基于視距的高速公路平曲線路段指引標(biāo)志設(shè)置技術(shù)

趙 杰

（中交遠(yuǎn)洲交通科技集團有限公司 山西分公司，山西 太原 030006）

引言

為了適應(yīng)地形地貌的限制，平曲線成為高速公路線形中不可或缺的組成部分，尤其是山區(qū)高速公路，平曲線路段比例非常高。因此，高速公路上指路標(biāo)志、旅游區(qū)標(biāo)志、作業(yè)區(qū)標(biāo)志、部分警告標(biāo)志（如避險車道標(biāo)志）等指引類標(biāo)志將不可避免地設(shè)置在平曲線路段。但平曲線路段的視認(rèn)條件比直線段差，與駕駛員視認(rèn)交通標(biāo)志需要較好的視認(rèn)條件相悖。因此，平曲線處交通標(biāo)志應(yīng)設(shè)置在視認(rèn)條件足夠的位置處。

影響平曲線路段車輛運行安全的因素可以歸結(jié)為：視距、道路橫斷面、急彎警告標(biāo)志等。任銳和李文權(quán)[1]在研究中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有部分高速公路分車型分車道行駛，可能造成小車駕駛員視線被擋，無法及時獲得路側(cè)交通標(biāo)志的信息的問題，研究建立了連續(xù)多個交通標(biāo)志設(shè)置數(shù)量、位置的模型，并給出了路側(cè)標(biāo)志設(shè)置的具體步驟。CHARLTON[2]設(shè)計了兩組試驗，針對提前警告標(biāo)志、輪廓線、道路標(biāo)記等處理方法對駕駛員的影響進行了對比。第一組實驗采用了四種不同急彎路段的設(shè)計，第二組實驗采用的是以改變駕駛員速度以及駕駛位置為目的的標(biāo)志。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不論是急彎路段的提前預(yù)警標(biāo)志設(shè)計，還是不同的標(biāo)線設(shè)計，都不足以引導(dǎo)駕駛員達到安全的推薦速度?！豆方煌?biāo)志和標(biāo)線設(shè)置手冊》（JTD D82—2009）[3]中給出了高速公路急彎路段的標(biāo)志、標(biāo)線設(shè)置方法。CHENG 和PEI[4]對平曲線路段限速標(biāo)準(zhǔn)進行了研究，目的是根據(jù)國內(nèi)速度的分布及事故率給出相應(yīng)的速度控制建議，研究發(fā)現(xiàn)速度標(biāo)準(zhǔn)差越大事故率越高，并建立了考慮85%行駛速度、貨車最高速度、15%行駛速度等在內(nèi)確定限速的模型。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中于對平曲線段警告、禁令等標(biāo)志的設(shè)置位置，且針對的主要是小半徑曲線路段。

1 模型建立

小半徑曲線段指引類標(biāo)志設(shè)置主要遇到的問題是視認(rèn)距離不足，駕駛員剛看到標(biāo)志，或者還沒有識讀完標(biāo)志內(nèi)容的情況下，已經(jīng)進入標(biāo)志消失區(qū)域，因此，標(biāo)志設(shè)置的位置應(yīng)與內(nèi)側(cè)車道的視距聯(lián)系，通過分析小半徑曲線段視距，指導(dǎo)小半徑曲線段標(biāo)志的設(shè)置。

1.1 駕駛員預(yù)瞄點模型

在駕駛員視野受限路段，駕駛員的注視點分布具有規(guī)律性[5]。影響駕駛員注視點分布規(guī)律的因素為平曲線半徑與運行速度。在自由流條件下，被試車輛的運行速度為70～90 km/h 時，當(dāng)平曲線半徑大于800 m 時，駕駛員注視點趨向于在路面范圍內(nèi)隨機分布，表明駕駛員視野不受到限制或影響；當(dāng)平曲線半徑≤800 m 時，駕駛員在平曲線的注視點分布具有規(guī)律性。因此，對于小半徑平曲線路段，可以根據(jù)駕駛員的注視點確定駕駛員的速度視野。

實際上，駕駛員是從中央視力及周邊視力共同作用下獲得前方的信息。研究對象為小半徑曲線段，采用單點預(yù)瞄模型來確定駕駛員的注視范圍，預(yù)瞄點位置可以通過眼動儀實驗或模型獲得，采用模型法。

