高速公路復雜節點指路標志有效性研究與應用

趙 迪 劉慶元 邵敏華 余 穎

(1.山東省交通規劃設計院集團有限公司 濟南 250101;2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804; 3.江蘇現代路橋有限責任公司 南京 211299)

隨著我國經濟的迅速發展，高速公路交通量大幅增加，交通擁堵問題越來越嚴重。以往修建的雙向四車道高速公路已不能滿足日益增長的通行需求。相較于新建高速公路而言，改擴建高速方案由于具有充分利用原有路基，節省建設占地、縮短建設周期等優勢，正在被廣泛應用。

目前高速公路擴建一般采用單側加寬或雙側加寬2種形式。采用哪種形式的加寬方式，應根據原公路的地形、地質、交通量、橫斷面形式等條件綜合確定。當采用單側加寬時，受沿線大跨徑橋梁拼接難度或沿線兩側擴建條件、節省拆除原中分帶費用等因素影響，局部會形成同向分離式路基。

同向分離式路基交通運行環境較為復雜，駕駛員在不熟悉路況的情況下，通常會減速進行判斷決策。而對于同向分離式路基與互通立交出口結合的情況，以分車型分車道行駛的雙向八車道高速公路為例，車輛在行駛至分離路基前，內側兩車道的小客車需要判斷是否需要由當前互通駛離高速，因而做出直行或駛入外側兩車道的決定。由于增加了互通出口這一影響因素，同向分離式路基與互通立交出口結合的情況相較于單純的同向分離更為復雜，這也大大增加了同向分離路基處事故發生的概率。

由于GB 5768-2009 《道路交通標志和標線》等國標、規范中對諸如同向分離式路基與互通立交出口結合等復雜節點的指路標志沒有相關規定，且國內現階段幾乎沒有關于同向分離處指路標志的相關研究。因此，對高速公路復雜節點處的指路標志設置方案及不同方案的有效性進行研究是十分必要的。

目前交通標志有效性研究方法大致可以分為定性分析方法及定量分析方法。其中定性方法主要包括：層次分析法、模糊綜合評價，以及數據包絡分析等。如張云嬌[1]基于車速及駕駛員對交通標志標識應激反應行為分析，利用層次分析法建立高速公路交通標志標識優化理論應用效果評價模型；劉芳等[2]運用AHP 法確定主觀權重，再結合調研數據利用改進的熵值法進行指路標志評價指標權重動態調整。

定量分析的方法主要是建立量化評價模型，如邵海鵬等[3]選取信息需求滿足程度、信息關聯強度、信息適量程度、信息理解難易度及駕駛人心理預期作為標志信息有效性的量化指標，建立交叉口指路標志信息有效性量化模型；關偉[4]基于認知心理學，通過對駕駛員的反應行為、眼動及誘發腦電信號的測量，研究交通標志對駕駛員認知過程的影響規律，建立了駕駛員的認知模型。

現有交通標志有效性研究方法中，定性研究方法受主觀因素影響較大；而定量分析方法在有效性指標選取時，通常采用主觀調查和客觀試驗等方式，獲得駕駛員的主觀感受和行駛狀態，將駕駛員對于標志信息的理解、判斷及決策作為評價指標的一部分，該方法雖然可以將駕駛員因素在交通標志認知中起到的作用考慮在內，但由于不同駕駛員的理解能力和駕駛水平等并不相同，且模擬試驗時樣本量較小，評價結果會隨參與調查的人員變化，往往不能很好地反映交通標志的優劣，也難以具體分析造成標志有效性不好的深層原因。

因此，本文基于同向分離式路基與互通立交出口結合等高速公路復雜節點指路標志的特點，分別從駕駛員對于交通標志的理解度和認知時間角度出發，尋找合理客觀的交通標志有效性評價指標，建立高速公路復雜節點交通標志有效性定量評價模型，尋找復雜節點處最優指路標志設置方案，力求可以最大程度保證駕駛員安全、正確、順暢地通過復雜節點。

