黃利華，趙曉華，李 洋，榮 建

(1.北京工業(yè)大學 城市交通學院，北京 100124；2.北京市交通工程重點實驗室(北京工業(yè)大學)，北京 100124；3.北京城市系統(tǒng)工程研究中心，北京 100035；4.北京警察學院，北京 102202)

城市快速路出口包含立交出口、路段出口兩種類型. 實際中，快速路出入口多、標志設(shè)置空間受限，大多以立交出口預(yù)告標志作為設(shè)置重點. 此外，路段出口預(yù)告標志相關(guān)標準缺乏，加劇了預(yù)告標志的隨意設(shè)置，尤其是對于小間距路段出口(出口間距小于300 m)[1]. 當前，路段出口已成為快速路的重要部分，預(yù)告信息的不足極易誘發(fā)出口附近的駕駛安全、交通擁堵問題，完善路段出口的預(yù)告標志設(shè)置十分必要.

在國外研究中，文獻[2-5]主要借助駕駛模擬試驗評估高速公路指路標志的設(shè)置效用，從駕駛員的理解性、視認性及行為表現(xiàn)方面提出指路標志的優(yōu)化設(shè)置建議. 文獻[6-9]借助桌面模擬、駕駛模擬、實地測試試驗手段，分析立交橋出口圖形預(yù)告標志對駕駛行為的影響，為該標志的優(yōu)化設(shè)計提供了科學依據(jù). 在國內(nèi)研究中，文獻[10-11]針對現(xiàn)狀問題的分析提出快速路指路標志設(shè)計設(shè)置原則. 文獻[12-13]通過借鑒國外高速公路指路標志設(shè)置方法提出中國高速公路及快速路預(yù)告標志改進方法. 文獻[14-18]結(jié)合標志視認原理搭建高速公路及快速路指路標志位置優(yōu)化設(shè)置模型. 文獻[19]借助室內(nèi)視認及現(xiàn)場認讀試驗提出基于容錯理念的快速路指路標志設(shè)置方法. 相比國外，國內(nèi)主要借助歸納分析、國外借鑒、視認模型等定性化研究手段開展高速公路及快速路預(yù)告標志設(shè)置研究，未能有效結(jié)合動態(tài)駕駛行為數(shù)據(jù)開展量化研究. 因此，為提升研究成果在實際應(yīng)用中的適用性，中國應(yīng)針對快速路小間距路段出口預(yù)告標志，采用駕駛模擬、實地測試等試驗手段，基于動態(tài)駕駛行為數(shù)據(jù)開展定量優(yōu)化研究.

1 需求分析

立交出口通常連接高等級道路或區(qū)域，路段出口位于立交橋之間，一般通達低等級道路或地點，如圖1所示. 北京城市快速路約383.2 km，五環(huán)內(nèi)立交橋245座. 立交橋之間一般有1～3個路段出口，間距普遍在500 m左右，部分小至250 m左右. 為盡快完善快速路交通安全設(shè)施薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)優(yōu)先針對小間距路段出口開展預(yù)告標志優(yōu)化研究.

1.1 相關(guān)標準

中國現(xiàn)有國標、地標及指南[20-23]規(guī)范了高速公路或城市快速路出口的預(yù)告標志設(shè)置方法，以北京市為例，預(yù)告標志設(shè)置如圖2(a)所示. 實質(zhì)上，中國規(guī)范主要解決高速公路出口、快速路立交出口的指引問題. 然而，兩類出口與路段出口在間距、功能方面存在較大差異，現(xiàn)有預(yù)告方法對路段出口的適用性有待驗證.

美國高等級路網(wǎng)發(fā)達，立交橋是城市快速路與其他道路的主要連接形式，城市快速路路段出口甚少. 文獻[24]主要針對快速路立交橋預(yù)告標志進行詳細規(guī)范，如圖2(b)所示. 日本與中國在道路建設(shè)體系中更為相似，城市快速路路段出口普遍存在，道路標識手冊[25]明確規(guī)定其預(yù)告標志的設(shè)置方法，如圖2(c)所示. 為探究日本快速路路段出口預(yù)告方法的設(shè)置效果，本文將日本設(shè)置方法作為方案之一，與中國設(shè)置方法進行對比.

