劉 勇

(3M中國有限公司，廣州 510663)

截至2019年，我國汽車保有量突破2.6億輛，公路總里程達(dá)484.65萬km，其中高速公路達(dá)14.26萬km[1]，我國的道路建設(shè)規(guī)模和道路使用已成為世界交通大國。我國要從世界交通大國邁向世界交通強國，除在基礎(chǔ)設(shè)施硬件的規(guī)模建設(shè)外，在交通科學(xué)管理方面需不斷創(chuàng)新發(fā)展，并向發(fā)達(dá)國家學(xué)習(xí)。

美國對公路彎道安全的研究起步較早，也較系統(tǒng)。從2006年開始，美國聯(lián)邦公路局主持專項研究如何提升彎道內(nèi)的交通安全水平，并發(fā)布了《彎道安全提升的低成本措施》的技術(shù)報告，該報告綜合了美國相關(guān)的研究論文和文獻(xiàn)，總結(jié)出有效、低成本的工程改善措施，如交通標(biāo)志、交通標(biāo)線、輕度破損的路面改造措施，且每隔一段時間會根據(jù)新的研究結(jié)果進(jìn)行更新，2016版是最新版本，在報告中提出了以下交通標(biāo)志的改善措施[2]：

1) 增大交通標(biāo)志的尺寸，可提高標(biāo)志的識認(rèn)性。

2) 在道路兩側(cè)同時設(shè)置相同內(nèi)容的標(biāo)志，可提高標(biāo)志被發(fā)現(xiàn)的幾率。

3) 在建議速度標(biāo)志桿上粘貼一條反光材料，可降低車輛通過彎道的平均速度，最高可降低16 km/h。

4) 使用熒光黃反光材料制作線形誘導(dǎo)標(biāo)志，可降低鄉(xiāng)村公路彎道上18%～35%的碰撞事故。

5) 在彎道警告標(biāo)志和誘導(dǎo)標(biāo)上配套使用黃閃燈能降低37%～76%的彎道碰撞事故。

6) 在彎道中設(shè)置車速反饋標(biāo)志，能明顯降低彎道通過速度，減少5%～7%的彎道碰撞事故。

目前，我國大陸還沒有一個國家級管理機構(gòu)把道路彎道安全的提升作為一個固定的專題項目來持續(xù)研究和跟蹤，但近年彎道交通安全也受到不少交通研究者的關(guān)注。趙曉華等[3]通過駕駛模擬試驗，發(fā)現(xiàn)警告標(biāo)志位置會影響車輛在彎道前直線路段的行駛速度，駕駛員在彎道路段對速度的縱向控制過彎前后速度的波動性。張智勇等[4]利用高精度車載GPS對小客車在不同彎道半徑下的運行速度進(jìn)行采集，建立距離與運行速度的預(yù)測模型,以實際運行速度的85%作為建議速度值，并給出建議速度標(biāo)志的設(shè)置間距,指出當(dāng)彎道上連續(xù)設(shè)置建議速度標(biāo)志時，可有效降低車輛的實際運行速度。韓磊等[5]提出交通工程設(shè)施信息量對駕駛員行車時注視強度、掃視強度和眨眼強度均有顯著影響。彎道內(nèi)設(shè)施信息量應(yīng)適度，低信息量和高信息量條件下駕駛員辨識和搜索能力及注意力集中程度較差，不利于行車安全。徐良杰等[6]研究了在冰雪環(huán)境下彎道誘導(dǎo)標(biāo)的色彩識認(rèn)效果，藍(lán)色和紅色標(biāo)志擁有最佳視認(rèn)效果，藍(lán)色標(biāo)志略優(yōu)于紅色標(biāo)志；車速在20 km/h～50 km/h 時，視認(rèn)距離為33 m～41 m，且擁有良好的穩(wěn)定性，綠色標(biāo)志視認(rèn)距離穩(wěn)定性較差，黃色標(biāo)志視認(rèn)距離整體最低，且二者均不利于行車安全性。

本文就公路彎道的交通標(biāo)志設(shè)計，對比分析了國內(nèi)的GB 5768.2—2009《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線 第2部分道路交通標(biāo)志》、JTG D82—2009《公路交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)置規(guī)范》和美國2009年版的《交通控制設(shè)施統(tǒng)一手冊》，從駕駛需求分析的角度，探尋美國交通設(shè)施設(shè)計規(guī)范背后的科學(xué)依據(jù)，供國內(nèi)交通設(shè)計、管理同行借鑒。

