趙魯華 徐小倩 亓建鋒 仉元野

摘 ?要：通過設計仿真場景進行標線亮度對駕駛行為影響的模擬實驗，對所獲取的駕駛模擬行駛速度、橫向位移、方向盤轉角數(shù)據(jù)進行分析，并對速度和橫向位移與夜間標線亮度之間進行模型擬合，建立恰當?shù)臄?shù)學模型關系。模擬實驗結果表明，隨著夜間標線亮度的降低，行駛速度與橫向位移會降低，方向盤轉角變化更頻繁、變化幅度也越大，因此，夜間標線亮度會對駕駛行為產生一定的影響。

關鍵詞：駕駛模擬；標線亮度；速度；橫向位移；方向盤轉角

中圖分類號：F506 ? ?文獻標志碼：A

DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2023.09.020

Abstract： The simulated driving speed， lateral displacement and steering wheel angle data were analyzed by designing a simulation scenario to simulate the effect of line brightness on driving behaviour， and a proper mathematical model relationship was established by fitting the model between speed and lateral displacement and line brightness at night. The results of the simulation experiments show that as the brightness of the night marker decreases， the simulated driving speed and lateral displacement will decrease， and the steering wheel turning angle will change more frequently and to a greater extent， therefore， the night marker brightness will have some influence on driving behaviour.

Key words： driving simulation; marker brightness; speed; lateral displacement; steering wheel turning angle

0 ?引 ?言

道路標線作為一種常見交通基礎設施，向交通參與者傳遞著重要的交通信息。在夜間，更需要有足夠的可視性為駕駛員提供信息，保障駕駛行為安全，而標線在夜間的亮度則體現(xiàn)在標線的逆反射性能。標線的逆反射過程是指車輛燈光照在標線上并反射回駕駛員眼睛中的過程，逆反射程度取決于逆反射系數(shù)，逆反射系數(shù)越高，逆反射能力越強。對此，國內外學者進行了標線亮度對駕駛行為的相關研究分析。Horberry等人通過模擬夜間潮濕駕駛條件下的標線相對有效性，表明增強標線能夠更好地讓參與者保持車道位置和速度[1]。Babic D， Cajner H等人通過是否包含道路標線的駕駛模擬實驗分析夜間條件下駕駛員的行為，結果表明，標線能夠提供及時的信息，從而使參與者調整駕駛行為[2]。張開冉等人通過行車實驗表明，在夜間時邊緣標線能夠促進駕駛行為[3]。

據(jù)統(tǒng)計，道路標線能夠提高30%以上的運輸效率，且對交通事故的影響很大，相關概率高達70%，因此道路標線對交通安全非常重要[4]。以上學者的分析研究道路標線對交通安全的影響具有很大的啟發(fā)作用，夜間標線亮度會對駕駛行為的各項指標，如行駛速度、方向盤轉角、橫向位移、加速度等產生影響。而本文通過模擬夜間干燥駕駛條件下的不同等級的標線亮度對速度、橫向位移以及方向盤轉角的影響，通過分析模擬實驗結果來確定參與者最佳夜間標線的亮度范圍，為安全合理的實際道路標線施劃提供理論依據(jù)。

1 ?駕駛模擬實驗設計

（1）實驗設備：駕駛模擬器，Prescan仿真，matlab2018。

（2）實驗人員：參與者20人，視力良好或矯正視力良好。

（3）駕駛模擬環(huán)境搭建：通過咨詢專家意見，可以通過調整車輛燈光不同的照射距離和位置來調整駕駛員前方標線的不同亮度，達到標線不同逆反射水平的效果，以此來代表不同的標線逆反射系數(shù)。由于公路行業(yè)交驗評標準F80/1將標線逆反射系數(shù)標準劃分為4個等級，因此場景共設置4個實驗路段對應4個等級，路段標號依次為a、b、c、d，對應關系為路段a

≥450mcd·m-2·lx-1、路段b≥350mcd·m-2·lx-1、路段c≥250mcd·m-2·lx-1、路段d≥150mcd·m-2·lx-1，標線亮度依次遞減。每段路長設置為500米，為保證只有標線逆反射一個影響因素，只提供車輛遠光燈一種光源，不設置其他影響因素。

（4）實驗方法：①駕駛員熟悉模擬駕駛約10分鐘；②每人進行一次實驗；③設置數(shù)據(jù)記錄頻率為0.05s，收集模擬駕駛過程中速度、橫向位置、方向盤轉角等數(shù)據(jù)。

