遲景昊　趙曉華▲　榮　建　徐　飛

(1.北京工業(yè)大學北京市交通工程重點實驗室　北京 100124；2.北京博宇通達科技有限公司　北京 100078)

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基于駕駛模擬器的高速公路無人值守收費站指示標志設計方案研究

遲景昊1趙曉華1▲榮建1徐飛2

(1.北京工業(yè)大學北京市交通工程重點實驗室北京 100124；2.北京博宇通達科技有限公司北京 100078)

摘要隨著我國經濟的發(fā)展，機動車保有量不斷增加，傳統的高速公路收費站有人值守模式(MTC)已經不能滿足現在的出行需求，因此，目前多省市均在試行高速公路收費站無人值守模式。以無人值守模式的收費站指示標志為研究核心，采用模擬駕駛實驗的方法，并以京開高速西紅門南橋收費站為案例，選取5種常見指示標志為研究對象，設計16種方案組合，通過主觀問卷數據、平均速度、加速度標準差、側位移、停車位置偏差絕對值、停車次數和減速過程次數7項指標，從標志視認性、取卡便捷性、駕駛舒適度和通行效率4個層面綜合評價各方案的有效性，進行優(yōu)劣排序，首次提出高速公路無人值守收費站指示標志最優(yōu)和較優(yōu)的設計方案。希望能夠為規(guī)范高速公路無人值守收費站指示標志設置，及相關標準規(guī)范的制定提供參考和依據。

關鍵詞交通管理；高速公路收費站；無人值守；交通標志；效用評價；模擬駕駛實驗

0引言

國外高速公路建設較早，發(fā)展較為迅速，特別是發(fā)達國家的電子不停車收費系統(electronic toll collection system，ETC)發(fā)展較為完善，收費站多采用ETC或ETC與公路半自動車道收費系統(manual toll collection system，MTC)混行。且均已形成較成熟的ETC系統。例如，意大利的Telepass系統、葡萄牙的Via Varde系統、美國的E-Zpass系統等。另外，如澳大利亞的墨爾本、智利的部分高速公路，以及加拿大的407高速公路，也已實現了無收費站的多車道自由流電子收費，英國倫敦更是實現了虛擬站點收費[1-3]。張玉玲等[4]曾研究過日本ETC的發(fā)展，并提出了對我國的啟示，但事實上，無人值守自助發(fā)卡收費站在國外較為少見，相關研究也較少，不具有參考價值。

現在我國大部分高速公路仍采用傳統MTC，而傳統的人工發(fā)卡模式具有影響通行效率、收費員工作量大、增加運營成本、易于偷逃票款等問題[5]。20世紀90年代初，ETC在我國開始應用[6]。但發(fā)展至今ETC車道覆蓋率和ETC車輛占有率依然相對較低，2015年底ETC用戶將達到2 000萬[7]，但ETC所占的比例不足15%。近些年，高速公路除人工收費站和ETC收費站之外，還出現了無人值守收費站。通過安裝自動發(fā)卡機取代傳統的人工發(fā)卡，可以提高通行效率、減輕收費員工作量、降低人工成本和運營成本等。無人值守自動發(fā)卡收費站最早應用于廣東、河南的部分高速公路，現在天津、山東、江西、北京等多個省市也陸續(xù)開始使用[5]。無人值守自動發(fā)卡系統是高速公路入口新型發(fā)卡模式，是MTC車道和ETC車道的有效補充，未來發(fā)展空間十分廣闊[8]。

