王昊程　趙　祎　趙　彥

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室　上?！?01804；

2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司　上?！?00092；　3.上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司　上?！?01204)

基于駕駛模擬的多車道高速公路出口前置指路標(biāo)志設(shè)置位置研究*

王昊程1趙祎2趙彥3

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室上海201804；

2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司上海200092；3.上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司上海201204)

摘要為研究現(xiàn)有規(guī)范中高速公路出口前置標(biāo)志設(shè)置位置的規(guī)定在多車道條件下的適應(yīng)性，根據(jù)交通流理論，計(jì)算得到不同車道數(shù)條件下的出口前置指路標(biāo)志前置距離推薦值，建立駕駛模擬實(shí)驗(yàn)場景進(jìn)行駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合駕駛模擬器與眼動(dòng)儀，對(duì)不同的標(biāo)志前置距離進(jìn)行合理性分析，驗(yàn)證了理論計(jì)算的結(jié)果。

關(guān)鍵詞多車道高速公路前置指路標(biāo)志駕駛模擬

1多車道高速公路出口區(qū)域交通安全特性與駕駛行為特征分析

多車道高速公路互通立交的匝道出口區(qū)域的道路安全問題相比于普通路段要突出。某些情況下，多車道高速公路最外側(cè)有不止一條車道供大型車輛行駛，造成了小型汽車駕駛員在觀察路側(cè)標(biāo)志與變換車道時(shí)難度更大。

多車道高速公路出口前置指路標(biāo)志(advance guide sign，AGS)的設(shè)置原則是保證在多車道條件下，駕駛員仍然能夠快速讀取標(biāo)志信息，并作出決策、反應(yīng)。確定其位置時(shí)需考慮的影響因素有：多車道高速公路交通流特征、駕駛員駕駛行為特征、駕駛員視認(rèn)性特征等。

駕駛員駛出高速公路過程中，AGS的視認(rèn)性起到了重要作用[1]。我國《公路交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)置規(guī)范》[2]規(guī)定最后一塊AGS設(shè)置在距離分流鼻500 m處，這一規(guī)定最早經(jīng)雙車道公路的實(shí)地試驗(yàn)確定[3]。當(dāng)前互通立交出口區(qū)域許多設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來源于上世紀(jì)五六十年代的歷史數(shù)據(jù)，且在北美互通立交設(shè)計(jì)指南中仍然有效[4]。在多車道條件下，車輛由道路內(nèi)側(cè)向外行駛的過程中，變換車道需要的距離顯然會(huì)大于雙車道公路。所以，在多車道高速公路的設(shè)計(jì)中，最后一塊的AGS的設(shè)置位置需要進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

2基于微觀駕駛行為的標(biāo)志前置距離的確定

2.1　模型假定與準(zhǔn)備工作

(1) 模型假定。①車輛在變道之前3 s打起轉(zhuǎn)向燈；②主線車輛到達(dá)服從某種分布；③同一時(shí)刻同一橫斷面上不發(fā)生超過1次換道行為；④車輛勻速行駛。

(2) 準(zhǔn)備工作。計(jì)算之前，先進(jìn)行如下準(zhǔn)備工作：

①駕駛員的駕駛行為描述。假設(shè)駕駛員在距離最后一塊AGS標(biāo)志L0處結(jié)束視認(rèn)，隨即駕駛員開始換道操作，包括打起轉(zhuǎn)向燈與換道2個(gè)動(dòng)作。隨后駕駛員駛離主線，駛?cè)霚p速車道。

②驗(yàn)證車頭時(shí)距分布假設(shè)。對(duì)實(shí)地采集的車頭時(shí)距進(jìn)行擬合檢驗(yàn)，驗(yàn)證了車頭時(shí)距符合負(fù)指數(shù)分布，從而主線車輛達(dá)到服從泊松分布。

③標(biāo)志消失距離的計(jì)算。以雙向8車道為例，取普通指路標(biāo)志寬度5 m，垂直道路方向上，駕駛員距離標(biāo)志D=23.375 m，根據(jù)人體工程學(xué)，θ取15°[5]。

L0=D/tanθ=87.24m

(1)

④換道安全車頭時(shí)距的計(jì)算。根據(jù)蔣銳提出的車輛變道安全模型[6]，車輛變換車道時(shí)目標(biāo)車道上所需要的最小車頭時(shí)距如下。

(2)

式中：vn為變道車輛的速度，km/h;vn-1為目的車道中后車的速度，km/h;μ為路面縱向附著系數(shù)，i為路線縱坡；L為安全停車距離，取值11 m；R1為車輛變車道時(shí)行車軌跡圓曲線半徑，m；τs為駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，取值1.5 s；τw為霧天延遲反應(yīng)時(shí)間，s；λ為變換車道次數(shù)，本文令λ=1，并限制車輛不得連續(xù)變道；wl為車道寬度，取值3.75 m。令車速均為120 km/h，在保證車輛不側(cè)滑與側(cè)翻的條件下，取半徑R1=250 m[6]。至此，可計(jì)算出最小安全車頭時(shí)距為4.1 s。

