高速公路复杂节点指路标志有效性研究与应用

赵 迪 刘庆元 邵敏华 余 颖

(1.山东省交通规划设计院集团有限公司 济南 250101;2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804; 3.江苏现代路桥有限责任公司 南京 211299)

随着我国经济的迅速发展，高速公路交通量大幅增加，交通拥堵问题越来越严重。以往修建的双向四车道高速公路已不能满足日益增长的通行需求。相较于新建高速公路而言，改扩建高速方案由于具有充分利用原有路基，节省建设占地、缩短建设周期等优势，正在被广泛应用。

目前高速公路扩建一般采用单侧加宽或双侧加宽2种形式。采用哪种形式的加宽方式，应根据原公路的地形、地质、交通量、横断面形式等条件综合确定。当采用单侧加宽时，受沿线大跨径桥梁拼接难度或沿线两侧扩建条件、节省拆除原中分带费用等因素影响，局部会形成同向分离式路基。

同向分离式路基交通运行环境较为复杂，驾驶员在不熟悉路况的情况下，通常会减速进行判断决策。而对于同向分离式路基与互通立交出口结合的情况，以分车型分车道行驶的双向八车道高速公路为例，车辆在行驶至分离路基前，内侧两车道的小客车需要判断是否需要由当前互通驶离高速，因而做出直行或驶入外侧两车道的决定。由于增加了互通出口这一影响因素，同向分离式路基与互通立交出口结合的情况相较于单纯的同向分离更为复杂，这也大大增加了同向分离路基处事故发生的概率。

由于GB 5768-2009 《道路交通标志和标线》等国标、规范中对诸如同向分离式路基与互通立交出口结合等复杂节点的指路标志没有相关规定，且国内现阶段几乎没有关于同向分离处指路标志的相关研究。因此，对高速公路复杂节点处的指路标志设置方案及不同方案的有效性进行研究是十分必要的。

目前交通标志有效性研究方法大致可以分为定性分析方法及定量分析方法。其中定性方法主要包括：层次分析法、模糊综合评价，以及数据包络分析等。如张云娇[1]基于车速及驾驶员对交通标志标识应激反应行为分析，利用层次分析法建立高速公路交通标志标识优化理论应用效果评价模型；刘芳等[2]运用AHP 法确定主观权重，再结合调研数据利用改进的熵值法进行指路标志评价指标权重动态调整。

定量分析的方法主要是建立量化评价模型，如邵海鹏等[3]选取信息需求满足程度、信息关联强度、信息适量程度、信息理解难易度及驾驶人心理预期作为标志信息有效性的量化指标，建立交叉口指路标志信息有效性量化模型；关伟[4]基于认知心理学，通过对驾驶员的反应行为、眼动及诱发脑电信号的测量，研究交通标志对驾驶员认知过程的影响规律，建立了驾驶员的认知模型。

现有交通标志有效性研究方法中，定性研究方法受主观因素影响较大；而定量分析方法在有效性指标选取时，通常采用主观调查和客观试验等方式，获得驾驶员的主观感受和行驶状态，将驾驶员对于标志信息的理解、判断及决策作为评价指标的一部分，该方法虽然可以将驾驶员因素在交通标志认知中起到的作用考虑在内，但由于不同驾驶员的理解能力和驾驶水平等并不相同，且模拟试验时样本量较小，评价结果会随参与调查的人员变化，往往不能很好地反映交通标志的优劣，也难以具体分析造成标志有效性不好的深层原因。

因此，本文基于同向分离式路基与互通立交出口结合等高速公路复杂节点指路标志的特点，分别从驾驶员对于交通标志的理解度和认知时间角度出发，寻找合理客观的交通标志有效性评价指标，建立高速公路复杂节点交通标志有效性定量评价模型，寻找复杂节点处最优指路标志设置方案，力求可以最大程度保证驾驶员安全、正确、顺畅地通过复杂节点。

