基于虚拟现实模拟的道路景观尺度设计研究

发布时间：2016-08-20 06:10

第一章  绪论 

1.1  研究背景 
近年来，随着国民经济的快速发展，我国交通运输业也得到了迅猛发展，特别是道路交通方面，全国公路里程、机动车保有量等连续多年保持增长，给人民的生活带来了巨大的方便。但道路交通蓬勃发展的背后，随之而来的却是道路交通安全事故频发等现象，全国每年由交通安全事故造成的人员伤亡和财产损失惨重。近几年我国年道路交通安全事故数量虽呈下降趋势，但仍是世界上每年发生交通事故最多的国家之一（图 1-1），年交通事故死亡人数更是连续十几年居世界第一[1]。可见，当前我国道路交通安全形势仍然非常严峻，从各方面入手深入挖掘交通安全事故频发的根本原因，进而有针对性地采取措施以减轻交通安全问题带来的负面影响，已成为当务之急。 道路交通系统由人、车、道路环境等要素构成，各要素间的关系如图 2-1所示。驾驶人驾驶车辆行驶的过程中，不断地获取道路环境信息及车辆行驶状态信息，并以这些信息为依据，做出如何调整车辆行驶状态的相应决策，继而操纵车辆产生相应的运动，车辆的运动又会不断地改变道路环境，使驾驶人不断获取新的道路环境信息及车辆行驶状态信息，重复以上过程。因此，道路交通系统是典型的闭环系统，交通安全是系统中各要素相互协调、和谐统一的结果。据统计，大部分的安全事故的确并非仅由道路交通系统中的某一要素所致，而往往是多个要素共同作用所导致的结果。其中，道路环境要素直接向驾驶人提供信息并影响驾驶人决策，因此作为可能影响驾驶人的驾驶行为、精神状态进而诱发道路交通安全事故的根本原因，道路环境对交通安全的影响不容忽视。 
.........

1.2  国内外研究现状 
早期关于道路景观与交通安全相关性的研究主要是从道路美学、环境心理学的角度开展的。1976 年，Wohlwill J F[2]提出景观对处在其中的人产生的信息输入存在一种最优的输入量，该输入量使得人们不会由于信息量过多或过少而产生压抑或厌烦的情绪。后来，研究者通过分析交通安全事故统计数据证实了道路景观与交通安全的相关性。Naderi J R 与 Bahar G  B[3]对比交通安全事故统计数据发现，行人过街处的事故发生频率及严重程度在景观改善后呈现下降趋势。Mok J H 等[4]通过分析致死事故率，得出景观改善后的道路的安全性显著高于景观改善前的结论。为进一步研究道路景观改善前后道路安全状况的变化，Mok  J  H 等[5]又对美国德克萨斯州的 61 条城市干线及州际高速景观路段进行了研究，结果表明 10 条数据较完整路段的车祸率在道路景观得到改善后有了显著下降，以上均证实了作为道路交通系统中基础设施，道路环境对交通安全确实有重要影响。 国内相关研究从上世纪 80 年代开始。1981 年，王清池[6]从驾驶人与乘客的角度出发，将其视野中的道路及周围环境定义为公路景观，将为了造成既有利于安全行车又具有优美景象而进行的安排称为公路景观设计。公路景观设计主要包括的内容之一就是交通设施如何诱导行车，使行车轻松，具有安全感。研究者熊广忠在这方面进行过许多工作，1984 年，他通过对用路者动视觉特性的分析，研究如何应用动视觉原理探索城市道路与视觉环境一体化的设计方法[7]。1995 年，他又通过计算研究了不通车速下公路绿化的栽植问题，对绿化距外侧车道最小距离、纵向绿化间距等公路绿化应用方面的问题进行了探讨[8]。 
..........