標(biāo)志視認(rèn)距離受右轉(zhuǎn)平曲線、夜間照明的影響最明顯，而駕駛員的操作行為與車輛照明之間相輔相成，因此，模型結(jié)合汽車自適應(yīng)前大燈系統(tǒng)（AFS）確定駕駛員的預(yù)瞄點模型。常見的AFS 系統(tǒng)有基于安全制動的AFS 彎道照明算法、基于提前照明的彎道照明算法、基于駕駛員彎道視野的彎道照明算法等。模型中平曲線路段線形是已知的，因此，采用非預(yù)測式基于提前照明的平曲線路段照明算法確定駕駛員視野。

ISHIGURO 和YAMADA[6]，研究了白天車輛通過平曲線路段的速度與駕駛員預(yù)瞄點距離的關(guān)系，結(jié)果表明，隨著車速的增大，駕駛員預(yù)瞄點距離也增大?；诖耍岢隽恕案臃像{駛員本能反應(yīng)的 AFS 彎道照明控制應(yīng)該隨著車速的增加增大偏轉(zhuǎn)角度，從而使前照燈照射的更遠(yuǎn)”的觀點。彎道照明模型見圖1，使前照燈照射到t 時間后汽車行駛到的位置。

圖1 前照燈光型偏轉(zhuǎn)

1.2 平曲線指路標(biāo)志視認(rèn)模型

基于駕駛員預(yù)瞄點模型，綜合高速公路平曲線路段線形條件，建立高速公路平曲線路段指路標(biāo)志的視認(rèn)模型，見圖2。通過保證指引標(biāo)志在視野范圍內(nèi)的最短時間達到最短視認(rèn)時間的要求，可以得到在平曲線路段上設(shè)置指引標(biāo)志的最小半徑。

圖2 視認(rèn)模型

影響駕駛員最不利位置的因素有駕駛員所在位置的平曲線半徑、標(biāo)志與駕駛員視野的相對位置兩個因素。從半徑角度來看最不利位置為半徑最小的內(nèi)側(cè)車道，從標(biāo)志與駕駛員視野的相對位置來看，最不利位置位于最靠近中間帶的車道，因此，分別對最內(nèi)側(cè)車道與中間帶處的情況進行分析建模。根據(jù)幾何關(guān)系，預(yù)瞄點弧度對應(yīng)的轉(zhuǎn)角：

式中：θ—預(yù)瞄點弧度所對應(yīng)轉(zhuǎn)角，rad；v—車輛的運行速度，m/s；t1—駕駛員避免危險的時間，s；R—汽車行駛半徑，m。

根據(jù)車輛行駛位置不同，汽車行駛半徑：

式中：R0—高速公路的設(shè)計平曲線半徑，m；M—中央分隔帶的寬度，m；W—車道寬度，m；n—高速公路的車道數(shù)。

車輛與標(biāo)志的夾角所對應(yīng)弧度的轉(zhuǎn)角：

式中：ω—車輛與標(biāo)志的夾角所對應(yīng)弧度的夾角，rad；t2—標(biāo)志的視認(rèn)時間，s；l消失—標(biāo)志的消失距離，m；其他符號意義同前。

式中：d—駕駛員的視高（1.2 m）到路側(cè)懸空標(biāo)志上方的距離，m；α—標(biāo)志消失點與路側(cè)標(biāo)志或懸空標(biāo)志的夾角，（°）。

式中：E—硬路肩、土路肩與標(biāo)志偏移的寬度，m，標(biāo)志偏移寬度取1.5 m。

為了得到視認(rèn)標(biāo)志的最小半徑，需要通過幾何特性確定ω和θ的關(guān)系：

式中：β1—車輛照明邊界與車輛所在圓曲線法線方向的夾角，rad；—車燈的視野角，rad。

根據(jù)正弦定理可得：

式中：β2—車輛所在平曲線法線與指引標(biāo)志構(gòu)成的夾角，rad；lt—車輛與指引標(biāo)志間的距離，m。根據(jù)余弦定理：

對比β1與β2，當(dāng)通過θ計算得到的β1小于通過ω計算得到的β2時，能夠滿足標(biāo)志的最低視認(rèn)時間；反之，則不能滿足標(biāo)志的最低視認(rèn)時間。根據(jù)駕駛員避免危險時間，可以確定θ值，根據(jù)速度確定駕駛員的視野參數(shù)值，就可以判斷指引標(biāo)志是否落在駕駛員的速度視野范圍內(nèi)。通過保證指引標(biāo)志在視野范圍內(nèi)的最短時間達到最短視認(rèn)時間的要求，可以得到在平曲線路段上設(shè)置指引標(biāo)志的最小半徑。

