线形空间几何特性与驾驶行为协同下的山区高速三维运行速度预测研究

Traditional operating speed prediction model were carried out with a function of the parameters of two-dimensional (2D) horizontal and vertical elements. The changes of the predicted speed could not keep pace with the spatial geometric characteristics of highway alignments and driving behavior. This is the main dilemma in the safety evaluation and optimization of highway alignment design, as the hidden safety risks cannot be identified by the speed consistency evaluation method. Operating speed prediction should be established with spatial alignment geometric characteristics, and its variations should reflect the coupling effects of diver-vehicle-road (environment). Therefore, this project takes the mountain expressways as the research subject. New indices, spatial geometric intrinsic invariants are adopted to describe and analyze the spatial geometric properties of different combined alignments with view of highway three-dimensional (3D) nature and the differential geometric principles. And the influence mechanisms of the spatial geometric characteristics changes on driving behavior and speed selection are analyzed, with the natural driving experiment and driving simulation. The artificial network model is used to develop the 3D operating speed model, considering the influences of cross section and roadside environment. On the base of the above research, a new alignment safety evaluation frame based on the continuity and homogeneity of speed variation is proposed, and an improved safety evaluation system is formed. This project tries to avoid traffic accidents of mountain expressways caused by the alignment design defect from the origin, and bring a new perspective to improve the safety level of alignment design.

传统运行速度预测模型以二维平、纵线元参数为自变量，其预测的速度变化无法与实际道路线形空间几何特性、驾驶行为保持同步。相应的一致性评价方法无法识别线形中存在的安全隐患，是目前线形设计安全和优化面临的主要困境之一。运行速度预测应立足于线形空间几何特性，其变化应体现人-车-路（环境）的耦合作用。因此，本项目从三维线形本质出发，以山区高速为研究对象，依据微分几何曲线论，采用空间曲线几何不变量对不同组合线形空间几何特性进行统一描述和分析。结合自然驾驶实验与虚拟仿真等技术，分析线形空间几何特性变化对驾驶行为和速度选择的内在影响机理。综合考虑横断面和路侧环境影响，采用人工神经网络算法构建三维运行速度预测模型。在此基础上，提出基于速度连续均衡变化的线形安全性评价体系，形成完善的安全性评价原型系统。力图从源头上避免因山区高速线形设计不足而引发的交通事故，为提高线形设计安全性提供新的视角。

本项目围绕现行二维运行速度预测模型及安全性评价方法无法量化评估平、纵线元组合后的空间线形安全性这一难点问题，对平纵组合后的空间线形特性及其对驾驶行为和速度选择影响展开了系统研究，构建了三维运行速度预测模型和评价方法。取得的主要成果如下：（1）平、纵线形在三维空间中的耦合机制：对现行平面、纵断面线元几何特性进行分析，构建了平、纵线元组合后的空间线形坐标描述模型；采用空间曲率、挠率作为三维线形描述指标，建立其与二维各线元几何参数间的相互转换模型；明确了不同平纵线元组合后的空间线形构造形式和连续性变化。（2）组合线形空间几何特性变化对驾驶行为和速度选择的影响：采用自然驾驶试验、驾驶模拟试验和基于无人机航拍等多种方式获取了公路线形、驾驶行为及行驶速度等多源数据集；对上下游不同感受范围进行组合分析，确定影响速度选择的最优距离组合为前感距离200m+后感距离250m；以横向偏移量作为横向驾驶行为表征指标，明确了平纵线形组合后的空间线形几何特性变化对横向偏移量存在直接影响。（3）三维运行速度预测模型及安全性评估指标的量化：考虑当前位置线形特征、前感距离200m线形和后感距离250m线形变化，采用多层神经网络，建立了三维运行速度预测模型；以三维运行速度预测模型和三维线形指标变化为媒介，构建线形设计一致性评价指标和阈值，用于线形设计安全性量化评价，并进行了有效性验证。（4）山区高速公路线形设计安全性评价原型系统：采用迭代求精的开发方法，构建山区高速公路线形设计安全性评价原型系统，实现对组合线形设计安全性的快速评估。研究成果为完善现有公路设计理论和方法提供了理论依据，为山区高速公路几何线形设计安全性分析和评价创造了新的研究视角和策略。