從傳統的有人值守模式向新型的無人值守模式轉變，收費站需要設置相應的指示標志提醒駕駛員當前工作模式并指引其在正確的位置領取通行卡。但是現在各省市只是將無人值守收費站作為試點進行應用，并沒有全面推廣，國標《道路交通標志標線》(GB5678.2-2009)[9]的第二部分道路交通標志規(guī)定了MTC和ETC收費站需要設置"停車取卡"和"收費站"提示標志，但并沒有規(guī)定無人值守收費站需要設置何種標志。之前的研究主要集中于無人值守自動發(fā)卡系統的軟硬件設計、運營管理與實際應用等層面，周思友[10]研究了基于射頻技術的高速公路不停車收費系統的軟件設計，閔紅星等[11]研究了非接觸式IC卡在高速公路收費系統中的應用，田寅[12]、林春[13]和曹德洪等[14]則分別研究了IC卡自動發(fā)卡系統、無人值守自動發(fā)卡系統和新型多功能自動發(fā)卡機在高速公路的應用。關于收費站處指示標志設置的研究較少，實際工程應用中規(guī)范性較差，不利于管理。而其他標志設施設計的研究較多，可為本文研究高速公路無人值守收費站的標志提供參考。例如袁天容[15]曾研究過一、二級收費公路收費站的標志設置。而研究設施的方法主要有外場實測和內場模擬駕駛實驗2種方法，模擬駕駛實驗具有安全性，對實際交通沒有影響，可重復實驗等優(yōu)點，成為研究交通設施的一個重要途徑。

因此，筆者采用模擬駕駛實驗研究手段，選取各省市常見收費站指示標志為研究對象。設計多種組合方案，綜合比較各方案的有效性，首次提出高速公路無人值守收費站指示標志的最優(yōu)和較優(yōu)組合設置方案。對完善無人值守收費站指示標志設置方法，指導工程實踐具有重要意義。

1駕駛模擬實驗

為了控制實驗變量，避免不利因素對實驗結果的影響，增加實驗重復性，提高實驗安全性，本文采用駕駛模擬實驗方法對多種收費站指示標志設計方案進行有效性評價，進而實現無人值守收費站指示標志的優(yōu)化設置方案。

1.1實驗設備

實驗使用的模擬駕駛實驗平臺屬于真實車輛駕駛模擬器，可提供前方130°的視角，以30 Hz的頻率記錄車輛運行參數，從而獲取車輛運行狀態(tài)和駕駛員駕駛行為等數據。

1.2實驗場景

實驗場景以京開高速西紅門南橋收費站為基礎，指示標志選取的是實際工程應用最為廣泛的5種標志。標志1為立柱式LED人工/自助可變指示牌，高1.5 m、長1 m，設置在收費站島頭；標志2為前方2 m自助取卡標志，高1 m、長2 m，黃底黑字，設置在收費窗口；標志3和4為自助模式時此處取卡提示牌，標志3設置在防撞柱上，高2 m、長0.6 m，黃底黑字，標志4設置在取卡機側面，高2 m，長1 m，白底黑字；標志5為懸掛式LED人工自助可變指示牌，高1 m、長3 m，懸掛在收費站島頭車道指示燈下方。標志字高25 cm。具體樣式和設置位置見圖1。

圖1　5種指示標志樣式及設置位置Fig.1　5 kinds of sign style and setting up position

根據5種標志間的排列組合一共設計15種設置方案。由于方案較多，為避免被試長時間駕駛產生疲勞，將所有方案隨機分配于3個實驗場景中，每個場景包含5個方案。另外，為避免被試因多次駕駛后熟悉場景，影響實驗結果，在5種方案及空白對照組(未設置任何標志)之外隨機設置了干擾收費站，即1個場景共包含10個收費站。實驗場景全程約36 km，駕駛時間約20 min，限速120 km/h。實驗場景線形及收費站編號見圖2。具體方案內容和設置位置見表1。

圖2　實現場景道路線形及收費站編號Fig.2　Road alignment in scenario and the number of tollbooth in the three experiment scenarios

收費站號對應方案收費站號對應方案收費站號對應方案1A方案3:31B方案1:11C方案2:22A取卡機前移2B取卡機前移2C取卡機前移3A方案9:2+43B方案8:2+33C方案15:5+2+3+44A空白4B空白4C空白5A方案7:1+45B方案5:1+25C方案10:1+2+36A人工6B人工6C人工7A方案13:5+2+47B方案11:1+2+47C方案12:5+2+38A取卡機后移8B取卡機后移8C取卡機后移9A方案14:1+2+3+49B方案4:49C方案6:1+310A人工10B人工10C人工