⑤換道一次所需行駛距離計(jì)算。設(shè)事件A(車道1~2)，B(車道2~3)，C(車道3~4)，D(車道4~5)分別為駕駛員在打起轉(zhuǎn)向燈3 s后即順利找到合適的間隙并完成了一次換道。

事件A(或B，C，D)發(fā)生時(shí)，車輛換道所需的行駛距離為

LA(B，C，D)=2Rsinθ=74.8 m

(3)

式中：θ為行駛圓弧所對(duì)的圓心角，通過幾何關(guān)系即可獲得。

2.2　最后一塊AGS前置距離計(jì)算

最后一塊AGS前置距離問題即是最后一塊AGS的設(shè)置位置問題(location of the last AGS，LLA)。

車輛到達(dá)分布服從泊松分布，則

(4)

式中：Pk為在間隔t內(nèi)達(dá)到k輛車的概率；λ為車輛平均到達(dá)率；t為每個(gè)間隔持續(xù)的時(shí)間。

設(shè)事件E為在一系列換道過程中，均一次性順利完成；事件F為一系列換道過程中，有一次換道未一次性順利完成，駕駛員在第二次尋找間隙時(shí)才出現(xiàn)合理換道間隙。

設(shè)主線遠(yuǎn)景交通量為Q=50 000 pcu/d，且在各車道上均勻分布，設(shè)計(jì)車速為v=120 km/h，大車數(shù)占總體的1/3。計(jì)算得到：年平均日交通量絕對(duì)車輛數(shù)為30 000 veh/d，目標(biāo)車道車輛的平均到達(dá)率為0.001 25 veh·m-1，最小安全車頭時(shí)距為4.1 s，故最小車頭安全間距為136.7 m，長度d為136.7 m內(nèi)車輛平均到達(dá)率為0.17 veh。

(5)

式中:P(A)為事件A發(fā)生的概率。

由于A，B，C，D之間相互獨(dú)立，故：

0.8434=0.505

(6)

(7)

P(E∪F)=0.881

(8)

因此，車輛換道所需的最長距離為下式所示，且這一距離滿足88%的換道需求。

L1+L2+L3+L4+L5+L6+

L7+L8=799.15m

(9)

最后一塊AGS前置距離LLA=L=max(LE，LF)-L0=711.92 m。

重復(fù)上述計(jì)算思路，雙向6車道高速公路LLA=565.13 m。車道數(shù)為雙向8車道時(shí)，原有的規(guī)范規(guī)定0.5 km便無法滿足駕駛員的換道需求，而對(duì)于雙向6車道則基本可以滿足要求。

為便于標(biāo)志的表示，取LLA為整數(shù)。為保證駕駛員有足夠的距離換道，最后一塊AGS距出口匝道分流點(diǎn)前的距離取值見表1。

表1　AGS-LLA參數(shù)取值

3多車道高速公路出口區(qū)域駕駛模擬實(shí)驗(yàn)

3.1　實(shí)驗(yàn)儀器

(1) 駕駛模擬器。UCWin/Road仿真建模。該程序是進(jìn)行三維景觀設(shè)計(jì)和行駛模擬的道路設(shè)計(jì)輔助軟件，能真實(shí)地表現(xiàn)動(dòng)態(tài)三維空間，易于理解與使用。程序還備有大量的房屋、大樓等3D模型，樹木、標(biāo)識(shí)等物體的樣例，可以進(jìn)行景觀的設(shè)計(jì)，模擬。

(2) 眼動(dòng)儀。Dikablis眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)。該儀器為頭戴式眼動(dòng)采集設(shè)備，可追蹤眼部特性(瞳孔運(yùn)動(dòng))與汽車前景畫面，并獲得注視點(diǎn)反應(yīng)在前景畫面中的視頻文件和視覺特性參數(shù)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)駕駛?cè)搜蹌?dòng)行為的精確描述。該設(shè)備輕便小巧，方便攜帶，可將設(shè)備對(duì)試驗(yàn)人員的影響降到最低，反映真實(shí)駕駛狀態(tài)[7]。

