基于驾驶人-车-路协调的山区复杂公路行车安全度辨识理论研究

Serious accidents on mountainous highways have lead to high numbers, injuries, death and property damages in china, the reason for this is lack of the guide based on systematic "complex road geometry - driving behavior - vehicle". To improve the coordination of mountainous highways design with driver behavior and vehicle characteristic, the investigation on behavior of human driver and vehicle driving dynamic/kinematic characteristics will be conducted in our project. The first, we survey the trajectory and speed of deferent kinds of vehicles and analyze the mechanism of bend geometry, vehicle characteristic, traffic features affecting on the behavior of driver's speed and trajectory selection. Then we define the typical driving mode of mountainous highways, and establish the model for determining trajectory and speed of defferent driving mode. Secondly, we focus on the relationship between driver's operating input in vehicle control and driver workload to obtain the transfer mechanism of "highway alignment - driver operating input - driver workload". Thirdly, we construct the simulation system of "driver - vehicle - highway (environment)" by the integration of "preview - following" driver model, 3D scenario development model, the full vehicle dynamic model and the trajectory/speed decision model, and verify it. Fourth, we carry out a depth study about how to identify the unsafe driving behavior and dangerous situations of running vehicle on the dangerous road segments based on the coordination analysis among driver, vehicle and roadway. Of all, the finding of our researches can be helpful to improve the level of mountainous highways design matching with driver behavior and vehicle characteristic, reduce the number of accidents and the number of casualties and thus enssure travellers' safety on complex mountainous highways.

我国山区公路重特大交通事故频发，究其原因是其缺乏基于"复杂线形-驾驶行为-车辆特性"协同研究成果的指导，为使山区公路设计能够符合自然的驾驶习惯和车辆行驶特性，本项目以车辆行驶轨迹、行驶速度和驾驶操纵输入量为切入点，进行山区公路驾驶人行为和车辆行驶特性的实验研究和分析：研究几何线形参数、车辆因素和交通特性对驾驶人行为的影响和约束机制，确定山区公路的典型驾驶行为模式，建立每种驾驶模式的行驶轨迹/速度动态决策模型及其算法；研究"几何线形-车辆操纵-驾驶负荷"的传递规律；同时，在轨迹/速度决策模型的基础上建立"决策-跟随"驾驶员模型，再与整车多体动力学模型、三维路面以及场景模型进行整合，构建"公路-驾驶人-车辆-环境"仿真实验系统；深入研究基于人-车-路协调性的行车安全度分析理论与辨识模式，为设计阶段以及运营的山区公路行车安全评价提供方法和手段，实现减少公路交通事故、保障出行者生命财产安全的目标。

本项目主要开展了以下几方面的研究工作，并取得重要进展：.1）在数十条山区公路上开展了总测试里程超过12000km的自然驾驶实验，采集了四类运行状态信息: 被试驾驶人心率信号;汽车行驶状态，包括轨迹、速度、加速度、姿态；驾驶操作量，包括手操作和脚操作；道路信息，包括平面线位、路侧环境、交通量以及海拔等，形成了山区道路驾驶行为数据库。.2）基于自然驾驶数据，对驾驶人的横/纵向控制行为进行分型，构建了山区道路驾驶行为谱系，分析了典型驾驶模式的行车风险。提出了“前视断面选点”的预瞄策略，建立了山区复杂道路 “轨迹-速度”协同动态决策模型，研制了可解决任意里程决策的滚动时域算法，该成果完善了驾驶员模型的逻辑结构，增加了驾驶员模型的适用范围。同时，创造性的提出了复杂赛道驾驶行为决策模型，填补了国内该领域的空白。.3）基于自然驾驶数据，研究了山区公路横/纵向加速度的统计分布特征、横（纵）向加速度与道路几何参数之间的相关性，分析了驾驶行为模式以及不同车型对横（纵）向加速度的影响，建立横/纵向加速度模型。此外，基于加速度数据，评价了不同公路类型的行驶舒适性。该成果完善了运行速度模型的体系结构，可为平曲线半径、超高、缓和曲线设计控制以及路面养护和管理提供决策支持。.4）将所建立的驾驶行为决策模型，整合到课题组之前开发的“人车路”联合仿真系统，开展了可变驾驶模式、可变道路参数、可变车型的仿真实验，得到了“道路参数—驾驶行为—车辆因素”之间的互动规律，尤其是切弯这一典型驾驶模式下的车辆运动学行为，该成果为道路安全性设计与评价、驾驶行为量化分析提供基础数据和依据。.5）基于自然驾驶数据，以被试心电信号为中介，分析了弯道、超车、下坡、上坡行驶等山区公路典型工况驾驶负荷度，证实了驾驶人手/脚操作与驾驶负荷之间的相关性，从操作量中遴选了敏感性较高的驾驶负荷辨识指标，该项成果揭示了“公路线形-车辆操作-驾驶负荷”的传递规律。