CN116842616A - 基于地下道路侧壁频率的速度感知增强韵律曲线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地下道路侧壁频率的速度感知增强韵律曲线设计方法，属于道路交通安全设施领域，包括韵律曲线设置位置和类型的确定算法、韵律曲线初始频率算法以及韵律曲线长度算法。本发明采用上述的一种基于地下道路侧壁频率的速度感知增强韵律曲线设计方法，充分考虑空间频率对驾驶人速度感知的影响，从视觉引导角度提出速度控制设施设置方法，主动引导驾驶人在地下道路单调封闭环境中进行速度控制。

Description

基于地下道路侧壁频率的速度感知增强韵律曲线设计方法

技术领域

本发明涉及道路交通安全设施技术领域，尤其是涉及一种基于地下道路侧壁频率的速度感知增强韵律曲线设计方法。

背景技术

由于城市建设近年的高速发展，城市总体空间布局从原来的“单中心”向“多中心、多核”转变，随着城市空间布局的调整，交通需求结构也发生了新的变化，原有的高架及地面交通系统不足以满足城市东西向交通需求的日益增加，城市地下道路应运而生。

地下道路的实际运营过程中，事故发生率和伤亡率均较高，仍然存在严峻的交通安全问题。以上海市外滩隧道交通事故为例，其中较为严重的交通事故往往与车辆超速相关。进一步对外滩隧道入口前监控视频与隧道中段监控视频中的车辆运行状态进行对比发现，相比于进入地下道路前路段，地下道路内部基本路段上车辆超速现象更为明显，在深夜时段甚至100％的车辆速度均达到限速60km/h以上，而地面道路上超过限速60km/h的车辆仅占2.82％。因此，城市地下道路的超速问题十分普遍，是影响交通安全的重要因素。

目前地下道路速度控制研究已经积累了许多成果，其中常用的减速设施主要分为强制型减速与非强制型减速，强制型减速一般通过振动标线等使得驾驶人体感的强烈震动不适，从而迫使驾驶人选择减速操作。非强制型减速一般通过视觉认知的方式对驾驶人进行直接的信息警示，或通过错视觉增强驾驶人的速度感知，进而引导驾驶人主动降低速度。通过对比分析，强制型减速设施一般会对驾驶人造成强烈的不适感，而警示型的标志标线作用效果较差。因此，通过视觉引导方式增强驾驶人的速度感知，潜移默化地引导驾驶人降低车速是理想的速度控制方法。

然而，地下道路存在光照度低、缺失视觉参照系、环境单调等问题。地下道路照度底和参照物少导致驾驶人车速感知能力下降，使得驾驶人对车速估计不足，进而误判跟车距离，从而极易引发交通事故。有研究表明，公路隧道内低对比度和弱视觉参照系是导致驾驶人产生车速低估引发超速行为的主要原因。同时，单调地下道路侧墙会造成驾驶人心理压抑，在这种状态下长时间行车会导致驾驶人心理生理机能以及驾驶操作效能下降，反应迟钝，甚至很难准确地操控车辆。此外，驾驶人速度感知的降低迫使其只能通过仪表盘获取车速信息，导致驾驶人的注意力过多地停留在仪表盘上，对行车安全十分不利。因此，改善地下道路内视觉环境，增强驾驶人的速度感知，对于改善地下道路交通安全问题具有重要意义。

