改擴建高速公路中央分隔帶封閉區(qū)交通標(biāo)志適用性評價研究*

陳亞振1周穎1呂能超2,3▲謝練2,3

(1.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司武漢 430050；2.武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心武漢 430063；

3.水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心武漢 430063)

摘要高速公路改擴建項目中老路中央分隔帶的保留增加了潛在行車風(fēng)險，交通標(biāo)志牌作為傳遞道路信息的主要手段，其設(shè)置是否合理對于行車安全至關(guān)重要。從駕駛?cè)说恼J(rèn)知原理出發(fā)，通過分析標(biāo)志牌信息量與標(biāo)志視認(rèn)時間的關(guān)系，量化了標(biāo)志視認(rèn)距離，在此基礎(chǔ)上結(jié)合高速公路改擴建后最不利條件下的車輛換道過程，提出了基于駕駛?cè)艘曊J(rèn)性和換道操作舒適性的交通標(biāo)志適用性評價方法，從而對改擴建高速公路中央分隔帶封閉區(qū)設(shè)計的新型交通標(biāo)志進行評價。案例評價結(jié)果表明，該高速公路改擴建中央分隔帶封閉區(qū)交通標(biāo)志方案能有效誘導(dǎo)駕駛?cè)税踩?、舒適的出入中央分隔帶封閉區(qū)。

關(guān)鍵詞交通安全；交通標(biāo)志；視認(rèn)時間；中央分隔帶；單側(cè)加寬

中圖分類號：U491文獻標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-05-14修回日期：2014-12-19

基金項目*國家自然科學(xué)(批準(zhǔn)號：51208401)、交通運輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(批準(zhǔn)號：2014319811200)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金項目(批準(zhǔn)號：133244003)資助

作者簡介：第一陳亞振(1983-)，碩士.研究方向:道路交通安全、改擴建交通組織管理.E-mail:78590823@qq.com

通訊作者：▲呂能超(1982—)，博士，副研究員.研究方向：道路交通安全，駕駛行為分析，交通網(wǎng)絡(luò)模型.E-mail:lvnengchao@163.com

Applicability Evaluation of Traffic Signs on Reconstructed

Highways with Medium Strips

CHEN Yazhen1ZHOU Ying2LYU Nengchao2,3XIE Lian2,3

(1.CCCCSecondHighwayConsultantCo.LTD,Wuhan430050,China;

2.IntelligentTransportationSystemsResearchCenter,

WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China;

3.EngineeringResearchCenterforTransportationSafety,

MinistryofEducation,Wuhan430063,China)

Abstract:The retention of central barrier increases traffic risk. The location of traffic sign is critical to effectively transmitting road information for highway safety. Based on the driver′s cognitive principle, analyzing the relationship of information of signs and the visibility time, the visibility distance of sign is quantified. Combined with the lane change process under the least favorable conditions, an evaluation approach based on drivers′ visibility time and lane changing operation is proposed. The approach was used to evaluate traffic sign application schemes about medium strip closure on highways. Evaluation results show that the traffic signs application scheme about medium strip closures can effectively guide the driver to cross the central separation strip safely and comfortably, thus providing valuable references for traffic sign applications for medium strip closure projects.

Key words:traffic safety; traffic signs; reaction time; medium strip; one side widening

0引言

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展,以及交通需求的快速增長，我國早期建設(shè)的高速公路逐漸開始出現(xiàn)通行能力不足、服務(wù)水平下降等問題，拓寬改擴建成了解決上述問題的首選方法。高速公路常用擴建加寬形式包括雙側(cè)整體式加寬、單側(cè)整體式加寬及分離式路基加寬等。平原微丘區(qū)通常采用整體式的雙側(cè)加寬方式[1]，山嶺重丘區(qū)高速公路改擴建工程受地形條件限制則多采用單側(cè)整體式加寬的形式，如鄭洛高速公路?；诠こ坛杀究紤]，高速公路單側(cè)加寬時保留舊路中央分隔帶，僅在互通立交和服務(wù)區(qū)對中央隔離帶進行封閉硬化處理以供車輛進出高速公路[2]。中央分隔帶的保留是常規(guī)交通中沒有的，不符合駕駛?cè)笋{駛習(xí)慣，車輛出入中央分隔封閉區(qū)增加的分合流駕駛行為甚至?xí)?dǎo)致駕駛負(fù)荷增高。因此，需要設(shè)計有效的交通標(biāo)志以引導(dǎo)駕駛?cè)税踩?、舒適的出入中央分隔帶封閉區(qū)域，并對新型交通標(biāo)志進行適應(yīng)性評價。

