高速公路出口前置指路標(biāo)志的安全設(shè)置距離模型

朱治邦，郭唐儀，潘 姝

（1.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 綜合規(guī)劃研究院，江蘇 南京 210014；2.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引言

高速公路出口區(qū)域的前置指路標(biāo)志（Advance Guide Sign，簡(jiǎn)稱AGS）旨在為駕駛?cè)颂峁┘皶r(shí)、準(zhǔn)確、可靠的出口交通信息，其設(shè)置距離直接影響出口區(qū)域的通行效率和行車安全。

為了使駕駛?cè)颂崆矮@得出口道路的交通信息，我國(guó)《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》（GB 5768—2009）（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）規(guī)定在高速公路出口前方距離減速車道的漸變段起點(diǎn)2km、1km和500m位置分別設(shè)置前置指路標(biāo)志[1]。駕駛?cè)送ㄟ^視認(rèn)指路標(biāo)志預(yù)知前方道路信息，并按照標(biāo)志要求進(jìn)行相應(yīng)的駕駛操作。在高速公路出口區(qū)域，車道變換是最為常見的駕駛行為，大量駛離高速主線的車輛要從內(nèi)側(cè)車道變換至外側(cè)車道。如果駕駛?cè)宋茨芗皶r(shí)獲取標(biāo)志信息，容易錯(cuò)過最佳的車道變換時(shí)機(jī)，從而在高速出口匝道處產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)駕駛行為，引發(fā)交通事故。因此，規(guī)范指出連續(xù)設(shè)置的三塊出口指路標(biāo)志中，最靠近出口匝道的AGS設(shè)置距離至關(guān)重要。

國(guó)際上，大部分發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)出口前置指路標(biāo)志設(shè)置距離的研究開展得較早，且對(duì)標(biāo)志設(shè)置的形式研究較細(xì)致。與我國(guó)規(guī)范不同的是，美國(guó)《統(tǒng)一交通控制設(shè)施手冊(cè)》（Manual on Uniform Traffic Con?trol Devices，簡(jiǎn)稱MUTCD）[2]將出口分為兩類：①大中型出口，在出口前距離減速車道的漸變段起點(diǎn)2mile,1mile和1/2mile位置分別設(shè)置前置指路標(biāo)志；②小型出口，只在出口則只在前1/2mile位置設(shè)置一個(gè)標(biāo)志。Fitzpatrick等[3]通過模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了高速公路出入口多級(jí)指路標(biāo)志的設(shè)置效果。Costa等[4]基于實(shí)車試驗(yàn)，研究了路邊直立式標(biāo)志下駕駛?cè)说囊曊J(rèn)特性。Zhang等[5]基于模擬駕駛試驗(yàn)，研究了多信息道路標(biāo)志標(biāo)識(shí)下駕駛?cè)说囊曊J(rèn)能力，對(duì)標(biāo)志的設(shè)置形式提出了建議。

近年來，我國(guó)也開始逐步開展高速公路出口前置指路標(biāo)志設(shè)置距離研究。趙妮娜等[6]對(duì)比研究了國(guó)內(nèi)外高速公路樞紐互通指路標(biāo)志設(shè)置的類型、位置、結(jié)構(gòu)，指出我國(guó)目前各省對(duì)于標(biāo)志設(shè)置距離不統(tǒng)一的問題。楊冰浩[7]通過開展室內(nèi)仿真實(shí)驗(yàn)，揭示了駕駛?cè)怂阉骱烷喿x標(biāo)志信息的過程，研究了不同限速下的指路標(biāo)志最大前置距離。王昊程等[8]研究了多車道高速公路的出口前置標(biāo)志設(shè)置距離。劉偉銘等[9]結(jié)合駕駛?cè)说囊曊J(rèn)特征，重點(diǎn)研究分流區(qū)車道變換行駛距離，構(gòu)建了高速公路出口前置標(biāo)志安全距離模型。于仁杰等[10]從駕駛?cè)说囊曊J(rèn)性和短時(shí)記憶角度，提出了高速公路施工限速標(biāo)志設(shè)置位置和方法。吳彪等[11]基于駕駛?cè)苏J(rèn)知心理，構(gòu)建了施工區(qū)標(biāo)志前置距離設(shè)置距離模型，指出最小安全距離是330m。潘兵宏等[12]基于駕駛?cè)诵睦砗晚憫?yīng)特性，研究了不同道路條件下、不同駕駛?cè)藯l件的高速公路出口標(biāo)志設(shè)置距離，指出目前我國(guó)規(guī)范中對(duì)雙向6車道及以上的標(biāo)志設(shè)置距離偏小。