2 參數(shù)取值分析

2.1 駕駛員避免危險時間與駕駛員視認(rèn)時間

ISHIGURO K 和YAMADA Y[6]等對t 值選取做了相應(yīng)的研究，通過研究駕駛員對碰撞等危險情況（如前方車輛突然減速或行人從相鄰車道突然進入）的反應(yīng)，以及避免危險所必需的反應(yīng)時間，得出t=3 s，從避免危險的角度來看是合適的。根據(jù)杜志剛和黃凱等研究成果[7-8]，取視認(rèn)反應(yīng)時間為2.5 s，其中視認(rèn)時間維持在2 s 以內(nèi)，偏安全地取2 s 為其最短視認(rèn)時間。

2.2 車燈視野角

視覺感知能力分為視力、對比敏感度、周邊視覺（余光）、動視力、視覺搜索。一般情況下，高速公路設(shè)計速度為80 km/h、100 km/h、120 km/h，駕駛員速度視野范圍為29.5°、19.25°與14.25°，均小于車燈的照射范圍，因此，車燈的照射角取駕駛員視野范圍。

2.3 標(biāo)志消失點與路側(cè)或懸空標(biāo)志的夾角

一般路側(cè)標(biāo)志的α角為15°，懸空標(biāo)志從消失點與標(biāo)志頂邊的α角為7°，指引信息標(biāo)志多采用懸臂式，且小半徑路段采用懸臂式視認(rèn)效果要優(yōu)于路側(cè)式，因此，以懸臂標(biāo)志為準(zhǔn)進行計算。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 不考慮車輛遮擋標(biāo)志

在不考慮遮擋的情況下，假設(shè)駕駛員勻速行駛，視認(rèn)時間為2 s 時，設(shè)計速度120 km/h，則單向車道數(shù)為2 車道、3 車道、4 車道的β值見圖3。圖中紅色與綠色虛線分別表示平曲線半徑極限值與一般值。根據(jù)圖3 結(jié)果可知，在不考慮遮擋的情況下，懸臂標(biāo)志的設(shè)置均能滿足極限最小平曲線半徑的視認(rèn)需求。

圖3 不考慮車輛遮擋的β 值曲線

3.2 考慮車輛遮擋標(biāo)志

考慮車輛的遮擋情況，可以將遮擋的概率考慮在視認(rèn)時間當(dāng)中，以雙向六車道為例，根據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》（JTG D20—2017）中對不同車道數(shù)高速公路的適應(yīng)交通量的規(guī)定，假設(shè)遠(yuǎn)景交通量Q=45 000 pcu/d，且在各車道上均勻分布，設(shè)計時速為120 km/h，大車數(shù)占總體的1/3，該條件下設(shè)置單塊指路標(biāo)志不被遮擋的概率為0.848，為了達到0.99的概率，可以換算為需要給駕駛員提供2.33 s 視認(rèn)時間，得到β值見圖4。

圖4 單向車道數(shù)為3 時、視認(rèn)時間為2.33 s 的β 值曲線

雙向八車道時，根據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》（JTG D20—2017）中對不同車道數(shù)高速公路的適應(yīng)交通量的規(guī)定，設(shè)主線遠(yuǎn)景交通量為Q=60 000 pcu/d，且在各車道上均勻分布，設(shè)計時速為120 km/h，大車數(shù)占總體的1/3，該條件下設(shè)置單塊指路標(biāo)志不被遮擋的概率為0.890，為了達到0.99 的概率，可以換算為需要給駕駛員提供2.22 s 視認(rèn)時間，得到的β值見圖5。

圖5 單向車道數(shù)為4 時，視認(rèn)時間為2.22s 的β 值曲線

結(jié)果表明：（1）在設(shè)計速度為100 km/h 的高速公路半徑小于200 m 的小半徑路段，應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)置需要識讀的標(biāo)志，以防出現(xiàn)駕駛員視認(rèn)時間不足的情況。（2）在設(shè)計速度為120 km/h 的高速公路半徑小于400 m的小半徑路段，應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)置需要識讀的標(biāo)志，必要情況下應(yīng)設(shè)置限速標(biāo)志，降低駕駛員在該路段的行駛速度。

4 結(jié)語

（1）通過分析駕駛員夜間在平曲線的視認(rèn)特征，建立了駕駛員的預(yù)瞄點模型。（2）基于駕駛員對交通標(biāo)志的視認(rèn)特征，根據(jù)各指標(biāo)間的幾何關(guān)系，建立了基于駕駛員視認(rèn)性的指引標(biāo)志設(shè)置模型，并根據(jù)變量取值，分別計算了自由流條件與存在遮擋條件下，雙向四車道、雙向六車道、雙向八車道的高速公路指引類標(biāo)志的設(shè)置條件。