改扩建高速公路中央分隔带封闭区交通标志适用性评价研究

改扩建高速公路中央分隔带封闭区交通标志适用性评价研究*

陈亚振1周颖1吕能超2,3▲谢练2,3

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司武汉 430050；2.武汉理工大学智能交通系统研究中心武汉 430063；

3.水路公路交通安全控制与装备教育部工程研究中心武汉 430063)

摘要高速公路改扩建项目中老路中央分隔带的保留增加了潜在行车风险，交通标志牌作为传递道路信息的主要手段，其设置是否合理对于行车安全至关重要。从驾驶人的认知原理出发，通过分析标志牌信息量与标志视认时间的关系，量化了标志视认距离，在此基础上结合高速公路改扩建后最不利条件下的车辆换道过程，提出了基于驾驶人视认性和换道操作舒适性的交通标志适用性评价方法，从而对改扩建高速公路中央分隔带封闭区设计的新型交通标志进行评价。案例评价结果表明，该高速公路改扩建中央分隔带封闭区交通标志方案能有效诱导驾驶人安全、舒适的出入中央分隔带封闭区。

关键词交通安全；交通标志；视认时间；中央分隔带；单侧加宽

中图分类号：U491文献标志码：A

收稿日期：2014-05-14修回日期：2014-12-19

基金项目*国家自然科学(批准号：51208401)、交通运输部应用基础研究项目(批准号：2014319811200)、中央高校基本科研业务费专项基金项目(批准号：133244003)资助

作者简介：第一陈亚振(1983-)，硕士.研究方向:道路交通安全、改扩建交通组织管理.E-mail:78590823@qq.com

通讯作者：▲吕能超(1982—)，博士，副研究员.研究方向：道路交通安全，驾驶行为分析，交通网络模型.E-mail:lvnengchao@163.com

Applicability Evaluation of Traffic Signs on Reconstructed

Highways with Medium Strips

CHEN Yazhen1ZHOU Ying2LYU Nengchao2,3XIE Lian2,3

(1.CCCCSecondHighwayConsultantCo.LTD,Wuhan430050,China;

2.IntelligentTransportationSystemsResearchCenter,

WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China;

3.EngineeringResearchCenterforTransportationSafety,

MinistryofEducation,Wuhan430063,China)

Abstract:The retention of central barrier increases traffic risk. The location of traffic sign is critical to effectively transmitting road information for highway safety. Based on the driver′s cognitive principle, analyzing the relationship of information of signs and the visibility time, the visibility distance of sign is quantified. Combined with the lane change process under the least favorable conditions, an evaluation approach based on drivers′ visibility time and lane changing operation is proposed. The approach was used to evaluate traffic sign application schemes about medium strip closure on highways. Evaluation results show that the traffic signs application scheme about medium strip closures can effectively guide the driver to cross the central separation strip safely and comfortably, thus providing valuable references for traffic sign applications for medium strip closure projects.

Key words:traffic safety; traffic signs; reaction time; medium strip; one side widening

0引言

随着社会经济的高速发展,以及交通需求的快速增长，我国早期建设的高速公路逐渐开始出现通行能力不足、服务水平下降等问题，拓宽改扩建成了解决上述问题的首选方法。高速公路常用扩建加宽形式包括双侧整体式加宽、单侧整体式加宽及分离式路基加宽等。平原微丘区通常采用整体式的双侧加宽方式[1]，山岭重丘区高速公路改扩建工程受地形条件限制则多采用单侧整体式加宽的形式，如郑洛高速公路。基于工程成本考虑，高速公路单侧加宽时保留旧路中央分隔带，仅在互通立交和服务区对中央隔离带进行封闭硬化处理以供车辆进出高速公路[2]。中央分隔带的保留是常规交通中没有的，不符合驾驶人驾驶习惯，车辆出入中央分隔封闭区增加的分合流驾驶行为甚至会导致驾驶负荷增高。因此，需要设计有效的交通标志以引导驾驶人安全、舒适的出入中央分隔带封闭区域，并对新型交通标志进行适应性评价。