1 高速公路復雜節點交通標志有效性評價模型

交通標志的有效性評價是以交通標志為研究對象，對交通標志能否滿足駕駛員的信息需求進行評價。對于高速公路復雜節點來說，指路標志的有效性體現在2個方面：①駕駛員能夠正確理解交通標志表達的道路情況，即標志有良好的理解度；②駕駛員能夠及時掌握標志并采取相應操作，即駕駛員有較短的認知時間。

1.1 評價指標選取

由于駕駛員對交通標志的理解度會影響駕駛員的認知時間，為減少理解度與認知時間的相互作用在交通標志有效性評價模型中產生的影響，在選取交通標志的有效性評價指標時，盡量選擇相互獨立的評價指標表征標志理解度與認知時間。

1.1.1理解度

衡量交通標志有效性的首要條件為駕駛員對交通標志的理解程度，交通標志應能準確、清晰地向駕駛員傳遞道路狀況，使駕駛員做出準確的判斷。

從交通標志本身因素入手，由于高速公路指路標志字高、顏色、設置位置、結構形式等在規范中有明確規定。對高速公路復雜節點來說，影響駕駛員對于指路標志理解度的主要因素就是標志版面內容的不同。Shinar等[5]分析對比了波蘭、芬蘭、以色列等國家的當地駕駛員對其交通標志版面設計的平均理解程度，發現交通標志被標準化時最易被理解。

綜合考慮以上因素，假定所有滿足GB 5768-2009 《道路交通標志和標線》等標準、規范的標志信息均能被駕駛員正確理解，則可以用標志的規范符合率來表征駕駛員對標志的理解度。

1.1.2認知時間

影響高速公路復雜節點處駕駛員安全通行的另一重要因素就是認知時間。諸多研究表明駕駛員的認知時間和指路標志的信息量正相關。

祖永昶等[6]通過對城市道路指路標志的研究，發現指路標志的認知時間主要與信息量大小相關，信息量增加，認知時間增加，當信息量超過一定閾值時，認知時間的漲幅越大。楊曼娟等[7]對組合式指路標志信息數量與認知時間進行回歸分析，發現認知時間與地名數量之間存在明顯的相關關系，且當地名信息數量超過8個時，認知時間出現明顯變化，而標志版面數量對認知時間沒有顯著影響。

此外，盧偉等[8]對指路標志中的信息量與駕駛員認知時間的關系進行了研究，發現指路信息超過6條時，認知時間明顯增長。

由于標志信息量與認知時間存在明顯的正相關性，本文選用指路標志信息量表征駕駛員對于標志的認知時間。

1.2 評價模型建立

高速公路復雜節點處由多個指路標志構成體系，除對單塊指路標志進行評價外，還應對復雜節點處所有指路標志構成系統的有效性進行分析。因此，本文分別給出表征單塊標志和標志系統的規范符合率和信息量公式，進而建立有效性評價模型。

1.2.1規范符合率

1) 單標志規范符合率。指路標志版面中存在漢字、道路編號、距離信息、圖形信息等信息量不同的元素，單標志規范符合率可以用指路標志版面中與規范要求相符的元素信息量與該標志所有元素信息總量的比值定義。其中，與規范要求相符的元素是指元素在規范中有明確規定且與規范規定相一致；當規范對某標志元素沒有明確規定時，不能認作該元素與規范要求相符；而當標志元素與規范要求相違背時，應當對標志系統重新進行修改后方可進行標志有效性評價。

(1)

式中：ecj為標志系統中第j種指路標志的規范符合率，量綱為1；hcj為第j種指路標志版面中與規范要求相符的元素信息量之和；hj為第j種指路標志的信息總量，由式(4)計算。

2) 標志系統規范符合率。標志系統中，規范符合率高的標志占比越多，系統的規范符合率越好。因此本文在標志系統的規范率中，引入標志重復次數對其進行補充。

(2)

