城市道路占路施工區交通標志設置理論與仿真研究

魏連雨，魏 凱，馮 雷，劉艷竹

（1.河北工業大學 土木工程學院，天津 300401；2.河北省土木工程技術研究中心，天津 300401）

城市道路占路施工區交通標志設置理論與仿真研究

魏連雨1,2，魏 凱1，馮 雷1，劉艷竹1

（1.河北工業大學 土木工程學院，天津 300401；2.河北省土木工程技術研究中心，天津 300401）

采用交通流理論和交通仿真技術，結合占路施工區人、車、路、環境的交通特性，對占路施工區參數以及交通標志的設置進行了研究．在分析交通標志認知模型的基礎上，采用交通流理論，建立了占路施工區參數以及交通標志的設置參數的計算公式．針對理論分析結果，采用UCw in/road仿真系統進行對比，結果表明，由于理論分析前提條件的理想化，導致其計算參數小于UC w in/road系統的數值分析結果，說明UC win/road系統的數值分析更具客觀性．

占路施工；交通標志；交通仿真；前置距離；限速

0 引言

交通語言系統是交通管理者與出行者（設施使用者）之間進行信息交流的工具，是以文字、符號、顏色等為基礎的符號體系和規則體系的集合．交通語言的應用體現為道路交通標志、標線以及其他交通管理控制設施所包含的一系列與交通管理出行相關的信息[1]．

城市道路占路施工過程中，道路使用空間減小，道路狀況復雜程度增大，交通系統穩定性降低．為了最大限度降低道路施工對交通出行的影響，保障施工區交通安全，需要采取合理的占路施工區交通管理措施．其中交通標志的布置對施工區正常運行有著不可估量的作用．

本文結合交通流理論和交通仿真相關理論，構建交通標志前置距離的計算模型，對城市道路占路施工區交通標志的設置進行理論研究．然而，由于理論研究是在理想條件下進行的，其普遍適用性有待檢驗．因此，本文基于UC w in/road模擬系統和SOAR認知模型充分考慮施工區交通實際狀況對施工區交通標志的設置進行仿真模擬，并對理論計算和仿真結果進行對比分析．

1 占路施工區交通標志概述

道路交通標志是用圖形符號、顏色和文字向交通參與者傳遞特定信息，用于交通管理的設施[2]．科學合理、完善準確的交通標志的設置對道路交通的正常運行有著不可估量的重要作用．

占路施工區是指為保障占路施工現場工作人員和設備、車輛、行人的交通安全而用交通安全設施圍起來的交通控制區域[3-4]．占路施工區一般由警告區、上游過渡區、作業區、下游過渡區和終止區組成[5]．

占路施工區交通標志包括施工安全標志、警告標志、禁令標志、指示標志、輔助標志．結合占路施工區人、車、路、環境的交通特性，（即基于交通心理學的駕駛員駕駛行為的調整、穩定、恢復3階段變化；基于交通流理論的車輛的重新分布、分流合流行為；以及各功能區段的道路性質）[3-4]對占路施工區的交通標志分區段進行設置．通過不同標志、標牌的設定，保證道路施工期間交通安全通暢．簡單的說，應從整個道路交通系統出發，統一規范，協調設計，關聯設置，而且要遵循以人為本的原則．設置情況如表1所示．

表1 占路施工區各功能段交通標志設置Tab.1 The setting of the traffic signs in the road construction area

2 占路施工區交通標志設置理論研究

在停車視距的基礎上對交通標志的前置距離進行定義．為了使駕駛員在作業區之前完成所有的必要措施，交通標志應設置在作業區之前一定距離處，這個距離稱為交通標志的前置距離[6]．

從交通心理學和交通安全理論的角度，結合交通設施設計和交通管理與控制的相關理論，通過構建駕駛員行駛模型和標志的認知模型，對交通標志的前置距離進行研究．對交通標志的認知模型大致如圖1所示．圖1中，A點發現標志，B點認讀開始，C點認讀完成，D點消失點，E點行動點，F點標志牌，G點完成點．