交通标志牌有预示道路信息、规范交通行为、诱导交通流等作用，对于高速公路行车安全至关重要。研究表明，驾驶人对标志牌的视认难度与标志牌所包含的信息量大小密切相关。台湾学者Liu[3]根据信息理论，对驾驶人在不同大小信息量标志牌下视认行为进行了研究，被试主观评价结果表明，标志牌信息量大对驾驶人视觉和心理产生的压力也更大。王培等[4]则研究了驾驶人对标志牌的理解与信息量之间的关系，结果显示，对标志视认难度会随标志牌信息量的增多而增大。课题组则通过实验建立了交通标志信息量与视认时间之间的关系，当标志牌信息量超过一定阈值时，驾驶人的视认时间显着增加，影响安全。从认知心理学角度来看，驾驶行为的经典模型被描述为“刺激(stimulus)-机体(organism)-反应(response)”。标志牌作为高速公路重要的信息载体，不仅其信息量大小要处于驾驶人所能接受的最佳刺激范围内，而且其布设位置需要预留给驾驶人充裕的操作时间。

笔者基于驾驶人对标志牌视认性和换道操作舒适性提出了1种交通标志适用性评价方法，并结合洛阳-三门峡高速公路改扩建工程中央分隔带封闭区交通标志方案，对中央分隔带封闭区域的新型交通标志进行评价。

1中央分隔带封闭区安全问题分析

双向4车道高速公路单侧整体加宽拓建成双向8车道，老路半幅改变行车方向后，原中央分隔带的保留将单向4车道公路划分为内侧、外侧2种车道，将不同车型隔离分开行驶，内侧轻型车辆行驶车道供小客车、小型货车、中型客车和大客车行驶，外侧重型车辆行驶车道供中型货车、大型货车和重型货车行驶，见图1。

图1　单侧加宽工程出入段交织区行驶轨迹

分车型、分车道行驶能有效提高原有中央分隔带内侧车道行车速度，提升道路通行能力，同时减小车道内车辆运行速度差，提高车辆运行的安全舒适性，降低交通事故，特别适合于我国目前大货车和小轿车车速差比较大的现状。

但是，保留老路中央分隔带后，车辆需要驶过中央分隔带封闭进出内侧快速车道，是常规交通组织中没有出现过的，不符合驾驶人驾驶习惯。轻型车辆驶出内侧车道与外侧车道重型车辆交织，不同车型间车速差大；轻型车辆从外侧车道驶入内侧车道时，内侧车道车速快，需要寻找可接受间隙完成合流过程，增加的分流和合流行为带来了新的行车风险和安全隐患。因此，有必要研究满足驾驶人驾驶安全舒适性需求的中央分隔带封闭交通标志，并分析交通标志对保证车辆安全舒适运行的有效性。

2中央分隔带封闭区域交通标志设置

考虑到立交、服务区区域驾驶人的出入需求和结构障碍物，交通标志设施的设置应能够及时有效的告知驾驶人中央分隔带封闭信息，诱导驾驶人安全舒适的到达中央分隔带封闭。同时，交通标志设施的设置应能满足驾驶人出入中央分隔带封闭时的认知期望需求[5]，降低交通信息获取难度，预留足够的反应操作时间，保证安全舒适的从中央分隔带封闭进出高速公路。

扩建后旧路变为同向4车道高速公路，内侧车辆从中央分隔带封闭驶出高速公路时，内侧车辆先在中央分隔带出口封闭前寻找可接受间隙由第四车道(最内侧车道)变换车道驶入第3车道，在封闭处驾驶人寻找可接受间隙由第3车道变换车道驶入中央分隔带，再换道驶入外侧车道。驶入高速公路内侧车道的车辆行驶过程类似。针对车辆在封闭前与封闭处的换道需求，课题组设计了两组特制的标志，用于告知并诱导驾驶人出入中央分隔带封闭。

2.1出入口分合流预告标志设置

为使驾驶人确认封闭信息，需要在出口封闭前设置直行与右转弯的分流指路标志，在入口封闭前设置左转弯与直行的分流指示标志，以确保车辆的安全性和交通秩序的正常运营。标志牌形式见图2。