1 高速公路复杂节点交通标志有效性评价模型

交通标志的有效性评价是以交通标志为研究对象，对交通标志能否满足驾驶员的信息需求进行评价。对于高速公路复杂节点来说，指路标志的有效性体现在2个方面：①驾驶员能够正确理解交通标志表达的道路情况，即标志有良好的理解度；②驾驶员能够及时掌握标志并采取相应操作，即驾驶员有较短的认知时间。

1.1 评价指标选取

由于驾驶员对交通标志的理解度会影响驾驶员的认知时间，为减少理解度与认知时间的相互作用在交通标志有效性评价模型中产生的影响，在选取交通标志的有效性评价指标时，尽量选择相互独立的评价指标表征标志理解度与认知时间。

1.1.1理解度

衡量交通标志有效性的首要条件为驾驶员对交通标志的理解程度，交通标志应能准确、清晰地向驾驶员传递道路状况，使驾驶员做出准确的判断。

从交通标志本身因素入手，由于高速公路指路标志字高、颜色、设置位置、结构形式等在规范中有明确规定。对高速公路复杂节点来说，影响驾驶员对于指路标志理解度的主要因素就是标志版面内容的不同。Shinar等[5]分析对比了波兰、芬兰、以色列等国家的当地驾驶员对其交通标志版面设计的平均理解程度，发现交通标志被标准化时最易被理解。

综合考虑以上因素，假定所有满足GB 5768-2009 《道路交通标志和标线》等标准、规范的标志信息均能被驾驶员正确理解，则可以用标志的规范符合率来表征驾驶员对标志的理解度。

1.1.2认知时间

影响高速公路复杂节点处驾驶员安全通行的另一重要因素就是认知时间。诸多研究表明驾驶员的认知时间和指路标志的信息量正相关。

祖永昶等[6]通过对城市道路指路标志的研究，发现指路标志的认知时间主要与信息量大小相关，信息量增加，认知时间增加，当信息量超过一定阈值时，认知时间的涨幅越大。杨曼娟等[7]对组合式指路标志信息数量与认知时间进行回归分析，发现认知时间与地名数量之间存在明显的相关关系，且当地名信息数量超过8个时，认知时间出现明显变化，而标志版面数量对认知时间没有显著影响。

此外，卢伟等[8]对指路标志中的信息量与驾驶员认知时间的关系进行了研究，发现指路信息超过6条时，认知时间明显增长。

由于标志信息量与认知时间存在明显的正相关性，本文选用指路标志信息量表征驾驶员对于标志的认知时间。

1.2 评价模型建立

高速公路复杂节点处由多个指路标志构成体系，除对单块指路标志进行评价外，还应对复杂节点处所有指路标志构成系统的有效性进行分析。因此，本文分别给出表征单块标志和标志系统的规范符合率和信息量公式，进而建立有效性评价模型。

1.2.1规范符合率

1) 单标志规范符合率。指路标志版面中存在汉字、道路编号、距离信息、图形信息等信息量不同的元素，单标志规范符合率可以用指路标志版面中与规范要求相符的元素信息量与该标志所有元素信息总量的比值定义。其中，与规范要求相符的元素是指元素在规范中有明确规定且与规范规定相一致；当规范对某标志元素没有明确规定时，不能认作该元素与规范要求相符；而当标志元素与规范要求相违背时，应当对标志系统重新进行修改后方可进行标志有效性评价。

(1)

式中：ecj为标志系统中第j种指路标志的规范符合率，量纲为1；hcj为第j种指路标志版面中与规范要求相符的元素信息量之和；hj为第j种指路标志的信息总量，由式(4)计算。

2) 标志系统规范符合率。标志系统中，规范符合率高的标志占比越多，系统的规范符合率越好。因此本文在标志系统的规范率中，引入标志重复次数对其进行补充。

(2)

式中：Ec为标志系统规范符合率，量纲为1；Nj为第j种标志的重复设置次数；J为标志系统的所有指路标志种类。

1.2.2信息量

1) 单标志信息量与信息当量。交通标志信息量传统的表征方式是从单一信息源角度研究交通信息量度量，如用标志中路名数量或地名数量代表标志信息量，分析单类信息对驾驶员的诱导效率或负荷阈值[9]。

