高速公路出口前置指路標志的安全設置距離模型

朱治邦，郭唐儀，潘 姝

（1.中設設計集團股份有限公司 綜合規劃研究院，江蘇 南京 210014；2.南京理工大學自動化學院，江蘇 南京 210094）

0 引言

高速公路出口區域的前置指路標志（Advance Guide Sign，簡稱AGS）旨在為駕駛人提供及時、準確、可靠的出口交通信息，其設置距離直接影響出口區域的通行效率和行車安全。

為了使駕駛人提前獲得出口道路的交通信息，我國《道路交通標志和標線》（GB 5768—2009）（以下簡稱“規范”）規定在高速公路出口前方距離減速車道的漸變段起點2km、1km和500m位置分別設置前置指路標志[1]。駕駛人通過視認指路標志預知前方道路信息，并按照標志要求進行相應的駕駛操作。在高速公路出口區域，車道變換是最為常見的駕駛行為，大量駛離高速主線的車輛要從內側車道變換至外側車道。如果駕駛人未能及時獲取標志信息，容易錯過最佳的車道變換時機，從而在高速出口匝道處產生風險駕駛行為，引發交通事故。因此，規范指出連續設置的三塊出口指路標志中，最靠近出口匝道的AGS設置距離至關重要。

國際上，大部分發達國家對出口前置指路標志設置距離的研究開展得較早，且對標志設置的形式研究較細致。與我國規范不同的是，美國《統一交通控制設施手冊》（Manual on Uniform Traffic Con?trol Devices，簡稱MUTCD）[2]將出口分為兩類：①大中型出口，在出口前距離減速車道的漸變段起點2mile,1mile和1/2mile位置分別設置前置指路標志；②小型出口，只在出口則只在前1/2mile位置設置一個標志。Fitzpatrick等[3]通過模擬實驗，對比分析了高速公路出入口多級指路標志的設置效果。Costa等[4]基于實車試驗，研究了路邊直立式標志下駕駛人的視認特性。Zhang等[5]基于模擬駕駛試驗，研究了多信息道路標志標識下駕駛人的視認能力，對標志的設置形式提出了建議。

近年來，我國也開始逐步開展高速公路出口前置指路標志設置距離研究。趙妮娜等[6]對比研究了國內外高速公路樞紐互通指路標志設置的類型、位置、結構，指出我國目前各省對于標志設置距離不統一的問題。楊冰浩[7]通過開展室內仿真實驗，揭示了駕駛人搜索和閱讀標志信息的過程，研究了不同限速下的指路標志最大前置距離。王昊程等[8]研究了多車道高速公路的出口前置標志設置距離。劉偉銘等[9]結合駕駛人的視認特征，重點研究分流區車道變換行駛距離，構建了高速公路出口前置標志安全距離模型。于仁杰等[10]從駕駛人的視認性和短時記憶角度，提出了高速公路施工限速標志設置位置和方法。吳彪等[11]基于駕駛人認知心理，構建了施工區標志前置距離設置距離模型，指出最小安全距離是330m。潘兵宏等[12]基于駕駛人心理和響應特性，研究了不同道路條件下、不同駕駛人條件的高速公路出口標志設置距離，指出目前我國規范中對雙向6車道及以上的標志設置距離偏小。

我國現有規范和美國MUTCD中的推薦距離都是依據經驗判斷，而各個高速公路出口匝道位置及設計標準存在差異，故AGS設置的合理性有待考量。目前國內外對高速公路出口前置指路標志設置距離的研究主要集中于駕駛人對標志的視認特征方面，但是較少將駕駛行為、駕駛安全等多因素融合分析。為此，本文將以出匝車輛為研究對象，綜合考慮高速公路的道路條件、駕駛人視覺特性及駕駛行為特性、標志本身的設置方式，構建最后一塊AGS的安全設置距離模型，提出在不同設置方式、不同車道數、不同速度條件下最后一塊AGS合理的設置距離。

1 駕駛行為分析

AGS的設置原則是：須使駕駛人具有充足的時間和空間視認AGS信息，并作出決策、反應，以確保所有車道上的車輛能夠安全駛離主線。因此，AGS的最小安全距離須滿足最不利情況，即車輛接近出口匝道，且位于距離出口最遠的車道上。此時，駕駛人的出匝行為過程主要包括視認標志、車道變換、減速調整，如圖1所示。

圖1 駕駛人出匝行為示意圖

1.1 認知-反應

圖1中，駕駛人在到達A0點之前沒有看到任何AGS，且保持在最內側車道直行。駕駛人到達A0點時發現位于F點的最后一塊AGS，對標志信息進行視認、讀取、思考，并在B0點作出換道決策。

1.2 車道變換

圖1中，駕駛人經過B0點后通過視覺搜索合適間隙，在B1點執行換道決策，調整方向實施換道，到達C0點時即完成一次車道變換。假設第一次車道變換結束后立即決定第二次車道變換，則C0點開始重復上述過程，直到車輛已位于距離出口最近的車道D點。