图2　分合流标志预告牌

该类型标志牌力求简约和明晰的表达前方封闭处道路交通信息，使驾驶人以最短时间明确和理解道路情况。具体设置在封闭前方2 km设置四级出口预告标志。

2.2出入口中央分隔带封闭预告标志

为保证驾驶人在中央分隔带封闭处驾驶的安全舒适性，需要向驾驶人提供中央分隔带封闭位置信息，同时对慢快车道指示标志进行设置，以确保驾驶人对前方道路、交通情况的完全掌握。预告出口信息的内容主要体现在将左右绕行标志加入预告标志内，以简明的符号使驾驶人最快时间了解前方道路信息，标志牌版面形式见图3，图中地点名以洛三高速公路义马立交出口为例。

图3　立交出口中央分隔带封闭预告标志

中央分隔带封闭预告标志以门架形式分别设置在内、外侧车道上方。具体位置为距离中央分隔带封闭末端前2 km，1 km，和500 m处，当中央分隔带封闭长度大于3 km时，增设3 km预告标志。

2.3中央分隔带封闭区域交通标志整体方案

上述2组标志结合其他常用标志，中央分隔带出口封闭区域交通标志整体方案见图4。中央分隔带入口封闭区域交通标志方案类似，仅标志牌形式略有不同。

图4　出口区域交通标志方案

3 交通标志适用性评价方法

3.1标志可视距离

交通标志，主要以文字呈现，从容易视认的角度，视角α角需要10′～15′。视角即由外界2点发出的光线经眼内结点所形成的夹角。根据人体视觉特性，可视距离S可以由公式确定[6]。

(1)

式中：S为可视距离,m,；h为标志中文字的高度,m；α为驾驶人视角,(°)。

根据规范《道路交通标志和标线》(GB5768-2009)相关规定，指路标志中文字高度与道路设计速度之间的关系见表1[7]。

表1　汉字高度与设计速度之间的关系

3.2标识信息量与视认时间

驾驶人视认标志是为了获取信息，其中字符和图形等是信息的主要载体。交通标志在传递信息时所携带的信息量将对驾驶人产生不同的认知负荷。在信息理论中使用的信息量计算经典方法[8]为：

(2)

其中：H(X)为标志所具有的信息量，b；Xi为事物X呈现i状态；m为某一事物可能出现不同状态的总数；P(Xi)为出现第i种状态的概率。

假设m种状态出现的概率相等，即P(Xi)=1/m，则上述公式就变为

(3)

在实际行车过程中，驾驶人对不同元素的认知程度不同，即在交通标志提供信息方面，不同元素所起的作用会有所不同。国内有学者对此进行了研究，采用层次分析的方法确定了6种元素的权重[4]。各元素权重大小见表2。

表2　道路交通标志所包含的6种元素的权重

对交通标志牌中的不同元素赋予不同的权重，则标志牌所含信息量计算公式为

(4)

式中：ai为元素的权重；Hi为单个元素包含的信息量；ni为交通标志上该元素的个数。

本课题组经过对采集到的大量标志牌的信息量进行统计分析，将标志牌信息量分为A,B,C,D 4个级别，具体分级结果见表3。通过实车实验及模拟实验研究表明：100，80 km/h行车速度下驾驶人对不同信息标志牌视认时间见表4。

表3　不同信息量的标志牌的分级结果

表4　各级信息标志视认时间

3.3评价方法

考虑最不利条件下，即车辆需从最内侧车道驶入外侧车道或从最外侧车道驶入内侧车道，车辆行经分合流预告标志、出入口中央分隔带封闭2.1 km预告标志后均未做出正确车道选择，直到看到出入口中央分隔带封闭前最近指路标志后才采取换道操作。此时，中央分隔带封闭前最近指路标志的设置距离决定了驾驶人能否舒适、安全地出入中央分隔带封闭。如果设置距离不合适，比如太靠近封闭端部，驾驶人对指路标志内容视认后已经来不及采取正常的驾驶行为，导致驾驶人错过通过封闭出入内侧车道的机会，极端情况下甚至会出现急刹车、突兀地变换车道等驾驶行为，造车交通流的紊乱。笔者从驾驶人角度出发，提出了基于驾驶人视认性和换道操作舒适性的指路标志前置距离评价方法。

