基于驾驶模拟的多车道高速公路出口前置指路标志设置位置研究*

王昊程　赵　祎　赵　彦

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点试验室　上海　201804；

2.上海市政工程设计研究总院有限公司　上海　200092；　3.上海浦东建筑设计研究院有限公司　上海　201204)

基于驾驶模拟的多车道高速公路出口前置指路标志设置位置研究*

王昊程1赵祎2赵彦3

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点试验室上海201804；

2.上海市政工程设计研究总院有限公司上海200092；3.上海浦东建筑设计研究院有限公司上海201204)

摘要为研究现有规范中高速公路出口前置标志设置位置的规定在多车道条件下的适应性，根据交通流理论，计算得到不同车道数条件下的出口前置指路标志前置距离推荐值，建立驾驶模拟实验场景进行驾驶模拟实验，结合驾驶模拟器与眼动仪，对不同的标志前置距离进行合理性分析，验证了理论计算的结果。

关键词多车道高速公路前置指路标志驾驶模拟

1多车道高速公路出口区域交通安全特性与驾驶行为特征分析

多车道高速公路互通立交的匝道出口区域的道路安全问题相比于普通路段要突出。某些情况下，多车道高速公路最外侧有不止一条车道供大型车辆行驶，造成了小型汽车驾驶员在观察路侧标志与变换车道时难度更大。

多车道高速公路出口前置指路标志(advance guide sign，AGS)的设置原则是保证在多车道条件下，驾驶员仍然能够快速读取标志信息，并作出决策、反应。确定其位置时需考虑的影响因素有：多车道高速公路交通流特征、驾驶员驾驶行为特征、驾驶员视认性特征等。

驾驶员驶出高速公路过程中，AGS的视认性起到了重要作用[1]。我国《公路交通标志和标线设置规范》[2]规定最后一块AGS设置在距离分流鼻500 m处，这一规定最早经双车道公路的实地试验确定[3]。当前互通立交出口区域许多设计标准来源于上世纪五六十年代的历史数据，且在北美互通立交设计指南中仍然有效[4]。在多车道条件下，车辆由道路内侧向外行驶的过程中，变换车道需要的距离显然会大于双车道公路。所以，在多车道高速公路的设计中，最后一块的AGS的设置位置需要进行进一步的探讨。

2基于微观驾驶行为的标志前置距离的确定

2.1　模型假定与准备工作

(1) 模型假定。①车辆在变道之前3 s打起转向灯；②主线车辆到达服从某种分布；③同一时刻同一横断面上不发生超过1次换道行为；④车辆匀速行驶。

(2) 准备工作。计算之前，先进行如下准备工作：

①驾驶员的驾驶行为描述。假设驾驶员在距离最后一块AGS标志L0处结束视认，随即驾驶员开始换道操作，包括打起转向灯与换道2个动作。随后驾驶员驶离主线，驶入减速车道。

②验证车头时距分布假设。对实地采集的车头时距进行拟合检验，验证了车头时距符合负指数分布，从而主线车辆达到服从泊松分布。

③标志消失距离的计算。以双向8车道为例，取普通指路标志宽度5 m，垂直道路方向上，驾驶员距离标志D=23.375 m，根据人体工程学，θ取15°[5]。

L0=D/tanθ=87.24m

(1)

④换道安全车头时距的计算。根据蒋锐提出的车辆变道安全模型[6]，车辆变换车道时目标车道上所需要的最小车头时距如下。

(2)

式中：vn为变道车辆的速度，km/h;vn-1为目的车道中后车的速度，km/h;μ为路面纵向附着系数，i为路线纵坡；L为安全停车距离，取值11 m；R1为车辆变车道时行车轨迹圆曲线半径，m；τs为驾驶员的反应时间，取值1.5 s；τw为雾天延迟反应时间，s；λ为变换车道次数，本文令λ=1，并限制车辆不得连续变道；wl为车道宽度，取值3.75 m。令车速均为120 km/h，在保证车辆不侧滑与侧翻的条件下，取半径R1=250 m[6]。至此，可计算出最小安全车头时距为4.1 s。

