基于人类工效学的道路线形设计研究综述

路畅

摘 要：随着经济的快速发展，我国公路总里程已跃居世界第一，机动车和驾驶员的数量也在迅速增长，随之而来的是交通事故数量居高不下。大多数交通事故都和驾驶员自身存在密切关系，而道路是车辆行驶的载体，因此基于人类工效学的道路线形设计就应运而生。本文介绍了基于人类工效学的道路平面、横断面、纵断面设计现状，以期能为安全、舒适的道路线形设计相关研究提供参考。

关键词：人类工效学;道路平面;道路横断面;道路纵断面;道路线形设计

0 引言

近年来，随着经济的快速发展，我国公路总里程已达484.65万公里，居世界第一。同时，机动车保有量和驾驶员数量也呈现快速增长的态势，截至2018年，全国机动车保有量3.48亿辆，汽车驾驶员3.97亿人。然而，随之而来的是我国交通事故居高不下，2018年全国发生交通事故244 937起，死亡人数63 194人，造成直接财产损失138 455.9万元。交通事故给人类生活带来了巨大的灾难，大量的研究表明，90%以上的交通事故都是由人的因素所造成的，而其中绝大多数与驾驶员的心生理有着密切的关系[1]。道路作为车辆行驶的载体，其线形会直接对驾驶员产生影响，继而影响行车安全。以往的道路设计仅考虑了汽车在运动学方面的安全性，没有充分考虑驾驶员心生理的需求，因此，探索基于人类工效学的道路线形设计对提高行车安全、降低交通事故的发生具有重要意义。本文将对近年来基于人类工效学的道路线形设计相关研究进行综述，以期能对今后进一步开展此方面的相关研究、完善道路线形设计体系以及提高道路行车安全性做出贡献。

1 人类工效学

1.1 人类工效学的定义

人类功效学是根据人的心理、生理和身体结构等因素研究人、机器、环境的相互关系，并将其用于设计、产品、工作场所和设备等领域，以保证人们安全、健康、舒适的工作，并取得令人满意的工作效果的一门学科[2]。

1.2 道路交通中的人类工效学

道路交通是由人、车、路（环境）组成的一个动态系统，其中人是最重要的一环，而在驾驶过程中，道路线形、沿线设施、天气变化等都会对驾驶员产生影响，从而影响到驾驶行为。道路交通中的人类工效学即从驾驶员的角度出发考虑道路交通系统中的各个维度，以期能使人、车、路（環境）达到最佳的状态。

1.3 基于人类工效学的道路线形设计

线形是道路的骨架，决定着道路的具体走向和位置，是道路设计的基础与关键。线形设计直接关系到汽车行驶的方方面面，并且对交通安全起着先决性作用。基于人类工效学的道路线形设计，即从驾驶员的角度出发对道路线形指标进行设计，确保驾驶员行车过程中的安全与舒适。由于人的心生理活动并不能直观的表现出来，因此，探索不同线形指标对驾驶员心生理的影响就需要通过大量的驾驶员样本，结合心电仪、眼动仪等仪器，开展实车试验或者依托于驾驶模拟设备开展驾驶模拟试验，得到能够保证驾驶员行车安全与舒适的道路线形指标。

2 基于人类工效学的道路平面线形设计

2.1 直线长度对驾驶员心生理的影响

城市和山区公路直线均较短，短距离的行车难以判断驾驶员心生理的变化，而偏远地区现存很多长直线路段，可以更好地判断直线长度对驾驶员心生理的影响。

高伊蒙[3]选取一条纵坡<2%，设计速度80 km/h的16 km公路，使用生理信号采集仪采集随着直线长度增加，5位熟练驾驶员脑电信号的变化。用Acqknowledge软件将原始的EEG信号分离成波、波、波等通道单独进行功率谱分析，其中波、波与疲劳程度成正比，波与兴奋感成正比。