如图5所示，车辆从第4车道驶出中央分隔带进入外侧车道的过程可分解为以下几段距离：从驾驶人可清晰分辨标志牌内容到标志牌位置，称为标志可视距离S可；从能清晰识别标志牌内容到完成标志牌信息认知与判断过程车辆行驶的距离，称为视认距离S视；对标志牌视认完后，驾驶人采取换道操作，经过2次换道行驶到中央分隔带过程中车辆行驶距离称为车辆换到距离S换；标志牌到封闭渐变段标线端点距离，称为标志牌与导流尖端距离S导；标志牌到封闭末端距离，称为标志牌前置距离S前；中央分隔带封闭末端长度按照《公路路线设计规范》中11.5.3的规定，采用1:80的渐变率[9]，长度为350 m。

基于驾驶人认知原理，驾驶人对标志牌信息的获取、分析、判断过程因信息量的不同需要耗费不同长度时间，行驶不同长度距离。视认距离小于标志牌可视距离才能保证驾驶人能有充分时间对标志牌进行视认，防止驾驶过程中认知负荷过高现象的出现。基于驾驶人换道操作舒适性，驾驶人需在封闭末端导流标线尖端前从容地完成换道过程，行驶至中央分隔带。封闭末端导流标线长350 m足够中央分隔带车辆换道驶入外侧车道。基于驾驶人视认性和换道操作舒适性，指路标志设置需满足以下2个条件：

图5　车辆驶出中央分隔带封闭示意图

1) 标志可视距离大于视认距离，即S可>S视。

2)标志可视距离与标志牌与导流尖端距离之和大于视认距离与车辆换到距离之和，即S可+S导>S视+S换。

4应用实例分析

以洛三高速公路改扩建工程中央分隔带封闭区交通标志设置为例进行应用分析，该高速公路中央分隔带封闭区最小长度为1.5 km。以中央分隔带封闭区指路标志信息量最大的义马互通处中央分隔带出口为例，对交通标志适用性进行评价。

根据交通标志信息量计算方法，对图6所含的信息量进行计算：图中标志牌包含汉字23个，英文字母10个，数字3个，颜色4种，方向箭头3个，符号2个。信息量为H=0.25×23×11.77+0.07×10×4.70+0.09×3×3.32+0.05×4×3.00+0.26×3×4.64+0.28×2×4.09=78.37 b。

图6　立交出口中央分隔带封闭指路标志

对照表3知标志牌信息量等级为B级，以最高限速100 km/h行驶时对标志牌视认时间为2.407 s，计算视认距离S视：

S视=(100/3.6)×2.407=67m

本方案中央分隔带封闭区指路标志汉字高度70 cm，驾驶人视角α取10′，标志可视距离S可：

研究认为驾驶人在车道变换前、中、后的行为依靠的是自身控制能力以及视力，驾驶人每完成1次车道变换需要5.14 s[10]。车辆换道距离等于车辆行驶速度与车道变化需要时间之积。所评价公路内侧车道最高限速100 km/h，车辆从第4车道换道驶入中央分隔带过程车辆行驶距离S换：

S换=2×(100/3.6)×5.14=286m

中央分隔带封闭前最近指路标志距离封闭末端500 m，标志牌与导流尖端距离S导=150 m。

计算可得本方案中：

标志可视距离240 m大于标志视认距离67 m，即满足S可>S视。

标志可视距离与标志牌与导流尖端距离之和为390 m，大于视认距离与车辆换到距离之和353 m，即满足S可+S导>S视+S换。

5结束语

基于驾驶人视认性和换道操作舒适性的量化计算，对交通标志适用性评价开展分析研究，评价改扩建高速公路单侧拼宽情形时的中央分隔带封闭区交通标志设置的合理性。并结合洛阳-三门峡高速公路改扩建工程开展实例分析，结果表明：改扩建高速公路中央分隔带封闭区域交通标志设计简约、明晰，标志牌信息量合适，驾驶人在可视范围内能从容完成标志牌的认知过程；基于驾驶人视认性和换道操作舒适性分析，中央分隔带封闭处指路标志前置距离500 m能有效保证驾驶人换道操作舒适性，避免急刹车和突然换道等驾驶行为的出现。所评价高速公路中央分隔带封闭区域交通标志的新型设计方案能为其他山区高速公路单侧加宽改造工程提供借鉴意义。

本文并没有考虑不同天气、环境等因素对驾驶人视认过程的干扰。在有条件的情况下，对新型标志的视认性进行驾驶模拟评价研究，具有更好的效果。

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