環(huán)境搭建3D模型的駕駛員視角如圖1所示。

2 ?實驗數(shù)據(jù)分析

通過對模擬實驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（ANOVA），置信度為95%，得到20名參與者的各表征數(shù)據(jù)組間、組內的均方比值及顯著性水平如表1所示，其均方比值F值排序：速度均值＞橫向位移均值＞速度波動標準差＞方向盤標準差＞橫向位移標準差，說明駕駛人在各路段速度差異較大，整體平穩(wěn)性適中，各路段的橫向位移差異較大。總體而言，各指標數(shù)據(jù)在不同路段存在一定差異，符合統(tǒng)計學規(guī)律P＜0.05，說明對4個研究路段的劃分合理。

為確定夜間標線亮度與駕駛行為各指標之間的相關性，是否存在線性關系，對其進行相關性分析，檢驗結果如表2所示。夜間標線亮度與每路段行駛速度均值、橫向位移均值之間的相關系數(shù)分別為0.991、-0.997，其在置信度（雙側）為0.01時，相關性是顯著的，因此可以認為夜間標線亮度與不同路段的行駛速度均值、橫向位移均值具有顯著性的相關關系，且與速度均值成正相關、與橫向位移之間為負相關。同時看出，每路段平均速度與橫向位移平均值之間的相關系數(shù)為-0.992，因此在置信度（雙側）為0.01時，其內部的相關關系是顯著的，即可認為駕駛員在進行速度變化的過程中會伴隨著橫向位置的偏移。

2.1 ?車輛速度分析

車輛速度能夠反映車輛的行駛狀態(tài)，4個實驗路段的車輛駕駛模擬過程中速度均值變化如圖2所示。整體來看，隨著4個實驗路段標線亮度的變暗，參與者平均速度逐次降低。進入b路段之后，標線亮度降低一個等級，速度均值隨之降低11%；進入c、d路段之后，標線亮度依次降低一等級，速度均值分別降低15.7%、26.6%。結果表明，模擬駕駛實驗過程中，標線亮度變暗會影響行駛速度。

2.1.1 ?數(shù)據(jù)模型擬合

選擇67%的數(shù)據(jù)，用其每段路速度平均值的均值與夜間標線亮度進行曲線擬合，模型摘要和參數(shù)估算值結果如表3所示。其中顯著性均小于顯著性水平0.05，而二次模型、冪函數(shù)模型擬合R方值均為1，冪函數(shù)模型的顯著性為0.000，綜合考慮，選擇最優(yōu)的冪函數(shù)模型。

指數(shù)模型的相關系數(shù)檢驗結果如表4所示，其各參數(shù)B分別為0.431、11.494，且顯著性水平均為0.000，明顯小于顯著性水平0.05，因此可認為選擇的冪指數(shù)模型正確。其計算模型見式（1），式中Y表示每段路速度，R表示夜間標線亮度。由模型可知，速度與夜間標線亮度之間呈正相關性，與前述相關性分析相對應。

Y=11.494R ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

將式（1）變換得到式（2），如下：

lnY=ln11.494+0.431lnR ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

2.1.2 ?模型驗證

用剩余33%數(shù)據(jù)的均值進行模型驗證，定義實際值與預測值相對誤差δ＜3%即可證明模型有效，其中：

δ= ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：A為預測值，E為實際值。經(jīng)驗證可知，剩余數(shù)據(jù)的4個路段速度均值的相對誤差分別為1.8%、2.1%、2.4%、2.2%。因此，擬合模型有效。

2.2 ?橫向位移分析

橫向位移能夠反映出駕駛員在行駛過程中的方向保持性，整個過程中的車輛橫向位移均值如圖3所示。整體來看，標線亮度會對模擬駕駛的橫向偏移量產生一定影響，隨著夜間標線亮度的變暗，橫向位移也逐漸增加。

2.2.1 ?數(shù)據(jù)模型擬合

同2.1.1節(jié)所示模型擬合過程，利用67%的橫向位移數(shù)據(jù)，通過每段路的橫向位移平均值的均值與夜間標線亮度進行曲線擬合，模型摘要和參數(shù)估算值如表5所示。其中二次函數(shù)、逆函數(shù)、冪函數(shù)、S函數(shù)模型的顯著性均大于顯著性水平0.05，因此可排除。而指數(shù)函數(shù)模型的R方值為0.979，高于對數(shù)函數(shù)模型的R方值0.966，因此選擇最優(yōu)的指數(shù)函數(shù)模型。

指數(shù)函數(shù)模型的系數(shù)檢驗結果如表6所示，參數(shù)B為-0.454、3.668，顯著性水平為0.01、0.016，均小于顯著性水平0.05，因此選擇的指數(shù)模型正確，計算模型如式（4）。式中：Y為每個路段的橫向位移，R為逆反射系數(shù)。由模型可知，逆反射系數(shù)與橫向位移之間呈負相關，與前述相關性分析相對應。

