蘇 成，董君曼

(東北林業(yè)大學 土木工程學院，哈爾濱 150040)

對于高緯度寒區(qū)高速公路，當行駛在車道內(nèi)側(cè)的小型車外側(cè)出現(xiàn)大型車時，會對小型車駕駛員對路側(cè)標志的認讀產(chǎn)生影響。在小型車跟隨前方大型車行駛的情況下，小型車駕駛員在讀取門架式交通標志牌信息時，前方大型車可能會對后方跟隨小型車駕駛員認讀視線造成遮擋，最終影響駕駛員行車安全。針對這種情況，掌握在不同交通條件(包括不同大型車占有率、不同交通量等)下的大型車遮擋規(guī)律及寒區(qū)高速公路標志設置存在的問題，對現(xiàn)有以及將要建設的寒區(qū)高速公路交通標志優(yōu)化設計和遮擋狀況改善都具有重要意義。

Faghri[1]研究內(nèi)側(cè)車道小型車被外側(cè)車道的大型車遮擋交通標志后，通過建立相關(guān)數(shù)學模型分析小型車與大型車之間的相互關(guān)系。Anliang[2]利用圖像預處理和深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡提出了一種道路交通標志識別算法。該算法利用圖像分割檢測交通標志，并利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模型準確地識別道路交通標志。Al-Kaisy等[3]應用Matlab軟件建立遮擋概率模型，通過分析得到大小型車的運行速度、相對距離及交通量是影響標志遮擋概率的主要因素。Li等[4]通過魯班車輛檢測，應用設計的車輛檢測語法處理了部分交通監(jiān)控的車輛遮擋問題。Chen等[5]提出一種新的機遇遮擋感知的車輛檢測CNN框架，可很好地處理復雜城市交通場景中車輛遮擋問題。Huang等[6]應用移動激光掃描點云建立了研究駕駛員視線被遮擋現(xiàn)象與兩車間相對位置等因素之間關(guān)系的仿真模型。Pietrucha等[7]根據(jù)車輛到達規(guī)律, 利用數(shù)理統(tǒng)計方法建立大型車遮擋概率的計算模型，結(jié)果顯示小型車與大型貨車遮擋關(guān)系與其相對位置及所行駛路段上交通量等因素密切相關(guān)。Lu等[8]通過分析駕駛員對交通標志的視認過程，建立了重復交通標志計算模型。Agarwal等[9]提出了門架式交通標志遮擋問題，研究發(fā)現(xiàn)若重型車位于小型車之前時，小型車駕駛員無法視認出門架式交通標志信息，并通過概率論數(shù)學手段建立了交通標志遮擋模型的計算公式。Liu等[10]提出利用被遮擋交通標志檢測系統(tǒng)解決因道路交通標志差異性，以及被遮擋而導致的交通標志檢測問題，即利用一種顏色立方局部二值模式(CC-LBP)的顏色立方特征來構(gòu)造由整體到局部的級聯(lián)檢測器，經(jīng)實驗驗證，可以準確、高效地檢測到被遮擋的交通標志。Gornale等[11]使用歐幾里得和杰卡德矩陣的方法，在異質(zhì)氣候條件下，以每秒60幀的速度能執(zhí)行良好的識別和檢索不同形狀、顏色交通標志的準確性，同時可減少交通標志識別的時間復雜度。Lim等[12]提出一種基于通用圖形處理單元(GPGPU)的實時交通標志檢測與識別方法，即使用基于GPGPU的實時交通標志檢測并使用層次模型進行區(qū)域檢測和識別，具有較強的抗光照條件變化能力，提高了交通標志檢測與識別的處理速度。馮移東[13]提出基于車頭時距建立路側(cè)標志遮擋現(xiàn)象模型，并提出該模型的應用。李苗苗[14]建立高等級公路圓曲線內(nèi)側(cè)交通標志被遮擋模型。裴玉龍等[15]在分析指路標志版面不同區(qū)域視認效果的基礎上，以“字牌高度比”來表征標志牌設置高度和漢字高度的耦合關(guān)系，從不同視覺特性角度出發(fā)，劃分標志牌的興趣區(qū)域。彭勁穩(wěn)等[16]通過對廣州越秀區(qū)城中村道路建設改善方法研究，提出相關(guān)問題和解決方案，同時通過VISSIM仿真進行了效果評價。李慧穎等[17]研究利用VISSIM仿真軟件對不同流量和不同重型車混入率干線公路交通流模擬，建立重型車混入率和交通事故率之間的關(guān)系模型，提升了重型車混入干線公路的安全性。

