根据交通事故统计数据，我国高速公路上单车事故占事故总数的50%，而车辆爆胎、超速和驾驶员操作不当是引发单车事故的主要原因。进一步分析可知，造成以上单车事故的主要原因均与左侧路肩的设置情况有直接或间接关系^[1]。路肩分为左侧路肩和右侧路肩两种，但二者的功能并不完全相同。左侧路肩的主要功能是为车道上高速行驶的车辆提供必要的侧向净空和容错空间。在我国，除分离式路基外，所有双向四车道和六车道高速公路均未考虑设置左侧路肩。尽管我国的《公路路线设计规范》(JTG D20—2006)做出了当高速公路为八车道时应当设置2.5 m的左侧硬路肩的相关规定^[2]，但是国内刚改建完和新修的八车道甚至十车道高速公路，均没有考虑设置左侧路肩，甚至也没有0.75 m的路缘带。

对于左侧路肩对交通安全的影响国内还没有相关研究，现有的国内标准也主要是借鉴了国外的一些做法。由于目前缺乏相关研究作为理论支撑，现阶段人们对左侧路肩的作用认识不足，在评估是否按照标准设置左侧路肩时更多地考虑改扩建过程中的用地成本等问题。而近年来，我国高速公路建设进程加快，如何合理设置左侧路肩的宽度显得十分急迫。因此，本研究以八车道高速公路为例，在不控制驾驶员行驶速度的基础上，考察了左侧路肩的安全影响，并给出了左侧路肩合理宽度的推荐值，以期为高速公路的建设和运行提供理论支持和借鉴。

世界各国的道路设计标准和规范均对路肩的设置条件有比较详细的说明。日本相同等级公路的路肩宽度一般值为2.5 m，最小值为1.75 m。美国标准规定：高速公路两侧都必须设置路肩，右侧路肩至少为3.048 m；当卡车小时交通量超过250 veh/h时，右侧路肩最好能达到3.658 m；在四车道高速公路上，左侧硬路肩宽度通常为1.219~2.438 m；在六车道以上的高速公路，左侧硬路肩宽度至少设计为3.048 m，当卡车小时交通量超过250 veh/h时，路肩宽度最好是3.658 m^[3]。

Urbanik和Bonilla^[4]对城市高速公路通过减少路肩宽度来增加车道数所产生的安全影响进行过研究。Hadi等^[5]利用佛罗里达州的事故数据，采用负二项分布的回归模型对改进道路横断面以减少交通事故的问题做了研究，结果表明，增加车道、中间带、左侧路肩和右侧路肩的宽度均有助于提高安全性。Noland和Oh^[6]基于伊利诺伊州道路安全信息系统的数据分析了道路几何线形和路基构造与交通安全的关系。Bamzai等^[7]也利用伊利诺伊州2000年至2006年公路交通事故数据，建立了路肩交通事故类型和严重程度与路肩材料和路肩宽度之间的关系。以上研究成果主要是在实际道路条件下获得的历史事故数据统计分析的基础上得出来的，但随着驾驶模拟技术的发展，利用驾驶模拟试验方法研究交通安全的优势逐渐显露，相关研究成果也随之形成。Tamar和David^[8]利用驾驶模拟试验研究了路肩宽度、护栏和道路几何元素对驾驶员感知能力和驾驶行为的影响。Richard和Seama^[9]利用驾驶模拟舱研究了道路路旁设施对驾驶员选择行车速度和车辆横向位置的影响。

与国外一样，国内的研究同样集中针对右侧路肩，与左侧路肩相关的研究仅探讨过在高速公路上设置左侧路肩的必要性^[1]。而对于右侧路肩的研究，主要通过分析影响路肩宽度的主要因素来确定路肩宽度的合理取值。吴寿昌等^[10]主要从安全效益、经济效益、时间效益考虑增加路肩宽度对道路安全的影响。另外，随着交通工程心理学在我国的提出，部分学者开始从驾驶员的心理角度探讨道路的优化设计。郑柯等集中探讨了驾驶员行车紧张度与道路线形和车速之间的关系。郭海龙^[11]选取心率、眼球移动角速度、注视点分布范围作为反映驾驶员生心理变化的指标，建立了紧张度与车速和侧向余宽之间的关系，结合疲劳驾驶和行车安全的关系，提出了山区高速公路合理路肩宽度的建议值。