现有研究认为，韵律感的道路环境能够有效增强驾驶人的速度感知能力，缓解驾驶疲劳，目前已在交通设计领域中得到了广泛应用。例如，日本的音乐公路通过在路面设置一定频率的具有振动特性的音乐符号标线，增强驾驶人驾驶节奏感，增强速度感知。研究发现公路边缘率小于2Hz或大于32Hz时，驾驶人会出现速度低估，边缘率在4～16Hz时，驾驶人容易高估行驶速度；路面边缘率标线的虚实比、行车速度、时间频率等对控制车速具有显著效果。近年来，有学者研究发现，影响速度感知的主要因素是物理速度与时空频率，当物理速度不超过阀值(3.2deg/s)时，物理速度调节机理发挥主要作用；当物理速度超过阈值时，两者共同发挥作用。在地下道路环境行驶时，车辆速度远远大于3.2deg/s，因此采用时空频率的方法增强速度感知是可行的。部分学者开始研究隧道内不同频率尺寸的视觉信息对驾驶人速度感知的影响研究发现，有学者在视觉诱发电位与频率条纹的关系中指出，视觉最敏感处落在条纹频率为3～5c/deg区域。进一步研究发现，高频视觉信息(2～32Hz)会使驾驶人显著高估速度，中频视觉信息(0.4～1Hz)和低频视觉信息(0.1～0.2Hz)会使驾驶人显著低估速度。然而目前相关研究仍停留在理论研究方面，还未将研究成果转化为安全设施，以实际应用于地下道路环境中。

因此，针对地下道路速度感知提升技术空白的现状，创新地提出了基于地下道路侧壁频率的速度感知增强韵律曲线设计方法，主动引导驾驶人降低车速，保证行车安全。

发明内容

本发明的目的是提供基于地下道路侧壁频率的速度感知增强韵律曲线设计方法，基于驾驶人视觉视野特性和速度敏感空间频率，提出韵律曲线设置方法，包括韵律曲线类型、设置位置、韵律曲线初始频率计算方法以及韵律曲线长度计算方法，最大限度保证地下道路的行车速度处于安全范围内。

为实现上述目的，本发明提供了基于地下道路侧壁频率的速度感知增强韵律曲线设计方法,包括以下步骤：

步骤1、韵律曲线设置位置和类型的确定算法，根据地下道路驾驶人速度感知偏差阈值预测模型，计算出地下道路每一个断面的最大感知速度偏差阈值，并依据地下道路限速值要求得到韵律曲线设置位置以及对应类型；

步骤2、韵律曲线初始频率算法，基于驾驶人视觉视野特性和速度敏感空间频率计算得到驾驶人速度敏感的时间频率；

步骤3、韵律曲线长度算法，基于驾驶人行为响应时间和操作时间来确定韵律曲线覆盖总时长，确定韵律曲线长度。

优选的，韵律曲线设置位置和类型的确定算法具体为：

利用恒定速度理论来描述视觉以及听觉感知过程，其认为感知速度差为驾驶人主观认知速度与真实行车速度之差，提出速度感知偏差阈值计算模型如下：

式中：Δv_max为敏感性阈值；β'为驾驶人环境敏感程度；ΔK为驾驶人无意识操作时刻的道路线形曲率变化值；Δf为侧壁频率变化值；v_perception为主观认知速度水平；K为行程段的平均道路曲率；f为行程段的平均侧壁频率；γ为驾驶人操作熟练程度系数；γ采用驾驶里程S的倒数代替：

通过输入整个地下道路的线形指标、侧壁环境、以及不同驾驶人操作熟练程度，计算出地下道路每一个断面的最大感知速度偏差阈值，提出韵律曲线设置位置和类型确定原则，依据各个断面的感知速度偏差阈值超过限速的比例，确定设置韵律曲线的断面位置，选取对应的韵律曲线类型：

1)当断面的感知速度偏差阈值超过限速的比例大于20％，该断面建议布设频率逐渐增大的变频韵律曲线；

2)当断面的感知速度偏差阈值与限速的比例不大于20％， 该断面建议布设恒频韵律曲线；

3)当断面的感知速度偏差阈值与限速的比例不大于10％，该断面不需要设置速度控制措施。

优选的，韵律曲线初始频率算法具体为：

根据驾驶人速度感知敏感的空间频率fs为3c/deg，根据驾驶人视觉特性，得到以长度为单位的空间频率dl：

式中：L₁为车行道宽度(m)；L₂为路缘带，一般取值为0.5m；α为注视明锥的一半(°)，此处的注视明锥即行驶过程中驾驶人关注视野的范围角度，指驾驶人头部固定而转动眼球注视某中心点时所见的空间范围，其与车速密切相关，随着车速的增加，注视点向远伸展，关注视野就越小；

