基于主动防护的冰雪地区公路弯道路侧标志组合设计方法研究*

姚裔虎 刘 念 徐良杰 樊 华

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

0 引 言

在我国北方地区冬季，驾驶员在公路上常易遇到雨、雾、冰、雪等视距差、路面湿滑的恶劣驾驶环境，极易造成驾驶员心理紧张，对行车安全极为不利.公路弯道是公路事故多发的主要路段，据相关资料研究表明，在冰雪天气恶劣条件下，公路弯道处每百万车辆公里事故数相比非冰雪条件可高达13倍[1].为了避免事故的发生，对冰雪地区公路进行限速[2]，在公路弯道处设置合理的交通标志，给驾驶员舒适而有安全感的引导非常有必要.

目前，国内外对驾驶员弯道的认知特性及弯道驾驶时的标志诱导都是基于普通条件下的公路的.Persaud等[3]指出用合理的弯道危险提示来保障公路弯道路段安全；张业生[4]用眼动仪记录驾驶员对交通标志信息的认知性及特征；关伟等[5]研究了交通标志对驾驶员制动操作认知模型的影响.康秋艺等[6]基于视知觉特性对交通标志识别认知的影响因素进行了分析.Zwahlen等[7]研究了一般公路弯道上合理的诱导标志的感知数量.毛慧[8]总结了适用于我国普通公路和高速公路弯道路段设置合理的线形诱导标的原则和方法.刘强等[9]运用GPS和GIS信息系统工程方法实施弯道交通预警.李文权等[10]建立了可行的、简便的连续设置路侧标志的模型和方法，提高高速公路内侧车道上行驶时对于路侧的交通标志视认的准确率.周剑萍等[11]从驾驶员心理角度出发，考虑驾驶员的视错觉特性，选择一项或多项视错觉生成原理，按功能需要人为改变交汇点处的视觉效果，引导驾驶员驾驶行为，提出一种基于视错觉原理的减速标线设计方法.

上述众多弯道交通安全研究对象是处于正常天气下的，没有关于冰雪公路弯道路段视知觉环境下驾驶员的视认机理及车速控制方法研究.鉴于此，本文将以冰雪地区公路弯道路段的诱导标为对象，从驾驶员的视觉信息出发，研究分析驾驶员在弯道处转向行为的影响因素，探索并提出基于主动防护特性的路标设计方法，以此来提高冰雪地区公路弯道处的交通安全水平.

1 冰雪弯道驾驶员及其行车特性分析

1.1 驾驶员视觉特性

驾驶员在操控车辆行驶过程中，需要通过感官系统来获取来自车内车外的不同信息来控制车辆的运行，其中视觉信息是驾驶员驾驶汽车过程中最重要的信息来源，而在冰雪地区道路上，除了接收常规的道路特征信息外，驾驶员还需快速应对变化多样的冰雪天气信息，判断道路不同位置的冰雪覆盖情况，结合自身驾驶经验、驾驶技术和车辆的状况以采取相应的轨迹选择和刹车、加速、保持速度等判断，甚至是否选择该道路继续前行的判断.

当车辆在冰雪地区公路弯道处行驶时，驾驶员的动态视野由于景物的单调、驾驶的谨慎和注意力更为集中等因素，变化更为敏感，随着速度的增加动态视野的范围下降更快.冰雪地区公路弯道处驾驶员的视野范围与车速的关系见图1.

1.2 行车速度特性

驾驶车辆在道路弯道处的速度是影响道路交通安全的一个极其重要的因素，尤其在冰雪天气的影响下，过高的车速更易导致车辆不受控制发生侧滑或侧翻.本文基于实验，对车辆在冰雪地区公路弯道处行驶的速度特性进行了分析，见图2.

图2 弯道观测位置

在弯道1的5个主点位置设置测速仪：ZH-直缓点，HY-缓圆点，QZ-曲中点，YH-圆缓点，HZ-缓直点，在道路有积雪、路面部分位置有冰或雪板的条件下，测得车辆行驶速度数据统计见图3a).之后对同样的弯道1进行仿真，模拟得出图3b)中车辆在非冰雪天气条件下该弯道位置处的行驶车速数据.由图3数据统计，分析可知：

冰雪地区公路弯道1处车速分布在30 km/h左右的占大多数；而速度在50 km/h以上的，只占8.5%左右.弯道1在非冰雪条件下车速则大多数处于60 km/h以上；而速度在30 km/h以下的，只占1.4%左右.综上所述，冰雪地区公路弯道处的行车速度较非冰雪地区公路弯道处要小得多，甚至大多数车辆的速度只有非冰雪地区公路弯道处行车速度的一半左右.冰雪地区弯道车速范围与一般非冰雪条件下车速有很大不同，故普通弯道路侧标志在冰雪条件下不具有适用性，需另外进行有针对性的设计.