综上所述，国内外的研究主要针对右侧路肩进行，大多是从历年的道路交通事故统计数据出发，通过分析不同路肩宽度对事故率的影响，建立路肩宽度和事故率的关系，或针对路肩交通特性的调查分析及经济效益等影响因素来确定合理路肩宽度。车辆行驶过程中的交通安全是人-车-路(环境)共同作用的结果，其中人起决定性作用。以往研究表明，除车辆本身运行状态受道路横断面影响外，驾驶员的注视行为、心理感受等生心理行为也与道路横断面的设计息息相关。因此，本研究着重分析不同左侧路肩宽度下驾驶员生心理状态及车辆运行状态的特性。在此基础上，综合考虑驾驶员注视行为、心理紧张程度及车辆运行状态与左侧路肩宽度之间的关系，确定左侧路肩宽度的合理取值。由于目前我国的八车道高速公路并没有真正意义地设置满足规范要求的左侧路肩，同时，考虑到车辆在实际道路上行驶时受到的干扰因素较多，试验数据的有效性和试验安全性均难以保证，因此本研究采用驾驶模拟试验方法。 1 试验 1.1 被试对象

本研究招募了30名男性驾驶员，年龄范围为20~26岁，平均年龄24岁。全部被试者均有2~5 a实际驾驶经历，平均实际驾龄为3 a。 1.2 试验仪器

为了研究左侧路肩的安全性，有必要消除可能影响驾驶行为和车辆运行状态的交通因素或道路因素，或尽可能将其控制在最低水平。因此，本研究决定采用驾驶模拟试验的方法，这样可以采集到实时的车辆运行状态数据和驾驶员操作数据。本研究所用的驾驶模拟器(图 1(a))为固定式，前方视角为130°，数据采样频率为30 Hz。驾驶模拟器可以同步采集车辆运行状态数据(如速度、加速度、侧位移等)和驾驶员操作数据(如油门、刹车、方向盘转角等)。同时，本研究使用SMI iView X^TM HED头盔式眼动仪(图 1(b))记录被试者的眼动数据，使用KF2多参数生理记录仪(图 1(c))记录被试者的生理信息，包括被试者的心率、呼吸频率等。

图 1 试验仪器Fig. 1 Experimental instruments

图选项

本试验所开发的场景(图 2)由5条双向八车道高速公路组成。其中，每条公路之间都由1段平曲线连接。除了左侧路肩宽度外，5条公路的其余所有元素均一致。根据国标和工程实际应用情况，场景中公路1-5的左侧路肩宽度分别为0，0.5，0.75，1.5 m和2.5 m(图 3)。每条公路长12 km，车道宽度3.75 m；连接段的平曲线半径400 m，长500 m。场景全长62.5 km。

图 2 试验场景Fig. 2 Experimental scenario

图选项

图 3 试验公路1-5Fig. 3 Test roads 1-5

图选项

试验员为每名被试者随机选取1条公路作为起始公路。试验员对被试者的速度没有要求，被试者按照自己的驾驶习惯行驶。试验流程如下所述：

(1)调试试验仪器；

(2)招募驾驶员；

(3) 进行试验：①试验员向被试者宣读试验指导语；②记录被试者的基本信息、试验前的生理状况；③安排被试者进行试驾，试驾时间约为5 min; ④佩戴生理记录仪和眼动仪，标定眼动仪；⑤被试者开始行驶，试验员同时记录数据，每次试验持续30 min；⑥试验完成后，记录并保存数据，检查数据记录是否完整、准确；⑦取下试验仪器，填写试验后的生理状况，并填写关于模拟舱仿真程度的主观评价问卷。 2 数据分析结果和讨论 2.1 关于模拟舱仿真程度的主观评价结果

由于本试验采用驾驶模拟试验的方法，因此驾驶模拟舱的仿真有效性在很大程度上决定了试验分析结果和结论的有效性。为了验证驾驶模拟舱的有效性，研究人员设计了关于模拟舱仿真程度的主观问卷，评价项目包括总体感受、档位、刹车等多个方面，采用打分的方式(0~10分，其中0分代表与真实道路环境完全不相似，10分代表与真实道路环境完全相似)，得到结果如表 1所示。可以看出，被试者普遍认为本试验所用的模拟舱，无论是行驶的场景，还是驾驶操作等方面，与真实道路环境均比较相似。