根据各脑电信号的生理意义得到以下结论：

（1）5名驾驶员波的功率均值在10 km前波动下降，10 km后上升。说明在行车之初，受到路旁景观的刺激，驾驶员不易产生疲倦，但是行驶一段距离后，驾驶员疲劳感逐渐增强，警觉性下降。

（2）5名驾驶员波的功率均值随直线长度的增大先上升，在4 km处达到最大值，而后缓慢下降，6 km后迅速下降。说明在驾驶前期驾驶员兴奋感上升，但随着直线长度增大，驾驶员兴奋感减弱，易产生困倦和疲劳感。

（3）5名驾驶员波的功率均值随着直线长度的增大而上升。说明随着直线长度增大，驾驶员疲劳程度增强。

基于以上研究结论可以发现，随着直线长度增大，由于沿途单调的景观和线形，驾驶员中枢神经会逐渐麻痹，驾驶员从最初的兴奋转向疲劳，甚至进入“睡眠”状态。同时，如果驾驶员急于驶离直线，会加速行驶，导致有效视野范围变窄，形成“隧道效应”。这些都不利于行车安全。

虽然我国要求道路最大直线长度不超过20V，但并非强制性的。由于直线线形设计简单，成本低，在没有地形限制的荒漠戈壁地带经常出现长直线路段。基于以上研究结论，笔者认为从驾驶员的角度出发，设计速度80 km/h时，长直线路段不宜超过6 km，控制在4 km为宜，10 km为极限值。对于城市和山区路段，由于地形地物限制，一般不会存在长直线路段，最大直线长度按20V取值即可。以城市快速路为例，其设计速度一般也为80 km/h，直线最大长度1.6 km<

4 km，驾驶员不会产生倦怠心理，行车安全。

2.2 圆曲线半径对驾驶员心生理的影响

郑柯[4]选取一段设计速度80 km/h的高速公路，通过测量13名熟练驾驶员行车过程中的心率增量和速度变化，得到不同曲线半径下驾驶员的速度和心率增量平均值，在此基础上分析不同曲线半径对驾驶员心生理的影响。

通过分析发现，速度与圆曲线半径之间规律性较强，随着曲线半径减小，速度降低明显，而心率增量则受曲线半径和速度的双重影响。根据对三参数关系的定性分析，假定曲线半径与心率增量呈负幂函数关系，速度与心率增量呈正幂函数关系，得出了设计速度80 km/h条件下心率增量与圆曲线半径关系式：

N=68.189R-0.203 （1）

式中：R为圆曲线半径（m）（公式引自参考文献[4]）

通過曲率公式计算得出了曲率突变点约为圆曲线半径509 m处，通过对心率增量与圆曲线半径关系分析可知：当圆曲线半径大于509 m时，驾驶员心率增量随曲线半径减小缓慢升高，当圆曲线半径小于509 m时，心率增量快速升高。分析原因可能是曲线半径在509 m时横向力系数>0.1，驾驶员开始感受到曲线的存在，随着曲线半径减小，这种感觉愈发强烈，心率显著上升。由此可见，随着圆曲线半径减小，驾驶员由于横向力的作用逐渐感到不适，紧张感逐渐增强，虽然驾驶员采取了减速措施，但是由于小半径圆曲线会影响驾驶员的视野使驾驶员产生茫然感，再加上驾驶员紧张会影响操作，因此不利于行车安全。

此设计路段的圆曲线最小半径为200 m，而半径大于2 000 m以上的圆曲线路段可以被认为是直线，其曲率已经不会对驾驶员的心理变化和行车速度产生影响。故此模型适用于80 km/h设计速度，圆曲线半径200 m～2 000 m的范围内。