上述針對交通標志遮擋的研究模型建立方法大多是基于概率論和線性規(guī)劃的數(shù)學知識，所建立的遮擋模型為靜態(tài)模型，將實際動態(tài)的遮擋過程靜態(tài)化，理想假設的條件較多，使最終計算結(jié)果存在較大偏差，大多集中于單一的路側(cè)標志遮擋現(xiàn)象，缺少對不同種道路形式的綜合模擬。因此，為了更加準確地描述寒區(qū)高速公路上小型車駕駛員在讀取標志信息板時視線被大型車遮擋問題，文中將道路行車狀況劃分為小型車駕駛員讀取路側(cè)標志信息板視線被遮擋和讀取門架式標志信息板視線被遮擋兩種類型，分析駕駛員的視覺特性，以交通量加載服從泊松分布為基礎建立VISSIM仿真模型，通過模擬仿真得到其遮擋概率。對遮擋概率進行分析得出結(jié)論，并在此基礎上對交通標志被遮擋問題提出改善措施。

1 駕駛員視覺特性參數(shù)

1.1 路側(cè)式標志遮擋

對于路側(cè)遮擋現(xiàn)象，當小型車位于第二車道、大型車位于第三車道時，外側(cè)大型車對內(nèi)側(cè)小型車駕駛員造成遮擋現(xiàn)象的過程如圖1所示。

圖1 路側(cè)標志遮擋臨界狀態(tài)

圖1中：W單為單車道寬度，m；W緊為寒區(qū)高速公路右側(cè)緊急停車道寬度，m；W側(cè)為路側(cè)標志橫向位移距離，m；大型車車長為L大；大型車車寬為W大。由圖1可知，最大遮擋距離出現(xiàn)在開始遮擋時期，最小遮擋距離出現(xiàn)在結(jié)束遮擋時期。當內(nèi)側(cè)道路小型車與外側(cè)道路大型車車頭之間的垂直距離處于兩者之間時，則會發(fā)生遮擋現(xiàn)象。

最終得到路側(cè)標志遮擋最大間距

L3側(cè)max=EF+L大=

(1)

(2)

因此，在小型車位于第二車道、大型車位于第三車道時，當大、小型車垂直間距x大(t)-x小(t)處于L3側(cè)max和L3側(cè)min之間時，小型車駕駛員對于路側(cè)標志的識讀可能會受到大型車遮擋影響。而小型車位于第二車道、大型車位于第四車道產(chǎn)生路側(cè)標志遮擋現(xiàn)象時，與上述情況相似。則可以得到

路側(cè)標志遮擋最大間距

(3)

路側(cè)標志遮擋最小間距

(4)

因此，在小型車位于第二車道、大型車位于第四車道時，當大、小型車垂直間距x大(t)-x小(t)處于L4側(cè)max和L4側(cè)min之間時，小型車駕駛員對于路側(cè)標志的識讀可能會受大型車的遮擋影響。

1.2 門架式標志遮擋

在寒區(qū)高速公路上，當車輛類型為大、小型車混行，小型車尾隨大型車行駛時，就會發(fā)生門架式標志遮擋現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 門架式交通標志遮擋

圖2中，小型車視線高度為h1，大型車高度為h2，門架式標志下邊緣距路面為h3，門架式標志板高為h4。

認讀時間和漢字數(shù)之間的關(guān)系可表示為

t=0.005 5n2-0.029 4n+1.246 4

(5)

則認讀距離和視認距離為

(6)

LAE=Lmax

(7)

式中:n為標志漢字字數(shù)；t為認讀時間，s;v為行駛車速,km·h-1。

由圖2中的幾何關(guān)系可以看出：△FIG∽△FKH，可得臨界跟車距離

(8)

2 仿真模型建立

VISSIM仿真模型在公交車輛和社會車輛的延誤狀態(tài)研究中有較好的應用[19]，而文中仿真模型的仿真原理是在車輛視線遮擋這一特定交通狀況下開展，根據(jù)仿真結(jié)果統(tǒng)計出在仿真時間內(nèi)小型車駕駛員視線被遮擋次數(shù)，從而算出1 h內(nèi)發(fā)生遮擋的總時間及遮擋概率。

2.1 仿真過程

1)仿真步長

將仿真模型的步長設定為0.1s。在這種情況下，模型刷新大、小型車輛相對位置時，大、小型車在距離約2 m左右的位置進行波動。此時，能夠根據(jù)大、小型車之間間距描述小型車駕駛員視線被遮擋狀況。

2)仿真車道

對于按照車道功能劃分車道類型的寒區(qū)高速公路，在進行路側(cè)標志遮擋模擬仿真時，選取小型車位于第二車道、大型車位于第三車道和第四車道時內(nèi)側(cè)小型車視線被外側(cè)大型車所遮擋情況進行仿真。對于門架式標志遮擋模擬仿真時，仿真車道不限定于某一條車道。