圖1 城市快速路中的立交出口、路段出口

(a) 中國 (b) 美國 (c) 日本

1.2 存在問題

以北京南二環(huán)的方莊出口、芳古出口，及通惠河北路的萬利中心出口、西大望路出口預(yù)告標志設(shè)置為例，如圖3所示. 4個小間距路段出口存在預(yù)告標志設(shè)置次數(shù)、位置、形式不一致的問題，萬利中心出口甚至存在預(yù)告標志缺失的現(xiàn)象.

圖3 北京快速路小間距路段出口指路標志

當前，城市快速路主要為雙向6車道道路，且出口密集、標志設(shè)置空間受限. 為合理分配空間資源，現(xiàn)狀預(yù)告標志以門架式多出口組合預(yù)告為主，并配合懸掛式預(yù)告為輔. 以北京市快速路某出口D為例，如圖4所示，雙向6車道條件下最多可設(shè)4次預(yù)告標志.

圖4 雙向6車道條件下D出口預(yù)告標志

1.3 研究目標

選取北京市典型快速路小間距路段出口(間距250 m)設(shè)計5種實驗場景，包含5種預(yù)告次數(shù)，即按照中國相關(guān)規(guī)范設(shè)置預(yù)告標志1次、2次、3次、4次及按照日本相關(guān)規(guī)范設(shè)置4次(日本)，設(shè)置參數(shù)見表1. 采用駕駛模擬技術(shù)開展效用評估研究，以獲取最優(yōu)預(yù)告方法.

表1 5條實驗場景預(yù)告標志的設(shè)置參數(shù)

Tab.1 Setting parameters of advance guide signs in five simulation scenarios

預(yù)告次數(shù)預(yù)告標志位置1次減速車道起點2次0.5 km、減速車道起點3次1.0、0.5 km、減速車道起點4次2.0、1.0、0.5 km、減速車道起點4次(日本)0.8、0.4、0.2 km、減速車道起點

2 試驗設(shè)計

2.1 被試者招募

招募被試者28名，其中男女比例3∶1，非職業(yè)、代駕司機比例5∶9. 被試者年齡分布在20～55歲(平均年齡數(shù)為33.18，年齡數(shù)標準差為8.78)，駕齡分布在2～23 a(平均駕齡數(shù)為8.72，駕齡數(shù)標準差為5.84).

2.2 試驗儀器

基于駕駛模擬艙系統(tǒng)，實時、動態(tài)采集車輛行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)(如行駛速度、加減速度等)、操控行為數(shù)據(jù)(如剎車、油門等)，采樣頻率為30 Hz.

2.3 試驗場景

5條實驗場景中所含測試道路相同，道路組成如圖5所示.

A—B為0.5 km的試驗起始路段(雙向4車道，限速60 km/h)；B—C為1 km的試驗過渡路段(雙向2車道，限速30 km/h)；C—G為2.25 km的城市快速路路段(雙向6車道，限速80 km/h)，D、E、F、G為4個出口位置.C—D、D—E間距分別為1.0、0.75 km；E—F、F—G間距均為0.25 km，G′為目的出口G減速車道漸變段起點.

5條試驗道路中，對實驗?zāi)康某隹贕分別按照北京市現(xiàn)行規(guī)范進行1、2、3、4次預(yù)告，及日本現(xiàn)狀進行4次預(yù)告；非目的出口按照北京規(guī)范設(shè)置4次預(yù)告(見圖4). 以目的出口G按照北京規(guī)范設(shè)置4次預(yù)告為例(非目的出口指路標志省略)，如圖5所示. 每條場景道路長約4 km，駕駛時間約5 min.

圖5 試驗道路及4次預(yù)告標志設(shè)置示例

2.4 試驗過程

每位被試者隨機駕駛5個試驗場景，試驗步驟如下：1)練習駕駛.被試者在非試驗場景中駕駛5 min，以適應(yīng)模擬車輛及周圍環(huán)境. 2)告知任務(wù).告知被試者試驗注意事項，如車輛限速、事故處理等；并告知去往目的地，要求按照日常駕駛習慣完成駕駛?cè)蝿?wù). 3)正式駕駛. 被試者開始駕駛，模擬系統(tǒng)采集試驗數(shù)據(jù). 4)結(jié)束任務(wù). 駕駛結(jié)束后，工作人員提問并記錄被試者尋找此次目的地的難易程度. 隨后被試者休息5～10 min，之后重復(fù)第2步，駕駛新的試驗場景. 5)問卷填寫.被試者將5個場景全部完成后，填寫駕后主觀問卷.

