就需要通過大量的駕駛員樣本，結(jié)合心電儀、眼動(dòng)儀等儀器，開展實(shí)車試驗(yàn)或者依托于駕駛模擬設(shè)備開展駕駛模擬試驗(yàn)，得到能夠保證駕駛員行車安全與舒適的道路線形指標(biāo)。

2 基于人類工效學(xué)的道路平面線形設(shè)計(jì)

2.1 直線長(zhǎng)度對(duì)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(yuǎn)地區(qū)現(xiàn)存很多長(zhǎng)直線路段，可以更好地判斷直線長(zhǎng)度對(duì)駕駛員心生理的影響。

高伊蒙[3]選取一條縱坡<2%，設(shè)計(jì)速度80 km/h的16 km公路，使用生理信號(hào)采集儀采集隨著直線長(zhǎng)度增加，5位熟練駕駛員腦電信號(hào)的變化。用Acqknowledge軟件將原始的EEG信號(hào)分離成波、波、波等通道單獨(dú)進(jìn)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(hào)的生理意義得到以下結(jié)論：

（1）5名駕駛員波的功率均值在10 km前波動(dòng)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(qiáng)，警覺性下降。

（2）5名駕駛員波的功率均值隨直線長(zhǎng)度的增大先上升，在4 km處達(dá)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(zhǎng)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(zhǎng)度的增大而上升。說明隨著直線長(zhǎng)度增大，駕駛員疲勞程度增強(qiáng)。

基于以上研究結(jié)論可以發(fā)現(xiàn)，隨著直線長(zhǎng)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(huì)逐漸麻痹，駕駛員從最初的興奮轉(zhuǎn)向疲勞，甚至進(jìn)入“睡眠”狀態(tài)。同時(shí)，如果駕駛員急于駛離直線，會(huì)加速行駛，導(dǎo)致有效視野范圍變窄，形成“隧道效應(yīng)”。這些都不利于行車安全。

雖然我國(guó)要求道路最大直線長(zhǎng)度不超過20V，但并非強(qiáng)制性的。由于直線線形設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(zhǎng)直線路段?；谝陨涎芯拷Y(jié)論，筆者認(rèn)為從駕駛員的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)速度80 km/h時(shí)，長(zhǎng)直線路段不宜超過6 km，控制在4 km為宜，10 km為極限值。對(duì)于城市和山區(qū)路段，由于地形地物限制，一般不會(huì)存在長(zhǎng)直線路段，最大直線長(zhǎng)度按20V取值即可。以城市快速路為例，其設(shè)計(jì)速度一般也為80 km/h，直線最大長(zhǎng)度1.6 km<

4 km，駕駛員不會(huì)產(chǎn)生倦怠心理，行車安全。

2.2 圓曲線半徑對(duì)駕駛員心生理的影響

鄭柯[4]選取一段設(shè)計(jì)速度80 km/h的高速公路，通過測(cè)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(chǔ)上分析不同曲線半徑對(duì)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(qiáng)，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(duì)三參數(shù)關(guān)系的定性分析，假定曲線半徑與心率增量呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系，速度與心率增量呈正冪函數(shù)關(guān)系，得出了設(shè)計(jì)速度80 km/h條件下心率增量與圓曲線半徑關(guān)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(xiàn)[4]）

通過曲率公式計(jì)算得出了曲率突變點(diǎn)約為圓曲線半徑509 m處，通過對(duì)心率增量與圓曲線半徑關(guān)系分析可知：當(dāng)圓曲線半徑大于509 m時(shí)，駕駛員心率增量隨曲線半徑減小緩慢升高，當(dāng)圓曲線半徑小于509 m時(shí)，心率增量快速升高。分析原因可能是曲線半徑在509 m時(shí)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(qiáng)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(qiáng)，雖然駕駛員采取了減速措施，但是由于小半徑圓曲線會(huì)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(huì)影響操作，因此不利于行車安全。

此設(shè)計(jì)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(rèn)為是直線，其曲率已經(jīng)不會(huì)對(duì)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(shè)計(jì)速度，圓曲線半徑200 m～2 000 m的范圍內(nèi)。

基于以上研究結(jié)論，筆者認(rèn)為在設(shè)計(jì)速度80 km/h時(shí)，圓曲線半徑不宜小于500 m，半徑小于500 m的圓曲線會(huì)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(xué)的道路縱斷面設(shè)計(jì)

