劉 勇
(3M中國(guó)有限公司,廣州 510663)
截至2019年,我國(guó)汽車保有量突破2.6億輛,公路總里程達(dá)484.65萬(wàn)km,其中高速公路達(dá)14.26萬(wàn)km[1],我國(guó)的道路建設(shè)規(guī)模和道路使用已成為世界交通大國(guó)。我國(guó)要從世界交通大國(guó)邁向世界交通強(qiáng)國(guó),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(guó)家學(xué)習(xí)。
美國(guó)對(duì)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(guó)聯(lián)邦公路局主持專項(xiàng)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(bào)告,該報(bào)告綜合了美國(guó)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(shí)間會(huì)根據(jù)新的研究結(jié)果進(jìn)行更新,2016版是最新版本,在報(bào)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(shí)認(rèn)性。
2) 在道路兩側(cè)同時(shí)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(guò)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(guò)速度,減少5%~7%的彎道碰撞事故。
目前,我國(guó)大陸還沒有一個(gè)國(guó)家級(jí)管理機(jī)構(gòu)把道路彎道安全的提升作為一個(gè)固定的專題項(xiàng)目來(lái)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(guò)駕駛模擬試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)警告標(biāo)志位置會(huì)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(duì)速度的縱向控制過(guò)彎前后速度的波動(dòng)性。張智勇等[4]利用高精度車載GPS對(duì)小客車在不同彎道半徑下的運(yùn)行速度進(jìn)行采集,建立距離與運(yùn)行速度的預(yù)測(cè)模型,以實(shí)際運(yùn)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(shí),可有效降低車輛的實(shí)際運(yùn)行速度。韓磊等[5]提出交通工程設(shè)施信息量對(duì)駕駛員行車時(shí)注視強(qiáng)度、掃視強(qiáng)度和眨眼強(qiáng)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(shí)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(shí)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(shí),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(jì),對(duì)比分析了國(guó)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(guó)2009年版的《交通控制設(shè)施統(tǒng)一手冊(cè)》,從駕駛需求分析的角度,探尋美國(guó)交通設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范背后的科學(xué)依據(jù),供國(guó)內(nèi)交通設(shè)計(jì)、管理同行借鑒。
美國(guó)公路合作研究組織NCHRP(National Cooperative Highway Research Program)是美國(guó)公路運(yùn)輸協(xié)會(huì)聯(lián)合美國(guó)聯(lián)邦公路局共同成立的研究機(jī)構(gòu),著力研究公路規(guī)劃、建設(shè)、設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題,每年都會(huì)發(fā)表各類的研究報(bào)告,這些報(bào)告被美國(guó)及世界很多國(guó)家作為制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的參考依據(jù)。其中編號(hào)為600的報(bào)告《公路系統(tǒng)人因工程指南》中,對(duì)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(duì)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(bào)告中按駕駛?cè)蝿?wù)的不同把彎道分成了4個(gè)階段,分別是接近彎道、發(fā)現(xiàn)彎道、駛?cè)牒屯ㄟ^(guò)彎道、以及駛出彎道,如圖1所示,并對(duì)每個(gè)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(gè)階段[7]
表1中的主觀預(yù)期和曲率判斷,即指每個(gè)駕駛者對(duì)彎道的危險(xiǎn)程度有自身的感知。在接近和進(jìn)入彎道后,駕駛者會(huì)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(gè)曲率稱之為“視覺曲率”,駕駛者通常會(huì)依據(jù)它來(lái)判斷以什么速度通過(guò)這個(gè)彎道是安全的,雖然駕駛者也會(huì)從交通標(biāo)志上獲取限速信息,但視覺曲率依然會(huì)是影響駕駛速度的主要因素。而這種視覺曲率和彎道的實(shí)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(huì)比實(shí)際曲率小,即駕駛者感知的彎道比實(shí)際的更平坦,這就會(huì)誘使駕駛者以更高的速度通過(guò)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(shí)線為實(shí)際的彎道路徑,二者路徑有偏差,如駕駛者不及時(shí)調(diào)整駕駛方向和速度,會(huì)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(diǎn)。
偏角和彎道半徑是道路交通上常用來(lái)表征彎道緩急的2個(gè)參數(shù)。偏角的定義是曲線起點(diǎn)處的切線與曲線終點(diǎn)處的切線相交時(shí)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(diǎn)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(gè)階段的駕駛?cè)蝿?wù)和局限[7]

圖2 視覺曲率與實(shí)際曲率的差異[7]
偏角和彎道半徑這2個(gè)參數(shù)都能在一定程度上表征曲線的彎曲程度,但在實(shí)際彎道中,哪一個(gè)能更準(zhǔn)確地體現(xiàn)彎道給駕駛帶來(lái)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(lái)自美國(guó)密西根大學(xué)交通研究院的Omer TSIMHONI 和 Paul A. GREEN[8]曾就這個(gè)問(wèn)題做過(guò)專門的試驗(yàn)。試驗(yàn)邀請(qǐng)了24名合格的駕駛者,年齡最小為18歲,最大的超過(guò)55歲,男女駕駛者各半,試驗(yàn)設(shè)備包括駕駛模擬器及眼動(dòng)儀等,道路設(shè)計(jì)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(yàn)得出一個(gè)重要的結(jié)論是無(wú)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(duì)駕駛需求的影響。
在上述分析和試驗(yàn)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(gè)階段不同的設(shè)置和設(shè)計(jì)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(duì)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(huì)逐漸發(fā)現(xiàn)前方道路的變化,會(huì)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^(guò)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(huì)對(duì)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(lái),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(gè)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(yùn)含著科學(xué)的人因工程及駕駛需求分析。美國(guó)2009年版的《交通控制設(shè)施統(tǒng)一手冊(cè)》中對(duì)這些標(biāo)志在彎道中如何設(shè)置有著非常詳盡的規(guī)定。