3 指 標

研究表明快速路出口前500 m是駕駛?cè)说年P(guān)鍵運行區(qū)域. 定義出口前500 m為關(guān)鍵影響范圍，以查看不同預(yù)告標志方案對駕駛?cè)嗽陉P(guān)鍵區(qū)域(O—G)的影響，如圖6所示.

圖6 關(guān)鍵影響范圍

基于駕駛?cè)苏J知過程，從主觀感受、操控行為、運行狀態(tài)3個層面，獲取關(guān)鍵影響范圍內(nèi)的9種指標數(shù)據(jù)，建立影響指標體系, 分析預(yù)告標志的影響規(guī)律，支撐5種預(yù)告方案的效用評估.

1)主觀感受.目的地難易程度打分：駕駛員對尋找目的地難易程度的主觀打分. 0代表非常難，10代表非常容易.

2)操控行為.GPpower：駕駛員踩油門的功效和[26]，關(guān)鍵影響范圍內(nèi)值越小表明駛出出口安全性越高，GPpower=∑(AΔt)，其中A為踩油門的深度，A取值為0～1，0代表未踩油門，1代表踩油門最大深度，Δt為采集數(shù)據(jù)間隔時間. 換車道次數(shù)：有效的預(yù)告標志能夠引導(dǎo)駕駛?cè)思皶r換車道，關(guān)鍵影響范圍內(nèi)換車道次數(shù)越少越好.

3)運行狀態(tài).速度：車輛行駛快慢情況，越接近運行速度行駛狀態(tài)越好. 速度標準差：車輛行駛速度波動或行駛平穩(wěn)情況[27]，波動越小越好. 加速度：車輛加減速情況，與運行狀態(tài)有關(guān)，行駛越順暢越好. 加速度標準差：加速度波動情況，表征行駛舒適程度，越小越好. 行駛時間：車輛運行時長，代表行駛效率，越短越好. 正確駛出比例：正確駛出目的出口的人員比例，表征標志引導(dǎo)效果，越高越好.

4 預(yù)告次數(shù)對駕駛行為的影響

采用重復(fù)測量方差分析，分析5種預(yù)告方案對駕駛行為的影響，發(fā)現(xiàn)不同預(yù)告次數(shù)對駕駛員主觀感受、操控行為、車輛運行狀態(tài)方面的影響不同.

1)主觀感受.目的地難易程度打分：預(yù)告次數(shù)對駕駛員尋找目的地難易感受存在顯著性影響(F(4,108)=7.03; Sig=0.001)；隨著預(yù)告次數(shù)增加，分值增高，表明駕駛員認為預(yù)告標志增多有助于尋找目的地，如圖7所示.

2)操控行為.GPpower：預(yù)告次數(shù)對油門功效存在顯著性影響(F(4,108)=5.67;Sig=0.00)；隨著預(yù)告次數(shù)增加而降低，設(shè)置4次預(yù)告時反而有小幅增加，如圖8(a)所示. 換車道次數(shù)：預(yù)告次數(shù)對換車道次數(shù)存在顯著性影響(F(4,108)=10.22;Sig=0.00)；隨著預(yù)告次數(shù)增加而降低，設(shè)置3次預(yù)告時達到最?。辉O(shè)置4次、4次(日本)預(yù)告時反而有增多趨勢，如圖8(b)所示.

圖7 預(yù)告方案對主觀感受指標的影響

Fig.7 Influence of five schemes on subjective feeling indicators

(a)GPpower

(b) 換車道次數(shù)