图3 弯道1冰雪和非冰雪条件各主点地点车速频率分布直方图

2 基于主动防护的路侧信息标识及其优化设计

2.1 弯道诱导标设计

诱导标大小、形状、颜色与环境之间是一种相互联系、相互影响的复杂关系，本文主要研究线形诱导标的色彩设计，对于标志尺寸内容不作重点研究，因此仅针对现有三种尺寸，针对同一种标志色彩方案进行静态实验，获取在静态环境中驾驶员对标志尺寸的个人选择情况.在实验中，以蓝底白图案为例，实验者对三种标志尺寸的仿真图片进行优先选择，其中600 mm×800 mm为方案1，400 mm×600 mm为方案2，220 mm×400 mm为方案3，选择结果见图4.

图4 标志尺寸选择方案

由图4可知，在不考虑行驶速度限制时，单从尺寸大小上来看，尺寸越大对驾驶员的信息提示效果越好.当驾驶员行驶速度越高时，普通的中、小型标志难以吸引驾驶员注意力，标志指示效果受限，就需要大尺寸标志，加大在视野中的作用面积和驾驶员视认距离.此外，三种标志尺寸长宽比例从实验者优先选择中难以判断适用情况，长宽比例也不是本文严重重点，此处将不作进一步分析.

2.2 减速限速标志及提醒标志

本文借鉴文献[12]的方法，通过对驾驶员视觉和心理的刺激，使驾驶员提前减速进入弯道，在弯道上以较低的车速平稳行驶.在驾驶员驶入弯道时设置弯道提醒和限速标志，标志的设置位置示意见图5，加强驾驶员的主动减速行为，发挥主动防护特性.

图5 弯道提醒和限速标志设置

在实地试验表明，当交通标志设置于远离弯道入口的位置时(100，200，400 m)，驾驶员第一刹车点的位置会随着标志位置的增加而增加，制动操作则会直接受到交通标志信息的影响；当交通标志设置位置距弯道入口较近时(0，50 m)，交通标志位置的变化并不能显著引起第一刹车点位置的变化，交通标志对制动操作的作用将被弯道轮廓线产生的作用所代替，因此，减速限速标志及弯道提醒标志的设置应该充分考虑驾驶员对交通标志的视认性特征如道路条件、交通状况、天气因素等，设置于距弯道入口有一定距离的位置，间距至少100 m，具体值随实际道路交通情况的不同而变化，见图6.

图6 标志设置点

3 案例分析

考虑到弯道附近路段结构物会驾驶员视觉造成的影响，选取前后无桥梁、隧道等构造物，路段前后300 m无电子监控、违章抓拍设备，交通量适中的路段做为试验路段，尽量保证驾驶员的主动防护特性得到最大发挥.弯道地点选取吉林省吉林市西三家子村附近冰雪弯道，使用NC200便携式交通分析仪对冰雪公路弯道车辆状态进行检测，未设置和已设置路侧组合信息试验NC-200布置图分别见图7.结合当地弯道道路条件、交通流量以及天气状况，运用所得弯道路侧标志组合设计方法对路侧标志进行布置，两个试验方案分别进行3 h.

图7 NC-200布置图

经试验，获得冰雪条件下公路弯道处未设置路侧组合信息时各主点的地点车速统计和设置路侧组合信息的地点车速统计.选择50 th车速、85 th车速二个指标分析方案的合理性.设置方案前与设置方案后的弯道车辆速度对比见图8.

图8 设置方案前与设置方案后的弯道车辆速度对比

由试验结果分析可知，设置方案后5个主点的50 th速度、85 th速度均小于设置方案前.设置方案前与设置方案后的弯道车辆50 th速度对比图显示，弯道QZ点处驾驶员降速最明显，其他各点设置方案后驾驶员均有不同程度的降速.设置方案前与设置方案后的弯道车辆85 th速度对比图显示，弯道QZ点处驾驶员降速最明显，其他各点设置方案后驾驶员均有不同程度的降速.

以上研究表明，采用4个诱导标、诱导标的颜色为红色、在进入弯道前设置减速限速及提醒标志的设计组合能够有效吸引驾驶员的注视点，对冰雪条件下公路弯道车辆起到降速作用.

4 结 论

本文分别就冰雪地区公路条件下弯道诱导标志、减速限速标志和提醒标志提出设计模型.针对冰雪地区公路弯道特性，考虑了驾驶员弯道认知特性，以驾驶员视线诱导、限制车速为目的，提出标志组合设计方案，为冰雪地区公路弯道的标志设置提供参考.在冰雪公路条件下，红色诱导标对驾驶员的视觉刺激最大，路侧诱导标设置数量宜为4个，设置间距依弯道半径而定.减速限速标志宜设置在进入弯道前直线段上，推荐间距至少100 m，具体值随实际道路交通情况的不同而变化.

本研究存在以下不足，后续有待进一步深入研究：①对于弯道诱导标志，本文主要探讨了其颜色和标志与尺寸大小的视觉影响，其他参数的影响还有待深入研究；②对与冰雪地区公路弯道路侧标志的遮挡问题，本次未作考虑，后续可以开展比如大车造成的遮挡和不良线形组合的遮挡等问题研究.