式中：Ec為標志系統規范符合率，量綱為1；Nj為第j種標志的重復設置次數；J為標志系統的所有指路標志種類。

1.2.2信息量

1) 單標志信息量與信息當量。交通標志信息量傳統的表征方式是從單一信息源角度研究交通信息量度量，如用標志中路名數量或地名數量代表標志信息量，分析單類信息對駕駛員的誘導效率或負荷閾值[9]。

而指路標志向駕駛員提供的不僅僅是路名或地名信息，僅用單一信息源角度計算交通信息量對于高速公路復雜節點的指路標志而言是不夠的；考慮到指路標志中的英文地名、標志板數量對駕駛員認知時間的影響不顯著[10]。經篩選總結，高速公路復雜節點指路標志版面影響信息量的元素類型有漢字、道路編號、出口編號、距離信息、圖形信息、顏色、箭頭。采用信息量理論，計算標志中漢字、符號、箭頭等不同元素信息量及權重，計算標志信息總量。

①不同元素信息量計算。根據信息理論[11]，交通標志各元素的信息量為

hji=-lbpi

(3)

式中：hji為交通標志j中第i種元素的信息量，bit；pi為第i種元素出現的概率。

②基于層次分析法的標志元素權重計算。通過咨詢相關專家，利用層次分析法，對高速公路復雜節點指路標志各元素在指示道路過程中發揮作用的大小進行兩兩對比評價，構造判斷矩陣

經計算，最大特征根為7.402，一致性指標為0.067，一致性比率為0.051<0.1，滿足要求。指路標志中各元素權重值見表1。

表1 高速公路復雜節點指路標志各元素權重

③單標志信息量。將元素信息量與權重帶入單標志信息量計算公式[12]

(4)

式中：hj為交通標志j的信息量，單位為bits；ai為交通標志j中第i種元素的權重(指表1中的權重值)；ni為交通標志j中第i種元素的數量；I為交通標志j中所有元素種類。

④單標志信息當量。通過計算標志實際信息量與信息量閾值的比值，獲得指路標志信息量的優劣程度。建立信息當量公式

(5)

式中：ehj為第j種標志的信息當量，量綱為1；h0為信息量閾值，車速為120 km/h時，其值為180 bits[13]。

2) 標志系統信息密度當量。計算高速公路復雜節點標志設置范圍內所有標志總體信息量，求得標志系統信息密度當量

(6)

式中：Eh為標志系統的信息密度當量，量綱為1；Nj為第j種標志的重復設置次數；J為標志系統的所有指路標志種類；L為指路標志系統標志設置的起終點距離，m；E0為高速公路密度閾值，其值可由公式(7)計算[14-15]獲得。

(7)

式中：D為標志前置距離，m；S為標志視認距離，m。

單標志信息當量與標志系統信息密度當量并不是越小越好。當標志的信息量不足以表達道路實際狀況時，應當對標志設置方案進行修改。

1.2.3指路標志有效性

根據交通標志有效性與理解度和認知時間的關系易知，交通標志有效性與交通標志的理解度成正比，與交通標志的認知時間成反比。因此，將單塊指路標志的有效性定義為標志規范符合率與信息當量的比值

(8)

式中：tse為指路標志系統中單塊標志有效性，量綱為1；ecj為第j種指路標志的規范符合率；ehj為第j種指路標志的信息當量。

指路標志系統有效性定義為

(9)

式中：TSE為指路標志系統有效性，單位為1；Ec為標志系統規范符合率；Eh為標志系統的信息密度當量。

2 應用實例

以某限速為120 km/h、互通立交出口匝道前主線內側兩車道與外側兩車道間存在同向分離的雙向八車道高速公路為例，對高速公路復雜節點指路標志的設置方案進行研究。

2.1 基本假定

為減少無關變量干擾，本文做以下規定：

1) 統一標志設置位置：參考GB 5768.2-2009《道路交通標志和標線 第2部分：道路交通標志》中對互通立交出口預告及出口標志位置的規定，在距離主線同向分離路基起點處3，2，1，0.5，0 km設置同向分離預告及告知標志。