Y=3.668e ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

將式（4）變換可得到式（5），如下：

lnY=ln3.668-0.454R ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

2.2.2 ?模型驗證

將33%的橫向位移數(shù)據(jù)通過式（3）驗證模型有效性，經(jīng)檢驗，4個路段的橫向位移相對誤差分別為2.3%、2.5%、2.1%、2.7%。因此，擬合模型有效。

2.3 ?方向盤轉角分析

2.3.1 ?變化過程分析

整個行駛過程中的方向盤轉角統(tǒng)計結果如表7所示。方向盤轉角的變化能夠更直觀地反映出駕駛員操作行為，參與者在模擬駕駛過程中的方向盤轉角變化過程如圖4所示。結果顯示，方向盤轉角在整個過程中不斷變化，且在一定范圍內波動。方向盤轉角的波動區(qū)間可由式（6）確定。

-σ≤M≤+σ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中：M為方向盤轉角波動范圍；為方向盤轉角平均值；σ為方向盤轉角標準差。

參與者在4個實驗路段行駛的方向盤標準差如表8所示。由表8可知，a實驗路段由于起步原因，穩(wěn)定性較差；b、c、d實驗路段的方向盤標準差增大，說明參與者行駛的穩(wěn)定性越來越差。

由圖4可知，在約第60s開始進入正常行駛狀態(tài)，第140s、250s、380s時分別進入下一路段。在進入下一路段節(jié)點前方向盤轉角開始波動頻繁，說明參與者在此時已經(jīng)看到標線亮度變暗，在進入下一路段之前就開始操作方向盤調整車輛行駛狀態(tài)，相較于路段上行駛過程中的方向盤轉角變化更為頻繁、轉動幅度也較大，甚至超出波動區(qū)間。在標線亮度逐次變暗的節(jié)點時，方向盤轉角的轉動幅度也一次比一次更大。

相關研究顯示，駕駛員在高速路上直線行駛時，其方向盤轉角的范圍基本上在±7°之間[5-6]，而此次駕駛模擬實驗所得到的方向盤轉角區(qū)間基本在此范圍之內，除了臨近節(jié)點變化時會有個別值超出區(qū)間范圍。由此看來標線亮度的變化會對參與者駕駛行為產生一定的影響，且標線亮度越暗，產生的影響越大。

2.3.2 ?變化率指標

在正常行駛過程中，車輛的方向盤轉角是相對平緩的，而頻繁轉動方向盤的行為一般是不安全的，在此，通過方向盤轉角變化率指標，即方向盤轉角在單位時間內的變化，來評價標線亮度變化對參與者行為的影響程度。

M= ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中：M為方向盤轉角變化率；mi+1、mi為實驗所導出的方向盤轉角，Δt為采樣間隔，取0.05s。

根據(jù)式（7）所得到的a、b、c、d ?4個路段上參與者的轉角變化率結果如表9所示。

方向盤轉角變化率可以較好地反映夜間標線亮度變化對駕駛員的影響程度。由表9可知，隨著標線亮度的下降，方向盤轉角變化率也在增大，表明參與者在模擬駕駛過程中受到標線亮度變化的影響，在單位時間內調整方向盤的次數(shù)和幅度增加，c、d實驗路段的方向盤轉角變化率明顯高于a、b實驗路段，說明使用亮度太暗的標線，會對駕駛行為造成過度的影響，影響行車安全。

3 ?結 ?論

（1）隨著夜間標線亮度的降低，參與者的行駛速度也隨之降低。

（2）夜間標線亮度的變化會影響參與者駕駛的橫向位移，且隨著標線亮度變暗，橫向位移增加。

（3）參與者在4個路段正常行駛時，方向盤轉角相對平穩(wěn)，但在標線亮度發(fā)生變化時，方向盤轉角變化較為頻繁，隨著標線亮度的降低，方向盤轉角變化率及其轉動幅度增大。

實驗結果表明，在夜間道路標線的亮度會對參與者的駕駛行為產生一定影響，包括行駛速度、橫向位移、方向盤轉角等，從而在一定程度上影響行車安全。綜合考慮此次駕駛模擬實驗的3個指標結果，可以選擇b實驗路段標線亮度對應的逆反射系數(shù)，即450mcd·m-2·lx-1＞R≥350mcd·m-2·lx-1，以此達到行駛穩(wěn)定性，保障行車安全。但是在實際道路標線施劃時，要考慮其在夜間對駕駛的影響，但僅依靠對此3個指標的分析是不夠的，還要綜合考慮對其他指標的影響以及道路環(huán)境、駕駛人等各項因素來合理選擇標線的逆反射系數(shù)。

參考文獻：

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