交通標(biāo)志牌有預(yù)示道路信息、規(guī)范交通行為、誘導(dǎo)交通流等作用，對于高速公路行車安全至關(guān)重要。研究表明，駕駛?cè)藢?biāo)志牌的視認(rèn)難度與標(biāo)志牌所包含的信息量大小密切相關(guān)。臺灣學(xué)者Liu[3]根據(jù)信息理論，對駕駛?cè)嗽诓煌笮⌒畔⒘繕?biāo)志牌下視認(rèn)行為進行了研究，被試主觀評價結(jié)果表明，標(biāo)志牌信息量大對駕駛?cè)艘曈X和心理產(chǎn)生的壓力也更大。王培等[4]則研究了駕駛?cè)藢?biāo)志牌的理解與信息量之間的關(guān)系，結(jié)果顯示，對標(biāo)志視認(rèn)難度會隨標(biāo)志牌信息量的增多而增大。課題組則通過實驗建立了交通標(biāo)志信息量與視認(rèn)時間之間的關(guān)系，當(dāng)標(biāo)志牌信息量超過一定閾值時，駕駛?cè)说囊曊J(rèn)時間顯著增加，影響安全。從認(rèn)知心理學(xué)角度來看，駕駛行為的經(jīng)典模型被描述為“刺激(stimulus)-機體(organism)-反應(yīng)(response)”。標(biāo)志牌作為高速公路重要的信息載體，不僅其信息量大小要處于駕駛?cè)怂芙邮艿淖罴汛碳し秶鷥?nèi)，而且其布設(shè)位置需要預(yù)留給駕駛?cè)顺湓５牟僮鲿r間。

筆者基于駕駛?cè)藢?biāo)志牌視認(rèn)性和換道操作舒適性提出了1種交通標(biāo)志適用性評價方法，并結(jié)合洛陽-三門峽高速公路改擴建工程中央分隔帶封閉區(qū)交通標(biāo)志方案，對中央分隔帶封閉區(qū)域的新型交通標(biāo)志進行評價。

1中央分隔帶封閉區(qū)安全問題分析

雙向4車道高速公路單側(cè)整體加寬拓建成雙向8車道，老路半幅改變行車方向后，原中央分隔帶的保留將單向4車道公路劃分為內(nèi)側(cè)、外側(cè)2種車道，將不同車型隔離分開行駛，內(nèi)側(cè)輕型車輛行駛車道供小客車、小型貨車、中型客車和大客車行駛，外側(cè)重型車輛行駛車道供中型貨車、大型貨車和重型貨車行駛，見圖1。

圖1　單側(cè)加寬工程出入段交織區(qū)行駛軌跡

分車型、分車道行駛能有效提高原有中央分隔帶內(nèi)側(cè)車道行車速度，提升道路通行能力，同時減小車道內(nèi)車輛運行速度差，提高車輛運行的安全舒適性，降低交通事故，特別適合于我國目前大貨車和小轎車車速差比較大的現(xiàn)狀。

但是，保留老路中央分隔帶后，車輛需要駛過中央分隔帶封閉進出內(nèi)側(cè)快速車道，是常規(guī)交通組織中沒有出現(xiàn)過的，不符合駕駛?cè)笋{駛習(xí)慣。輕型車輛駛出內(nèi)側(cè)車道與外側(cè)車道重型車輛交織，不同車型間車速差大；輕型車輛從外側(cè)車道駛?cè)雰?nèi)側(cè)車道時，內(nèi)側(cè)車道車速快，需要尋找可接受間隙完成合流過程，增加的分流和合流行為帶來了新的行車風(fēng)險和安全隱患。因此，有必要研究滿足駕駛?cè)笋{駛安全舒適性需求的中央分隔帶封閉交通標(biāo)志，并分析交通標(biāo)志對保證車輛安全舒適運行的有效性。

2中央分隔帶封閉區(qū)域交通標(biāo)志設(shè)置

考慮到立交、服務(wù)區(qū)區(qū)域駕駛?cè)说某鋈胄枨蠛徒Y(jié)構(gòu)障礙物，交通標(biāo)志設(shè)施的設(shè)置應(yīng)能夠及時有效的告知駕駛?cè)酥醒敕指魩Х忾]信息，誘導(dǎo)駕駛?cè)税踩孢m的到達中央分隔帶封閉。同時，交通標(biāo)志設(shè)施的設(shè)置應(yīng)能滿足駕駛?cè)顺鋈胫醒敕指魩Х忾]時的認(rèn)知期望需求[5]，降低交通信息獲取難度，預(yù)留足夠的反應(yīng)操作時間，保證安全舒適的從中央分隔帶封閉進出高速公路。