便于后续韵律曲线尺寸参数的计算，将空间频率转换为时间频率，对等式(3)两边同时进行积分：

将空间频率fs转化为时间频率f为：

基于车辆行驶速度得出驾驶人有效视野和注视视野，同时根据道路条件得到车道宽度，根据式(5)计算得到驾驶人最敏感的时间频率。

优选的，韵律曲线长度算法具体为：

根据驾驶人所需的行为响应时间和速度调整时间，获取韵律曲线覆盖总时长：

t＝t_response+t_action (6)

其中，t_action为从最大速度感知偏差调整至0的速度调整时间，AASHTO中规定驾驶人可接受的减速度为3m/s²，令人舒适的可接受减速度取值为-1m/s²，所以韵律曲线的加速度a设为-1m/s²；

其中t_response为驾驶人行为响应时间，根据断面驾驶人感知速度最大偏差阈值进行计算：

根据韵律曲线覆盖总时长t，以每周期韵律曲线引起的增大或减少时间Δt，通过等差数列求和计算设置韵律曲线的周期数，决定韵律曲线的长度。

因此，本发明采用上述的基于地下道路侧壁频率的速度感知增强韵律曲线设计方法，具有以下有益效果：

(1)本发明与传统的被动速度控制技术相比，能够从心理角度潜移默化地引导驾驶人降低速度，且不会改变驾驶人的刹车习惯，不会对驾驶人造成强烈的不适感；

(2)本发明设置于地下道路侧壁较低的位置，与驾驶人注视点分布高度一致，形成良好的视觉参照作用，且与其他侧壁景观融合，能够改善地下道路环境单调易引起疲劳驾驶的问题，并具有提升美感和行程提醒作用；

(3)本发明适用于所有驾驶人群体，基于边缘率理论纠正驾驶人原有的速度感知，引导驾驶人进行速度调整，降低该路段处车辆之间的速度差异性，从而提升超速严重路段的行车安全。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例中的地下道路速度感知增强韵律曲线设计方法概述；

图2为本发明实施例中的驾驶人视觉示意图；

图3为本发明实施例中中的韵律曲线示意图；

图4为本发明实施例中的恒频韵律曲线示意图；

图5为本发明实施例中的变频韵律曲线示意图；

图6为本发明具体实施例中的地下道路速度感知偏差敏感性热力图。

具体实施方式

实施例

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1，本发明公开了基于地下道路侧壁频率的速度感知增强韵律曲线设计方法，主要包括以下步骤：

步骤1、根据地下道路驾驶人速度感知偏差阈值预测模型，计算出地下道路每一个断面的最大感知速度偏差阈值，并依据地下道路限速值要求得到韵律曲线设置位置以及对应类型，得到韵律曲线设置位置和类型的确定算法；

步骤2、基于驾驶人视觉视野特性和速度敏感空间频率计算得到驾驶人速度敏感的时间频率，得到韵律曲线初始频率算法；

步骤3、基于驾驶人行为响应时间和操作时间来确定韵律曲线覆盖总时长，确定韵律曲线长度，得到韵律曲线长度算法。

1、韵律曲线设置位置和类型的确定算法

驾驶人在地下道路的速度偏差主要受到道路平面线形、侧壁频率以及驾驶人特性影响。利用恒定速度理论(Constant Velocity Theory)来描述视觉以及听觉感知过程，其认为感知速度差为驾驶人主观认知速度与真实行车速度之差。由于惯性意识的存在，驾驶人的主观认知速度随环境均匀变化，而真实行车速度主要以主观认知速度为基础，受驾驶人操作波动影响，波动不断积累，最终导致主观认知速度与真实行车速度差。因此，考虑将整个地下道路的线形、侧壁环境、用下式表示：