分析駕駛員的駕駛行為可得：B點到C點為認讀距離R'，C點到E點為反應距離J，E點到G點為行動距離L．

消失點D到標志牌F為消失距離M，認讀完成點C到標志牌F為距離R；認讀開始點B到標志牌F為視認距離S，標志牌F到動作完成點G為前置距離D．

為保證駕駛行為的改變，分析駕駛員行駛模型和標志的認知模型中各段距離的關系可得：

其中：L1為變換車道的距離；L2為減速距離．結合交通工程和道路勘測設計相關知識對上述公式中的距離進行分析計算[6-7]．

圖1 交通標志認知模型示意圖Fig.1 The cognitivemodelof traffic signs

1）認讀完成點C到標志牌F的距離R

2）變換車道距離L1

式中：n為車道數；V1為認讀標志時的速度，Km/h；t2為變換一次車道需要的時間（s），約6 s左右．

3）減速距離L2

4）反應距離J

式中：t1為判斷時間（s），一般取2.5 s．

由上述各公式可得：

那么交通標志的前置距離D為：

3 占路施工區交通標志設置仿真分析

3.1 仿真原理

UC w in/Road是輔助道路工程規劃設計的三維虛擬現實模擬系統，可通過簡單的計算機操作進行三維模擬．UC w in/Road包含“地形輸入”、“道路定義”、“道路形成和交通流生成”、“交通設置編輯”、“虛擬現實模擬”等功能．應用該軟件時，首先輸入編輯地形信息；其次，通過設置參數，定義道路信息；接著，設置交通路徑以及信號控制，生成交通流；然后，對行駛進行設置完成三維虛擬現實模擬[8]．

SOAR的全稱為狀態、算子和目標（State，Operator and Result），是由A llen Newell等人于1983年開發的稱為“通用智能”的一種框架，主要討論知識、思考、智力和記憶，是一個應用范圍非常廣的認知結構[9]．SOAR認知模型認為施工區車輛為相互影響的差異化駕駛單體，SOAR通過一個固定的處理機制——決策周期，完成SOAR的選擇和應用算子等功能．

在車輛駛近施工作業區時，需要進行換道，與在換道車道正在行駛的車輛存在交織．本文根據當前車輛和相鄰車輛占用道路的重疊程度對交通沖突及嚴重程度進行判別．將道路定義為n個道路元胞的組合，每個道路元胞為1.25m×1.25m，小汽車尺寸取5m×2.5m，每個小汽車所占道路元胞為8個，在車輛交織過程中車輛所占道路元胞可能會出現重疊，根據重疊的數量定義沖突嚴重程度．將沖突嚴重程度分為3級：一般沖突，中等沖突，嚴重沖突，其對應重疊的數量分別為1，2，3及以上．

本文仿真實驗以上游過渡區限速標志設置為例，通過構建基于認知模型的占路施工區交通仿真模型，分析一定道路交通條件下占路施工上游過渡區限速標志設置位置的合理性以及限速值的確定．

3.2 仿真條件

采用圖2所示道路進行仿真，雙向六車道快速路長2 km，設計車速為60 km/h，通行能力1500 pcu/h，車道寬度為3.75m．在離路口800m處進行施工作業，封閉自東向西方向靠近中央分隔帶的一個車道，其他車道的行車方向不變，車輛的自由流速度為60 km/h．施工區的交通標志簡單布置表示如圖2所示，其中限速標志距離上游過渡區交界位置的距離為D，即交通標志的前置距離．

圖2 占路施工區簡單布置圖Fig.2 The layoutof the road construction area

為了使仿真條件與施工區實際交通狀況相契合，可以通過仿真參數的設置來實現．改變輸入車輛類型及其比例來實現實際交通中車輛組成的隨機性，實現其相互影響、彼此制約．相同車輛類型可設置不同的行駛參數，如加速度、減速度、期望車速的分布不同，來實現交通實際中駕駛員性別、年齡、駕齡差異性的模擬．此外，UCw in/road仿真系統還可以實現不同場景的模擬，可分別對晴天、雨天、雪天進行仿真模擬．