擴建后舊路變?yōu)橥?車道高速公路，內(nèi)側(cè)車輛從中央分隔帶封閉駛出高速公路時，內(nèi)側(cè)車輛先在中央分隔帶出口封閉前尋找可接受間隙由第四車道(最內(nèi)側(cè)車道)變換車道駛?cè)氲?車道，在封閉處駕駛?cè)藢ふ铱山邮荛g隙由第3車道變換車道駛?cè)胫醒敕指魩?，再換道駛?cè)胪鈧?cè)車道。駛?cè)敫咚俟穬?nèi)側(cè)車道的車輛行駛過程類似。針對車輛在封閉前與封閉處的換道需求，課題組設(shè)計了兩組特制的標(biāo)志，用于告知并誘導(dǎo)駕駛?cè)顺鋈胫醒敕指魩Х忾]。

2.1出入口分合流預(yù)告標(biāo)志設(shè)置

為使駕駛?cè)舜_認(rèn)封閉信息，需要在出口封閉前設(shè)置直行與右轉(zhuǎn)彎的分流指路標(biāo)志，在入口封閉前設(shè)置左轉(zhuǎn)彎與直行的分流指示標(biāo)志，以確保車輛的安全性和交通秩序的正常運營。標(biāo)志牌形式見圖2。

圖2　分合流標(biāo)志預(yù)告牌

該類型標(biāo)志牌力求簡約和明晰的表達前方封閉處道路交通信息，使駕駛?cè)艘宰疃虝r間明確和理解道路情況。具體設(shè)置在封閉前方2 km設(shè)置四級出口預(yù)告標(biāo)志。

2.2出入口中央分隔帶封閉預(yù)告標(biāo)志

為保證駕駛?cè)嗽谥醒敕指魩Х忾]處駕駛的安全舒適性，需要向駕駛?cè)颂峁┲醒敕指魩Х忾]位置信息，同時對慢快車道指示標(biāo)志進行設(shè)置，以確保駕駛?cè)藢η胺降缆?、交通情況的完全掌握。預(yù)告出口信息的內(nèi)容主要體現(xiàn)在將左右繞行標(biāo)志加入預(yù)告標(biāo)志內(nèi)，以簡明的符號使駕駛?cè)俗羁鞎r間了解前方道路信息，標(biāo)志牌版面形式見圖3，圖中地點名以洛三高速公路義馬立交出口為例。

圖3　立交出口中央分隔帶封閉預(yù)告標(biāo)志

中央分隔帶封閉預(yù)告標(biāo)志以門架形式分別設(shè)置在內(nèi)、外側(cè)車道上方。具體位置為距離中央分隔帶封閉末端前2 km，1 km，和500 m處，當(dāng)中央分隔帶封閉長度大于3 km時，增設(shè)3 km預(yù)告標(biāo)志。

2.3中央分隔帶封閉區(qū)域交通標(biāo)志整體方案

上述2組標(biāo)志結(jié)合其他常用標(biāo)志，中央分隔帶出口封閉區(qū)域交通標(biāo)志整體方案見圖4。中央分隔帶入口封閉區(qū)域交通標(biāo)志方案類似，僅標(biāo)志牌形式略有不同。

圖4　出口區(qū)域交通標(biāo)志方案

3 交通標(biāo)志適用性評價方法

3.1標(biāo)志可視距離

交通標(biāo)志，主要以文字呈現(xiàn)，從容易視認(rèn)的角度，視角α角需要10′～15′。視角即由外界2點發(fā)出的光線經(jīng)眼內(nèi)結(jié)點所形成的夾角。根據(jù)人體視覺特性，可視距離S可以由公式確定[6]。

(1)

式中：S為可視距離,m,；h為標(biāo)志中文字的高度,m；α為駕駛?cè)艘暯?(°)。

根據(jù)規(guī)范《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》(GB5768-2009)相關(guān)規(guī)定，指路標(biāo)志中文字高度與道路設(shè)計速度之間的關(guān)系見表1[7]。

表1　漢字高度與設(shè)計速度之間的關(guān)系

3.2標(biāo)識信息量與視認(rèn)時間

駕駛?cè)艘曊J(rèn)標(biāo)志是為了獲取信息，其中字符和圖形等是信息的主要載體。交通標(biāo)志在傳遞信息時所攜帶的信息量將對駕駛?cè)水a(chǎn)生不同的認(rèn)知負(fù)荷。在信息理論中使用的信息量計算經(jīng)典方法[8]為：

(2)