我國(guó)現(xiàn)有規(guī)范和美國(guó)MUTCD中的推薦距離都是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，而各個(gè)高速公路出口匝道位置及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在差異，故AGS設(shè)置的合理性有待考量。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高速公路出口前置指路標(biāo)志設(shè)置距離的研究主要集中于駕駛?cè)藢?duì)標(biāo)志的視認(rèn)特征方面，但是較少將駕駛行為、駕駛安全等多因素融合分析。為此，本文將以出匝車輛為研究對(duì)象，綜合考慮高速公路的道路條件、駕駛?cè)艘曈X特性及駕駛行為特性、標(biāo)志本身的設(shè)置方式，構(gòu)建最后一塊AGS的安全設(shè)置距離模型，提出在不同設(shè)置方式、不同車道數(shù)、不同速度條件下最后一塊AGS合理的設(shè)置距離。

1 駕駛行為分析

AGS的設(shè)置原則是：須使駕駛?cè)司哂谐渥愕臅r(shí)間和空間視認(rèn)AGS信息，并作出決策、反應(yīng)，以確保所有車道上的車輛能夠安全駛離主線。因此，AGS的最小安全距離須滿足最不利情況，即車輛接近出口匝道，且位于距離出口最遠(yuǎn)的車道上。此時(shí)，駕駛?cè)说某鲈研袨檫^程主要包括視認(rèn)標(biāo)志、車道變換、減速調(diào)整，如圖1所示。

圖1 駕駛?cè)顺鲈研袨槭疽鈭D

1.1 認(rèn)知-反應(yīng)

圖1中，駕駛?cè)嗽诘竭_(dá)A0點(diǎn)之前沒有看到任何AGS，且保持在最內(nèi)側(cè)車道直行。駕駛?cè)说竭_(dá)A0點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)位于F點(diǎn)的最后一塊AGS，對(duì)標(biāo)志信息進(jìn)行視認(rèn)、讀取、思考，并在B0點(diǎn)作出換道決策。

1.2 車道變換

圖1中，駕駛?cè)私?jīng)過B0點(diǎn)后通過視覺搜索合適間隙，在B1點(diǎn)執(zhí)行換道決策，調(diào)整方向?qū)嵤Q道，到達(dá)C0點(diǎn)時(shí)即完成一次車道變換。假設(shè)第一次車道變換結(jié)束后立即決定第二次車道變換，則C0點(diǎn)開始重復(fù)上述過程，直到車輛已位于距離出口最近的車道D點(diǎn)。

1.3 減速調(diào)整

圖1中，駕駛?cè)私?jīng)過D點(diǎn)后，車速自Vm開始降低并準(zhǔn)備駛?cè)氤隹谠训馈點(diǎn)表示匝道分流鼻位置，駕駛?cè)私?jīng)過該位置時(shí)車速已滿足匝道行車速度要求，故取此處車速為匝道設(shè)計(jì)速度Vr。

2 最后一塊AGS設(shè)置距離的影響因素分析

最后一塊AGS的設(shè)置距離對(duì)高速公路分流區(qū)的安全性有重要影響，主要受以下幾個(gè)因素影響。

2.1 駕駛?cè)艘曈X特性

駕駛?cè)说囊暯鞘亲詈笠粔KAGS設(shè)置距離模型的關(guān)鍵參數(shù)。在行駛過程中，視覺為駕駛?cè)颂峁?0%的交通信息。研究表明，駕駛?cè)藢?duì)偏前方固定物體的視認(rèn)角θ在3°～5°內(nèi)視野最清晰，10°～12°內(nèi)較清晰，超過14°則認(rèn)為視野消失[13]。如圖1所示，A0點(diǎn)為視認(rèn)點(diǎn)，是標(biāo)志可視區(qū)間的最初位置，A3點(diǎn)為視野消失點(diǎn)，駕駛?cè)私?jīng)過A3點(diǎn)后指路標(biāo)志不在駕駛?cè)艘曇皟?nèi)，M即為不可視區(qū)間。