而指路标志向驾驶员提供的不仅仅是路名或地名信息，仅用单一信息源角度计算交通信息量对于高速公路复杂节点的指路标志而言是不够的；考虑到指路标志中的英文地名、标志板数量对驾驶员认知时间的影响不显著[10]。经筛选总结，高速公路复杂节点指路标志版面影响信息量的元素类型有汉字、道路编号、出口编号、距离信息、图形信息、颜色、箭头。采用信息量理论，计算标志中汉字、符号、箭头等不同元素信息量及权重，计算标志信息总量。

①不同元素信息量计算。根据信息理论[11]，交通标志各元素的信息量为

hji=-lbpi

(3)

式中：hji为交通标志j中第i种元素的信息量，bit；pi为第i种元素出现的概率。

②基于层次分析法的标志元素权重计算。通过咨询相关专家，利用层次分析法，对高速公路复杂节点指路标志各元素在指示道路过程中发挥作用的大小进行两两对比评价，构造判断矩阵

经计算，最大特征根为7.402，一致性指标为0.067，一致性比率为0.051<0.1，满足要求。指路标志中各元素权重值见表1。

表1 高速公路复杂节点指路标志各元素权重

③单标志信息量。将元素信息量与权重带入单标志信息量计算公式[12]

(4)

式中：hj为交通标志j的信息量，单位为bits；ai为交通标志j中第i种元素的权重(指表1中的权重值)；ni为交通标志j中第i种元素的数量；I为交通标志j中所有元素种类。

④单标志信息当量。通过计算标志实际信息量与信息量阈值的比值，获得指路标志信息量的优劣程度。建立信息当量公式

(5)

式中：ehj为第j种标志的信息当量，量纲为1；h0为信息量阈值，车速为120 km/h时，其值为180 bits[13]。

2) 标志系统信息密度当量。计算高速公路复杂节点标志设置范围内所有标志总体信息量，求得标志系统信息密度当量

(6)

式中：Eh为标志系统的信息密度当量，量纲为1；Nj为第j种标志的重复设置次数；J为标志系统的所有指路标志种类；L为指路标志系统标志设置的起终点距离，m；E0为高速公路密度阈值，其值可由公式(7)计算[14-15]获得。

(7)

式中：D为标志前置距离，m；S为标志视认距离，m。

单标志信息当量与标志系统信息密度当量并不是越小越好。当标志的信息量不足以表达道路实际状况时，应当对标志设置方案进行修改。

1.2.3指路标志有效性

根据交通标志有效性与理解度和认知时间的关系易知，交通标志有效性与交通标志的理解度成正比，与交通标志的认知时间成反比。因此，将单块指路标志的有效性定义为标志规范符合率与信息当量的比值

(8)

式中：tse为指路标志系统中单块标志有效性，量纲为1；ecj为第j种指路标志的规范符合率；ehj为第j种指路标志的信息当量。

指路标志系统有效性定义为

(9)

式中：TSE为指路标志系统有效性，单位为1；Ec为标志系统规范符合率；Eh为标志系统的信息密度当量。

2 应用实例

以某限速为120 km/h、互通立交出口匝道前主线内侧两车道与外侧两车道间存在同向分离的双向八车道高速公路为例，对高速公路复杂节点指路标志的设置方案进行研究。

2.1 基本假定

为减少无关变量干扰，本文做以下规定：

1) 统一标志设置位置：参考GB 5768.2-2009《道路交通标志和标线 第2部分：道路交通标志》中对互通立交出口预告及出口标志位置的规定，在距离主线同向分离路基起点处3，2，1，0.5，0 km设置同向分离预告及告知标志。