圖8 預(yù)告方案對操控行為指標的影響

Fig.8 Influence of five schemes on maneuvering behavior indicators

3)運行狀態(tài).速度：預(yù)告次數(shù)對行駛速度存在顯著影響(F(4,108)=3.14;Sig=0.04)；隨著預(yù)告次數(shù)增加有降低趨勢；設(shè)置3次預(yù)告時，速度反而增加，如圖9(a)所示. 速度標準差：預(yù)告次數(shù)對速度標準差無顯著影響(F(4,108)=0.86;Sig=0.51)；隨著預(yù)告次數(shù)增加有上升趨勢；設(shè)置3次預(yù)告時，速度波動反而減小，如圖9(b)所示. 加速度：預(yù)告次數(shù)對加速度無顯著影響(F(4,108)=1.46;Sig=0.25)；隨著預(yù)告次數(shù)增加而降低，設(shè)置3次預(yù)告時降幅更為明顯，如圖9(c)所示. 加速度標準差：預(yù)告次數(shù)對加速度標準差無顯著影響(F(4,108)=0.35;Sig=0.84)；但隨著預(yù)告次數(shù)增加而逐漸降低，如圖9(d)所示. 行駛時間：預(yù)告次數(shù)對行駛時間存在顯著影響(F(4,108)=3.58;Sig=0.02)；設(shè)置1、3次預(yù)告時行駛時間較短，如圖9(e)所示. 正確駛出比例：預(yù)告次數(shù)對正確駛出目的出口比例存在顯著影響(F(4,108)=4.13;Sig=0.011)；隨著預(yù)告次數(shù)增加而增加，1次預(yù)告時明顯較低，如圖9(f)所示.

綜上所述，獲取了不同預(yù)告次數(shù)顯著影響的6種指標(Sig<0.05). 結(jié)合6種指標定義及具體數(shù)值(見圖7～9)，對5種方案在每類顯著指標下的表現(xiàn)由優(yōu)到劣排序(排序值為1～5)見表2. 發(fā)現(xiàn)每種指標下5種預(yù)告次數(shù)的優(yōu)劣排序不同，難以確定最優(yōu)方案.

表2 5種預(yù)告次數(shù)在6種顯著指標下的優(yōu)劣排序

(a) 速度

(c) 加速度

(e) 行駛時間

(b) 速度標準差

(d) 加速度標準差

(f) 正確駛出比例

圖9 預(yù)告方案對運行狀態(tài)指標的影響

Fig.9 Influence of five schemes on operating status indicators

5 預(yù)告次數(shù)設(shè)置效用綜合評價

6種指標權(quán)重不明確，難以實現(xiàn)對5種方案的精準評估. 因此，考慮采用客觀的熵權(quán)法進行指標賦權(quán)，并結(jié)合TOPSIS方法有效解決本研究多目標決策分析的問題[28]，實現(xiàn)5種方案設(shè)置效用的綜合評價. 具體計算過程如下：

綜合得分由高到底依次為3次、4次、4次(日本)、2次及1次，如圖10所示. 按照日本規(guī)范設(shè)置4次預(yù)告時，效果不及中國3、4次預(yù)告，可能與其首次預(yù)告位置較近、預(yù)告間距較小有關(guān).

圖10 5種預(yù)告方案綜合得分

為體現(xiàn)各個方案的差異，采用依據(jù)肘部法則的K-means聚類對5種方案進行二分類：一類為預(yù)告1次，另一類為預(yù)告2次、3次、4次及4次(日本). 并開展各指標LSD兩兩對比，驗證聚類結(jié)果的合理性，發(fā)現(xiàn)1次預(yù)告同其他4種方案均存在顯著差異. 表明設(shè)置1次預(yù)告時對駕駛?cè)说闹嘎沸Ч黠@較差. 考慮預(yù)告標志對駕駛?cè)说木C合影響，建議工程應(yīng)用中優(yōu)先按照中國規(guī)范設(shè)置3次預(yù)告標志；條件受限時，應(yīng)至少進行2次預(yù)告.

6 結(jié) 論

1)目的地難易程度打分、駕駛員踩油門的功效和、換車道次數(shù)、速度、行駛時間、正確駛出比例均受到預(yù)告次數(shù)的顯著影響(Sig<0.05)，隨預(yù)告次數(shù)不同呈現(xiàn)不同的變化.

2)在減速車道起點前1.0、0.5 km及起點處設(shè)置3次預(yù)告標志時，綜合設(shè)置效果最好；其次為按照中國規(guī)范設(shè)置4次預(yù)告，及按照日本規(guī)范設(shè)置4次預(yù)告.

3)按照中國規(guī)范設(shè)置1次預(yù)告標志，設(shè)置效果較差；道路條件受限時，建議至少進行2次預(yù)告.

4)相比實地測試，駕駛模擬試驗行為數(shù)據(jù)具有相對有效性，研究結(jié)果具有一定的合理性，能夠有效解決路段出口預(yù)告信息缺失等問題. 當前實地測試實驗已廣泛應(yīng)用于駕駛?cè)苏J知領(lǐng)域，后期將開展實地測試以驗證優(yōu)化方案的設(shè)置效果. 并針對多出口預(yù)告標志設(shè)置空間受限、信息干擾等問題進行深入研究.