AGS的設(shè)置方式對(duì)視認(rèn)效果也有一定影響。我國(guó)高速公路出口區(qū)域AGS有3種設(shè)置方式：路邊直立式、路上橫跨式和中央分隔帶架設(shè)式[14]。路邊直立式適用于右側(cè)駛出的匝道，成本較低，架設(shè)方便，但當(dāng)主線單向車道數(shù)大于3時(shí)，不利于最內(nèi)側(cè)車道行駛的駕駛?cè)吮孀R(shí)標(biāo)志牌；路上橫跨式便于所有車道上的駕駛?cè)吮孀R(shí)信息，但成本最高；中央分隔帶架設(shè)方式適用于左側(cè)駛出的匝道。本模型考慮這3種設(shè)置方式對(duì)駕駛?cè)说挠绊?，分別建立3種設(shè)置方式下AGS設(shè)置距離的計(jì)算公式。

2.2 車道變換駕駛行為

由上述駕駛行為分析可知，執(zhí)行車道變換所需時(shí)間也是一個(gè)重要影響因素。一次車道變換過程包括兩個(gè)階段：

（1）駕駛?cè)嗽诋a(chǎn)生換道意圖后，通過視覺搜索選擇合適的間隙；

（2）在決策執(zhí)行點(diǎn)開始實(shí)施換道至完成。

每一次執(zhí)行向右變換車道前，駕駛?cè)藭?huì)觀察、判斷當(dāng)前位置的可穿越間隙是否滿足換道要求。如果滿足正常換道要求，駕駛?cè)藷o需進(jìn)行加減速駕駛行為；反之，則需要進(jìn)一步考慮駕駛?cè)说男睦硖攸c(diǎn)和個(gè)性特點(diǎn)。若駕駛?cè)饲榫w不穩(wěn)定、易沖動(dòng)，可能全力加速超越車輛，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制換道；若駕駛?cè)饲榫w穩(wěn)定、有耐心，可能會(huì)等待合適的穿越間隙。Finnegan等[15]發(fā)現(xiàn)交通流對(duì)駕駛?cè)艘曈X搜索可穿越間隙的時(shí)間有很大影響，并指出在有車輛影響下和無車輛影響下，駕駛?cè)诉M(jìn)行視覺搜索的平均時(shí)長(zhǎng)分別為6.1s和3.7s，為此建議在一次車道變換過程中，用6.6s的時(shí)間來完成視覺搜索，用1.5s的時(shí)間來實(shí)施換道。

3 最后一塊AGS設(shè)置距離模型

本模型的構(gòu)建基于如下假設(shè)：

（1）假設(shè)駕駛員的視力在視認(rèn)角內(nèi)分布均勻；

（2）車道變換過程中不進(jìn)行加減速行為，車速保持不變；

（3）最不利情況，即出匝車輛需要從最內(nèi)側(cè)車道變換至最外側(cè)車道；

（4）變換至減速車道后立即開始減速，使得車輛到達(dá)匝道分流鼻的速度為匝道限速或者設(shè)計(jì)速度。

根據(jù)圖1，最后一塊AGS設(shè)置距離滿足：

式（1）中：D為最后一塊AGS的設(shè)置距離（m）；D1為認(rèn)知-反應(yīng)過程中車輛行駛距離（m）；D2為車道變換過程中車輛行駛的距離（m）；D3為車輛在最外側(cè)車道時(shí)車速由Vm降至Vr這一調(diào)整過程中所行駛的距離（m）；S為駕駛?cè)艘曊J(rèn)點(diǎn)至標(biāo)志的距離（m）。

3.1 認(rèn)知-反應(yīng)過程中行駛的距離

駕駛?cè)藦囊曊J(rèn)標(biāo)志到反應(yīng)判斷這一時(shí)間段為認(rèn)知-反應(yīng)時(shí)間（Perception-ReactionTime，簡(jiǎn)稱PRT）。由前文知，D1表示PRT內(nèi)車輛的行駛距離。研究表明，車速每提高8km/h，駕駛?cè)藢?duì)信息的認(rèn)知-反應(yīng)時(shí)間縮短0.2s。

由經(jīng)驗(yàn)得，PRT和Vm之間的關(guān)系為：

式（2）中：Vm為高速公路主線的設(shè)計(jì)速度（km/h）。

于是：

3.2 車道變換過程中行駛的距離

圖1中，點(diǎn)B0與點(diǎn)D之間的水平距離D2表示駕駛?cè)藫Q道過程中車輛的行駛距離，與換道次數(shù)和實(shí)施一次換道的行駛距離有關(guān)。當(dāng)高速公路主線單向車道數(shù)為k時(shí)，最不利情況下（即從主線最內(nèi)側(cè)車道到最外側(cè)車道）需要執(zhí)行k-1次變道，那么車輛在車道變換過程中行駛的距離為：

