城市快速路小間距路段出口預告標志優化設置

黃利華，趙曉華，李 洋，榮 建

(1.北京工業大學 城市交通學院，北京 100124；2.北京市交通工程重點實驗室(北京工業大學)，北京 100124；3.北京城市系統工程研究中心，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、標志設置空間受限，大多以立交出口預告標志作為設置重點. 此外，路段出口預告標志相關標準缺乏，加劇了預告標志的隨意設置，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，預告信息的不足極易誘發出口附近的駕駛安全、交通擁堵問題，完善路段出口的預告標志設置十分必要.

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置效用，從駕駛員的理解性、視認性及行為表現方面提出指路標志的優化設置建議. 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告標志對駕駛行為的影響，為該標志的優化設計提供了科學依據. 在國內研究中，文獻[10-11]針對現狀問題的分析提出快速路指路標志設計設置原則. 文獻[12-13]通過借鑒國外高速公路指路標志設置方法提出中國高速公路及快速路預告標志改進方法. 文獻[14-18]結合標志視認原理搭建高速公路及快速路指路標志位置優化設置模型. 文獻[19]借助室內視認及現場認讀試驗提出基于容錯理念的快速路指路標志設置方法. 相比國外，國內主要借助歸納分析、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告標志設置研究，未能有效結合動態駕駛行為數據開展量化研究. 因此，為提升研究成果在實際應用中的適用性，中國應針對快速路小間距路段出口預告標志，采用駕駛模擬、實地測試等試驗手段，基于動態駕駛行為數據開展定量優化研究.

1 需求分析

立交出口通常連接高等級道路或區域，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，五環內立交橋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施薄弱環節，應優先針對小間距路段出口開展預告標志優化研究.

1.1 相關標準

中國現有國標、地標及指南[20-23]規范了高速公路或城市快速路出口的預告標志設置方法，以北京市為例，預告標志設置如圖2(a)所示. 實質上，中國規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，現有預告方法對路段出口的適用性有待驗證.

美國高等級路網發達，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告標志進行詳細規范，如圖2(b)所示. 日本與中國在道路建設體系中更為相似，城市快速路路段出口普遍存在，道路標識手冊[25]明確規定其預告標志的設置方法，如圖2(c)所示. 為探究日本快速路路段出口預告方法的設置效果，本文將日本設置方法作為方案之一，與中國設置方法進行對比.

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、西大望路出口預告標志設置為例，如圖3所示. 4個小間距路段出口存在預告標志設置次數、位置、形式不一致的問題，萬利中心出口甚至存在預告標志缺失的現象.

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、標志設置空間受限. 為合理分配空間資源，現狀預告標志以門架式多出口組合預告為主，并配合懸掛式預告為輔. 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4次預告標志.

圖4 雙向6車道條件下D出口預告標志

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)設計5種實驗場景，包含5種預告次數，即按照中國相關規范設置預告標志1次、2次、3次、4次及按照日本相關規范設置4次(日本)，設置參數見表1. 采用駕駛模擬技術開展效用評估研究，以獲取最優預告方法.

表1 5條實驗場景預告標志的設置參數

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

預告次數預告標志位置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、代駕司機比例5∶9. 被試者年齡分布在20～55歲(平均年齡數為33.18，年齡數標準差為8.78)，駕齡分布在2～23 a(平均駕齡數為8.72，駕齡數標準差為5.84).

2.2 試驗儀器

基于駕駛模擬艙系統，實時、動態采集車輛行駛狀態數據(如行駛速度、加減速度等)、操控行為數據(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，對實驗目的出口G分別按照北京市現行規范進行1、2、3、4次預告，及日本現狀進行4次預告；非目的出口按照北京規范設置4次預告(見圖4). 以目的出口G按照北京規范設置4次預告為例(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次預告標志設置示例

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，以適應模擬車輛及周圍環境. 2)告知任務.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任務. 3)正式駕駛. 被試者開始駕駛，模擬系統采集試驗數據. 4)結束任務. 駕駛結束后，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是駕駛人的關鍵運行區域. 定義出口前500 m為關鍵影響范圍，以查看不同預告標志方案對駕駛人在關鍵區域(O—G)的影響，如圖6所示.