3.3 仿真實驗和結果

（1）科研成果劃分法?？蒲谐晒举|上屬于知識創新集成建構，一般表現為知識類、技術類和產品類三大類型。對應科研成果的理論屬性和應用屬性與三大類型兩兩組合，知識類，提出新的理論體系和認識，主要包括基礎理論研究和應用理論研究；技術類，開發出新的工藝制作標準，主要包括專利技術研究和實用技術研究；產品類，生產制造出新的有用產品，主要包括產品創新研究和產品創造研究。依據油田博士后科研成果類型劃分及屬性特征，通過對149個項目進行統計分析結果顯示：知識理論研究占26%，技術應用研究為66%，產品生產型項目研究最少，僅為8%。

3.3.1 限速標志限速值的確定

改變速度限制上限，分別設置為30 km/h、35km/h、40 km/h、45 km/h、50 km/h、55 km/h、60 km/h，并將限速標志前置距離D長度分別設為100 m、150m、200m、250m、300m、350m、400m，發車頻率設為1050pcu/h，即道路載荷系數為0.7，對7種不同限速值和標志前置距離進行交叉仿真實驗，仿真120min內，得到不同條件下的交通沖突指標如表2～表4所示．

對上述數據進行統計分析得到趨勢圖如圖3～圖5所示．如圖3～圖5所示，隨著限速標志前置距離的不同和限速值的改變，一般沖突、中等沖突和嚴重沖突的變化也不盡相同．當限速值不變而改變限速標志的前置距離時，對上述各圖進行分析．

表2 不同位置和不同限速下一般沖突次數Tab.2 The numberofgeneral traffic conflicts

表3 不同位置和不同限速下中等沖突次數Tab.3 The numberofmedium traffic conflicts

表4 不同位置和不同限速下嚴重沖突次數Tab.4 The numberof serious conflicts

由圖3可得：一般沖突次數隨著前置距離由100m增大到400m過程中，呈現逐漸減小的趨勢，表明隨著限速標志前置距離的增大，輕微交通事故發生的可能性逐漸下降．

圖3 限速標志位置對一般沖突的影響Fig.3 The location of sign effectson thegeneral traffic conflicts

由圖4可得：中等沖突次數隨著限速標志前置距離的改變，增減變化趨勢并不明顯，這表明中等交通事故發生的可能性隨著限速標志前置距離的改變而無明顯變化．

圖4 限速標志位置對中等沖突的影響Fig.4 The location of sign effectson themedium traffic conflicts

由圖5可得：嚴重沖突次數隨著限速標志前置距離由100m增大到400m的過程中變化較為復雜，沖突次數對于不同的限速值呈現出不同的變化趨勢；當限速值較大時（40～60 km/h），沖突次數呈現減小趨勢，而當限速值較小時（30～40 km/h），沖突次數呈現先減小再上升的趨勢，變化點大約在前置距離250～300m的位置．

圖5 限速標志位置對嚴重沖突的影響Fig.5 The location of sign effectson the serious traffic conflicts

綜上所述，考慮一般沖突、中等沖突、嚴重沖突隨限速值大小以及前置距離的變化趨勢，對占路施工區的限速值進行分析可將限速值宜設置為40 km/h．

3.3.2 限速標志前置距離的確定

限速值設置為40 km/h，限速標志的前置距離取不同值，研究交通流的時空圖可得：圖6～圖9為限速值40 km/h，限速標志前置距離取不同值時的交通流時空圖．D=100 m時，在施工區域前方發生大面積擁堵，且隨著時間的增長，擁堵區域逐漸擴大；D=200 m時，施工區前方擁堵面積減少很快，擁堵區域擴大趨勢得到控制；L=250 m時，施工區前方擁堵面積進一步減少但仍然存在；D=300 m時，施工區前方擁堵面積仍然存在，與D=250m時交通流狀態差別不大．

圖6 D=100m時的交通流時空圖Fig.6 Time-spacediagram when D=100m

綜合考慮交通沖突和交通擁堵狀況，推薦在仿真實驗條件下，限速40 km/h的交通標志設置位置為施工過渡區前方250～300m．

4 仿真結果與理論計算對比分析

由理論研究可得，交通標志的前置距離計算公式為

根據仿真條件可得：車道數為3車道，設計速度為60 km/h，限速值為40 km/h，即n=3，V1=60 km/h，V2=40 km/h，t1=2.5 s，t2=6 s，經計算可得，前置距離D的值大約為240m．