2) 统一标志字高及结构形式：为避免标志文字大小、结构形式等对驾驶员的影响，指路标志统一采用70 cm的文字高度、标志结构采用门架形式。

3) 统一道路环境：为避免不同道路环境的影响，假设高速公路互通立交出口匝道前主线同向分离路段影响范围内为长直线路段。

4) 标志不设置英文地名。

2.2 标志设置方案

双向八车道高速公路互通立交出口匝道前主线存在同向分离，交通标志的设置需要最大程度保证直行车辆不受同向分离路基影响，继续按照原有车道行驶，同时，由当前互通驶离高速的内侧两车道车辆能够于分离路基前平稳变道。

基于此，本文提出4种标志设置方案。

2.2.1外侧两车道作为集散车道

当出口交通量与直行交通量相当时，可将同向分离外侧车道作为专用集散车道，服务于互通出口。 此时可将互通立交出口与同向分离起点看作同一位置，提出2种标志设置方案。

方案1。以主线同向分离起点同时作为同向分离和互通出口的前基准点，正常设置互通立交出口3，2，1，0.5，0 km设置互通出口预告及出口标志，于0.8 km及0.3 km处增设车道指示及障碍物绕行标志，对主线同向分离加以警示；标志设置情况见图1。

图1 标志设置方案1示意图

方案2。以主线同向分离起点同时作为同向分离和互通出口的前基准点，将互通出口与同向分离结合为图形化标志，在3，2，1，0.5，0 km设置同向分离及互通出口预告及告知标志；该方案的标志设置情况见图2。

图2 标志设置方案2示意图

2.2.2同时设置分离路基标志与互通出口标志

方案3。同向分离预告及告知标志处同时设置互通立交出口预告标志，但同向分离预告及告知标志以同向分离起点为前基准点，互通立交出口预告标志以互通立交渐变段起点为前基准点，两标志距离信息不一致；标志设置情况见图3。

图3 标志设置方案3示意图

2.2.3分离路基及出口标志独立设置

方案4。同向分离预告及告知标志与互通立交出口预告标志单独设置，标志设置情况见图4。

图4 标志设置方案4示意图

2.3 有效性评价

应用高速公路复杂节点交通标志有效性评价模型，对某双向八车道高速公路互通立交出口匝道前主线同向分离处指路标志有效性进行分析。

2.3.1单标志有效性

4种指路标志设置方案单块标志有效性评价结果见表2。

表2 高速公路互通立交出口匝道前主线同向分离指路标志设置方案单标志有效性

从高速公路互通区出口前主线同向分离4种设置方案的单标志有效性来看，方案1中大多数标志的规范符合率最高，信息量较少，单块标志的有效性优于其他3种方案。

2.3.2标志系统有效性

4种指路标志系统有效性评价结果见表3。

表3 高速公路互通立交出口匝道前主线同向分离指路标志系统有效性

从指路标志系统整体有效性评价结果来看，方案1指路标志的系统规范符合率最高、信息密度当量较低，系统有效性最好；方案2由于标志系统整体的信息量偏大，标志系统有效性最低。

3 结语

本文从交通标志有效性的体现——驾驶员对于标志理解度与认知时间出发，为减少驾驶员主观因素对于标志有效性的干扰，利用规范符合率与信息量2种客观指标取代主观指标，建立基于规范符合率和信息当量的高速公路复杂节点单标志有效性评价模型，以及基于系统规范符合率和系统信息密度当量的标志系统有效性评价模型。评价过程中将定性的层次分析法与定量的模型方法结合。

利用建立的标志有效性评价模型对某高速公路互通立交出口前主线存在同向分离情况的指路标志设置方案进行研究，发现当将分离路基外侧两车道作为服务于互通区出口的集散车道，并将互通出口标志与同向分离标志分开设置时，单标志与标志系统的整体有效性最好。

由于现有关于信息量与认知时间关系的研究中，信息量与认知时间虽然正相关，但不一定成线性关系；指路标志的有效性虽然与交通标志的理解度成正比，与交通标志的认知时间成反比，但未必与本文建立的模型相同，仍有待于进一步试验验证。