圖6 關鍵影響范圍

基于駕駛人認知過程，從主觀感受、操控行為、運行狀態3個層面，獲取關鍵影響范圍內的9種指標數據，建立影響指標體系, 分析預告標志的影響規律，支撐5種預告方案的效用評估.

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]，關鍵影響范圍內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為采集數據間隔時間. 換車道次數：有效的預告標志能夠引導駕駛人及時換車道，關鍵影響范圍內換車道次數越少越好.

3)運行狀態.速度：車輛行駛快慢情況，越接近運行速度行駛狀態越好. 速度標準差：車輛行駛速度波動或行駛平穩情況[27]，波動越小越好. 加速度：車輛加減速情況，與運行狀態有關，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，表征標志引導效果，越高越好.

4 預告次數對駕駛行為的影響

采用重復測量方差分析，分析5種預告方案對駕駛行為的影響，發現不同預告次數對駕駛員主觀感受、操控行為、車輛運行狀態方面的影響不同.

1)主觀感受.目的地難易程度打分：預告次數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)；隨著預告次數增加，分值增高，表明駕駛員認為預告標志增多有助于尋找目的地，如圖7所示.

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

圖7 預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

圖8 預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.速度：預告次數對行駛速度存在顯著影響(F(4,108)=3.14;Sig=0.04)；隨著預告次數增加有降低趨勢；設置3次預告時，速度反而增加，如圖9(a)所示. 速度標準差：預告次數對速度標準差無顯著影響(F(4,108)=0.86;Sig=0.51)；隨著預告次數增加有上升趨勢；設置3次預告時，速度波動反而減小，如圖9(b)所示. 加速度：預告次數對加速度無顯著影響(F(4,108)=1.46;Sig=0.25)；隨著預告次數增加而降低，設置3次預告時降幅更為明顯，如圖9(c)所示. 加速度標準差：預告次數對加速度標準差無顯著影響(F(4,108)=0.35;Sig=0.84)；但隨著預告次數增加而逐漸降低，如圖9(d)所示. 行駛時間：預告次數對行駛時間存在顯著影響(F(4,108)=3.58;Sig=0.02)；設置1、3次預告時行駛時間較短，如圖9(e)所示. 正確駛出比例：預告次數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)；隨著預告次數增加而增加，1次預告時明顯較低，如圖9(f)所示.

綜上所述，獲取了不同預告次數顯著影響的6種指標(Sig<0.05). 結合6種指標定義及具體數值(見圖7～9)，對5種方案在每類顯著指標下的表現由優到劣排序(排序值為1～5)見表2. 發現每種指標下5種預告次數的優劣排序不同，難以確定最優方案.

表2 5種預告次數在6種顯著指標下的優劣排序

(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 預告方案對運行狀態指標的影響

Fig.9 Influence of five schemes on operating status indicators

5 預告次數設置效用綜合評價

6種指標權重不明確，難以實現對5種方案的精準評估. 因此，考慮采用客觀的熵權法進行指標賦權，并結合TOPSIS方法有效解決本研究多目標決策分析的問題[28]，實現5種方案設置效用的綜合評價. 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. 按照日本規范設置4次預告時，效果不及中國3、4次預告，可能與其首次預告位置較近、預告間距較小有關.

圖10 5種預告方案綜合得分

為體現各個方案的差異，采用依據肘部法則的K-means聚類對5種方案進行二分類：一類為預告1次，另一類為預告2次、3次、4次及4次(日本). 并開展各指標LSD兩兩對比，驗證聚類結果的合理性，發現1次預告同其他4種方案均存在顯著差異. 表明設置1次預告時對駕駛人的指路效果明顯較差. 考慮預告標志對駕駛人的綜合影響，建議工程應用中優先按照中國規范設置3次預告標志；條件受限時，應至少進行2次預告.

6 結 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、速度、行駛時間、正確駛出比例均受到預告次數的顯著影響(Sig<0.05)，隨預告次數不同呈現不同的變化.

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

3)按照中國規范設置1次預告標志，設置效果較差；道路條件受限時，建議至少進行2次預告.

4)相比實地測試，駕駛模擬試驗行為數據具有相對有效性，研究結果具有一定的合理性，能夠有效解決路段出口預告信息缺失等問題. 當前實地測試實驗已廣泛應用于駕駛人認知領域，后期將開展實地測試以驗證優化方案的設置效果. 并針對多出口預告標志設置空間受限、信息干擾等問題進行深入研究.