2) 統一標志字高及結構形式：為避免標志文字大小、結構形式等對駕駛員的影響，指路標志統一采用70 cm的文字高度、標志結構采用門架形式。

3) 統一道路環境：為避免不同道路環境的影響，假設高速公路互通立交出口匝道前主線同向分離路段影響范圍內為長直線路段。

4) 標志不設置英文地名。

2.2 標志設置方案

雙向八車道高速公路互通立交出口匝道前主線存在同向分離，交通標志的設置需要最大程度保證直行車輛不受同向分離路基影響，繼續按照原有車道行駛，同時，由當前互通駛離高速的內側兩車道車輛能夠于分離路基前平穩變道。

基于此，本文提出4種標志設置方案。

2.2.1外側兩車道作為集散車道

當出口交通量與直行交通量相當時，可將同向分離外側車道作為專用集散車道，服務于互通出口。 此時可將互通立交出口與同向分離起點看作同一位置，提出2種標志設置方案。

方案1。以主線同向分離起點同時作為同向分離和互通出口的前基準點，正常設置互通立交出口3，2，1，0.5，0 km設置互通出口預告及出口標志，于0.8 km及0.3 km處增設車道指示及障礙物繞行標志，對主線同向分離加以警示；標志設置情況見圖1。

圖1 標志設置方案1示意圖

方案2。以主線同向分離起點同時作為同向分離和互通出口的前基準點，將互通出口與同向分離結合為圖形化標志，在3，2，1，0.5，0 km設置同向分離及互通出口預告及告知標志；該方案的標志設置情況見圖2。

圖2 標志設置方案2示意圖

2.2.2同時設置分離路基標志與互通出口標志

方案3。同向分離預告及告知標志處同時設置互通立交出口預告標志，但同向分離預告及告知標志以同向分離起點為前基準點，互通立交出口預告標志以互通立交漸變段起點為前基準點，兩標志距離信息不一致；標志設置情況見圖3。

圖3 標志設置方案3示意圖

2.2.3分離路基及出口標志獨立設置

方案4。同向分離預告及告知標志與互通立交出口預告標志單獨設置，標志設置情況見圖4。

圖4 標志設置方案4示意圖

2.3 有效性評價

應用高速公路復雜節點交通標志有效性評價模型，對某雙向八車道高速公路互通立交出口匝道前主線同向分離處指路標志有效性進行分析。

2.3.1單標志有效性

4種指路標志設置方案單塊標志有效性評價結果見表2。

表2 高速公路互通立交出口匝道前主線同向分離指路標志設置方案單標志有效性

從高速公路互通區出口前主線同向分離4種設置方案的單標志有效性來看，方案1中大多數標志的規范符合率最高，信息量較少，單塊標志的有效性優于其他3種方案。

2.3.2標志系統有效性

4種指路標志系統有效性評價結果見表3。

表3 高速公路互通立交出口匝道前主線同向分離指路標志系統有效性

從指路標志系統整體有效性評價結果來看，方案1指路標志的系統規范符合率最高、信息密度當量較低，系統有效性最好；方案2由于標志系統整體的信息量偏大，標志系統有效性最低。

3 結語

本文從交通標志有效性的體現——駕駛員對于標志理解度與認知時間出發，為減少駕駛員主觀因素對于標志有效性的干擾，利用規范符合率與信息量2種客觀指標取代主觀指標，建立基于規范符合率和信息當量的高速公路復雜節點單標志有效性評價模型，以及基于系統規范符合率和系統信息密度當量的標志系統有效性評價模型。評價過程中將定性的層次分析法與定量的模型方法結合。

利用建立的標志有效性評價模型對某高速公路互通立交出口前主線存在同向分離情況的指路標志設置方案進行研究，發現當將分離路基外側兩車道作為服務于互通區出口的集散車道，并將互通出口標志與同向分離標志分開設置時，單標志與標志系統的整體有效性最好。

由于現有關于信息量與認知時間關系的研究中，信息量與認知時間雖然正相關，但不一定成線性關系；指路標志的有效性雖然與交通標志的理解度成正比，與交通標志的認知時間成反比，但未必與本文建立的模型相同，仍有待于進一步試驗驗證。