为研究左侧路肩宽度对驾驶员注视行为的影响，将驾驶员视野中的场景分成左、中、右3个注视兴趣区域，其范围分别为驾驶员水平视野的-20°~-10°，-10°~10°，10°~20°^[13]。为了更方便地描述驾驶员的注视特征，引入注视兴趣区域重心的概念，即计算某个注视兴趣区域内所有注视点位置坐标的平均值，以该平均位置坐标所在点为注视兴趣区域的重心。注视兴趣区域重心可以表现在该注视兴趣区域内大多数注视点的集中分布情况。本研究主要着眼于左区域的重心点，如图 4所示，其中横轴为x轴，纵轴为y轴(向下为正向)，单位为像素。由于驾驶员在不控速试验条件下的状态比较松弛，其左区域的注视重心更加靠右、靠上，即更加向中间集中。注视区域重心的移动方式呈一定规律，即在路肩为0 m的公路中，驾驶员注视点的集中区域相对靠右在路肩为0.5 m和0.75 m的公路中，左区域的注视重心逐渐向左移动，而当左侧路肩宽度继续增加，即在路肩为1.5 m和2.5 m的公路中，左区域的注视重心逐渐向右移动。

图 4 不同左侧路肩高速公路中左区域注视重心位置坐标Fig. 4 Coordinates of fixation points in left area in all expressways with different inside shoulder widths

图选项

从图 5可以看出，左区域的注视点数百分比和注视持续时间百分比的变化规律比较相近。两个百分比先随着路肩宽度增加而升高，直至路肩为0.75 m时达到最大值，之后随着路肩宽度增加而降低，当路肩宽度为1.5 m时，两个百分比均降到最低水平，而当路肩宽度为2.5 m时，两个百分比均又有不同程度的上升。图 6表现了左区域平均注视持续时间随路肩宽度增加的变化规律。平均注视持续时间在路肩为0 m的公路中为最大值，随着路肩宽度的增加，平均注视持续时间降低，当路肩为0.75 m和1.5 m时降到最低值(0.24 s)，然后又开始上升。结果表明，左侧路肩宽度对驾驶员注视左区域的程度有一定影响，且当左侧路肩宽度从0.75 m 到1.5 m时，驾驶员对左区域的注视程度相对较低，说明该宽度的路肩可以为驾驶员提供足够的侧向净空和安全感，使得驾驶员更少地注视左侧。

图 5 不同左侧路肩高速公路中左区域注视点数百分比和注视持续时间百分比曲线Fig. 5 Curves of percentage of fixation points and percentage of fixation duration in left area in all expressways with different inside shoulder widths

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图 6 不同左侧路肩高速公路中左区域平均注视持续时间曲线Fig. 6 Curves of average duration time in left area in all expressways with different inside shoulder widths

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在不控制速度的条件下，驾驶员相对心率变化比的均值与标准差随左侧路肩宽度增加的变化情况如图 7所示。当路肩宽度为0.5 m时，平均相对心率变化比降到最低，即驾驶员的紧张程度最低；当路肩宽度为1.5 m和2.5 m时，驾驶员的平均相对心率变化比同样相对较低，其紧张程度也相对较低。结合考虑标准差的变化情况，选取0.5 m为左侧路肩宽度的推荐值。

图 7 不控速条件不同左侧路肩宽度高速公路中被试者相对心率变化比的均值和标准差变化曲线Fig. 7 Curves of average and standard deviation of relative HR change ratio in all expressways with different inside shoulder widths without speed limitation

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采用方差分析法(Analysis of Variance,ANOVA)，检验左侧路肩宽度对被试的相对心率变化比是否存在显著性的影响。其中，方差分析采用的检验统计量为F统计量，P值反映不同组数据没有差异的可能性；F越大，且P<0.05，表明不同组数据具备显著性差异的可能性大于95%。分析结果表明，左侧路肩宽度对相对心率变化比没有显著性的影响(F_4116 =0.561，P=0.692)，即驾驶员在不同左侧路肩宽度场景中的心率大小是相似的，左侧路肩没有增加驾驶员的心理负荷。 2.4 相对速度变化比

在不控制速度的条件下，车辆稳态速度的相对速度变化比均值与标准差随左侧路肩宽度增加的变化情况如图 8所示。类似于相对心率变化比，相对速度变化比也是指各路肩宽度不为0场景的平均速度相对于路肩宽度为0场景的平均速度变化率。随着路肩宽度的增加，驾驶员稳态速度的均值呈二次曲线的变化趋势，在路肩为0.75 m和1.5 m时达到最大值，而在0.75 m的公路中，相对速度变化比的标准差较小。综合评价，从速度指标的角度来看，推荐左侧路肩宽度为0.75 m。