式中：Δv_max为敏感性阈值；β'为驾驶人环境敏感程度；ΔK为驾驶人无意识操作时刻的道路线形曲率变化值；Δf为侧壁频率变化值；v_perception为主观认知速度水平，实验中为规定值，真实环境可用限速值作为近似；K为该行程段的平均道路曲率；f为该行程段的平均侧壁频率；γ为驾驶人操作熟练程度系数，操作越熟练，该系数越小，速度感知偏差越小，可采用驾驶里程S的倒数代替：

若期望将驾驶人速度感知保持在可控范围内，可利用地下道路驾驶人速度感知偏差敏感性阈值预测模型进行反解，求得道路线形、侧壁频率的最佳可变范围。然而考虑到成本以及实施难易程度，道路线形等因素更改非常困难，所以更改地下道路侧壁景观是最为可行的方法。

通过输入整个地下道路的线形指标、侧壁环境、以及不同驾驶人操作熟练程度，即可计算出地下道路每一个断面的最大感知速度偏差阈值。进一步，提出了韵律曲线设置位置和类型确定原则，依据各个断面的感知速度偏差阈值超过限速的比例，确定需要设置韵律曲线的断面位置，选取对应的韵律曲线类型。

1)针对断面的感知速度偏差阈值超过限速的比例大于20％，即该断面建议布设频率逐渐增大的变频韵律曲线；

2)针对断面的感知速度偏差阈值与限速的比例不大于20％，即 该断面建议布设恒频韵律曲线；

3)针对断面的感知速度偏差阈值与限速的比例不大于10％，即该断面不需要设置速度控制措施。

2、韵律曲线初始频率算法

根据驾驶人速度感知敏感性研究发现，侧壁频率对驾驶人速度感知偏差敏感性具有较大的影响，尤其是中频状态(空间频率fs为3c/deg)对驾驶人的速度感知敏感性有较大提升。

为了便于后续韵律曲线尺寸参数的计算，将空间频率转换为时间频率，图2为驾驶人视觉示意图。

根据驾驶人视觉特性，以长度为单位的空间频率dl：

式中：L₁为车行道宽度(m)；L₂为路缘带，一般取值为0.5m；α为注视明锥的一半(°)，此处的注视明锥即行驶过程中驾驶人关注视野的范围角度，指驾驶人头部固定而转动眼球注视某中心点时所见的空间范围，其与车速密切相关，随着车速的增加，注视点向远伸展，关注视野就越小。

等式两边同时进行积分：

将空间频率fs转化为时间频率f为：

基于车辆行驶速度可以得出驾驶人有效视野和注视视野，同时根据道路条件得到车道宽度，即可根据式(5)计算得到驾驶人最敏感的时间频率。例如在两车道(车道宽度为3m)路段上，运行速度为40-80km/h范围时，有效视野为60°～100°，注视明锥为22.5°～40°，此时α取值范围为11.25°～20°，从而得到驾驶人最敏感的时间频率范围为1.78～6.57Hz，为了便于计算一般取整。

3、韵律曲线长度算法

当韵律曲线的设置位置确定后，根据驾驶人视觉及车辆操作特性，通过运动学公式设计韵律曲线的长度。为保证驾驶人在整个速度感知偏差较大阶段能够及时调整，应确保韵律曲线的长度可以覆盖整个速度偏差较大的行程，因此长度L由两部分组成，包括驾驶人在速度感知偏差后进行行为响应行驶的距离和驾驶人执行速度调整的距离。

考虑到韵律曲线设置后会引导驾驶人进行速度调整，车辆的加减速状态比较复杂。本发明拟从韵律曲线覆盖时长角度出发，根据驾驶人所需的行为响应时间和速度调整时间，通过每周期韵律曲线设置引起的增大或减少时间进行计算。

t＝t_response+t_action (6)

t_action为从最大速度感知偏差调整至0的速度调整时间，AASHTO中规定驾驶人可接受的减速度为3m/s²，令人舒适的可接受减速度取值为-1m/s²，所以韵律曲线的加速度a设为-1m/s²；t_response为驾驶人行为响应时间，可根据下式进行计算：