3.2　實(shí)驗(yàn)場景

(1) 實(shí)驗(yàn)場景簡介。實(shí)驗(yàn)車輛依次通過4個(gè)單喇叭互通立交場景(分別記為互通A，互通B，互通C，互通D)，設(shè)計(jì)速度120 km/h，車道寬3.75 m，各互通間間距為4 km，變速車道、匝道的設(shè)計(jì)參數(shù)按照規(guī)范規(guī)定確定?；ネˋ，B主線為雙向6車道，互通C，D主線為雙向8車道。駕駛員佩戴眼動(dòng)儀、駕駛實(shí)驗(yàn)車輛進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過每個(gè)互通立交時(shí)，駕駛員先由出口匝道駛出高速公路再經(jīng)地面道路由入口匝道駛?cè)敫咚俟贰?/p>

(2) 出口前置指路標(biāo)志設(shè)置位置。①規(guī)范規(guī)定出口前置指路標(biāo)志設(shè)置位置。根據(jù)《公路交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)置規(guī)范》(JTG D82-2009)，我國高速公路應(yīng)設(shè)置3塊AGS，距離分流鼻的距離分別為2 km，1 km和500 m；②理論計(jì)算結(jié)果推薦出口前置指路標(biāo)志設(shè)置位置。根據(jù)上文，計(jì)算得到的適合多車道條件的出口前置指路標(biāo)志設(shè)置位置見表2，分別列出了雙向8車道與雙向6車道條件下的前置指路標(biāo)志推薦設(shè)置位置。

表2　多車道高速公路場景路側(cè)AGS推薦設(shè)置位置表

(3) 出口前置指路標(biāo)志設(shè)置位置的選取?；ネˋ與互通C的出口前置指路標(biāo)志設(shè)置位置按照我國規(guī)范規(guī)定；互通B與互通D根據(jù)表3確定出口前置指路標(biāo)志設(shè)置位置；以研究現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的出口前置指路標(biāo)志設(shè)置位置對(duì)于多車道高速公路的適應(yīng)性。相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表3。

表3　實(shí)驗(yàn)建立互通立交場景主要參數(shù)表

3.3　數(shù)據(jù)處理

根據(jù)駕駛模擬器輸出的相關(guān)數(shù)據(jù)，選取車輛沿道路行駛的距離為橫坐標(biāo)，選取車輛與道路左端間的距離為縱坐標(biāo)，建立平面坐標(biāo)系。即可繪制出車輛在互通出口區(qū)域的行駛軌跡，以其中1名實(shí)驗(yàn)者為例，互通A出口區(qū)域行車軌跡見圖1。

圖1　互通A出口區(qū)域行車軌跡圖

根據(jù)車輛行駛軌跡并利用眼動(dòng)儀記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)駕駛員視點(diǎn)位置、前方車輛情況等信息做出判斷，確定駕駛員行動(dòng)點(diǎn)(開始向道路外側(cè)變換車道并準(zhǔn)備駛離高速公路)的位置。

繪制所有實(shí)驗(yàn)者在互通A～D出口匝道前的行動(dòng)點(diǎn)位置圖，見圖2，圖3。

6車道高速公路場景中，最后一塊前置指路標(biāo)志設(shè)置位置提前時(shí)，78%的駕駛員的行動(dòng)點(diǎn)位置提前；8車道高速公路場景中，最后一塊前置指路標(biāo)志設(shè)置位置提前時(shí)，71%的駕駛員的行動(dòng)點(diǎn)位置提前。結(jié)合駕駛員的熟練程度可以發(fā)現(xiàn)，較為生疏的駕駛員更容易受到出口預(yù)告標(biāo)志提前的影響，較早地變換車道以駛出高速公路。

a)互通A行動(dòng)點(diǎn)位置b)互通B行動(dòng)點(diǎn)位置

圖26車道高速公路行動(dòng)點(diǎn)位置

圖3　8車道高速公路行動(dòng)點(diǎn)位置 3.4　結(jié)論

前移最后一塊前置指路標(biāo)志可以促使駕駛員提前駛出高速公路的行動(dòng)，且對(duì)于較為生疏的駕駛員的影響更為明顯，更能使他們提前做好駛出高速公路的準(zhǔn)備。顯然，較早開始準(zhǔn)備駛離高速公路可以為駕駛員提供更充足的變換車道的時(shí)間與空間，更多的觀察車輛側(cè)后方的機(jī)會(huì)。駕駛員可以更從容地通過高速公路出口區(qū)域，具有更好的安全性。

4結(jié)語

通過分析多車道高速公路出口區(qū)域交通安全特性與駕駛員駕駛行為特征，提出了在多車道條件下，現(xiàn)有的出口前置指路標(biāo)志前置距離可能不能確保變換車道的安全性。利用交通流理論，建立模型確定了多車道條件下的標(biāo)志前置距離的推薦值，并通過駕駛模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)不同的標(biāo)志設(shè)置位置的合理性進(jìn)行比較。為多車道高速公路的標(biāo)志安全設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2015-02-03

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.052

*山東省交通科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2012-26)資助