1 彎道的駕駛?cè)蝿?wù)分析

美國公路合作研究組織NCHRP(National Cooperative Highway Research Program)是美國公路運輸協(xié)會聯(lián)合美國聯(lián)邦公路局共同成立的研究機構(gòu)，著力研究公路規(guī)劃、建設(shè)、設(shè)計、運營、維護中出現(xiàn)的各種問題，每年都會發(fā)表各類的研究報告，這些報告被美國及世界很多國家作為制定國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的參考依據(jù)。其中編號為600的報告《公路系統(tǒng)人因工程指南》中，對平面曲線道路中的人因工程有著詳盡的論述，包括彎道駕駛?cè)蝿?wù)的分析、駕駛者對曲線道路的感知、曲線路段駕駛速度的選取、幫助駕駛者安全操控等措施。

該報告中按駕駛?cè)蝿?wù)的不同把彎道分成了4個階段，分別是接近彎道、發(fā)現(xiàn)彎道、駛?cè)牒屯ㄟ^彎道、以及駛出彎道，如圖1所示，并對每個階段的駕駛?cè)蝿?wù)、視覺需求大小、有效信息傳遞模式、車輛操控需求、影響車速的因素都有具體的描述，如表1所述。

圖1 彎道的4個階段[7]

2 駕駛者對彎道的感知研究

表1中的主觀預(yù)期和曲率判斷，即指每個駕駛者對彎道的危險程度有自身的感知。在接近和進(jìn)入彎道后，駕駛者會根據(jù)前方道路輪廓及特征得出自己認(rèn)為的彎道曲率，這個曲率稱之為“視覺曲率”，駕駛者通常會依據(jù)它來判斷以什么速度通過這個彎道是安全的，雖然駕駛者也會從交通標(biāo)志上獲取限速信息，但視覺曲率依然會是影響駕駛速度的主要因素。而這種視覺曲率和彎道的實際曲率往往并不一致，在凹形豎曲線和平面曲線疊加的彎道中，視覺曲率會比實際曲率小，即駕駛者感知的彎道比實際的更平坦，這就會誘使駕駛者以更高的速度通過彎道，如圖2所示。圖2中，虛線為駕駛者主觀認(rèn)知的彎道路徑，實線為實際的彎道路徑，二者路徑有偏差，如駕駛者不及時調(diào)整駕駛方向和速度，會在彎道中心處附近侵入到相鄰車道，造成潛在的交通事故點。

3 彎道的偏角和彎道半徑

偏角和彎道半徑是道路交通上常用來表征彎道緩急的2個參數(shù)。偏角的定義是曲線起點處的切線與曲線終點處的切線相交時所形成的夾角，如圖3(a)所示。彎道半徑又稱為彎道曲率半徑，是連接彎道中心與彎道上任一點的線段，如圖3(b)示，r即為該彎道的曲率半徑。

表1 彎道4個階段的駕駛?cè)蝿?wù)和局限[7]

圖2 視覺曲率與實際曲率的差異[7]

偏角和彎道半徑這2個參數(shù)都能在一定程度上表征曲線的彎曲程度，但在實際彎道中，哪一個能更準(zhǔn)確地體現(xiàn)彎道給駕駛帶來的困難，是偏角越大，駕駛難度越大，駕駛需求越高？還是彎道半徑越小，駕駛難度越大，駕駛需求越高呢？來自美國密西根大學(xué)交通研究院的Omer TSIMHONI 和 Paul A. GREEN[8]曾就這個問題做過專門的試驗。試驗邀請了24名合格的駕駛者，年齡最小為18歲，最大的超過55歲，男女駕駛者各半，試驗設(shè)備包括駕駛模擬器及眼動儀等，道路設(shè)計有13種不同類型的彎道，其中包含20°、45°、90°三種不同的偏角，582 m、291 m、194 m、146 m四種不同的彎道曲率半徑。

該試驗得出一個重要的結(jié)論是無論在任何年齡段，其在彎道中的視覺需求與彎道半徑呈線性相關(guān)，

(a) 偏角

(b) 曲率半徑

而視覺需求并沒有隨著偏角的變化呈現(xiàn)出顯著不同[8]。由此可見，彎道半徑比偏角更能表征彎道對駕駛需求的影響。

4 彎道中交通標(biāo)志的設(shè)置設(shè)計思路

在上述分析和試驗基礎(chǔ)上，下面僅以交通標(biāo)志這一類設(shè)施為例，剖析彎道4個階段不同的設(shè)置和設(shè)計思路。

1) 接近彎道階段。該階段駕駛者的負(fù)擔(dān)不大，繼續(xù)按正常的駕駛方式和速度操控汽車，該路段需設(shè)置彎道預(yù)警標(biāo)志和相對應(yīng)的建議速度標(biāo)志，讓駕駛者獲知前方道路形態(tài)的變化信息及相應(yīng)的速度調(diào)整信息。

