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概要

这篇研究聚焦在隧道内部驾驶行为，其目的是为了了解驾驶人在隧道内部的驾驶行为与在隧道进出口的驾驶行为有什么区别。这篇论文通过模拟驾驶行为来分析隧道效应对驾驶人驾驶行为有何影响。在CRISS实验室中设置一个隧道方案并确定了部分需要进行比对的驾驶参数，同时设置对照组，两个方案路径完全相同，区别只在于其中一个对照组不是隧道。实验结果与一些实体隧道的流行病学分析相一致，这也强有力地支持了通过模拟驾驶来研究驾驶人行为是有用的并且这对道路安全有着重要的影响。

1.介绍

直到20世纪末，有关于隧道安全的重要程度被认为相对较低。然而在1999年法国/意大利Mont-Blanc隧道，1999年在澳大利亚Tauern隧道以及2001年瑞士Gothard 隧道发生的大火所造成的悲剧引起了人们的反思。这些事件的发生使得地下建筑的安全工序得以改进，尤其是通过将风险理论应用于设计新的走廊或是在已建的隧道中提高安全方面的措施。到如今，欧洲的公路隧道规范已经被大规模地进行了修改，同时对新建隧道的要求也大幅提高。

公路隧道主体是本文最重要的讨论点。大部分的研究从两方面对导致隧道内部道路事故的不同因素进行了审查。第一方面是从分析事故预防的角度，分析隧道设计（例如[2，3]），交通规则 (例如 [4-6])，合适的基础设施 (例如 [7，8]) 和设备维护 (例如 [9])等。第二方面是从减轻撞击导致的事故研究方面着手，例如供人员救护的应急措施以及防止撞击后产生大火的抗火结构（例如[10]）。这篇研究在大体上聚焦于撞击风险评估和隧道安全与隧道结构之间的联系，特别是隧道安全和隧道中一些以处理特殊情况为目的结构之间的联系。相反地，在实际研究中，很少有研究证明过公路隧道对驾驶行为有影响，本位就是为了去定义隧道能够对驾驶行为以及驾驶安全存在影响并且去深究是隧道什么样的特征能够对驾驶人的驾驶行为产生最大的影响。随着解决安全问题的跨学科研究需求的不断增加，隧道安全中的人为因素肯定是值得进行深入研究的关键所在。举个例子，在世界道路协会公路隧道建设委员会开始了一项有关于人为因素和公路隧道安全的项目，这个项目是为了对驾驶人在公路隧道中处于正常形式状态下与紧急状态下的行为有更好的了解。

在本作中，作者希望提高对与公路隧道有关的人为因素的认知，通过调查公路隧道对驾驶行为的影响、提出新的思路并且通过驾驶模拟研究以初步建立隧道进出口部分长度的评价。驾驶模拟是目前最先进的一种工具，它能够对人为因素的各种原则进行界定并将之应用到公路设计过程与安全分析中。在近几十年的研究中，驾驶模拟已经成为辅助道路几何线形设计以及在不同交通环境条件下研究驾驶行为中的一种十分重要的科技（例如[13，14]）。它使得研究驾驶人、车辆和路面环境之间的关系成为可能，从一种跨学科的手段为道路安全设计与管理提供一种非常有前景的角度。

本文作者明确地提出在CRISS平台下（道路安全联合大学研究中心）虚拟现实中公路隧道驾驶行为动态和影像效果实验性研究的一个主要结果。这项研究的具体目标如下：

• 对公路隧道内部驾驶行为进行评价并对隧道驾驶行为和安全进行评估。
• 对驾驶人出口段驾驶行为进行评价。
• 对公路隧道内影响驾驶人驾驶行为的路段进行探测提供实验步骤建议。

2.文献综述

有关公路隧道的主题在各种文献中从各种角度都在被广泛地讨论，从风险评估到高位条件下隧道设计与管理。在很多研究者所做的案例中评价了隧道内部风险（例如[15-18]）,然而另一些假设的事故模型基于公路隧道结构特征（例如[19]）。

其他研究人员研究公路隧道事故发生率为了去评价那些很有可能影响到安全的隧道结构特征。在例子中可以发现公路隧道的长度是一个动态驾驶中可能产生事故的主要影响因素。具体地说，隧道越长，记录的事故率就越低[15,18]。此外，一些研究发现一些短隧道有着事故高发的记录[15,16]。更具体的几项研究阐述了隧道入口区域更应被重视。

在例子中Amundsen等人[16]论证了相当一部分的隧道事故发生在隧道出入口前后50米，这些区域发生事故风险的概率是隧道内部道路的4倍。还有一些研究者（例如[20]）关注隧道入口效应对驾驶人生理性能的影响。已经证明从隧道入口前150米开始，驾驶人的注意力都被隧道入口所吸引，从而忽视了隧道进出口处的交通信息标志。