根据韵律曲线覆盖总时长t，以每周期韵律曲线引起的增大或减少时间Δt，通过等差数列求和计算设置韵律曲线的周期数，最终决定韵律曲线的长度。

韵律曲线的设置方法

韵律曲线设置于地下道路需要进行速度控制路段的侧壁上，其形式为正弦曲线，振幅为2m，平衡位置高度为1.2m(与驾驶人视高一致)，颜色采用绿色或者蓝色，频率一般情况下采取2Hz，实际频率依功能而定，其示意图如图3所示。根据地下道路的速度控制要求、韵律曲线的功能及频率的不同，可分为恒频曲线及变频曲线。

(1)恒频韵律曲线

为加强驾驶人在地下道路环境下的速度感知能力，根据恒定的驾驶人敏感频率设置韵律曲线，以减小驾驶人因景观单一带来的速度感知偏差，主动引导驾驶人进行速度控制。

基于韵律曲线初始频率计算方法式(5)获取的恒频曲线频率，根据地下道路限速值计算每段曲线的长度，如图4所示。

(2)变频韵律曲线

变频韵律曲线，不仅能够保持驾驶人的速度感知能力，还能够通过不断增大频率，使驾驶人产生超速错觉，进行减速。

变频的韵律曲线共设置n条正弦曲线，当驾驶人视野中出现韵律曲线后，该曲线的频率逐渐升高，导致驾驶人在驾驶过程中视野中的韵律曲线消失频率逐渐增大。根据AASHTO相关描述，减速标线设置应该考虑让驾驶人按照设计减速度减速时，视野中的标线频率会保持不变。所以按照上述原则，每条韵律曲线周期均匀下降，从T₁下降到了T_n，降低的速度为v_T，所以第i条曲线的周期为T_i，计算公式为：

从车辆进入曲线变化段开始到第i条曲线经历的时间为t_i：

则到达第i条曲线的速度为：

v_i＝v₁-at_i (10)

第i条曲线的长度l_i为：

周期降低速度v_T根据减速所需要的时间确定，保证周期之和尽量接近减速时间。

根据韵律曲线类型、初始频率、长度等尺寸参数，采用周期匀速变化的方式进行设置，其示意图如图5所示。

实施例

以两车道地下道路为例，运行速度60km/h，车道宽度为3m。基于地下道路侧壁频率的速度感知增强韵律曲线设计方法，具体设计步骤如下：

步骤1：确定韵律曲线设置位置和类型。根据地下道路设计文件，获取整个地下道路的线形、侧壁环境等信息，根据式(1)计算获得地下道路每一个断面的最大感知速度偏差阈值，绘制地下道路速度感知偏差敏感性热力图，如图6所示。并根据韵律曲线设置位置和类型确定原则，确定需要设置韵律曲线的断面位置以及韵律曲线类型。

步骤2：获取韵律曲线初始频率。基于运行速度计算得到驾驶人的有效视野为80°，注视明锥为30°，此时α取值为15°，根据韵律曲线初始频率计算方法式(5)得到驾驶人最敏感的时间频率为2.39Hz，为了便于计算取2Hz。

步骤3：确定韵律曲线长度。在韵律曲线的设置位置确定后，根据该韵律曲线设置位置的最大感知速度偏差阈值，基于驾驶人响应时间计算方法式(7)获取响应时间，并以减速度-1m/s²计算获取速度调整时间，从而获取韵律曲线覆盖总时长，根据韵律曲线覆盖总时长t，以每周期韵律曲线引起的增大或减少时间Δt，通过等差数列求和计算设置韵律曲线的周期数，最终决定韵律曲线的长度。

步骤4：设置韵律曲线。对于各个断面，根据韵律曲线的类型、初始频率、长度等尺寸参数，设置韵律曲线，形式为正弦曲线，振幅为2m，平衡位置高度为1.2m(与驾驶人视高一致)，颜色采用绿色或者蓝色，基于初始频率，采用周期匀速变化的方式进行设置，韵律曲线方案设置如表1所示。

