基于视认遮挡下的地下道路交通标志布设研究

胡同晶

(北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037)

0 引言

为解决城市局部交通拥堵问题，在北京、上海、成都、重庆、西安等地已开始建设地下道路，而相应的标准规范相对缺乏，2020-03-01上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司起草的《城市地下道路交通标志和标线设置标准》[2]主要对标志的版面尺寸、字体大小、出入口标志的设置位置等给出了较为详细的规定，但使用过程中发现，受地下道路空间的限制，标志牌常被行驶的车辆、设备所遮挡，导致不能完全视认交通标志，从而给行车安全性及交通的顺畅通行带来不利影响.

1 标志设置位置不同情况下的视认遮挡考虑因素

在地下道路上行驶的车辆受行驶车道和车辆的影响，其视认遮挡主要与交通标志设置高度、车辆高度、行驶速度、驾驶员行车过程中的视野、车辆分布等有关[3]，而从交通标志被遮挡的方向上，可分为横向遮挡和纵向遮挡.

1.1 视距与视野

驾驶员视距的长短、视野大小与行车速度有直接关系.视距是驾驶员从看到前方路面上的标志牌，至采取措施(停车、错车)以达到车辆行驶的最终状态所需要的距离；因而速度越快，导致驾驶员获得标志信息时，所需的视距就越长.对于视野[4]来说，驾驶员在静止状态下，其视野角度约随着车速的增加，驾驶员视野也在相应减小；因而行驶在车道上的车辆获取信息随着速度的增加，视野在变小，导致驾驶员视认标志信息的范围也在进一步缩小.

1.2 车辆类型及相应尺寸

不同类型的车型的车身尺寸各不相同，进而对标志的设置高度造成影响.当标志采用路侧布设时，其主要表现为并排行驶的内侧车辆(相对于标志牌来说，以下相同)侧面遮挡外侧车辆，且内侧车辆的车身高度越高，要求侧向设置标志的高度越高，而地下道路受投资及工程的可实施性影响，其高度无法满足标志设置的相应要求，车身的侧面横向遮挡由此产生.

当标志采用路中布设时，其主要表现为后车跟驰前车过近或标志牌高度不足，造成标志信息被前车后背车身遮挡，无法及时获得相关信息，一般情况前后均为小车跟驰时，其被遮挡的概率相对较小，而遮挡较大的因素往往来源于大型车辆，这是由于大型车辆的车身高度普遍在3.5 m[5]以上，后车跟驰的小型汽车视线高度普遍在1.1～1.3 m，两者的高差平均在2.3 m以上，这就造成了后面跟驰车辆的纵向视认遮挡.

1.3 车辆分布情况

当标志的设置高度不足以让行驶在不同车道上的车辆视认时，其相应范围内的车辆分布情况变得尤为重要.对于侧向布设的标志牌来说，主要受相邻车道的车辆分布影响，且离标志牌越近、内侧车辆分布越密集遮挡的概率就越大；对于路中布设来说，主要受前后跟驰车辆的车型影响，行驶车辆所在的车道上，大车越多其后面跟驰的车辆被遮挡的概率就越大.

1.4 标志间的冗余间距

地下道路内，交通标志的种类不多，但标志数量却繁多.如何在合适的空间距离内，让驾驶员不至于因为应接不暇的交通标志，造成视认信息疲劳、标志间的视认遮挡等问题，就需要对标志的前后冗余[6]间距进行考虑，以保证车辆行驶过程中能安全、顺畅地改变行车状态.

1.5 线性障碍物与交通标志的横向净距.

地下道路受空间限制，标志牌常常与设备层共平面，该种情况表现为纵向错不开，横向平齐布置，这也就造成设备层的相关设施(如风箱)形成线性障碍物，给交通标志的悬挂布设带来一定的难度.标志与设备过近，行驶在非悬挂标志牌车道的车辆，造成视线遮挡，无法看全标志版面上的信息；标志与设备距离过大时，设备层设施排不开，空间上受限，因此这就要求，对不同车道上的车辆视认标志需要的横向净距进行考虑.因此，实际设计过程中，标志与地下道路线性障碍物的横向净距合理性变得尤为重要.

1.6 横向障碍物与交通标志的纵向距离.

地下道路因受空间限制，横向穿越地下道路设备层的情况较多，而对于服务商务区内各地块的地下通道标志牌相对较多，使横向穿越的相关设施与标志的间距保持在较大的范围内，不至于造成交通标志被相关设施遮挡.