圖7 D=200m時的交通流時空圖Fig.7 Time-space diagram when D=200m

圖8 D=250m時的交通流時空圖Fig.8 Time-space diagram when D=250m

圖9 D=300m時的交通流時空圖Fig.9 Time-space diagram when D=300m

由仿真結果知，交通標志前置距離為250～300m．

兩者對比可知，仿真結果比理論計算數值偏大．分析原因可知，理論計算公式是分析單一車輛的交通標志認知模型得出的，交通條件狀況較為理想．而仿真模擬中，不但考慮了車輛運行中其他車輛的干擾因素，而且將不同年齡、性別、駕齡的駕駛員信息轉變為可輸入的交通參數在仿真系統中進行了設定．除此之外，還綜合考慮了不同的場景對交通標志前置距離的影響．因此，交通條件變得復雜后，交通標志的前置距離就會隨之增大．

理論公式是基于交通安全理論構建駕駛員行駛模型和交通標志認知模型所得的結果，雖然條件過于理想，但是和仿真結果相比偏差不大．因此，理論計算公式在實際應用中一定程度上是具有普遍適用性的，分析兩者結果可知，可在理論計算數值的基礎上增加20%左右作為限速標志的前置距離．

5 總結

在交通語言系統和交通流理論基礎上，結合占路施工區交通特性，確定了占路施工區各功能段交通標志的類型．基于停車視距構建交通標志前置距離的計算模型，通過交通標志認知模型的研究，對各交通參數的計算進行了分析，確定了前置距離的計算公式．由于理論分析條件過于理想，運用UC w in/road仿真系統和SOAR認知模型，對上游過渡區限速標志的設置進行了仿真模擬，對不同限速值和標志前置距離進行交叉仿真實驗，確定了限速值和限速標志的前置距離．與理論計算結果相比，仿真結果較大，更符合實際情況；實際應用中可以在理論計算值的基礎上增加20%左右作為限速標志的前置距離．

[1]楊曉光，邵海鵬，云美萍．交通語言系統結構 [J]．系統工程，2006，24（7）：1-7．

[2]JTGD81-2006，公路交通安全設施設計規范 [S]．

[3]曲秋蒔．城市占道施工區交通組織方案優化及仿真評價 [D]．北京：北京交通大學，2010．

[4]李喜華．城市占道施工對路段交通影響的研究 [D]．北京：北京交通大學，2011．

[5]JTGH30-2004，公路養護安全作業規范 [S]．

[6]楊少偉．道路勘測設計 [M]．北京：人民交通出版社，2009．

[7]任福田．交通工程總論 [M]．北京：人民交通出版社，2002．

[8]馬智亮．UC-w in Road實用教程 [M]．北京：中國建筑工業出版社，2010．

[9]Laird JE，NewellA，Rosenbloom PS．Soar：An architecture forgeneral intelligence[J]．Artificial Intelligence，1987，33（3）：1-64．

[責任編輯 楊 屹]

The theoreticalstudy and simulation of the traffic signs in urban road construction area

WEILianyu1,2，WEIKai1，FENG Lei1，LIU Yanzhu1

（1.SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversityof Technology,Tianjin300401,China;2.CivilEngineering Technology Research Centerof HebeiProvince,Tianjin 300401,China）

Based on the theory of traffic flow and the technology of traffic simulation,thispaperstudies thesetting of the traffic signsin the road construction area taking into accountthe traffic characteristicsof thedriver,vehicles,road and environment.A fter analyzing the cognitivemodelof the traffic signs and researching the theory of traffic flow,this paper deduces the computational formulaof the parameternamely thepre-distanceof the traffic sign,which isderived under the ideal conditions.What'smore,in the application of the UCw in/road simulation system,this paper simulates the setting of the speed-limitsign in the upper transition region.On the basisof the simulation,the speed lim itvalue is determined and thepre-distanceof thespeed-lim itsign isobtained,which isa little longer than the resultof the theoreticalcalculation. Compared with the calculation resultof the pre-distance,the simulate result ismore practical.

road construction;traffic sign;simulation;the pre-distance;speed-lim it

U418.2

A

1007-2373(2016)01-0108-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.020

2014-06-17

河北省自然科學基金（E2013202228）

魏連雨（1957-），男（漢族），教授，博士生導師.