基于驾驶模拟器的高速公路无人值守收费站指示标志设计方案研究
2015-02-24迟景昊赵晓华
迟景昊 赵晓华▲ 荣 建 徐 飞
(1.北京工业大学北京市交通工程重点实验室 北京 100124;2.北京博宇通达科技有限公司 北京 100078)
基于驾驶模拟器的高速公路无人值守收费站指示标志设计方案研究
迟景昊1赵晓华1▲荣建1徐飞2
(1.北京工业大学北京市交通工程重点实验室北京 100124;2.北京博宇通达科技有限公司北京 100078)
摘要随着我国经济的发展,机动车保有量不断增加,传统的高速公路收费站有人值守模式(MTC)已经不能满足现在的出行需求,因此,目前多省市均在试行高速公路收费站无人值守模式。以无人值守模式的收费站指示标志为研究核心,采用模拟驾驶实验的方法,并以京开高速西红门南桥收费站为案例,选取5种常见指示标志为研究对象,设计16种方案组合,通过主观问卷数据、平均速度、加速度标准差、侧位移、停车位置偏差绝对值、停车次数和减速过程次数7项指标,从标志视认性、取卡便捷性、驾驶舒适度和通行效率4个层面综合评价各方案的有效性,进行优劣排序,首次提出高速公路无人值守收费站指示标志最优和较优的设计方案。希望能够为规范高速公路无人值守收费站指示标志设置,及相关标准规范的制定提供参考和依据。
关键词交通管理;高速公路收费站;无人值守;交通标志;效用评价;模拟驾驶实验
0引言
国外高速公路建设较早,发展较为迅速,特别是发达国家的电子不停车收费系统(electronic toll collection system,ETC)发展较为完善,收费站多采用ETC或ETC与公路半自动车道收费系统(manual toll collection system,MTC)混行。且均已形成较成熟的ETC系统。例如,意大利的Telepass系统、葡萄牙的Via Varde系统、美国的E-Zpass系统等。另外,如澳大利亚的墨尔本、智利的部分高速公路,以及加拿大的407高速公路,也已实现了无收费站的多车道自由流电子收费,英国伦敦更是实现了虚拟站点收费[1-3]。张玉玲等[4]曾研究过日本ETC的发展,并提出了对我国的启示,但事实上,无人值守自助发卡收费站在国外较为少见,相关研究也较少,不具有参考价值。
现在我国大部分高速公路仍采用传统MTC,而传统的人工发卡模式具有影响通行效率、收费员工作量大、增加运营成本、易于偷逃票款等问题[5]。20世纪90年代初,ETC在我国开始应用[6]。但发展至今ETC车道覆盖率和ETC车辆占有率依然相对较低,2015年底ETC用户将达到2 000万[7],但ETC所占的比例不足15%。近些年,高速公路除人工收费站和ETC收费站之外,还出现了无人值守收费站。通过安装自动发卡机取代传统的人工发卡,可以提高通行效率、减轻收费员工作量、降低人工成本和运营成本等。无人值守自动发卡收费站最早应用于广东、河南的部分高速公路,现在天津、山东、江西、北京等多个省市也陆续开始使用[5]。无人值守自动发卡系统是高速公路入口新型发卡模式,是MTC车道和ETC车道的有效补充,未来发展空间十分广阔[8]。
从传统的有人值守模式向新型的无人值守模式转变,收费站需要设置相应的指示标志提醒驾驶员当前工作模式并指引其在正确的位置领取通行卡。但是现在各省市只是将无人值守收费站作为试点进行应用,并没有全面推广,国标《道路交通标志标线》(GB5678.2-2009)[9]的第二部分道路交通标志规定了MTC和ETC收费站需要设置"停车取卡"和"收费站"提示标志,但并没有规定无人值守收费站需要设置何种标志。之前的研究主要集中于无人值守自动发卡系统的软硬件设计、运营管理与实际应用等层面,周思友[10]研究了基于射频技术的高速公路不停车收费系统的软件设计,闵红星等[11]研究了非接触式IC卡在高速公路收费系统中的应用,田寅[12]、林春[13]和曹德洪等[14]则分别研究了IC卡自动发卡系统、无人值守自动发卡系统和新型多功能自动发卡机在高速公路的应用。关于收费站处指示标志设置的研究较少,实际工程应用中规范性较差,不利于管理。而其他标志设施设计的研究较多,可为本文研究高速公路无人值守收费站的标志提供参考。例如袁天容[15]曾研究过一、二级收费公路收费站的标志设置。而研究设施的方法主要有外场实测和内场模拟驾驶实验2种方法,模拟驾驶实验具有安全性,对实际交通没有影响,可重复实验等优点,成为研究交通设施的一个重要途径。
因此,笔者采用模拟驾驶实验研究手段,选取各省市常见收费站指示标志为研究对象。设计多种组合方案,综合比较各方案的有效性,首次提出高速公路无人值守收费站指示标志的最优和较优组合设置方案。对完善无人值守收费站指示标志设置方法,指导工程实践具有重要意义。
1驾驶模拟实验
为了控制实验变量,避免不利因素对实验结果的影响,增加实验重复性,提高实验安全性,本文采用驾驶模拟实验方法对多种收费站指示标志设计方案进行有效性评价,进而实现无人值守收费站指示标志的优化设置方案。
1.1实验设备
实验使用的模拟驾驶实验平台属于真实车辆驾驶模拟器,可提供前方130°的视角,以30 Hz的频率记录车辆运行参数,从而获取车辆运行状态和驾驶员驾驶行为等数据。