表1韵律曲线方案设置

因此，本发明采用上述的基于地下道路侧壁频率的速度感知增强韵律曲线设计方法，基于驾驶人视觉视野特性和速度敏感空间频率，提出韵律曲线设置方法，包括韵律曲线类型、设置位置、韵律曲线初始频率计算方法以及韵律曲线长度计算方法，最大限度保证地下道路的行车速度处于安全范围内。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于地下道路侧壁频率的速度感知增强韵律曲线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据地下道路驾驶人速度感知偏差阈值预测模型，计算出地下道路每一个断面的最大感知速度偏差阈值，并依据地下道路限速值要求得到韵律曲线设置位置以及对应类型，得到韵律曲线设置位置和类型的确定算法；

步骤2、基于驾驶人视觉视野特性和速度敏感空间频率计算得到驾驶人速度敏感的时间频率，得到韵律曲线初始频率算法；

步骤3、基于驾驶人行为响应时间和操作时间来确定韵律曲线覆盖总时长，确定韵律曲线长度，得到韵律曲线长度算法。

2.根据权利要求1所述的基于地下道路侧壁频率的速度感知增强韵律曲线设计方法，其特征在于，所述韵律曲线设置位置和类型的确定算法过程如下：

利用恒定速度理论来描述视觉以及听觉感知过程，感知速度差为驾驶人主观认知速度与真实行车速度之差，提出速度感知偏差阈值计算模型如式(1)

式中，Δv_max为敏感性阈值；β'为驾驶人环境敏感程度；ΔK为驾驶人无意识操作时刻的道路线形曲率变化值；Δf为侧壁频率变化值；v_perception为主观认知速度水平；K为行程段的平均道路曲率；f为行程段的平均侧壁频率；γ为驾驶人操作熟练程度系数；γ采用驾驶里程S的倒数代替，如式(2)：

通过输入整个地下道路的线形指标、侧壁环境、以及不同驾驶人操作熟练程度，计算出地下道路每一个断面的最大感知速度偏差阈值，提出韵律曲线设置位置和类型确定原则，依据各个断面的感知速度偏差阈值超过限速的比例，确定设置韵律曲线的断面位置，选取对应的韵律曲线类型：

1)当断面的感知速度偏差阈值超过限速的比例大于20％，该断面建议布设频率逐渐增大的变频韵律曲线；

2)当断面的感知速度偏差阈值与限速的比例不大于20％， 该断面建议布设恒频韵律曲线；

3)当断面的感知速度偏差阈值与限速的比例不大于10％，该断面不需要设置速度控制措施。

3.根据权利要求1所述的基于地下道路侧壁频率的速度感知增强韵律曲线设计方法，其特征在于，所述韵律曲线初始频率算法具体为：

根据驾驶人速度感知敏感的空间频率fs为3c/deg，根据驾驶人视觉特性，得到以长度为单位的空间频率dl如式(3)：

式中，L₁为车行道宽度；L₂为路缘带，一般取值为0.5m；α为注视明锥的一半；

便于后续韵律曲线尺寸参数的计算，将空间频率转换为时间频率，对式(3)两边同时进行积分得到式(4)：

将空间频率fs转化为时间频率f得到式(5)：

基于车辆行驶速度得出驾驶人有效视野和注视视野，同时根据道路条件得到车道宽度，根据式(5)计算得到驾驶人最敏感的时间频率。

4.根据权利要求1所述的基于地下道路侧壁频率的速度感知增强韵律曲线设计方法，其特征在于，所述韵律曲线长度算法：

根据驾驶人所需的行为响应时间和速度调整时间，获取韵律曲线覆盖总时长如式(6)：

t＝t_response+t_action (6)

式中，t_action为从最大速度感知偏差调整至0的速度调整时间，韵律曲线的加速度a设为-1m/s²。

其中t_response为驾驶人行为响应时间，根据断面驾驶人感知速度最大偏差阈值进行计算得到式(7)：

根据韵律曲线覆盖总时长t，以每周期韵律曲线引起的增大或减少时间Δt，通过等差数列求和计算设置韵律曲线的周期数，决定韵律曲线的长度。