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(jì)速度與彎道內(nèi)的建議速度之差來(lái)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(qiáng)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]
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(jì)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(diǎn)前105 m處,這個(gè)距離是如何得出的呢?以下為具體的演算過(guò)程,如表3所示,其駛?cè)霃澋肋^(guò)程如圖4所示。
圖4中,彎道中A點(diǎn)為駕駛者發(fā)現(xiàn)標(biāo)志點(diǎn),B點(diǎn)為彎道警告標(biāo)志設(shè)置點(diǎn),C點(diǎn)為駕駛者閱讀完標(biāo)志開始減速點(diǎn),D點(diǎn)為彎道的起點(diǎn),從空間距離上解讀AD=AB+BD,即標(biāo)志識(shí)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(guó)外通常稱之為PRT(Perception-response time),指駕駛者發(fā)現(xiàn)標(biāo)志、識(shí)認(rèn)標(biāo)志、決定行動(dòng)、開始行動(dòng)的時(shí)間總和,這個(gè)時(shí)間目前被廣泛認(rèn)可是2.5 s,在這段時(shí)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(shí)間,在這段時(shí)間內(nèi)汽車向前行駛的距離為CD,可通過(guò)以下計(jì)算得出駕駛者完成這2個(gè)階段的駕駛?cè)蝿?wù)后汽車移動(dòng)的距離。
AC階段駕駛者是以正常的設(shè)計(jì)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(jì)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(yùn)動(dòng),操控車輛把車速?gòu)牡缆返脑O(shè)計(jì)時(shí)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(jì)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(shí)認(rèn)距離,是指能識(shí)別該標(biāo)志的最遠(yuǎn)距離,它的計(jì)算公式是標(biāo)志識(shí)認(rèn)距離=標(biāo)志識(shí)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。
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(jí)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(duì)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(shí)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(shí)間來(lái)操控汽車。在2003年—2009年間,美國(guó)學(xué)者做了大量的試驗(yàn)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(duì)線形誘導(dǎo)標(biāo)志數(shù)量需求不同,對(duì)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(duì)駕駛者判斷彎道的曲率越有幫助。
美國(guó)較中國(guó)大陸提早40年進(jìn)入汽車時(shí)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(jī)構(gòu)有高校、企業(yè)、民間行業(yè)協(xié)會(huì)、各州的交通部及美國(guó)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(huì)就新出現(xiàn)的交通安全問(wèn)題進(jìn)行專項(xiàng)研究。官方會(huì)依據(jù)這些最新研究成果對(duì)交通安全設(shè)施的應(yīng)用規(guī)范進(jìn)行及時(shí)修訂,持續(xù)改進(jìn)道路交通安全。中國(guó)用不到10年的時(shí)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(shí)代,導(dǎo)致在思想觀念上造成了長(zhǎng)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(guó)內(nèi)10年前的科研成果上,比如國(guó)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(jì)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(duì)比,結(jié)果如表4、表5所示。由表4、表5可知,在同等級(jí)公路條件下,美國(guó)設(shè)置誘導(dǎo)標(biāo)的尺寸遠(yuǎn)大于我國(guó)規(guī)范要求,最大的面積差了3倍;而在同等設(shè)計(jì)時(shí)速下,美國(guó)設(shè)置誘導(dǎo)標(biāo)的密度高于我國(guó),在設(shè)計(jì)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(shí)認(rèn)距離,更準(zhǔn)確的彎道線形輪廓信息,駕駛者有更長(zhǎng)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(guó)內(nèi)已經(jīng)和發(fā)達(dá)國(guó)家并駕齊驅(qū)甚至超過(guò),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(shí)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(duì)和體系,另一方面可借鑒美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家的研究成果,快速提升我國(guó)在交通設(shè)施的應(yīng)用管理水平,以匹配我國(guó)現(xiàn)階段及未來(lái)的道路使用及交通運(yùn)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(guó)相比,還存在一定的差異,但說(shuō)明標(biāo)委會(huì)的專家們已看到了其中的問(wèn)題并開始著力改進(jìn),相信隨著這一新版本的發(fā)布,國(guó)內(nèi)公路標(biāo)志設(shè)置將上一個(gè)新的臺(tái)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]
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^(guò)、駛出4個(gè)階段,根據(jù)每個(gè)階段不同的駕駛需求來(lái)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(jì)速度及彎道內(nèi)的限速有關(guān),在設(shè)置時(shí)需考慮駕駛者的感知反應(yīng)時(shí)間和車輛減速距離。
4) 彎道誘導(dǎo)標(biāo)的尺寸和設(shè)計(jì)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(duì)駕駛者判斷彎道的曲率越有幫助。
5) 國(guó)內(nèi)應(yīng)重視交通管理及交通設(shè)施安全系統(tǒng)專項(xiàng)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(jì)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(shí)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。