1.2实验场景
实验场景以京开高速西红门南桥收费站为基础,指示标志选取的是实际工程应用最为广泛的5种标志。标志1为立柱式LED人工/自助可变指示牌,高1.5 m、长1 m,设置在收费站岛头;标志2为前方2 m自助取卡标志,高1 m、长2 m,黄底黑字,设置在收费窗口;标志3和4为自助模式时此处取卡提示牌,标志3设置在防撞柱上,高2 m、长0.6 m,黄底黑字,标志4设置在取卡机侧面,高2 m,长1 m,白底黑字;标志5为悬挂式LED人工自助可变指示牌,高1 m、长3 m,悬挂在收费站岛头车道指示灯下方。标志字高25 cm。具体样式和设置位置见图1。
图1 5种指示标志样式及设置位置Fig.1 5 kinds of sign style and setting up position
根据5种标志间的排列组合一共设计15种设置方案。由于方案较多,为避免被试长时间驾驶产生疲劳,将所有方案随机分配于3个实验场景中,每个场景包含5个方案。另外,为避免被试因多次驾驶后熟悉场景,影响实验结果,在5种方案及空白对照组(未设置任何标志)之外随机设置了干扰收费站,即1个场景共包含10个收费站。实验场景全程约36 km,驾驶时间约20 min,限速120 km/h。实验场景线形及收费站编号见图2。具体方案内容和设置位置见表1。
图2 实现场景道路线形及收费站编号Fig.2 Road alignment in scenario and the number of tollbooth in the three experiment scenarios
收费站号对应方案收费站号对应方案收费站号对应方案1A方案3:31B方案1:11C方案2:22A取卡机前移2B取卡机前移2C取卡机前移3A方案9:2+43B方案8:2+33C方案15:5+2+3+44A空白4B空白4C空白5A方案7:1+45B方案5:1+25C方案10:1+2+36A人工6B人工6C人工7A方案13:5+2+47B方案11:1+2+47C方案12:5+2+38A取卡机后移8B取卡机后移8C取卡机后移9A方案14:1+2+3+49B方案4:49C方案6:1+310A人工10B人工10C人工
各方案间由于设置的标志内容和数量不同,因此在理论上可能存在一定差异。例如,设置标志数量过少,可能无法很好的起到指示作用;数量过多则可能对驾驶员造成干扰,降低整体效用。
1.3被试选择
本实验共招募30名被试,其中女性6人,男性24人;普通司机20人,职业司机10人。年龄20~48岁(AV=27.5,SD=8.2),驾龄2~20年(AV=5.6,SD=5.1),身体状况良好,无色盲、色弱,驾前无疲劳现象。周平均驾车次数4次以上,且均有高速驾车经验。
1.4实验流程
实验一共分为2次,第1次随机完成2个实验场景的驾驶任务,第2次完成剩余1个场景的实验并填写主观问卷,2次实验间隔24~48 h。具体实验流程:
1) 预实验。被试进行2 min的预实验,熟悉驾驶模拟舱环境,练习起步停车,熟悉油门刹车等。
2) 虚拟收费过程练习。被试随机通过某个收费站,练习停车取卡动作。被试根据收费站区域内的指示标志自己判断当前收费站的工作模式,并将车辆停在正确的位置(有人值守停在收费亭附近,无人值守停在取卡机附近)。停车3 s以上,并用左手转动车前灯开关(实际中驾驶员都是采用左手取卡通行),触发收费站抬竿抬起,从而完成停车取卡动作。
3) 记录初始状态。被试填写个人信息,记录实验前基本信息和疲劳程度。
4) 正式实验。被试随机驾驶3个实验场景中的2个,从随机的1个收费站出口处开始实验驾驶1圈。2个场景间休息10 min。实验过程中,若被试停车位置错误(被试完成停车取卡动作时,车辆位置明显还未到或明显驶过收费窗口或取卡机),需停止实验,并将车辆移动至上1个收费站出口处重新开始实验。
5) 记录驾后状态。获取被试对驾驶模拟舱的有效性评价和驾后疲劳程度。
第2次实验流程基本与第1次相同,但只驾驶剩余的1个场景,并填写主观问卷。
2实验数据分析
2.1评价指标选取
选取平均速度、加速度标准差、侧位移、停车位置偏差绝对值、停车次数、减速过程次数6项客观行为指标,从标志视认性、通行效率、驾驶舒适度、取卡便捷性4个层面对收费站指示标志设计方案有效性进行评价。其中标志视认性由停车位置偏差绝对值和停车次数反映,通行效率由平均速度和停车次数反映,驾驶舒适度由加速度标准差和减速过程次数反映,取卡便捷性由侧位移和停车位置偏差绝对值反映。6项指标的定义及功能如下。
1) 平均速度。指收费站前100 m至被试停车取卡时所在位置之间区域的平均速度。在安全的范围内,平均速度越高,通行效率越高。
2) 加速度标准差。体现驾驶舒适度。选取的范围为收费站前100 m至被试停车取卡时所在位置之间的区域。加速度标准差越小,驾驶舒适度越高。
3) 侧位移。车辆偏离道路中心线的位置大小,侧位移为负说明车辆行驶偏道路左侧,道路中心线位置侧位移为零。选取的是被试停车取卡时车辆所在位置的侧位移。反映驾驶员取卡时车辆与取卡机之间横向的距离。侧位移越小,车辆越靠近道路的左侧,因为取卡机的位置在道路的左侧,所以取卡便捷性越好。