基于以上研究结论，笔者认为在设计速度80 km/h时，圆曲线半径不宜小于500 m，半径小于500 m的圆曲线会使驾驶员感到紧张与不适，影响行车安全。

3 基于人类工效学的道路纵断面设计

3.1 坡度、坡长对驾驶员心生理的影响

研究认为，除非驾驶员纵向上坡时视线受到了遮挡或有其他特殊原因，一般情况下驾驶员在上坡路段其心生理指标与线形的关系非常微弱。郑柯[4]通过分析上坡段不同坡度及其对应的驾驶员平均心率增量，发现二者相关性较差。曹友露[5]通过研究上坡路段驾驶员视觉负荷强度与坡度的关系发现，随着坡度增加，驾驶员视觉负荷强度变化不大，基本呈均匀分布。二人的研究证明了上述观点。故本综述只讨论下坡路段驾驶员心生理与道路线形的关系。

黄江[6]选取了16名熟练驾驶员，使用心电仪及驾驶模拟舱，研究长大下坡弯坡路段坡度和坡长对驾驶员心生理的影响。试验道路为设计的包含不同道路线形要素的虚拟路段，设计速度80 km/h，路段内最大纵坡5%，最大坡长1 050 m。将不同坡度的坡段作为研究对象，通过试验数据处理，可以得到不同坡度及对应的坡长、心率增量等相关数据，进行相关性检验发现：

（1）心率增量与坡度存在相关性，进行线性拟合发现二者呈正相关，坡度越大，驾驶员越紧张。

（2）心率增量与坡长同样存在相关性，进行线性拟合发现凹形二次曲线拟合效果明显，心率增量最小值约为弯坡长度540 m处，该长度约为试验数据中所有弯坡长度的中值。分析原因可能是当弯坡长度较短时，由于下坡驾驶员行驶到弯坡处速度仍较高，驾驶员会试图快速通过弯坡，这种情况存在一定风险，驾驶员较为紧张，心率增量较大。当弯坡长度较长时，曲线半径也较大，驾驶员把弯坡近似当作直线段处理，所以驾驶员并不会减速，心里仍然处于较紧张的状态。而当弯坡长度适中时，驾驶员会减速从而使紧绷的情绪有所放松，有利于行车安全。

基于以上研究结论，笔者认为：（1）上坡路段进行纵断面设计时，不用刻意考虑驾驶员心生理需求，按照规范要求设计即可。（2）下坡路段驾驶员紧张程度与弯坡坡度呈正比，规范规定设计速度80 km/h时最大坡度为5%，结合规范与上述研究，从驾驶员的角度出发，考虑弯坡坡度也不宜大于5%，同时坡长宜控制在550 m左右，此时驾驶员心理紧张感最低，行车较为安全、舒适。同时笔者认为上述研究仍存在一些缺陷，即进行心率增量与坡长或坡度的相关性分析时，没有考虑另一因素以及速度的影响。

4 基于人类工效学的道路横断面设计

4.1 道路、路肩宽度对驾驶员心生理的影响

根据常识，不同的道路和路肩宽度会对驾驶员心生理产生影响，从而影响驾驶的安全性与舒适性。直接对道路、路肩宽度与驾驶员心生理进行相关性分析的研究较少，有学者研究了在不同道路、路肩宽度下驾驶员速度的变化，可以据此对道路、路肩宽度对驾驶员心生理的影响进行推断。

Godley S[7]等人认为，较宽的车道会使驾驶员处于较放松的状态，因此驾驶员往往以较高的速度行驶，而缩小车道宽度可以降低驾驶员的速度，因为窄的通道会使驾驶员处于紧张状态。Shou Liu [8]等人通过试验得到了相同的结论，试验选取24名熟练驾驶员通过驾驶模拟器研究了车道宽度、车道位置和路肩宽度对三车道城市高速公路驾驶速度的影响，采用平衡设计方法，对试验数据进行了ANOYA分析。

