现阶段我国公路网基本形成,2020年公路总里程突破501.25万公里,是世界上公路里程最多的国家之一,随之而来的公路交通事故仍然居高不下。线形设计是否合理是关系到公路安全性的根本问题,道路线形与车辆行驶轨迹的吻合度不高会增加事故发生概率,因此线形设计应满足车辆行驶轨迹和行驶规律的要求。由于行驶轨迹是一条连续的空间曲线,要求公路提供一条连续的线形与之相匹配。前期研究表明,传统平纵组合设计方法在二维线形要素变化处,曲率和挠率存在不同程度的跳跃突变,造成空间曲线的连续性衰退。这种连续型衰退必然引起车辆行驶轨迹的变化,从而影响行车安全性。因此,研究行驶轨迹偏移特性对于优化公路线形安全设计具有重大的理论意义。为深入探究三维空间曲线连续性衰退对行驶轨迹偏移的影响,本文首先针对广东部分地区若干条线形较为复杂的双向四车道公路,以定点视频录制和自然驾驶试验相结合的试验手段,考虑路-车耦合作用,采集车辆行驶轨迹以及车辆实际驾驶状态等数据;然后讨论了道路交通系统中不同道路条件与车辆行驶轨迹的内在联系,按照不同坡度和转向将路段划分为9种不同线形组合情况,在不同线形组合条件下分别探究其轨迹偏移特征、分布规律、正态性和差异性,结果表明各断面均服从正态分布;车辆处于下坡时,车辆有向左偏移趋势;车辆处于左转时,入弯前大部分车辆左偏行为严重,入弯后恢复正常;而处于右转时,入弯后大部分车辆右偏行为严重,入弯前则表现正常;右转上坡路段车辆偏于车道右侧行驶最为突出。由此,初步选取出27项影响行驶轨迹偏移的表征指标指标。最后运用相关性及主成分分析法建立表征指标集,通过SVM、GF和GBDT三种机器学习算法构建空间曲线连续性衰退条件驾驶员行车轨迹偏移模型。通过对比检验,GBDT模型适用性最好,推荐作为行驶轨迹规律分析模型,依托实例路段运用GBDT模型进行验证以及对指标进行优化,提出了指标阈值范围以及道路交通安全设施改善建议,实现了基于三维空间线形机理研究的线形优化设计方法。研究成果可为评价公路几何线形安全性提供理论依据,也可为基于行驶轨迹的道路安全研究提供新的视角。