4) 停车位置偏差绝对值。反映驾驶员停车取卡时,车辆与取卡机之间纵向的距离。定义将取卡机和车辆均视为质点,并以取卡机为原点建立直角坐标系,车辆与取卡机在Y轴上的距离绝对值即为停车位置偏差绝对值。绝对值越小,说明车辆距离取卡机的位置越近,取卡便捷性越好。同时,说明驾驶员可以更准确的寻找到取卡机,标志视认性越好。
5) 停车次数。指从车辆经过收费站前100 m处后至被试拧动车灯开关完成停车取卡动作时,这段区域内被试总共的停车次数,当车辆速度连续3 s及以上小于1 km/h,视为车辆停车。停车次数少,标志视认性好,通行效率高。
阿东觉得长久这样,也不是个事。便再次跟父亲商量,要不要干脆告诉阿里,姆妈已经死了,姆妈不会再回家来了,这样索性断了他的念想。
6) 减速过程次数。指从车辆经过收费站前100 m处后至被试拧动车灯开关完成停车取卡动作时,这段区域内被试总共的减速次数,如果车辆速度在下降过程中突然有1个上升,后又继续下降,则记为2次减速过程。减速次数越少,视认性越好,驾驶舒适度越高。
2.2主观问卷数据分析
主观问卷主要用于采集驾驶员对实验中各种指示标志组合的主观认识和反应,考察标志对驾驶员的作用及效果。并从驾驶员自身出发,获取驾驶员认为合理的标志组合方案,以及对指示标志设置方案的意见。主观问卷数据反映标志合理性。同时,统计所有被试实验后对模拟实验仿真效果的打分,验证实验的有效性。
根据主观问卷统计结果,标志1和5的作用是提示驾驶员当前收费模式;标志2的作用是再次明确此处无人值守,提示驾驶员继续向前行驶;标志3和4的作用是明确取卡机的位置,指示驾驶员停车取卡。在5种标志中,标志1和5的作用最大,对驾驶员的影响程度打分分别为7.6和7.7分(满分10分)。在驾驶员提出的设计建议中,100%的方案都至少包含标志1或5。由此可见,在标志合理性评价中,标志1和5的有效性最高。所有被试对模拟实验真实度平均打分为8.73分(满分10分),说明通过模拟驾驶技术研究收费站处指示标志理论可行,数据可靠。
2.3驾驶行为数据分析
根据驾驶模拟实验数据,选取平均速度、加速度标准差、侧位移、停车位置偏差绝对值、停车次数、减速过程次数6项指标,针对16种方案每项指标分别采用重复测量方差分析,检验方案之间是否存在显著性差异。各指标的变化趋势见图3。
根据重复测量方差分析结果,平均速度指标不具有显著性(P=0.528,F(15,435)=0.964),停车次数指标不具有显著性(P=0.584,F(15,435)=0.889),减速过程次数指标不具有显著性(P=0.685,F(15,435)=0.776),加速度标准差指标具有显著性(P<0.001,F(15,435)=6.847),侧位移指标具有显著性(P<0.001,F(15,435)=53.374),停车位置偏差绝对值指标具有显著性(P=0.017,F(15,435)=3.148)。
图3 各方案6项指标平均趋势图Fig.3 The results of 6 performance indicators and classification
因此最终将加速度标准差、侧位移和停车位置偏差绝对值3项指标列入评价体系,并采用S-N-K(Student-Newman-Keuls)q检验方法对此3项指标进行分组。S-N-Kq检验方法用于多个样本均数的两两比较。在多样本均数比较经F检验后,若在统计学意义上存在显著性差异,用此方法可进一步推断哪些组之间存在差异,哪些组之间不存在差异,还是所有各组之间均存在差异。分组结果见图3加速度标准差、侧位移、停车位置偏差绝对值图。
2.4高速公路无人值守收费站指示标志效用评价
根据具有显著性差异的3项指标S-N-K分组结果,将16种方案分为“好”“中”“差”3级,只有3项指标均为“好”,总体评分才能为“好”;评分为2“好”1“中”,则总体评分为“较好”;评分中包含2个及以上“中”的总体评分为“中”;3项指标只要存在“差”,总体评分则为“差”。具体评价结果见表2。
表2 方案评价结果
根据评价结果,最好和较好的4种方案均包含标志1或5,符合主观问卷统计结果,满足标志合理性。
3结束语
本文研究的5种标志虽然在功能上存在差异,例如,标志1和5因其LED形式,视认性最好,因此组合中包括标志1或5的方案在标志视认性方面势必会优于没有设置这两种标志的方案。但是本文采用的是综合打分评价的方法,选取了标志合理性、标志视认性、取卡便捷性和驾驶舒适度四项指标综合比选,而且各指标间权重相同,只有综合评价为"好"的方案才会被选为较优方案。而标志1或5虽然在标志视认性上效果显著,但在取卡便捷性、驾驶舒适度等指标上未必存在优势,因此采用综合评价的方法可以有效解决多角度评价指标评价不同方案设计的问题。根据此方法,最终确定高速公路收费站无人值守指示标志设置的最优方案为5+2+4组合,较优方案为1+2+4,1,1+4组合。
笔者采用模拟驾驶技术对高速公路收费站指示标志有效性进行评价,为规范无人值守收费站指示标志设置方法,及相关标准编写奠定了基础。另外,尽管虚拟环境与真实环境存在一定差异,但模拟驾驶实验结果用于交通标志有效性评价具有一定的相对有效性[16]。方案实施之后还将进行实地测试,进一步研究相关指示标志在实际工程应用中的有效性。