2) 發(fā)現(xiàn)彎道階段。該階段，駕駛者會逐漸發(fā)現(xiàn)前方道路的變化，會根據(jù)前方道路輪廓及特征得出他感知的彎道曲率，即視覺曲率，并開始調(diào)整車速，操控汽車使車輛保持在現(xiàn)有車道，此階段可再次設(shè)置彎道預(yù)警標(biāo)志及建議速度標(biāo)志，重復(fù)提醒駕駛者前方的彎道信息和建議速度信息。在接近彎道的位置，要開始設(shè)置彎道誘導(dǎo)標(biāo)，協(xié)助駕駛者更清晰地判斷彎道輪廓，修正自己的視覺曲率。

3) 駛?cè)牒屯ㄟ^彎道階段。該階段駕駛者的主要任務(wù)就是根據(jù)前方景物不斷修正自己的視覺曲率，并相應(yīng)調(diào)整車速和方向，操控車輛保持在安全的車道上行駛，該階段駕駛者需要的只是直接的道路輪廓誘導(dǎo)信息，因此在彎道內(nèi)的交通標(biāo)志只能是誘導(dǎo)標(biāo)，而不應(yīng)有文字類或復(fù)雜圖形類標(biāo)志，否則會對駕駛者操控汽車造成潛在干擾。

4) 駛出彎道階段。該階段駕駛者從緊張的汽車操控中逐漸松弛下來，希望把汽車加速到進(jìn)入彎道前的正常車速，可設(shè)置限速解除標(biāo)志。

以上4個階段需設(shè)置的交通標(biāo)志有彎道警告標(biāo)志、彎道內(nèi)建議速度標(biāo)志、線形誘導(dǎo)標(biāo)志以及限速解除標(biāo)志，這幾類標(biāo)志的設(shè)置位置、標(biāo)志大小、間距同樣蘊含著科學(xué)的人因工程及駕駛需求分析。美國2009年版的《交通控制設(shè)施統(tǒng)一手冊》中對這些標(biāo)志在彎道中如何設(shè)置有著非常詳盡的規(guī)定。

4.1 交通標(biāo)志設(shè)置的必要性

彎道警告標(biāo)志、線形誘導(dǎo)標(biāo)志、建議速度標(biāo)志設(shè)置的必要性規(guī)定如表2所示。依據(jù)進(jìn)入彎道前的設(shè)計速度與彎道內(nèi)的建議速度之差來判斷各類標(biāo)志設(shè)置的必要性，分為3類：

必須：在該類彎道上必須設(shè)置這類標(biāo)志。

推薦：在該類彎道上應(yīng)該設(shè)置這類標(biāo)志。

可選：在該類彎道上根據(jù)其他道路條件進(jìn)行判斷，可設(shè)置，也可不設(shè)置。

隨著速度差值的增大，各類標(biāo)志設(shè)置的強制性也逐漸增多，速度差值在32 km/h及以上，則所有標(biāo)志都必須設(shè)置。

表2 彎道相關(guān)標(biāo)志設(shè)置要求[9]

4.2 警告類標(biāo)志設(shè)置的前置距離

根據(jù)警告標(biāo)志的前置距離規(guī)定，如果進(jìn)入彎道前的設(shè)計速度為96 km/h，而彎道內(nèi)的建議速度為16 km/h，那該塊彎道警告標(biāo)志應(yīng)設(shè)置在彎道起點前105 m處，這個距離是如何得出的呢？以下為具體的演算過程，如表3所示，其駛?cè)霃澋肋^程如圖4所示。

圖4中，彎道中A點為駕駛者發(fā)現(xiàn)標(biāo)志點，B點為彎道警告標(biāo)志設(shè)置點，C點為駕駛者閱讀完標(biāo)志開始減速點，D點為彎道的起點，從空間距離上解讀AD=AB+BD，即標(biāo)志識認(rèn)距離+標(biāo)志前置距離，而從駕駛?cè)蝿?wù)上解讀AD=AC+CD，即標(biāo)志的感知反應(yīng)階段+操控減速階段。

標(biāo)志的感知反應(yīng)階段在國外通常稱之為PRT(Perception-response time)，指駕駛者發(fā)現(xiàn)標(biāo)志、識認(rèn)標(biāo)志、決定行動、開始行動的時間總和，這個時間目前被廣泛認(rèn)可是2.5 s，在這段時間內(nèi)汽車向前行駛的距離為AC。操控減速階段是指駕駛者將目前的速度降低至彎道內(nèi)的建議速度的時間，在這段時間內(nèi)汽車向前行駛的距離為CD，可通過以下計算得出駕駛者完成這2個階段的駕駛?cè)蝿?wù)后汽車移動的距離。