第二章  实验理论基础 

2.1  驾驶模拟的特点和优势 
虚拟现实技术的发展使得驾驶模拟成为可能并逐渐得到广泛应用。该技术利用计算机创建看似真实的虚拟环境，参与者可通过眼、耳、手等感觉器官从视觉、听觉、触觉等各个角度直观且自然地感知虚拟环境，产生身临其境地参与到该环境中的感受；参与者的眼睛转动、身体动作等对该环境做出反应的人体行为会通过传感装置输入计算机并被处理成相应的数据输入虚拟环境，计算机控制虚拟环境对这些行为做出实时响应，再反馈到用户的感觉器官，使之产生交互式的沉浸于该环境中的感受。虚拟现实技术最初是应用于驾驶模拟中的航空驾驶训练领域，后来才逐渐应用于汽车驾驶模拟。通过计算机创建车辆行驶过程的虚拟场景、音效等环境效果以及车身运动效果，使驾驶人产生实车驾驶的感受，并根据虚拟环境提供的信息进行驾驶操作，，使车辆行驶状态改变并作用于虚拟环境，从而构成由人、车及虚拟环境组成的闭环系统，使驾驶人与虚拟环境间产生交互作用。 汽车驾驶模拟仪器出现初期的主要功能是用于对新驾驶人进行驾驶训练，后来逐步研发出用于汽车相关产品开发、道路交通系统交通特性研究的研究型汽车驾驶模拟器，其应用已成为国内外研究道路交通问题的重要发展方向。
..........

2.2  驾驶行为表征指标 
驾驶行为是一个多维度的概念，即纵向与横向驾驶参数的综合[33]。纵向维度主要反映了驾驶人控制车速的情况。在诸多文献涉及的速度相关参数中，平均速度是最常用于衡量驾驶安全的数据，这主要是由于平均速度的增加会导致事故风险与严重程度的增加。除平均速度外，纵向加速度和减速度的标准差也是运用较普遍的驾驶行为指标，因为它们表示了驾驶人控制速度变化的程度，一旦驾驶人突然改变车速，原本同质的交通流被打乱，其它车辆驾驶人反应不及很可能导致发生追尾的风险增加[34]。 驾驶行为的横向维度主要与控制车辆行驶在车道内的水平位置有关，因为未保持较一致的车道位置是车辆驶离道路和迎头相撞事故的主要原因之一[33]。横向维度中最重要的概念是“横向位置”，其定义是车辆的纵向轴线相对于纵向道路参考系的位置。另外横向位置的变化常用于描述安全相关的驾驶行为变化，而横向位置的标准差（SDLP）也常被用于作为横向轨迹控制的指标。此外，SDLP 还是对驾驶人状态受精神负荷及各种药物影响较敏感的测量量[35,36]。 驾驶人对驾驶模拟仪器方向盘、踏板等的操作幅度也能够被大部分驾驶模拟仪器记录下来，Antonson  H 等证实精神放松的驾驶人不会像在有压力的状态下那样频繁地抓握方向盘，据此将驾驶人左、右或双手抓握方向盘的频率记录为指标[37]。Thiffault  P 等认为正常状态下驾驶人一旦观察到道路线形变化便会通过小幅度的方向盘转动来调节车辆行驶方向以适应道路线形，而警觉度较低的驾驶人对道路线形的反应不如正常状态下迅速和准确，因此转动方向盘的幅度会相对更大，据此将方向盘转动幅度均值、大幅转动频率以及转动幅度标准差作为驾驶行为表征指标[38]。Wierwille W W， Gutmann J C 也将单次方向盘转动角度大于 6°的频率作为指标[39]，还有研究者将高频的方向盘转动操作作为指标之一[40]。 
............ 

第三章  道路景观因素对驾驶人影响分析实验设计 ....... 13 
3.1  实验仪器 .......... 13 
3.1.1  驾驶模拟器·套装软件系统 ..... 13 
3.1.2  face LAB 车载式汽车眼动仪 ..... 13 
3.2  实验对象 .......... 15 
3.3  实验设计 .......... 15 
3.3.1  道路景观因素选取 ..... 15 
3.3.2  道路景观因素水平选取 ......... 16 
3.3.3  实验道路设计 ......... 18 
3.4  实验流程 .......... 19 
第四章  道路景观因素对驾驶行为影响分析 ..... 21 
4.1  道路景观因素对驾驶行为表征指标的影响 ...... 21 
4.2  道路景观因素对驾驶稳定性的影响 .... 27 
4.2.1  道路景观因素对熟练驾驶人驾驶稳定性的影响 ..... 28 
4.2.2  道路景观因素对非熟练驾驶人驾驶稳定性的影响 ........... 30
第五章  道路景观因素对眼动行为影响分析 ..... 33 
5.1  不同道路景观因素水平下的注视行为特征 ...... 33 
5.2  不同道路景观因素水平下的眨眼行为特征 ...... 38 