式（4）中：T為車道變換的平均時(shí)間（s）；k為高速公路主線的車道（不包括減速車道和輔助車道）數(shù)（條）；Vm意義同前。

3.3 減速調(diào)整過程中行駛的距離

圖1中，點(diǎn)D與點(diǎn)E之間的水平距離D3表示減速過程中車輛行駛的距離。車輛通過車道變換到達(dá)減速車道后，將降低速度行駛至分流鼻。減速距離為：

式（5）中：Vr為出口匝道的設(shè)計(jì)速度（km/h）；g為重力加速度，取g=9.8m/s2；f為不同行駛速度下輪胎和地面的摩擦系數(shù)；δ為坡度（上坡為“+”，下坡為“-”）；Vm意義同前。

3.4 駕駛?cè)艘曊J(rèn)點(diǎn)與AGS設(shè)置位置的距離

AGS不同的設(shè)置方式及在不同的橫向、縱向偏移條件下，駕駛?cè)艘曊J(rèn)點(diǎn)到指路標(biāo)志的距離不同，且需滿足可視條件：

式（6）中：S為駕駛?cè)艘曊J(rèn)點(diǎn)到指路標(biāo)志的距離（m）；M為不可視區(qū)間長(zhǎng)度（m）。

3.4.1 考慮橫向偏移

當(dāng)AGS采取路邊直立式設(shè)置時(shí)，視認(rèn)點(diǎn)到指路標(biāo)志之間的距離為：

式（7）中：Wl為車道寬度（m）；St為橫跨安裝和路邊安裝標(biāo)志的橫向偏移量（m）；θ為駕駛?cè)艘曊J(rèn)角（°）。

當(dāng)AGS采取中央架設(shè)式設(shè)置時(shí)，視認(rèn)點(diǎn)到指路標(biāo)志之間的距離為：

式（8）中：Wm為高速公路中央分隔帶的寬度（m）；Wl,θ意義同前。

3.4.2 考慮橫向、縱向偏移

當(dāng)AGS采取路上橫跨式設(shè)置時(shí)，視認(rèn)點(diǎn)到指路標(biāo)志之間的距離S按下式計(jì)算：

式（9）～式（11）中：S1為考慮橫向偏移的視認(rèn)點(diǎn)到指路標(biāo)志的距離（m）；S2為考慮縱向偏移的視認(rèn)點(diǎn)到指路標(biāo)志的距離（m）；Sv為橫跨安裝標(biāo)志的縱向偏移量（m）；Wl,θ,k意義同前。

4 算例分析

以圖1中東西走向的高速公路為例，主線單向有3條車道，車輛從右側(cè)匝道駛離高速。主線設(shè)計(jì)速度為100km/h，匝道設(shè)計(jì)速度為50km/h。采用《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）[16]推薦值，主線單車道寬度取3.75m，中央分隔帶寬度取4.50m，右側(cè)硬路肩寬度取3.00m。為不失一般性，現(xiàn)假設(shè)視認(rèn)角θ=10°，駕駛?cè)嗽谠撘曊J(rèn)角范圍內(nèi)足以視認(rèn)最后一塊AGS的信息。完成一次車道變換的總時(shí)間為8.1s。路邊直立式和路上橫跨式的橫向偏移取2.0m，路上橫跨式的縱向偏移取2.5m。

模型參數(shù)標(biāo)定如下：

考慮最不利情況，駕駛?cè)嗽谧顑?nèi)側(cè)車道，則出匝前需要完成兩次車道變換。

最后一塊AGS的3種安裝方式具有相同的D1,D2和D3，但具有不同的S。因此，根據(jù)式（3）～式（5），計(jì)算：

3種標(biāo)志設(shè)置方法中，對(duì)于路邊直立式：

則最后一塊AGS的最小設(shè)置距離為：

對(duì)于中央架設(shè)式：

則最后一塊AGS的最小設(shè)置距離為：

對(duì)于路上橫跨式，根據(jù)式（9）～式（11），計(jì)算：

則最后一塊AGS的最小設(shè)置距離為：

算例結(jié)果表明：

（1）在同樣的道路條件下，中央架設(shè)式安全設(shè)置距離最大，路上橫跨式次之，路邊直立式最??；

（2）在3種設(shè)置方式中，中央架設(shè)式最不利于改善行車安全，因此不建議在實(shí)際應(yīng)用中將最后一塊AGS設(shè)置在中央分隔帶內(nèi)。