3)仿真路段長度

為簡便計算，將仿真模型的路段長度設定為小型車駕駛員的視認距離。

4)仿真路段車輛坐標

為判斷小型車駕駛員視線是否被大型車輛所遮擋，有兩個判定條件需要同時符合：有大型車出現(xiàn)在小型車的有效視認距離內(nèi)；大、小型車車頭垂直間距處于最大臨界距離和最小臨界距離之間。由此可見，為了確定小型車與大型車之間的動態(tài)變化，需要將車輛坐標以及大、小型車車頭間垂直間距作為評價結(jié)果的參數(shù)之一。

2.2 仿真參數(shù)確定

為更加直觀地表現(xiàn)仿真系統(tǒng)的實際應用，文中以雙向八車道寒區(qū)高速公路為例，采集了該仿真系統(tǒng)需要的相關(guān)數(shù)據(jù)并對其進行處理計算，進而確定系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)取值(見表1～3)。

表1 仿真參數(shù)確定

表2 路側(cè)式標志遮擋仿真參數(shù)

表3 門架式標志遮擋仿真參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 路側(cè)式標志遮擋

對于路側(cè)式標志遮擋，為了方便計算，選取駕駛員未被遮擋視線情況進行模擬，最終得到360 s內(nèi)小型車駕駛員視線未被遮擋次數(shù)N1。為更加直觀地描述大型車遮擋現(xiàn)象，可通過計算得到小型車駕駛員視線在讀取路側(cè)標志時被遮擋概率為

(9)

由式(9)可得到表4。

表4 小型車駕駛員讀取路側(cè)標志時視線被遮擋概率

為更加直觀地反映出小型車駕駛員視線遮擋概率與車輛交通量之間的變化關(guān)系，將表4轉(zhuǎn)換為折線圖(見圖3)。

圖3 小型車駕駛員視線在1 h內(nèi)被路側(cè)標志遮擋概率

可以明顯看到，對于按照車輛類型進行車道劃分的寒區(qū)高速公路，在小型車交通量一定的情況下，隨著外側(cè)車道大型車交通量的增加，小型車駕駛員視線被遮擋概率也逐漸增加，但其增長率整體呈下降趨勢。在相同大型車交通量下，小型車交通量從300 veh·h-1增加到1 200 veh·h-1時，遮擋概率差從0.165降到0.142。同樣，在大型車交通量一定的情況下，隨著內(nèi)側(cè)車道小型車交通量的增加，小型車駕駛員視線被遮擋概率也逐漸上升。總體看，隨著大、小型車輛交通量的增加，到一定程度后，遮擋概率的增長速率逐漸減小。根據(jù)遮擋概率規(guī)律，可對交通標志進行改進。

3.2 門架式標志遮擋

依據(jù)仿真步驟進行小型車駕駛員視線遮擋次數(shù)計算，得到360 s內(nèi)小型車駕駛員視線被遮擋次數(shù)N2。通過計算得到1 h內(nèi)視線被遮擋概率為

由以上可以得到表5。

表5 小型車駕駛員視線在1 h內(nèi)被遮擋概率

為更加直觀地反映出小型車駕駛員視線遮擋概率與車輛交通量及大型車占有率之間的變化關(guān)系，將表5轉(zhuǎn)換為折線圖(見圖4)。

圖4 小型車駕駛員視線在1 h內(nèi)被門架式遮擋概率

可以明顯看到，對于車輛混行寒區(qū)高速公路，在車輛交通量一定的情況下，小型車駕駛員視線遮擋概率隨著大型車占有率的增大而增大，但大型車占有率越大，遮擋概率變化的趨勢越不明顯，隨著交通量從250 veh·h-1增加到550 veh·h-1，當大型車占有率為0.1時遮擋概率上升0.036，當大型車占有率為0.4時遮擋概率上升0.033。在大型車占有率一定的情況下，小型車駕駛員視線遮擋概率隨著交通量的增大而增大，并且交通量越大，遮擋概率上升的趨勢越快?？v觀全圖，在大型車占有率和交通量都很小時，遮擋概率的變化趨勢較明顯，但隨著兩者都在增大，小型車和大型車數(shù)逐漸增多，在道路狀態(tài)飽和點附近，遮擋概率的增長趨勢較緩?？偠灾?，遮擋概率的總體趨勢是呈線性增長，即車輛交通量越多，大型車占有率越大，遮擋概率越高。根據(jù)上述規(guī)律，文中將對交通標志進行優(yōu)化。

4 交通標志優(yōu)化

根據(jù)上文得到的結(jié)論以及遮擋概率與其影響因素之間的關(guān)系，可以針對交通標志提出幾點優(yōu)化措施，從而達到減少小型車駕駛員視線被遮擋現(xiàn)象的發(fā)生。