第五章  道路景观因素对眼动行为影响分析 

眼动行为这一指标类型能够表征驾驶人唤醒水平、困倦程度、注意力集中度等，对驾驶人眼动行为进行研究分析，有助于揭示驾驶人从道路环境中获取信息的过程和规律，并能够帮助研究者更深入地理解驾驶人的驾驶行为。

5.1  不同道路景观因素水平下的注视行为特征 

驾驶车辆行进的过程中，驾驶人需要不断地获取道路及其环境信息以对车辆行驶状态做出调整，而这些信息主要是通过注视获得的，因此注视行为是驾驶车辆时驾驶人眼睛的最主要行为，注视是驾驶人获得信息的最主要途径，本文也将着重关注驾驶人的注视行为特征。注视点数量越多表明驾驶人所需处理的信息量越大。虽然每个实验路段的长度相同，但每个路段的驾驶时长因驾驶速度的不同而有所差异，因此参考相关文献[46]，此处选取每分钟内的注视点数量进行分析，两类驾驶人在各因素水平的实验路段场景下平均每分钟内的注视点数量如下图 5-1 所示。 表 5-1 反映了两类驾驶人平均每分钟内注视点数量的均值、标准差的差异，可以看出，熟练驾驶人平均每分钟内的注视点数量均值明显大于非熟练驾驶人，这表明熟练驾驶人从当前所处的道路环境中提取更多的信息相对更多，他们更懂得通过更多的注视来帮助自己做出下一步如何调整车辆状态的决策，且相对较小的标准差表明他们受道路景观环境变化的影响较小。 

..........

总结

道路环境是道路交通系统的要素之一，作为道路环境的主要组成部分，道路景观兼具美化道路环境和保障交通安全的功能，且保障道路交通安全是道路景观设计的前提。道路景观与普通景观最大的区别即其“动态性”，但目前的道路景观设计工作中普遍存在方案表现形式落后、动态体验失真、缺乏针对道路景观尺度的研究、无法定量评价等问题。针对以上问题，本文设计开展驾驶模拟实验，分析道路景观因素的不同水平是否对驾驶行为产生显著影响，比较不同道路景观因素水平下驾驶人的驾驶稳定性，探究不同的景观因素水平对驾驶人注意力集中程度、精神状态等带来的影响。本文所做工作及研究结果总结如下： 
1) 设计开展驾驶模拟实验，利用驾驶模拟仪器及眼动仪，采集熟练、非熟练两类驾驶人在道路景观五个因素不同水平下的驾驶行为、眼动行为数据，并在实验中设置口头问答环节，以获取驾驶人对道路景观的感受。驾驶模拟实验的定量数据与口头提问的定性数据相结合进行分析的研究方法取得了良好的效果，驾驶行为、眼动行为数据与口头问答信息互相得以印证。 
2) 方差分析结果表明，道路景观色彩、株距、冠幅、高度、路边距因素的不同水平对驾驶人驾驶车辆的速度均值、横向位置均值均有不同程度的影响。当道路景观设计不利于驾驶人及时发现道路情况或连续长距离含有造成视觉不适与心理压力的道路景观时，驾驶人可能采取减缓行车速度、接近该方向道路行车道中央等行为；当道路景观尺度过小或刺激频率过低时，可能导致驾驶人对速度和横向位置的控制减弱，产生安全隐患。因此，只有合理的道路景观尺度设计才能保障驾驶人对速度、横向位置等的良好控制。 
.........
参考文献(略)

本文编号：98576