图 8 不同左侧路肩宽度高速公路中稳态速度均值和标准差变化比曲线Fig. 8 Curves of average and standard deviation of stable speed change ratio in all expressways with different inside shoulder widths

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采用方差分析法检验左侧路肩宽度对被试者的相对心率变化比是否存在显著性影响。分析结果表明，左侧路肩宽度对相对速度变化比没有显著性影响(F_4116=0.551; P=0.699)，即机动车在不同左侧路肩宽度场景中的行驶速度是相似的，左侧路肩对机动车行驶速度没有产生负面影响。 2.5 车辆侧位移

在不控制速度的条件下，车辆侧位移均值与标准差随左侧路肩宽度增加的变化情况如图 9所示。随着左侧路肩宽度的增加，车辆侧位移值呈近似线性降低，即车辆中心线越来越贴近道路中心线；侧位移的标准差随之增加，即车辆行驶的偏离程度和平稳程度均在降低。综合考量均值和标准差两个指标，选取0.75 m为左侧路肩宽度的最小值，1.5 m为左侧路肩宽度的推荐值。

图 9 不控速条件不同左侧路肩宽度高速公路中侧位移均值和标准差变化曲线(单位:m)Fig. 9 Curves of average and standard deviation of lateral displacement in all expressways with different inside shoulder widths without speed limitation(unit:m)

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采用方差分析法检验左侧路肩宽度对车辆的侧位移是否存在显著性影响。分析结果表明，左侧路肩宽度对车辆侧位移有显著性影响(F_4116=16.565，P<0.001)。对比分析(S-N-K法)结果表明,公路5(左侧路肩宽度为2.5 m)的平均车辆侧位移显著低于其余4条公路的平均车辆侧位移(P<0.05)；公路4(左侧路肩宽度为1.5 m)的平均车辆侧位移显著高于公路5的平均车辆侧位移，同时显著低于其余3条公路的平均车辆侧位移；而公路1(左侧路肩宽度为0)的平均车辆侧位移显著高于其余4条公路的平均车辆侧位移(P<0.05)。检验结果表明，左侧路肩宽度对车辆侧位移存在显著性影响。 3 结论

本研究着重分析不同左侧路肩宽度下驾驶员生心理参数及车辆运行状态的特性，即车辆行驶速度、车辆侧位移和驾驶员心率等指标的变化特性，通过趋势变化的分析和影响分析，确定左侧路肩宽度的合理取值。采用驾驶模拟试验方法，采集速度、侧位移、心率、眼动行为等数据。通过对数据进行分析和讨论，得到以下结论：

(1)随着左侧路肩宽度的增加，侧向净空随之增加，驾驶员会越来越少地注视左侧，尤其是当路肩宽度为0.75~1.5 m时，驾驶员对于左区域的注视程度降到最低，而如果路肩宽度继续增加，驾驶员又会重新开始关注左侧的情况。

(2)采用方差分析和对比分析的方法，对不控速条件下不同左侧路肩宽度的各指标进行显著性分析，发现左侧路肩宽度对车辆的侧位移有显著性影响，而对车辆的行驶速度和驾驶员的心率均没有负面影响。

(3)综合考虑速度、侧位移、心率3个指标随路肩宽度增加的变化趋势，选取0.75 m为左侧路肩宽度的最小值，1.5 m为左侧路肩宽度的推荐值。

本文依托驾驶模拟试验，考察在虚拟驾驶环境中左侧路肩的安全影响。除了进行模拟舱有效性的主观评价问卷调查外，还进行了验证驾驶模拟舱在模拟机动车运行状态和驾驶员生心理状态有效性的试验研究^[14,15]。研究结果表明，驾驶模拟舱在模拟机动车行驶速度和驾驶员生心理信号上具有相对有效性，即行驶速度与生心理信号在两种道路试验环境中(真实道路环境与驾驶模拟试验)的变化趋势是一致的。在未来的研究中，将进一步对驾驶模拟舱的有效性进行更全面的验证。另外，中央隔离形式、护栏、标志等对驾驶员视觉行为产生的影响与左侧路肩对视觉行为产生的影响是否存在耦合作用，对左侧路肩的设置会产生怎样的影响，也将在未来进行进一步研究。