4.1 從交通參數(shù)方面改善

結(jié)合前面的研究可知，能夠通過控制大、小型車交通量以及大型車占有率達到減小大型車遮擋概率目的。因此，通過設置監(jiān)控系統(tǒng)及車輛檢測器對車流量、車速、大型車占有率等交通參數(shù)進行實時觀測和采集。將數(shù)據(jù)進行計算機處理后選擇最佳交通方案，通過車載廣播、道路信息板等方式對寒區(qū)高速公路交通狀況進行人為控制，大大提升寒區(qū)高速公路使用率及安全性。

4.2 從交通標志方面改善

4.2.1 精簡交通標志信息

根據(jù)t=0.005 5n2-0.029 4n+1.246 4，可以得到交通標志的文字數(shù)量能夠直接影響駕駛員的認讀時間，因此，交通標志板信息要盡量精簡，避免駕駛員讀取交通標志信息時間過長。

對于多車道寒區(qū)高速公路，相較于路側(cè)式交通標志，可以多考慮設置門架式交通標志，使得駕駛員能夠分別讀取本車道交通標志信息，能夠大大減少駕駛員讀取交通標志信息時間。

4.2.2 增加交通標志數(shù)量

在寒區(qū)高速公路上，一般行駛速度快的小型車在左側(cè)車道行駛，較慢的大型車在右側(cè)車道行駛，此時,左側(cè)車不會對右側(cè)車駕駛員視線造成遮擋。因此，可以在中央分隔帶與路側(cè)標志相同位置處設置交通標志，當駕駛員在讀取路側(cè)標志視線被遮擋時，可以通過讀取中央分隔帶交通標志來補充交通標志信息，從而降低駕駛員視線被遮擋概率。

雖然采取增加交通標志數(shù)量達到降低駕駛員遮擋概率的方式切實有效，但并不是重復設置次數(shù)越多越好。交通標志的設置應綜合考慮、合理布局、防止出現(xiàn)信息不足或過載現(xiàn)象，信息應連續(xù)，重要信息宜重復顯示。交通標志一般設置在車流方向右側(cè)或車行道上方，為降低駕駛員遮擋概率增加交通標志數(shù)量，當同一地點需要設置兩個交通標志時，可安裝在一個支撐結(jié)構(gòu)上，但其內(nèi)容標準相較于門架式交通標志來說應更加精準簡潔[21]；若需分開設置標志，應滿足禁令、指示和警告標志的設置空間要求。交通警告標志設置原則上要避免不同種類的標志并設，交通警告標志不宜多設。同一地點需要設置2個以上交通警告標志時，原則上只設置其中最需要的1個。一般情況下，交通標志(交通警告標志：警告車輛、行人注意前方)重復設置最多2次即可。

5 結(jié) 論

文中以寒區(qū)高速公路交通標志大型車遮擋為研究對象，利用交通仿真軟件VISSIM進行寒區(qū)高速公路路側(cè)式及門架式標志遮擋模型的建立，將已經(jīng)研究好的參數(shù)輸入到模型的程序中。以臨界跟車距離作為是否產(chǎn)生遮擋的判斷依據(jù)，得到在規(guī)定仿真時間內(nèi)小型車駕駛員視線被遮擋的次數(shù)。在此數(shù)據(jù)的基礎上進一步得到每小時小型車駕駛員視線被遮擋的時間及概率。

1)對于路側(cè)式標志遮擋現(xiàn)象，道路外側(cè)大型車對道路內(nèi)側(cè)小型車讀取路側(cè)標志時造成的影響，隨著內(nèi)側(cè)車道小型車車道自身交通量及外側(cè)車道大型車車道交通量的增加而上升。因此，根據(jù)上述結(jié)論，針對路側(cè)遮擋現(xiàn)象，可以通過減少道路交通量達到有效降低遮擋概率目的。

2)對于門架式標志遮擋現(xiàn)象，小型車駕駛員在讀取門架式標志時被前方大型車遮擋所造成的影響，隨著大型車占有率的增加及交通量的增加而上升。因此，可以通過控制車道交通量及降低大型車占有率的方式有效降低車輛混行道路的標志遮擋情況。

3)最終結(jié)合模型數(shù)據(jù)，從遮擋影響因素以及產(chǎn)生遮擋的根源入手，針對交通參數(shù)，提出與車輛監(jiān)控系統(tǒng)以及車輛檢測器相結(jié)合，采集流量、大型車占有率、車速等交通參數(shù)，經(jīng)過計算機處理后選擇最佳交通方案，并通過車載廣播、道路信息板等方式對寒區(qū)高速公路交通狀況進行人為控制。針對交通標志，提出了推薦重復設置距離。