各方案間由于設置的標志內容和數量不同，因此在理論上可能存在一定差異。例如，設置標志數量過少，可能無法很好的起到指示作用；數量過多則可能對駕駛員造成干擾，降低整體效用。

1.3被試選擇

本實驗共招募30名被試，其中女性6人，男性24人；普通司機20人，職業(yè)司機10人。年齡20～48歲(AV=27.5，SD=8.2)，駕齡2～20年(AV=5.6，SD=5.1)，身體狀況良好，無色盲、色弱，駕前無疲勞現象。周平均駕車次數4次以上，且均有高速駕車經驗。

1.4實驗流程

實驗一共分為2次，第1次隨機完成2個實驗場景的駕駛任務，第2次完成剩余1個場景的實驗并填寫主觀問卷，2次實驗間隔24～48 h。具體實驗流程：

1) 預實驗。被試進行2 min的預實驗，熟悉駕駛模擬艙環(huán)境，練習起步停車，熟悉油門剎車等。

2) 虛擬收費過程練習。被試隨機通過某個收費站，練習停車取卡動作。被試根據收費站區(qū)域內的指示標志自己判斷當前收費站的工作模式，并將車輛停在正確的位置(有人值守停在收費亭附近，無人值守停在取卡機附近)。停車3 s以上，并用左手轉動車前燈開關(實際中駕駛員都是采用左手取卡通行)，觸發(fā)收費站抬竿抬起，從而完成停車取卡動作。

3) 記錄初始狀態(tài)。被試填寫個人信息，記錄實驗前基本信息和疲勞程度。

4) 正式實驗。被試隨機駕駛3個實驗場景中的2個，從隨機的1個收費站出口處開始實驗駕駛1圈。2個場景間休息10 min。實驗過程中，若被試停車位置錯誤(被試完成停車取卡動作時，車輛位置明顯還未到或明顯駛過收費窗口或取卡機)，需停止實驗，并將車輛移動至上1個收費站出口處重新開始實驗。

5) 記錄駕后狀態(tài)。獲取被試對駕駛模擬艙的有效性評價和駕后疲勞程度。

第2次實驗流程基本與第1次相同，但只駕駛剩余的1個場景，并填寫主觀問卷。

2實驗數據分析

2.1評價指標選取

選取平均速度、加速度標準差、側位移、停車位置偏差絕對值、停車次數、減速過程次數6項客觀行為指標，從標志視認性、通行效率、駕駛舒適度、取卡便捷性4個層面對收費站指示標志設計方案有效性進行評價。其中標志視認性由停車位置偏差絕對值和停車次數反映，通行效率由平均速度和停車次數反映，駕駛舒適度由加速度標準差和減速過程次數反映，取卡便捷性由側位移和停車位置偏差絕對值反映。6項指標的定義及功能如下。

1) 平均速度。指收費站前100 m至被試停車取卡時所在位置之間區(qū)域的平均速度。在安全的范圍內，平均速度越高，通行效率越高。

2) 加速度標準差。體現駕駛舒適度。選取的范圍為收費站前100 m至被試停車取卡時所在位置之間的區(qū)域。加速度標準差越小，駕駛舒適度越高。

3) 側位移。車輛偏離道路中心線的位置大小，側位移為負說明車輛行駛偏道路左側，道路中心線位置側位移為零。選取的是被試停車取卡時車輛所在位置的側位移。反映駕駛員取卡時車輛與取卡機之間橫向的距離。側位移越小，車輛越靠近道路的左側，因為取卡機的位置在道路的左側，所以取卡便捷性越好。