其中：H(X)為標(biāo)志所具有的信息量，b；Xi為事物X呈現(xiàn)i狀態(tài)；m為某一事物可能出現(xiàn)不同狀態(tài)的總數(shù)；P(Xi)為出現(xiàn)第i種狀態(tài)的概率。

假設(shè)m種狀態(tài)出現(xiàn)的概率相等，即P(Xi)=1/m，則上述公式就變?yōu)?/p>

(3)

在實際行車過程中，駕駛?cè)藢Σ煌氐恼J(rèn)知程度不同，即在交通標(biāo)志提供信息方面，不同元素所起的作用會有所不同。國內(nèi)有學(xué)者對此進行了研究，采用層次分析的方法確定了6種元素的權(quán)重[4]。各元素權(quán)重大小見表2。

表2　道路交通標(biāo)志所包含的6種元素的權(quán)重

對交通標(biāo)志牌中的不同元素賦予不同的權(quán)重，則標(biāo)志牌所含信息量計算公式為

(4)

式中：ai為元素的權(quán)重；Hi為單個元素包含的信息量；ni為交通標(biāo)志上該元素的個數(shù)。

本課題組經(jīng)過對采集到的大量標(biāo)志牌的信息量進行統(tǒng)計分析，將標(biāo)志牌信息量分為A,B,C,D 4個級別，具體分級結(jié)果見表3。通過實車實驗及模擬實驗研究表明：100，80 km/h行車速度下駕駛?cè)藢Σ煌畔?biāo)志牌視認(rèn)時間見表4。

表3　不同信息量的標(biāo)志牌的分級結(jié)果

表4　各級信息標(biāo)志視認(rèn)時間

3.3評價方法

考慮最不利條件下，即車輛需從最內(nèi)側(cè)車道駛?cè)胪鈧?cè)車道或從最外側(cè)車道駛?cè)雰?nèi)側(cè)車道，車輛行經(jīng)分合流預(yù)告標(biāo)志、出入口中央分隔帶封閉2.1 km預(yù)告標(biāo)志后均未做出正確車道選擇，直到看到出入口中央分隔帶封閉前最近指路標(biāo)志后才采取換道操作。此時，中央分隔帶封閉前最近指路標(biāo)志的設(shè)置距離決定了駕駛?cè)四芊袷孢m、安全地出入中央分隔帶封閉。如果設(shè)置距離不合適，比如太靠近封閉端部，駕駛?cè)藢χ嘎窐?biāo)志內(nèi)容視認(rèn)后已經(jīng)來不及采取正常的駕駛行為，導(dǎo)致駕駛?cè)隋e過通過封閉出入內(nèi)側(cè)車道的機會，極端情況下甚至?xí)霈F(xiàn)急剎車、突兀地變換車道等駕駛行為，造車交通流的紊亂。筆者從駕駛?cè)私嵌瘸霭l(fā)，提出了基于駕駛?cè)艘曊J(rèn)性和換道操作舒適性的指路標(biāo)志前置距離評價方法。

如圖5所示，車輛從第4車道駛出中央分隔帶進入外側(cè)車道的過程可分解為以下幾段距離：從駕駛?cè)丝汕逦直鏄?biāo)志牌內(nèi)容到標(biāo)志牌位置，稱為標(biāo)志可視距離S可；從能清晰識別標(biāo)志牌內(nèi)容到完成標(biāo)志牌信息認(rèn)知與判斷過程車輛行駛的距離，稱為視認(rèn)距離S視；對標(biāo)志牌視認(rèn)完后，駕駛?cè)瞬扇Q道操作，經(jīng)過2次換道行駛到中央分隔帶過程中車輛行駛距離稱為車輛換到距離S換；標(biāo)志牌到封閉漸變段標(biāo)線端點距離，稱為標(biāo)志牌與導(dǎo)流尖端距離S導(dǎo)；標(biāo)志牌到封閉末端距離，稱為標(biāo)志牌前置距離S前；中央分隔帶封閉末端長度按照《公路路線設(shè)計規(guī)范》中11.5.3的規(guī)定，采用1:80的漸變率[9]，長度為350 m。

基于駕駛?cè)苏J(rèn)知原理，駕駛?cè)藢?biāo)志牌信息的獲取、分析、判斷過程因信息量的不同需要耗費不同長度時間，行駛不同長度距離。視認(rèn)距離小于標(biāo)志牌可視距離才能保證駕駛?cè)四苡谐浞謺r間對標(biāo)志牌進行視認(rèn)，防止駕駛過程中認(rèn)知負(fù)荷過高現(xiàn)象的出現(xiàn)。基于駕駛?cè)藫Q道操作舒適性，駕駛?cè)诵柙诜忾]末端導(dǎo)流標(biāo)線尖端前從容地完成換道過程，行駛至中央分隔帶。封閉末端導(dǎo)流標(biāo)線長350 m足夠中央分隔帶車輛換道駛?cè)胪鈧?cè)車道?；隈{駛?cè)艘曊J(rèn)性和換道操作舒適性，指路標(biāo)志設(shè)置需滿足以下2個條件：