2 基于视认遮挡考虑的交通标志相对位置确定

标志设置位置的不同，对交通标志的视认遮挡情况也不相同，而如何合理地确定不同设置位置的标志要求，是需要探讨的问题.从运行情况来看，对于地下道路上行驶的车辆，其可从2个方面来展开研究：交通标志与障碍物的纵向距离和线性障碍物与交通标志的横向净距.

2.1 纵向距离研究

2.1.1 交通标志与障碍物的纵向距离确定

标志间的纵向距离一般受标志版面高度、标志下边缘距离地面高差、标志视认距离、标志消失距离的影响，其间的具体相对位置关系如下：

(1)

式中，d为标志间的纵向距离(m)；v1为车辆接近标志时的车速(km/h)；t0为标志视认反应时间(s)，其为驾驶员获取标志信息并采取相应操作的时间之和，一般取3.5 s；θ为视野角度；h0为交通标志牌的高度，一般取0.8 m；h1为驾驶员视线与地面的高差，小型车取1.2 m，大型客车取2 m；H为交通标志牌下边缘与地面高差，一般取地下道路的净空(通常为3.5 m).

由此可见，不同的行车速度，对应的标志间的纵向距离也不相同，具体情况如表1所示.

表1 标志纵向距离设置表

2.1.2 冗余间距(d)下的纵向障碍物与交通标志牌的纵向距离确定

考虑到实际交通运行中的非理想状态，处于行车中的驾驶员，因受标志设置位置不一、周边环境干扰、驾驶车辆时的心理生理状态等因素的影响，不可避免地出现交通标志信息遗漏、错失等情况，因此需对纵向障碍物进行考虑时，还应增设标志牌，以给标志有一定的冗余度，实际运营过程中冗余度一般取2～3次.故而横向障碍物距离第1块标志牌的纵向距离还应增设冗余间距，一般对于车速≤60 km/h的地下道路来说，冗余度取1次即可，从而可计算出障碍物与标志的最终建议纵向距离，详细见表2.

表2 冗余间距下的纵向距离设置表

2.2 横向距离研究

交通标志的横向距离研究，主要表现为空间受限时的顶壁线性障碍物与标志的距离研究和车辆跟驰模型下的路侧横向遮挡概率研究.

图2 横向遮挡示意图

2.2.1 标志与线性障碍物间的横向距离的确定

当交通标志牌悬挂于地下道路隧道顶壁时，两侧范围的线性障碍物距离交通标志牌的间距受标志牌本身高度、距离地面高度及行驶车道与标志牌间的距离影响，标志牌的上顶点与线性障碍物下边缘、驾驶员目视车道前方的方向基本在同一平面三角形内，且线性障碍物下边缘与车道行驶方向平行，通过相似三角形原理，可得横向净距关系如下：

(2)

式中，b为障碍物与标志牌边缘的横向距离(m)；B为驾驶员与标志牌边缘的横向距离；当地下道路的净空取3.5 m时，b=0.258B；当地下道路的净空取4.5 m时，b=0.195B.

2.2.2 受行驶车辆横向遮挡的标志设置高度研究

地下道路路侧设置交通标志牌时，其设置的合理性与标志设置高度、车辆高度有关，其基本关系如下：

(3)

式中，H1为标志牌下边缘与地面的高差(m)；n为车道数，即为标志牌距离最远处的车道数；b0为车道宽度(m)；b1为标志牌与车道边缘的距离，一般与侧向净宽度相等，取值为0.5 m(v≤60 km/h)；b2为车辆横向宽度(m)；h0为交通标志牌的高度，一般取0.8 m；h1为驾驶员视线与地面的高差(m)；h2为车辆的车身高度.

实际运营中，车辆类型的不同，其路侧标志牌悬挂的高度也不相同，假定距离标志牌较远的车道仅行驶小汽车，而其较近的车道行驶大客车，则标志牌下边缘与地面的高差如表3所示：

表3 标志牌下边缘与地面的高差设置表

无论地下道路行驶何种车辆，受投资和工程可实施性的影响，交通标志采用路侧布设均无法让行驶在外侧车道上的车辆看全版面.

3 条件受限下，标志牌受行驶车辆的遮挡概率研究

3.1 标志牌被横向遮挡的概率研究

通过侧向布设的标志设置高度结论可看出，采用该种方式布设时，无论何种车型，其被遮挡的可能性均较大，但这并不能说明侧向布设标志牌的方式不适用于地下道路.如果要知道侧向布设的影响大小，就需要对其横向遮挡的概率进行量化研究.横向遮挡的概率与车道密切相关，行驶在地下道路内车辆受横向遮挡的概率受标志设置高度、车型、车速等因素[7]的影响较为严重.

