基于驾驶模拟实验的山区高速公路螺旋隧道线形设计优化研究

作     者：韦汉平 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马永锋;武文兵

授予年度：2021年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：螺旋隧道 线形指标 驾驶模拟 驾驶员视觉特性 混合线性模型 

摘      要：山区高速公路地形地貌复杂,不良地质及特殊性岩土众多,建设难度较大。当自然展线无法克服高差时,道路设计师经常会顺时针或逆时针连续延展路线,当前后路线以隧道形式相交便形成了螺旋隧道。螺旋隧道作为山区高速公路的建设瓶颈,受地形地貌、地质构造等众多因素制约,目前还没有相应的设计规范,道路设计师一般只是参照普通隧道设计规范进行设计,螺旋隧道的线形设计具有较大的研究意义。螺旋隧道的线形设计指标众多,其中圆曲线半径和纵坡对螺旋隧道的线形安全影响最大,本文从车辆行驶稳定性和驾驶员视距需求两方面计算螺旋隧道圆曲线最小半径值,从施工和通风两方面分析螺旋隧道的最大纵坡值。本文选取咪的村隧道作为研究对象,基于圆曲线半径和纵坡两个重要指标提出三种不同线形方案。本次实验研究依托东南大学驾驶模拟实验平台开展,使用驾驶模拟器进行道路场景设计、驾驶模拟实验操作和驾驶行为数据的采集,使用眼动仪设备采集驾驶员眼动数据。本次实验人员主要在学校实验人员数据库及微信平台招募。本次实验流程按时间顺序分为:准备阶段、适应性阶段、正式实验阶段、问卷填写阶段。螺旋隧道线形对驾驶员的影响主要体现在对车辆动力性能和对驾驶员视觉特性的影响。本文从车辆侧翻角度分析侧向加速度、侧倾角两个驾驶行为变量,发现圆曲线半径越小越容易发生车辆侧翻现象;从车辆道路跟踪性角度分析侧向偏移、横向力系数两个驾驶行为变量,发现螺旋隧道在合理设置圆曲线半径时还要合理设置超高值;从驾驶员负荷角度分析方向盘力矩、方向盘角速率两个驾驶行为变量,发现圆曲线半径越小越容易增加驾驶员工作负荷。眼动数据研究表明,当圆曲线半径减小时,驾驶员注视点高度集中于路面区域,注视持续时间增长,注视次数减少,眼跳频率升高,眼跳时间变短,眨眼频率提高,瞳孔直径也随之增大。这些指标均表明圆曲线半径减小增加了驾驶员心理紧张程度,易发生交通事故。在考虑线形方案和驾驶员个体属性后,通过提取驾驶行为基本变量构建混合线性模型,分别从车辆动力性能角度和驾驶员视觉特性角度确定驾驶行为影响因子。基于确定的影响因子对咪的村隧道线形方案进行优化,小半径方案大大增加驾驶员工作负荷,不利于驾驶安全;大半径方案虽然很安全,但大大增加了隧道长度,经济性较差,因此推荐选择中间方案。