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A Study of Signs Design at the Unattended Freeway Toll Stations
Based on Simulated Driving Experiments
CHI Jinghao1ZHAO Xiaohua1RONG Jian1XU Fei2
(1.BeijingKeyLaboratoryofTrafficEngineering,BeijingUniversityofTechnology,
Beijing100124,China;
2.BeijingBoyotodTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100078,China)
Abstract:With the rapid development of economy in China, the number of automobiles is increasing constantly. The traditional manual toll collection (MTC) at freeway toll stations can no longer meet the current travel demand. Therefore, many provinces and cities are testing non-stop electronic toll collection (ETC). Simulated driving is used to study the key content of this paper: the mandatory signs at unattended freeway toll stations. A case study of Xihongmen-Nanqiao toll station at Beijing-Kaifeng freeway G45 is carried out in this study. 5 types of common signs are used as study objects, and 16 types of sign combinations are developed. Through the following 7 types of data, including questionnaire data, average speed, standard deviation of acceleration, lateral displacement, absolute deviation of parking position, number of stops and the number of decelerations, each combination is evaluated based on the following 4 indices: visibility of the signs, convenience of picking up the toll-card, comfort of driving experience, and passing efficiency, then sorted them in order from good to bad. This study proposes the best and optimum design schemes of mandatory signs at unattended freeway toll stations for the first time. The study results provide theoretical foundation for relevant standards regulating the setting of mandatory signs at such stations.
Key words:traffic management; freeway toll stations; unattended; mandatory signs; utility evaluation; simulation driving experiment
通信作者:▲赵晓华(1971-),博士,副教授.研究方向:驾驶行为与安全.E-mail:zhaoxiaohua@bjut.edu.cn
作者简介:第一迟景昊(1991-),硕士研究生.研究方向:驾驶行为与安全,交通安全设施.E-mail:298004852@qq.com
收稿日期:2015-09-29修回日期:2015-11-17
中图分类号:U491.5+21
文献标志码:A
doi:10.3963/j.issn 1674-4861.2015.06.018