AC階段駕駛者是以正常的設(shè)計速度勻速行駛，則AC的距離為：

AC=vt

式中：v為駛?cè)霃澋狼暗脑O(shè)計車速，即為96 km/h，單位換算后為26.4 m/s，t=2.5 s，則AC=26.4×2.5=66 m。

表3 警告標(biāo)志的前置距離[9]

圖4 駕駛者在彎道的感知及警告標(biāo)志設(shè)置示意

CD階段駕駛者是在做勻減速運動，操控車輛把車速從道路的設(shè)計時速減到彎道內(nèi)的建議速度，所以CD的距離可以根據(jù)公式得出：

式中：v為駛?cè)霃澋狼暗南匏伲礊?6 km/h，單位換算后為26.4 m/s；v0為彎道內(nèi)的建議速度，即為16 km/h，單位換算后為4.38 m/s；a為汽車減速度，MUTCD中確定其為3 m/s2。將各數(shù)值代入公式，計算可得：

則AD=AC+CD=66+112.8=178.8 m，而AD=AB+BD=AC+CD=178.8 m，則BD=178.8-AB。AB為標(biāo)志的識認(rèn)距離，是指能識別該標(biāo)志的最遠(yuǎn)距離，它的計算公式是標(biāo)志識認(rèn)距離=標(biāo)志識認(rèn)指數(shù)×字符高度，在MUTCD中認(rèn)定其為75 m，則BD=178.8-75=103.8 m，即該彎道警告標(biāo)志的前置距離為103.8 m，近似等于105 m。

4.3 線形誘導(dǎo)標(biāo)志的尺寸和設(shè)置間距

在MUTCD中，線形誘導(dǎo)標(biāo)志是被歸為警告標(biāo)志類，每一類警告標(biāo)志根據(jù)道路級別的不同，以及單車道和多車道的不同，其尺寸都有非常明確的規(guī)定，尺寸最小是在普通道路上的單車道道路，為450 mm×600 mm，尺寸最大是在高速公路上，為900 mm×120 mm。

2003版MUTCD對線形誘導(dǎo)標(biāo)的設(shè)置間距沒有做出具體的推薦數(shù)值，只是籠統(tǒng)地要求必須要保證駕駛者在任何時候都能看到至少2塊以上的線形誘導(dǎo)標(biāo)志，設(shè)置的線形誘導(dǎo)標(biāo)志必須要有足夠的可視距離，以保證駕駛者有足夠的反應(yīng)時間來操控汽車。在2003年—2009年間，美國學(xué)者做了大量的試驗研究，論證輪廓標(biāo)的數(shù)量和有效性，其中Elisabeth R. Rose 和 Paul J. Carlson[10]的研究結(jié)果最為著名，提出不同曲率的彎道對線形誘導(dǎo)標(biāo)志數(shù)量需求不同，對小半徑的彎道，駕駛者的視野中只看到2塊誘導(dǎo)標(biāo)是不夠的，視野中看的誘導(dǎo)標(biāo)數(shù)量越多，車速下降越快，并根據(jù)彎道曲率半徑的不同給出了具體的線形輪廓標(biāo)的設(shè)置間距[10]。2009年版MUTCD參照Elisabeth R. Rose 和 Paul J. Carlson[10]的研究結(jié)論，列出了具體的推薦間距數(shù)值。間距設(shè)置的依據(jù)是彎道曲率半徑及彎道內(nèi)的建議速度，曲率半徑越小，建議速度越低，則設(shè)置的間距越小，即設(shè)置越密，對駕駛者判斷彎道的曲率越有幫助。

5 對國內(nèi)彎道設(shè)施設(shè)計的啟發(fā)