研究表明，在其他变量不变的情况下，随着车道宽度从2.85 m提升至3.75 m，驾驶速度同样提升显著。分析原因可能是由于车道宽度提升，驾驶员处于放松和舒适的状态，会提高驾驶速度。同样，路肩宽度从0.5 m提升至1 m，车道宽度不变的情况下，左侧和右侧车道速度有所提升，但幅度不大，对中间车道的速度则没有显著影响，原因可能是肩宽的增加并没有扩宽中间车道的“宽度”，而对左右车道驾驶速度产生影响的原因与车道宽度相似，但作用有限。

窄的道路和路肩不仅会影响通行能力，还会使驾驶员产生紧张的心理并增加事故发生的概率。基于以上研究，笔者认为进行横断面设计时，条件允许的情况下在规范范围内尽量选择较宽的车道和路肩宽度。

5 当前研究存在的不足与建议

当前研究人员已经采用了多种手段与试验方法，基于人类工效学原理，从驾驶员的角度出发开展了道路线形设计的研究工作，取得了许多研究成果。但笔者认为当前研究仍有如下不足：

（1）驾驶模拟舱与实际路况可能存在差异，对驾驶员心生理的影响弱于实际路况。

（2）现有的相关性研究，多针对单一因素进行分析，但驾驶员行车是个多因素影响的过程，因此有必要建立多因素耦合作用下驾驶员心理与道路线形关系的评估方法。

（3）当前有关道路断面布置对驾驶员心生理影响的研究多偏向车道宽度、路肩宽度、縱坡等，但对中央分隔带、边沟、竖曲线等组成部分的研究还较为缺乏。

（4）文中实车试验和驾驶模拟舱试验模拟的场景几乎都是在白天进行的，而夜晚行车时对向车灯的照射、漆黑的周围环境等因素会对驾驶员的心理和视觉造成很大的影响，因此建议日后可以开展黑暗条件下的相关研究。

基于此，笔者建议，在日后开展关于道路线形对驾驶员心生理影响的相关研究时，研究人员可以基于以上方面进行研究设备和研究方法的改进，并对相对空白的领域开展研究。

6 结论

本文介绍了当前基于人类工效学的道路平面、纵断面、横断面设计的相关研究成果，总结归纳了一些结论：

从驾驶员的角度出发， 80 km/h设计速度下，直线长度不宜超过6 km，控制在4 km为宜，10 km为极限值;圆曲线半径不宜小于500 m;下坡路段纵坡坡度不宜大于5%，坡长宜在550 m左右范围内;在满足规范和条件允许的情况下，应选择较宽的道路和路肩宽度。这些结论可为80 km/h设计速度下的道路设计提供参考。

现如今，大众已经不再满足道路设计仅保障最基本的安全需求，而是更多地关注驾乘人员的行车感受。如何在安全的前提下保证驾乘人员行车过程中的舒适性，是道路设计人员未来需要考虑的方向。

参考文献：

[1]Rumar K.The role of perceptual and cognitive filters in observed behaivior[J].Human Behavior and Traffic Safety，1985：151-170.

[2]周前祥，肖惠，张欣.我国人类工效学标准体系的研究进展[J].世界标准化与质量管理，2008（5）：13-16.

[3]高伊蒙.草原公路直线长度对驾驶员脑电特性的影响研究[D].内蒙古农业大学，2015.

[4]郑柯.基于驾驶员心理生理反应的高速公路线形研究[D].北京工业大学，2003.

[5]曹友露.基于驾驶员自然引导的双车道公路几何线形安全性研究[D].重庆交通大学，2016.

[6]黄江.高速公路长大下坡路段线形对驾驶员心理生理影响研究[D].湖南大学，2009.

[7]Godley S，Triggs T，Fildes B.Perceptual lane width， wide perceptual road centre markings and driving speeds[J].Ergonomics，2004（3）：237-256.

[8]Liu S，Wang J，Fu T.Effects of Lane Width，Lane Position and Edge Shoulder Width on Driving Behavior in Underground Urban Expressways：A Driving Simulator Study[J].International Journal of Environmental Research and Public Health，2016，Accepted for Publication（10）.