假定地下道路采用采用两车道布设，车辆行驶为匀速进行，则外侧行驶车辆视认标志主要与内侧车道上的车辆分布情况和车身的长度有关，由此外侧行驶车辆视认标志被遮挡的概率为：

p侧=1-p内P(l2)

(4)

式中，P(l2)为外侧车道车辆不被内侧车辆视认遮挡的概率；l2为外侧车辆不被内侧车辆的车身遮挡长度；p内为车辆在内侧车道上出现的概率.

第1种情况P(l2)可按外侧车辆视认标志完成长度l2，占外侧车辆被遮挡与未被遮挡的视认长度的总和，即：

(5)

式中，l1的取值不仅与车身长度有关，还与驾驶员视认交通标志时的视角有关；l2的取值与车头间距、车身行驶过程中的遮挡长度有关，即

(6)

(7)

式中，l0为车身长度；l2为外侧车辆未被内侧车辆的车身遮挡长度；h空为车头间距；θ为驾驶员视认标志时的视线与行车方向的视角；v为车道上车辆行驶速度.

由上述计算公式可得出

(8)

考虑到地下道路内外侧车道车辆分布均匀，其基本服从负指数分布 ，则内侧车道上行驶车辆的车头时距ht必须大于

则此时的概率为

式中，λ表示车辆的到达率.则横向被遮挡概率为

(9)

由于驾驶员视认标志的完成点一般与标志的消失点有关，因此本公式考虑的θ取值为各速度相对应的最大视角.另外，车辆到达率λ=Q/3 600，h空=3 600v/Q，结合地下道路受地下周边条件的影响.

(10)

由式(9)可知，仅当Q20≤241 pcu/h和Q30≤281 pcu/h时，上式方可继续计算遮挡概率.当Q=200 pcu/h，p侧20=85%，p侧30=74%，这显然遮挡概率较大，且不能达到隧道要求的交通服务水平；故路侧设置标志牌视认性较差，遮挡严重，该种设置方式不合理.

3.2 标志牌被纵向遮挡的概率研究

对于地下道路上行驶的车辆，以路中布设时，跟驰车辆(小型车)受到前车的影响相对来说较大，这是因为标志高度受到限制，不可避免地受到驾驶员的行车视角和车身高度的遮挡，因而，在对标志进行路中布设时，必须考虑此种情况.

由于隧道受空间限制，净空采用3.5 m时，标志牌下边缘的高度距离地面也是该高度，如果车身3.5 m高的大型车驶入则被完全遮挡，这时标志被遮挡的概率为1，因此，当允许大型车驶入时，需对车辆的跟驰距离予以提醒，该情况不做过多赘述.以下是针对仅允许小车驶入的地下道路进行分析.

假设驾驶员的最大视角为i，标志版面的上边缘正好与最大视角的视线重合，此时前车出现在视野范围内，即认为标志信息被遮挡，该情况出现的概率p中则为

p中=P(ht

(11)

式中，P(ht

地下道路上行驶车辆的到达符合负指数分布，则前车遮挡区域内出现车辆的概率为P(ht

车辆行车过程中，虽然前后两辆车的到达时间间隔具有任意性，但是当车辆增多到一定程度时，其时间间隔基本相等，这与本文研究的视认遮挡较为契合，因此前后车视认遮挡的临界点即可认为是驾驶员视角θ与车辆后侧车身高度、标志牌版面的下边缘形成一条直线，由此可确定其前后两车的车头间距h间，进而根据行车速度，确定临界点的车头时距ht=t.

实际设计中，临界点的车头间距可通过小型车驾驶员视角θ、视线高度h1=1.2 m、车身高度h2=2 m、地下道路的净空H=3.5 m、车速v、视认标志时间t0综合确定，具体关系如下：

(12)

4 结束语

地下道路作为近几年发展的一项新兴工程，在解决我国城市化拥堵问题方面重要性可见一斑，但是其内部的交通标志设置的合理性，却并未引起重视.现行的设计常采用地面道路和公路隧道交通标志的设置方法进行布设，这就使得在使用过程中，常出现视认遮挡，导致驾驶员无法有效地看全交通标志信息，而要从源头上解决这一问题，在设计时，根据周边环境，对各种障碍物与标志的纵横向距离进行精确计算，方可保证地下道路使用的舒适度和便捷度，才能为区域的建设做好通堵工作.另外，文章在对现行地下道路研究时，仅考虑了单向3车道及以下情况，对3车道以上的地下道路尚待以后深化研究.