相反地，在文献中有很少几个研究调查了公路隧道对驾驶行为的影响，特别是去了解驾驶人是否以及如何在进入、穿越以及驶离隧道时在行为上所做的改变和什么因素对驾驶人的安全驾驶行为有着主要的影响。为乐趣分析公路隧道对驾驶人行为的效应，许多研究者通过运用各种领域的工具去克服他们所需要面对的困难（例如安全、成本以及实验控制）。而这种实用的工具，就是驾驶模拟。许多研究已经证明了驾驶模拟能够提供足够的视觉信息以使得他们能够正确地感知自己的驾驶速度与距离（详尽的参考请参见Bella[14]）。世界各地都有一些公路隧道领域驾驶模拟的应用。尽管研究的目标有所不同，所有的研究者都阐述了这种先进的技术所包含的巨大潜力，就像下文中的讨论。

在案例中，Lidstrom[2]开发了一种拟建隧道设计的虚拟模型通过采用先进的一种驾驶模拟器。这项研究的主要目标包括提前展示设计并将此作为一个未来隧道研究项目的平台。大多数在虚拟道路上体验驾驶的设计者在最开始都体会到了通过看视频动画来被动地评价一个设计与实境驾驶之间所存在的很大区别。Kircher和Ahlstrom发现隧道设计和照明对驾驶人驾驶行为有一些影响，但是驾驶行为所产生的视觉注意是最关键的因素。Shimojo等人[5]研究了截面设计有关的问题以及提供交通信息的方法，通过分析驾驶人在模拟驾驶器中模拟在隧道中的驾驶行为和阶段性驾驶状态所提供的提供交通信息。本文作者还发现，驾驶人行车时的平均速度和与平均侧向驾驶位置在不同的截面类型中并没有很大的区别。Manser和Hancock[8]想去确定视觉图案和现有公路隧道墙面所采用的材质是否对驾驶人的驾驶行为存在一定的影响。结果表明，当与基准条件（没有视觉图案的情况）相比较时，那些驾驶人在会在见到宽度减小的视觉图案时逐渐减速，而在见到宽度增大的视觉图案时逐渐加速。

驾驶模拟也可以用来估计公路隧道中驾驶人紧急情况下的期望驾驶行为。在UPTUN项目[3]框架中，一个驾驶模拟器研究阐述了驾驶人会对驾驶距离产生低估。这会影响到紧急情况下的驾驶人的行为，当他们必须去选择最近的隧道出口来逃生。

其他的研究集中在标志和驾驶行为信息的有效性的评价。Upchurch等人[6]发现，驾驶模拟器是一种用来评价有关于导向信息阐述的有效工具，它不仅可以帮助识别问题所在，更可以通过人为因素的实验对发现问题采取相应的可替代性的补救措施。最近一段时间，Lorentzen等人[4]采用虚拟驾驶，模拟来帮助设计路标。那些驾驶人在模拟实验过程中的反应在道路设计过程中起了重要作用。

另一个研究领域是运用驾驶模拟器对公路隧道进行实验验证。第一，Tornos[21]通过使用一种中等成本的驾驶模拟器来模仿我们研究中所使用的模拟器。实验对样本驾驶人在实际公路隧道与VTI模拟驾驶环境条件中行驶时速度和侧向位置测定，结果基本一致。这证实了这个实验的相对有效性。在最近Hirata等人[22]表示知觉速度、车头间距和在模拟器中所显示的生理数据与实际公路隧道内部中行驶时有着相同的变化趋势。Akamatsu等人[7]在做驾驶人加速压力实验时也得到了同样的结果。

3.研究方法

研究分为以下步骤：驾驶模拟器研究（在驾驶模拟器中收集一个现有公路段中几个隧道和相应公路线形与环境中具有特点的部分，在驾驶模拟器中创建与现实公路隧道相同的场景，驾驶数据采集与测试）；后置数据处理与纵向速度的计算；在无公路隧道的场景（控制方案）中与相同场景但包含公路隧道（隧道方案）中同时测定横向位置与其他模拟器数据；数据统计分析，旨在评价公路隧道对驾驶行为影响的重要性；提出一个新的过程来识别路段在公路隧道前后仍被公路隧道所影响的驾驶行为。

3.1驾驶模拟器研究

3.1.1CRISS驾驶行为模拟器

驾驶模拟测试在STI驾驶模拟器系统上进行，该大学校际道路安全研究中心的CRISS实验室（图1）位于罗马TRE大学。这套系统是一个交互式的驾驶模拟器，其中包含了整套车辆动态模型。该模型已经被实际情况下采用，其有效性也已经得到了广泛的验证[23]。

图一.CRISS实验室的驾驶模拟器

该系统的硬件由四个网络计算机与三个硬件接口（为转向系统、踏板和手动排挡三个硬件输入源设置）组成。道路场景会被投影到三个大屏幕上，这三个大屏幕可以提供135度的视野范围。这个视觉屏幕的分辨率是1024*768像素，同时它的刷新率是30到60赫兹，刷新率取决于屏幕的复杂性和车辆的驾驶条件，而驾驶条件的主要影响因素是驾驶人所操作的转向系统与踏板。这个驾驶模拟器允许符合传统道路工程规范的道路建模。该系统每4米就会对所有的数据进行一次采集。