⑤换道一次所需行驶距离计算。设事件A(车道1~2)，B(车道2~3)，C(车道3~4)，D(车道4~5)分别为驾驶员在打起转向灯3 s后即顺利找到合适的间隙并完成了一次换道。

事件A(或B，C，D)发生时，车辆换道所需的行驶距离为

LA(B，C，D)=2Rsinθ=74.8 m

(3)

式中：θ为行驶圆弧所对的圆心角，通过几何关系即可获得。

2.2　最后一块AGS前置距离计算

最后一块AGS前置距离问题即是最后一块AGS的设置位置问题(location of the last AGS，LLA)。

车辆到达分布服从泊松分布，则

(4)

式中：Pk为在间隔t内达到k辆车的概率；λ为车辆平均到达率；t为每个间隔持续的时间。

设事件E为在一系列换道过程中，均一次性顺利完成；事件F为一系列换道过程中，有一次换道未一次性顺利完成，驾驶员在第二次寻找间隙时才出现合理换道间隙。

设主线远景交通量为Q=50 000 pcu/d，且在各车道上均匀分布，设计车速为v=120 km/h，大车数占总体的1/3。计算得到：年平均日交通量绝对车辆数为30 000 veh/d，目标车道车辆的平均到达率为0.001 25 veh·m-1，最小安全车头时距为4.1 s，故最小车头安全间距为136.7 m，长度d为136.7 m内车辆平均到达率为0.17 veh。

(5)

式中:P(A)为事件A发生的概率。

由于A，B，C，D之间相互独立，故：

0.8434=0.505

(6)

(7)

P(E∪F)=0.881

(8)

因此，车辆换道所需的最长距离为下式所示，且这一距离满足88%的换道需求。

L1+L2+L3+L4+L5+L6+

L7+L8=799.15m

(9)

最后一块AGS前置距离LLA=L=max(LE，LF)-L0=711.92 m。

重复上述计算思路，双向6车道高速公路LLA=565.13 m。车道数为双向8车道时，原有的规范规定0.5 km便无法满足驾驶员的换道需求，而对于双向6车道则基本可以满足要求。

为便于标志的表示，取LLA为整数。为保证驾驶员有足够的距离换道，最后一块AGS距出口匝道分流点前的距离取值见表1。

表1　AGS-LLA参数取值

3多车道高速公路出口区域驾驶模拟实验

3.1　实验仪器

(1) 驾驶模拟器。UCWin/Road仿真建模。该程序是进行三维景观设计和行驶模拟的道路设计辅助软件，能真实地表现动态三维空间，易于理解与使用。程序还备有大量的房屋、大楼等3D模型，树木、标识等物体的样例，可以进行景观的设计，模拟。

(2) 眼动仪。Dikablis眼动追踪系统。该仪器为头戴式眼动采集设备，可追踪眼部特性(瞳孔运动)与汽车前景画面，并获得注视点反应在前景画面中的视频文件和视觉特性参数，实现试验驾驶人眼动行为的精确描述。该设备轻便小巧，方便携带，可将设备对试验人员的影响降到最低，反映真实驾驶状态[7]。

3.2　实验场景

(1) 实验场景简介。实验车辆依次通过4个单喇叭互通立交场景(分别记为互通A，互通B，互通C，互通D)，设计速度120 km/h，车道宽3.75 m，各互通间间距为4 km，变速车道、匝道的设计参数按照规范规定确定。互通A，B主线为双向6车道，互通C，D主线为双向8车道。驾驶员佩戴眼动仪、驾驶实验车辆进行实验。经过每个互通立交时，驾驶员先由出口匝道驶出高速公路再经地面道路由入口匝道驶入高速公路。