圖5　車輛駛出中央分隔帶封閉示意圖

1) 標(biāo)志可視距離大于視認(rèn)距離，即S可>S視。

2)標(biāo)志可視距離與標(biāo)志牌與導(dǎo)流尖端距離之和大于視認(rèn)距離與車輛換到距離之和，即S可+S導(dǎo)>S視+S換。

4應(yīng)用實例分析

以洛三高速公路改擴建工程中央分隔帶封閉區(qū)交通標(biāo)志設(shè)置為例進行應(yīng)用分析，該高速公路中央分隔帶封閉區(qū)最小長度為1.5 km。以中央分隔帶封閉區(qū)指路標(biāo)志信息量最大的義馬互通處中央分隔帶出口為例，對交通標(biāo)志適用性進行評價。

根據(jù)交通標(biāo)志信息量計算方法，對圖6所含的信息量進行計算：圖中標(biāo)志牌包含漢字23個，英文字母10個，數(shù)字3個，顏色4種，方向箭頭3個，符號2個。信息量為H=0.25×23×11.77+0.07×10×4.70+0.09×3×3.32+0.05×4×3.00+0.26×3×4.64+0.28×2×4.09=78.37 b。

圖6　立交出口中央分隔帶封閉指路標(biāo)志

對照表3知標(biāo)志牌信息量等級為B級，以最高限速100 km/h行駛時對標(biāo)志牌視認(rèn)時間為2.407 s，計算視認(rèn)距離S視：

S視=(100/3.6)×2.407=67m

本方案中央分隔帶封閉區(qū)指路標(biāo)志漢字高度70 cm，駕駛?cè)艘暯铅寥?0′，標(biāo)志可視距離S可：

研究認(rèn)為駕駛?cè)嗽谲嚨雷儞Q前、中、后的行為依靠的是自身控制能力以及視力，駕駛?cè)嗣客瓿?次車道變換需要5.14 s[10]。車輛換道距離等于車輛行駛速度與車道變化需要時間之積。所評價公路內(nèi)側(cè)車道最高限速100 km/h，車輛從第4車道換道駛?cè)胫醒敕指魩н^程車輛行駛距離S換：

S換=2×(100/3.6)×5.14=286m

中央分隔帶封閉前最近指路標(biāo)志距離封閉末端500 m，標(biāo)志牌與導(dǎo)流尖端距離S導(dǎo)=150 m。

計算可得本方案中：

標(biāo)志可視距離240 m大于標(biāo)志視認(rèn)距離67 m，即滿足S可>S視。

標(biāo)志可視距離與標(biāo)志牌與導(dǎo)流尖端距離之和為390 m，大于視認(rèn)距離與車輛換到距離之和353 m，即滿足S可+S導(dǎo)>S視+S換。

5結(jié)束語

基于駕駛?cè)艘曊J(rèn)性和換道操作舒適性的量化計算，對交通標(biāo)志適用性評價開展分析研究，評價改擴建高速公路單側(cè)拼寬情形時的中央分隔帶封閉區(qū)交通標(biāo)志設(shè)置的合理性。并結(jié)合洛陽-三門峽高速公路改擴建工程開展實例分析，結(jié)果表明：改擴建高速公路中央分隔帶封閉區(qū)域交通標(biāo)志設(shè)計簡約、明晰，標(biāo)志牌信息量合適，駕駛?cè)嗽诳梢暦秶鷥?nèi)能從容完成標(biāo)志牌的認(rèn)知過程；基于駕駛?cè)艘曊J(rèn)性和換道操作舒適性分析，中央分隔帶封閉處指路標(biāo)志前置距離500 m能有效保證駕駛?cè)藫Q道操作舒適性，避免急剎車和突然換道等駕駛行為的出現(xiàn)。所評價高速公路中央分隔帶封閉區(qū)域交通標(biāo)志的新型設(shè)計方案能為其他山區(qū)高速公路單側(cè)加寬改造工程提供借鑒意義。

本文并沒有考慮不同天氣、環(huán)境等因素對駕駛?cè)艘曊J(rèn)過程的干擾。在有條件的情況下，對新型標(biāo)志的視認(rèn)性進行駕駛模擬評價研究，具有更好的效果。

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