3.1.2测试校准

场景的构建是实验中一个至关重要的步骤，这对模拟驾驶场景的现实性与实际可靠性有着重要的影响。就像已经在实验[23]上被证明的那样，如果实验的场景与现实场景条件相当，那些被测试的驾驶人的虚拟驾驶行为更加贴近于现实的情况。研究者在驾驶模拟器中复制了意大利一个高速公路路段的场景，这个路段的特征是有几个隧道在它沿线的路径上。路段为单向双车道公路，每条车道宽度为3.75米。路肩宽度为2.5米，中央分隔带宽度为3米。该路段的总长为8500米。同时，在水平方向上，路段有11个不同的几何线形，分别是6段切线和5段曲线。切线的长度以及曲线的半径范围分别是300米到1300米和255米到500米。沿着路段的纵向几何线形存在6个不同位置且几何元素不同的隧道。这些隧道的长度在123米到342米之间。

3.1.3实验过程

本实验的过程可以拆分为以下步骤：

1. 告知驾驶员驾驶路径与转向系统、踏板以及各项自动化工具的用法；
2. 驾驶员进行模拟器校准，通过进行15分钟左右的驾驶模拟器操作训练；
3. 执行一个测试方案（控制方案或隧道方案）；
4. 让被测试者填写有关驾驶时感受到不适的类型或产生不适的实体评价的问卷；
5. 让驾驶人在模拟器中驾驶1小时，重新建立与最初的测试中接近的心理条件；
6. 执行第二个测试方案（隧道方案或控制方案）；
7. 再次填写有关第二个测试方案的问卷。

特别地，在控制方案中，移除模拟驾驶中的隧道部分。控制方案中的数据将作为一个基准线，用于分析公路隧道对驾驶人驾驶行为的影响。在隧道方案中，隧道被精确地设置在与实际情况下相同的位置。这样的话，使得比较两种模拟驾驶条件下公路隧道对驾驶人驾驶行为影响的结果不存在偏颇，因为道路线形和横断面都是相同的。驾驶人在两个场景下进行交替驾驶，以便减少实验条件下由于重复驾驶所引起的影响。参与测试的驾驶人被要求在中心的右侧车道进行驾驶。他们可以在可视化的屏幕上看到自己的行驶速度，同时可以选择他们喜欢的驾驶速度。在这个实验性设计中，右侧车道与超车道上的交通流被设置在一个较低的量。

3.1.4参与者选取

20个驾驶人（12个男人和9个女人，平均年龄26岁，年龄范围在22-46岁）被选作模拟驾驶的参与者。他们来自具有以下特征的大学生与交工，没有模拟器驾驶经验，至少有3年驾龄并且平均公路驾驶历程在2000千米以上。所有的参与者能够完成完整的模拟驾驶任务而不出现各种问题。此外，本文作者可能利用这些由驾驶人填写的问卷进行进一步的数据分析。

3.2数据分析

3.2.1纵向速度与横向位置

模拟过程中车辆的纵向速度和横向位置被连续地记录，分别如图2和3所示。横向位置的具体定义是驾驶人所驾驶的车辆重心与最接近右侧隧道墙面的车道边界之间的距离。在两个方案中，每个隧道方案内的平均纵向速度（V_T）都会被计算，然后与每个控制方案内相应位置的纵向平均速度（V_C）进行比较。同理，两个方案内6个隧道路段的车辆横向位置也会进行一一的比较。在隧道方案内每一个隧道内横向位置的值为LP_T，在控制方案内每一个隧道位置相应的位置上车辆横向位置的值为LP_C。之后，比较两个方案中驾驶人在隧道中的纵向速度与横向位置进行比较，得出其增减量的百分比，并对驾驶人在隧道方案中隧道内纵向速度与横向位置进行评价。

图二 隧道对驾驶人纵向速度的影响文件

图三 隧道对驾驶人水平位置影响的文件

3.2.2病理性不适分析

研究中另一个重要指标是病理性不适（PD）。它已经被已有的研究提出并进行了相应的讨论（有关内容请参阅[24,25]），这种病理性不适与公路事故之间存在着密切的联系，总体呈正相关。此外该指标的计算结果表明该指标与事故现场检测车辆发生事故的概率有关。这个指标的测量方法主要是对驾驶人驾驶过程中的横向加速度与驾驶轨迹进行标定。如果驾驶人驾驶轨迹与道路曲率之间的存在较大的冲突，由于路是不会自行作出调整的，因此一定是驾驶员处于一个不适的驾驶状态。横向加速度在局部表现出异常的程度明显地反映了驾驶轨迹的矫正，通过这样的一种假设，可以对体现出驾驶员因为劳累所体现出一种不适的状态的指标进行标定。作者通过等式（1）来计算不适性指标PD，然后将每个隧道方案内的不适性指标PD（PD_T）并用这个指标与控制方案内的不适性指标（PD_C）进行比较。

（1）

在这个公式中，x是公路横坐标（路径上的纵向位置或驾驶人驾驶距离），a_t是驾驶人的横向加速度（可在

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