(2) 出口前置指路标志设置位置。①规范规定出口前置指路标志设置位置。根据《公路交通标志和标线设置规范》(JTG D82-2009)，我国高速公路应设置3块AGS，距离分流鼻的距离分别为2 km，1 km和500 m；②理论计算结果推荐出口前置指路标志设置位置。根据上文，计算得到的适合多车道条件的出口前置指路标志设置位置见表2，分别列出了双向8车道与双向6车道条件下的前置指路标志推荐设置位置。

表2　多车道高速公路场景路侧AGS推荐设置位置表

(3) 出口前置指路标志设置位置的选取。互通A与互通C的出口前置指路标志设置位置按照我国规范规定；互通B与互通D根据表3确定出口前置指路标志设置位置；以研究现有规范规定的出口前置指路标志设置位置对于多车道高速公路的适应性。相关实验参数见表3。

表3　实验建立互通立交场景主要参数表

3.3　数据处理

根据驾驶模拟器输出的相关数据，选取车辆沿道路行驶的距离为横坐标，选取车辆与道路左端间的距离为纵坐标，建立平面坐标系。即可绘制出车辆在互通出口区域的行驶轨迹，以其中1名实验者为例，互通A出口区域行车轨迹见图1。

图1　互通A出口区域行车轨迹图

根据车辆行驶轨迹并利用眼动仪记录数据，根据驾驶员视点位置、前方车辆情况等信息做出判断，确定驾驶员行动点(开始向道路外侧变换车道并准备驶离高速公路)的位置。

绘制所有实验者在互通A～D出口匝道前的行动点位置图，见图2，图3。

6车道高速公路场景中，最后一块前置指路标志设置位置提前时，78%的驾驶员的行动点位置提前；8车道高速公路场景中，最后一块前置指路标志设置位置提前时，71%的驾驶员的行动点位置提前。结合驾驶员的熟练程度可以发现，较为生疏的驾驶员更容易受到出口预告标志提前的影响，较早地变换车道以驶出高速公路。

a)互通A行动点位置b)互通B行动点位置

图26车道高速公路行动点位置

图3　8车道高速公路行动点位置 3.4　结论

前移最后一块前置指路标志可以促使驾驶员提前驶出高速公路的行动，且对于较为生疏的驾驶员的影响更为明显，更能使他们提前做好驶出高速公路的准备。显然，较早开始准备驶离高速公路可以为驾驶员提供更充足的变换车道的时间与空间，更多的观察车辆侧后方的机会。驾驶员可以更从容地通过高速公路出口区域，具有更好的安全性。

4结语

通过分析多车道高速公路出口区域交通安全特性与驾驶员驾驶行为特征，提出了在多车道条件下，现有的出口前置指路标志前置距离可能不能确保变换车道的安全性。利用交通流理论，建立模型确定了多车道条件下的标志前置距离的推荐值，并通过驾驶模拟实验对不同的标志设置位置的合理性进行比较。为多车道高速公路的标志安全设计提供了一定的参考。

参考文献

[1]赵祎.多车道高速公路匝道出口区域安全设计及风险评价技术研究[D].上海：同济大学，2013.

[2]JTG D82-2009公路交通标志和标线设置规范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[3]MACE D J, HOSTETTER R S,SEGUIN E L. Information requirements for exiting at interchanges[M]. HRB-Singer, Inc., Pennsylvania State University, Pennsylvania Department of Highways, Bureau of Public Roads, 1967.

[4]万海峰.多车道高速公路合流区端部车辆速度驾驶行为远场观测试验研究[J].交通科技,2014(5):124-127.

[5]交通部公路科学研究院，北京交科公路勘察设计研究院，安徽省公路管理局.公路交通标志和标线设置手册[M].北京：人民交通出版社，2009.

[6]蒋锐.事件状态下高速公路交通流特征及运营风险研究[D].上海：同济大学，2011.

[7]沈一川.基于动态视觉理论的高速公路广告牌对驾驶行为的影响分析[D].上海：同济大学，2014.

收稿日期：2015-02-03

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.052

*山东省交通科技创新项目(2012-26)资助