3.1 坡度、坡長(zhǎng)對(duì)駕駛員心生理的影響

研究認(rèn)為，除非駕駛員縱向上坡時(shí)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(biāo)與線形的關(guān)系非常微弱。鄭柯[4]通過分析上坡段不同坡度及其對(duì)應(yīng)的駕駛員平均心率增量，發(fā)現(xiàn)二者相關(guān)性較差。曹友露[5]通過研究上坡路段駕駛員視覺負(fù)荷強(qiáng)度與坡度的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，隨著坡度增加，駕駛員視覺負(fù)荷強(qiáng)度變化不大，基本呈均勻分布。二人的研究證明了上述觀點(diǎn)。故本綜述只討論下坡路段駕駛員心生理與道路線形的關(guān)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(zhǎng)大下坡彎坡路段坡度和坡長(zhǎng)對(duì)駕駛員心生理的影響。試驗(yàn)道路為設(shè)計(jì)的包含不同道路線形要素的虛擬路段，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路段內(nèi)最大縱坡5%，最大坡長(zhǎng)1 050 m。將不同坡度的坡段作為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，可以得到不同坡度及對(duì)應(yīng)的坡長(zhǎng)、心率增量等相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

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

（2）心率增量與坡長(zhǎng)同樣存在相關(guān)性，進(jìn)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(zhǎng)度540 m處，該長(zhǎng)度約為試驗(yàn)數(shù)據(jù)中所有彎坡長(zhǎng)度的中值。分析原因可能是當(dāng)彎坡長(zhǎng)度較短時(shí)，由于下坡駕駛員行駛到彎坡處速度仍較高，駕駛員會(huì)試圖快速通過彎坡，這種情況存在一定風(fēng)險(xiǎn)，駕駛員較為緊張，心率增量較大。當(dāng)彎坡長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，曲線半徑也較大，駕駛員把彎坡近似當(dāng)作直線段處理，所以駕駛員并不會(huì)減速，心里仍然處于較緊張的狀態(tài)。而當(dāng)彎坡長(zhǎng)度適中時(shí)，駕駛員會(huì)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(jié)論，筆者認(rèn)為：（1）上坡路段進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)，不用刻意考慮駕駛員心生理需求，按照規(guī)范要求設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)速度80 km/h時(shí)最大坡度為5%，結(jié)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(shí)坡長(zhǎng)宜控制在550 m左右，此時(shí)駕駛員心理緊張感最低，行車較為安全、舒適。同時(shí)筆者認(rèn)為上述研究仍存在一些缺陷，即進(jìn)行心率增量與坡長(zhǎng)或坡度的相關(guān)性分析時(shí)，沒有考慮另一因素以及速度的影響。

4 基于人類工效學(xué)的道路橫斷面設(shè)計(jì)

4.1 道路、路肩寬度對(duì)駕駛員心生理的影響

根據(jù)常識(shí)，不同的道路和路肩寬度會(huì)對(duì)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(duì)道路、路肩寬度與駕駛員心生理進(jìn)行相關(guān)性分析的研究較少，有學(xué)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(duì)道路、路肩寬度對(duì)駕駛員心生理的影響進(jìn)行推斷。

Godley S[7]等人認(rèn)為，較寬的車道會(huì)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?yàn)檎耐ǖ罆?huì)使駕駛員處于緊張狀態(tài)。Shou Liu [8]等人通過試驗(yàn)得到了相同的結(jié)論，試驗(yàn)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(duì)三車道城市高速公路駕駛速度的影響，采用平衡設(shè)計(jì)方法，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(huì)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(duì)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(kuò)寬中間車道的“寬度”，而對(duì)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(huì)影響通行能力，還會(huì)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(rèn)為進(jìn)行橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)，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(dāng)前研究存在的不足與建議

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

（1）駕駛模擬艙與實(shí)際路況可能存在差異，對(duì)駕駛員心生理的影響弱于實(shí)際路況。

（2）現(xiàn)有的相關(guān)性研究，多針對(duì)單一因素進(jìn)行分析，但駕駛員行車是個(gè)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(guān)系的評(píng)估方法。

（3）當(dāng)前有關(guān)道路斷面布置對(duì)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(duì)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(shí)車試驗(yàn)和駕駛模擬艙試驗(yàn)?zāi)M的場(chǎng)景幾乎都是在白天進(jìn)行的，而夜晚行車時(shí)對(duì)向車燈的照射、漆黑的周圍環(huán)境等因素會(huì)對(duì)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(guān)研究。

基于此，筆者建議，在日后開展關(guān)于道路線形對(duì)駕駛員心生理影響的相關(guān)研究時(shí)，研究人員可以基于以上方面進(jìn)行研究設(shè)備和研究方法的改進(jìn)，并對(duì)相對(duì)空白的領(lǐng)域開展研究。

6 結(jié)論

本文介紹了當(dāng)前基于人類工效學(xué)的道路平面、縱斷面、橫斷面設(shè)計(jì)的相關(guān)研究成果，總結(jié)歸納了一些結(jié)論：

從駕駛員的角度出發(fā)， 80 km/h設(shè)計(jì)速度下，直線長(zhǎng)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(zhǎng)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(yīng)選擇較寬的道路和路肩寬度。這些結(jié)論可為80 km/h設(shè)計(jì)速度下的道路設(shè)計(jì)提供參考。

現(xiàn)如今，大眾已經(jīng)不再滿足道路設(shè)計(jì)僅保障最基本的安全需求，而是更多地關(guān)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(shè)計(jì)人員未來需要考慮的方向。

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