5 與我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范推薦值的比較

5.1 模型計(jì)算距離

我國(guó)高速公路主線限速范圍為60～120km/h，匝道限速范圍為30～60km/h。在不同主線限速、車道數(shù)和匝道限速下，利用本文模型分別計(jì)算路邊直立式、中央架設(shè)式和路上橫跨式的最后一塊AGS的安全設(shè)置距離，結(jié)果如表1～表3所示。

由表1可知，對(duì)于路邊直立式AGS，我國(guó)規(guī)范中推薦值（500m）對(duì)于主線單向2條車道的情況普遍適用，但在主線為單向3條車道且限速高于90km/h、單向4條車道且限速高于70km/h或單向5條車道所有限速下，規(guī)范推薦的設(shè)置距離無法滿足要求。

由表2和表3可知，以中央架設(shè)式或路上橫跨式設(shè)置AGS時(shí)，我國(guó)規(guī)范推薦值（500m）對(duì)于主線單向2條車道的情況普遍適用，但是當(dāng)主線為單向3條車道且限速高于80km/h、單向4條車道且限速高于60km/h或單向5條車道所有限速時(shí)，規(guī)范推薦的設(shè)置距離無法滿足要求。

表1 路邊直立式AGS安全設(shè)置距離表（單位：m）

表2 中央架設(shè)式AGS安全設(shè)置距離表（單位：m）

表3 路上橫跨式AGS安全設(shè)置距離表（單位：m）

5.2 合理性分析

車道變換是影響高速公路出口區(qū)域安全性的重要因素。在出口區(qū)域內(nèi)，車道變換次數(shù)越少、分散越均勻，其安全性越高。本文通過TSIS-CORSIM設(shè)置不同的最后一塊AGS距離，對(duì)單向5車道高速公路出匝分流區(qū)（分流鼻上游500m范圍）進(jìn)行1h的模擬，取每車道每小時(shí)交通量為2 000veh/h，主線和匝道設(shè)計(jì)速度分別是120km/h和40km/h。

以路邊直立式設(shè)置為例，由表1可知，最后一塊AGS設(shè)置距離應(yīng)該在匝道分流鼻上游至少1 218m處；規(guī)范中推薦距離為500m。分別假設(shè)有兩條高速和對(duì)應(yīng)的出口匝道，其他條件完全相同，唯一不同的是最后一塊AGS設(shè)置距離。記規(guī)范推薦距離（500m）對(duì)應(yīng)的道路為FR1，本文計(jì)算距離（1 218m）對(duì)應(yīng)的道路為FR2。通過TSIS軟件模擬10次得分流鼻上游500m范圍內(nèi)的車道變換次數(shù)，如表4所示，表中數(shù)值為10次模擬的均值。

表4 車道變換次數(shù)的規(guī)范推薦值與本文計(jì)算值對(duì)比表

由表4可知，在分流鼻上游500m范圍內(nèi)，規(guī)范推薦距離產(chǎn)生的車道變換次數(shù)是本文推薦距離的2.6倍?？梢?，按照本文計(jì)算值設(shè)置AGS，可以有效減少出口區(qū)域的車道變換次數(shù)，提高車輛行駛的安全性。

6 結(jié)語

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)于AGS的設(shè)置距離推薦值往往依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，沒有考慮主線車道數(shù)、主線和匝道限速、匝道位置等因素的差異性，其合理性和有效性有待考量。本文以出匝車輛為研究對(duì)象，考慮最不利情況下駕駛?cè)艘曊J(rèn)標(biāo)志過程和駕駛行為過程，結(jié)合高速公路主線、匝道的車道數(shù)、限速條件、標(biāo)志設(shè)置方式，建立了最后一塊AGS的安全設(shè)置距離模型。計(jì)算結(jié)果表明，規(guī)范中推薦的500m設(shè)置距離適用性較低，而利用本文所建模型分別計(jì)算的路邊直立式、路上橫跨式、中央架設(shè)式的最后一塊AGS的安全設(shè)置距離相對(duì)合理，可為升級(jí)優(yōu)化高速公路出口指路標(biāo)志設(shè)置提供一定的參考。

鑒于駕駛?cè)藗€(gè)體間存在差異，本文對(duì)認(rèn)知-反應(yīng)時(shí)間參數(shù)的標(biāo)定仍受到局限；其次，本文未對(duì)車輛在換道過程中可能存在的加、減速行為加以深究。因此，如何將駕駛?cè)诵睦?、車輛間相互影響等眾多因素綜合考慮，提高模型精確度，將是下一步研究的重點(diǎn)。

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