美國較中國大陸提早40年進(jìn)入汽車時代，人因工程和駕駛需求等基礎(chǔ)性研究也早在上世紀(jì)60年代就已開始，參與研究的機構(gòu)有高校、企業(yè)、民間行業(yè)協(xié)會、各州的交通部及美國聯(lián)邦公路局等，目前已形成門類齊全的研究體系，每年都會就新出現(xiàn)的交通安全問題進(jìn)行專項研究。官方會依據(jù)這些最新研究成果對交通安全設(shè)施的應(yīng)用規(guī)范進(jìn)行及時修訂，持續(xù)改進(jìn)道路交通安全。中國用不到10年的時間走完了西方近40年才走完的道路，幾乎是跑步進(jìn)入汽車時代，導(dǎo)致在思想觀念上造成了長期的“重建設(shè)，輕管理”。現(xiàn)行交通設(shè)施應(yīng)用規(guī)范還停留在國內(nèi)10年前的科研成果上，比如國內(nèi)還在以彎道偏角大小作為判別是否需要設(shè)置誘導(dǎo)標(biāo)的依據(jù)，且誘導(dǎo)標(biāo)設(shè)置密度的依據(jù)是將進(jìn)入彎道前的設(shè)計速度作為唯一判定標(biāo)準(zhǔn)，而沒有綜合考慮彎道曲率半徑以及彎道內(nèi)的限速等。筆者根據(jù)現(xiàn)行的中美交通設(shè)施規(guī)范，就彎道內(nèi)誘導(dǎo)標(biāo)的尺寸及設(shè)置間距進(jìn)行對比，結(jié)果如表4、表5所示。由表4、表5可知，在同等級公路條件下，美國設(shè)置誘導(dǎo)標(biāo)的尺寸遠(yuǎn)大于我國規(guī)范要求，最大的面積差了3倍；而在同等設(shè)計時速下，美國設(shè)置誘導(dǎo)標(biāo)的密度高于我國，在設(shè)計速度為120 km/h道路上，設(shè)置密度高了接近1倍。更大的標(biāo)志尺寸和更短的設(shè)置間距，意味著給駕駛者提供了更遠(yuǎn)的識認(rèn)距離，更準(zhǔn)確的彎道線形輪廓信息，駕駛者有更長的操控安全距離，更精準(zhǔn)的彎道曲率判斷，也就有了更安全的駕駛條件。在道路基礎(chǔ)建設(shè)上，國內(nèi)已經(jīng)和發(fā)達(dá)國家并駕齊驅(qū)甚至超過，但在交通安全、效率、管理上還有較大的差距。要想在這些交通軟實力上迎頭趕上，一方面要盡快建立健全交通安全基礎(chǔ)研究梯隊和體系，另一方面可借鑒美國等西方發(fā)達(dá)國家的研究成果，快速提升我國在交通設(shè)施的應(yīng)用管理水平，以匹配我國現(xiàn)階段及未來的道路使用及交通運輸規(guī)模。目前，GB 5768.2—2009《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線第2部分：道路交通標(biāo)志》正在進(jìn)行大的修訂，從該標(biāo)準(zhǔn)的征求意見稿中看到偏角已不再作為彎道誘導(dǎo)標(biāo)的設(shè)置依據(jù)了，誘導(dǎo)標(biāo)的間距設(shè)置是按照彎道半徑的不同作出了規(guī)定。雖然和美國相比，還存在一定的差異，但說明標(biāo)委會的專家們已看到了其中的問題并開始著力改進(jìn)，相信隨著這一新版本的發(fā)布，國內(nèi)公路標(biāo)志設(shè)置將上一個新的臺階。

表4 中美誘導(dǎo)標(biāo)設(shè)置間距比較[9，11-12]

表5 中美誘導(dǎo)標(biāo)尺寸比較[10，12-13]

6 結(jié)束語

1) 公路彎道按照其駕駛?cè)蝿?wù)的不同分為接近、發(fā)現(xiàn)、駛?cè)胪ㄟ^、駛出4個階段，根據(jù)每個階段不同的駕駛需求來設(shè)置不同的交通標(biāo)志。

2) 相比偏角，彎道曲率半徑能更準(zhǔn)確地表征彎道駕駛難度，彎道內(nèi)標(biāo)志的設(shè)置位置、尺寸、間距都與之密切相關(guān)。

3) 警告類標(biāo)志設(shè)置的前置距離與道路的設(shè)計速度及彎道內(nèi)的限速有關(guān)，在設(shè)置時需考慮駕駛者的感知反應(yīng)時間和車輛減速距離。

4) 彎道誘導(dǎo)標(biāo)的尺寸和設(shè)計間距與彎道的曲率半徑及彎道內(nèi)的限速有關(guān)，曲率半徑越小，彎道內(nèi)的限速越低，則設(shè)置的間距越小，即設(shè)置越密，對駕駛者判斷彎道的曲率越有幫助。

5) 國內(nèi)應(yīng)重視交通管理及交通設(shè)施安全系統(tǒng)專項研究，建議采用彎道曲率半徑及限速作為彎道標(biāo)志的設(shè)計依據(jù)，加大彎道標(biāo)志的尺寸，加密彎道誘導(dǎo)標(biāo)的設(shè)置，以提高標(biāo)志的識認(rèn)性和誘導(dǎo)效果，滿足駕駛者在彎道上安全駕駛的需求。