4) 停車位置偏差絕對值。反映駕駛員停車取卡時，車輛與取卡機之間縱向的距離。定義將取卡機和車輛均視為質點，并以取卡機為原點建立直角坐標系，車輛與取卡機在Y軸上的距離絕對值即為停車位置偏差絕對值。絕對值越小，說明車輛距離取卡機的位置越近，取卡便捷性越好。同時，說明駕駛員可以更準確的尋找到取卡機，標志視認性越好。

5) 停車次數。指從車輛經過收費站前100 m處后至被試擰動車燈開關完成停車取卡動作時，這段區(qū)域內被試總共的停車次數，當車輛速度連續(xù)3 s及以上小于1 km/h，視為車輛停車。停車次數少，標志視認性好，通行效率高。

阿東覺得長久這樣，也不是個事。便再次跟父親商量，要不要干脆告訴阿里，姆媽已經死了，姆媽不會再回家來了，這樣索性斷了他的念想。

6) 減速過程次數。指從車輛經過收費站前100 m處后至被試擰動車燈開關完成停車取卡動作時，這段區(qū)域內被試總共的減速次數，如果車輛速度在下降過程中突然有1個上升，后又繼續(xù)下降，則記為2次減速過程。減速次數越少，視認性越好，駕駛舒適度越高。

2.2主觀問卷數據分析

主觀問卷主要用于采集駕駛員對實驗中各種指示標志組合的主觀認識和反應，考察標志對駕駛員的作用及效果。并從駕駛員自身出發(fā)，獲取駕駛員認為合理的標志組合方案，以及對指示標志設置方案的意見。主觀問卷數據反映標志合理性。同時，統計所有被試實驗后對模擬實驗仿真效果的打分，驗證實驗的有效性。

根據主觀問卷統計結果，標志1和5的作用是提示駕駛員當前收費模式；標志2的作用是再次明確此處無人值守，提示駕駛員繼續(xù)向前行駛；標志3和4的作用是明確取卡機的位置，指示駕駛員停車取卡。在5種標志中，標志1和5的作用最大，對駕駛員的影響程度打分分別為7.6和7.7分(滿分10分)。在駕駛員提出的設計建議中，100%的方案都至少包含標志1或5。由此可見，在標志合理性評價中，標志1和5的有效性最高。所有被試對模擬實驗真實度平均打分為8.73分(滿分10分)，說明通過模擬駕駛技術研究收費站處指示標志理論可行，數據可靠。

2.3駕駛行為數據分析

根據駕駛模擬實驗數據，選取平均速度、加速度標準差、側位移、停車位置偏差絕對值、停車次數、減速過程次數6項指標，針對16種方案每項指標分別采用重復測量方差分析，檢驗方案之間是否存在顯著性差異。各指標的變化趨勢見圖3。

根據重復測量方差分析結果，平均速度指標不具有顯著性(P=0.528，F(15，435)=0.964)，停車次數指標不具有顯著性(P=0.584，F(15，435)=0.889)，減速過程次數指標不具有顯著性(P=0.685，F(15，435)=0.776)，加速度標準差指標具有顯著性(P<0.001，F(15，435)=6.847)，側位移指標具有顯著性(P<0.001，F(15，435)=53.374)，停車位置偏差絕對值指標具有顯著性(P=0.017，F(15，435)=3.148)。

圖3　各方案6項指標平均趨勢圖Fig.3　The results of 6 performance indicators and classification

因此最終將加速度標準差、側位移和停車位置偏差絕對值3項指標列入評價體系，并采用S-N-K(Student-Newman-Keuls)q檢驗方法對此3項指標進行分組。S-N-Kq檢驗方法用于多個樣本均數的兩兩比較。在多樣本均數比較經F檢驗后，若在統計學意義上存在顯著性差異，用此方法可進一步推斷哪些組之間存在差異，哪些組之間不存在差異，還是所有各組之間均存在差異。分組結果見圖3加速度標準差、側位移、停車位置偏差絕對值圖。

2.4高速公路無人值守收費站指示標志效用評價

根據具有顯著性差異的3項指標S-N-K分組結果，將16種方案分為“好”“中”“差”3級，只有3項指標均為“好”，總體評分才能為“好”；評分為2“好”1“中”，則總體評分為“較好”；評分中包含2個及以上“中”的總體評分為“中”；3項指標只要存在“差”，總體評分則為“差”。具體評價結果見表2。

表2　方案評價結果

根據評價結果，最好和較好的4種方案均包含標志1或5，符合主觀問卷統計結果，滿足標志合理性。

3結束語

本文研究的5種標志雖然在功能上存在差異，例如，標志1和5因其LED形式，視認性最好，因此組合中包括標志1或5的方案在標志視認性方面勢必會優(yōu)于沒有設置這兩種標志的方案。但是本文采用的是綜合打分評價的方法，選取了標志合理性、標志視認性、取卡便捷性和駕駛舒適度四項指標綜合比選，而且各指標間權重相同，只有綜合評價為"好"的方案才會被選為較優(yōu)方案。而標志1或5雖然在標志視認性上效果顯著，但在取卡便捷性、駕駛舒適度等指標上未必存在優(yōu)勢，因此采用綜合評價的方法可以有效解決多角度評價指標評價不同方案設計的問題。根據此方法，最終確定高速公路收費站無人值守指示標志設置的最優(yōu)方案為5+2+4組合，較優(yōu)方案為1+2+4，1，1+4組合。

筆者采用模擬駕駛技術對高速公路收費站指示標志有效性進行評價，為規(guī)范無人值守收費站指示標志設置方法，及相關標準編寫奠定了基礎。另外，盡管虛擬環(huán)境與真實環(huán)境存在一定差異，但模擬駕駛實驗結果用于交通標志有效性評價具有一定的相對有效性[16]。方案實施之后還將進行實地測試，進一步研究相關指示標志在實際工程應用中的有效性。

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A Study of Signs Design at the Unattended Freeway Toll Stations

Based on Simulated Driving Experiments

CHI Jinghao1ZHAO Xiaohua1RONG Jian1XU Fei2

(1.BeijingKeyLaboratoryofTrafficEngineering，BeijingUniversityofTechnology,

Beijing100124,China;

2.BeijingBoyotodTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100078,China)

Abstract：With the rapid development of economy in China, the number of automobiles is increasing constantly. The traditional manual toll collection (MTC) at freeway toll stations can no longer meet the current travel demand. Therefore, many provinces and cities are testing non-stop electronic toll collection (ETC). Simulated driving is used to study the key content of this paper: the mandatory signs at unattended freeway toll stations. A case study of Xihongmen-Nanqiao toll station at Beijing-Kaifeng freeway G45 is carried out in this study. 5 types of common signs are used as study objects, and 16 types of sign combinations are developed. Through the following 7 types of data, including questionnaire data, average speed, standard deviation of acceleration, lateral displacement, absolute deviation of parking position, number of stops and the number of decelerations, each combination is evaluated based on the following 4 indices: visibility of the signs, convenience of picking up the toll-card, comfort of driving experience, and passing efficiency, then sorted them in order from good to bad. This study proposes the best and optimum design schemes of mandatory signs at unattended freeway toll stations for the first time. The study results provide theoretical foundation for relevant standards regulating the setting of mandatory signs at such stations.

Key words：traffic management; freeway toll stations; unattended; mandatory signs; utility evaluation; simulation driving experiment

通信作者：▲趙曉華(1971-)，博士，副教授.研究方向：駕駛行為與安全.E-mail:zhaoxiaohua@bjut.edu.cn

作者簡介：第一遲景昊(1991-)，碩士研究生.研究方向：駕駛行為與安全，交通安全設施.E-mail:298004852@qq.com

收稿日期：2015-09-29修回日期：2015-11-17

中圖分類號：U491.5+21

文獻標志碼：A

doi：10.3963/j.issn 1674-4861.2015.06.018