1.3 減速調整

圖1中，駕駛人經過D點后，車速自Vm開始降低并準備駛入出口匝道。E點表示匝道分流鼻位置，駕駛人經過該位置時車速已滿足匝道行車速度要求，故取此處車速為匝道設計速度Vr。

2 最后一塊AGS設置距離的影響因素分析

最后一塊AGS的設置距離對高速公路分流區的安全性有重要影響，主要受以下幾個因素影響。

2.1 駕駛人視覺特性

駕駛人的視角是最后一塊AGS設置距離模型的關鍵參數。在行駛過程中，視覺為駕駛人提供80%的交通信息。研究表明，駕駛人對偏前方固定物體的視認角θ在3°～5°內視野最清晰，10°～12°內較清晰，超過14°則認為視野消失[13]。如圖1所示，A0點為視認點，是標志可視區間的最初位置，A3點為視野消失點，駕駛人經過A3點后指路標志不在駕駛人視野內，M即為不可視區間。

AGS的設置方式對視認效果也有一定影響。我國高速公路出口區域AGS有3種設置方式：路邊直立式、路上橫跨式和中央分隔帶架設式[14]。路邊直立式適用于右側駛出的匝道，成本較低，架設方便，但當主線單向車道數大于3時，不利于最內側車道行駛的駕駛人辨識標志牌；路上橫跨式便于所有車道上的駕駛人辨識信息，但成本最高；中央分隔帶架設方式適用于左側駛出的匝道。本模型考慮這3種設置方式對駕駛人的影響，分別建立3種設置方式下AGS設置距離的計算公式。

2.2 車道變換駕駛行為

由上述駕駛行為分析可知，執行車道變換所需時間也是一個重要影響因素。一次車道變換過程包括兩個階段：

（1）駕駛人在產生換道意圖后，通過視覺搜索選擇合適的間隙；

（2）在決策執行點開始實施換道至完成。

每一次執行向右變換車道前，駕駛人會觀察、判斷當前位置的可穿越間隙是否滿足換道要求。如果滿足正常換道要求，駕駛人無需進行加減速駕駛行為；反之，則需要進一步考慮駕駛人的心理特點和個性特點。若駕駛人情緒不穩定、易沖動，可能全力加速超越車輛，實現強制換道；若駕駛人情緒穩定、有耐心，可能會等待合適的穿越間隙。Finnegan等[15]發現交通流對駕駛人視覺搜索可穿越間隙的時間有很大影響，并指出在有車輛影響下和無車輛影響下，駕駛人進行視覺搜索的平均時長分別為6.1s和3.7s，為此建議在一次車道變換過程中，用6.6s的時間來完成視覺搜索，用1.5s的時間來實施換道。

3 最后一塊AGS設置距離模型

本模型的構建基于如下假設：

（1）假設駕駛員的視力在視認角內分布均勻；

（2）車道變換過程中不進行加減速行為，車速保持不變；

（3）最不利情況，即出匝車輛需要從最內側車道變換至最外側車道；

（4）變換至減速車道后立即開始減速，使得車輛到達匝道分流鼻的速度為匝道限速或者設計速度。

根據圖1，最后一塊AGS設置距離滿足：

式（1）中：D為最后一塊AGS的設置距離（m）；D1為認知-反應過程中車輛行駛距離（m）；D2為車道變換過程中車輛行駛的距離（m）；D3為車輛在最外側車道時車速由Vm降至Vr這一調整過程中所行駛的距離（m）；S為駕駛人視認點至標志的距離（m）。

3.1 認知-反應過程中行駛的距離

駕駛人從視認標志到反應判斷這一時間段為認知-反應時間（Perception-ReactionTime，簡稱PRT）。由前文知，D1表示PRT內車輛的行駛距離。研究表明，車速每提高8km/h，駕駛人對信息的認知-反應時間縮短0.2s。

由經驗得，PRT和Vm之間的關系為：

式（2）中：Vm為高速公路主線的設計速度（km/h）。

于是：

3.2 車道變換過程中行駛的距離

圖1中，點B0與點D之間的水平距離D2表示駕駛人換道過程中車輛的行駛距離，與換道次數和實施一次換道的行駛距離有關。當高速公路主線單向車道數為k時，最不利情況下（即從主線最內側車道到最外側車道）需要執行k-1次變道，那么車輛在車道變換過程中行駛的距離為：

式（4）中：T為車道變換的平均時間（s）；k為高速公路主線的車道（不包括減速車道和輔助車道）數（條）；Vm意義同前。

3.3 減速調整過程中行駛的距離

圖1中，點D與點E之間的水平距離D3表示減速過程中車輛行駛的距離。車輛通過車道變換到達減速車道后，將降低速度行駛至分流鼻。減速距離為：

式（5）中：Vr為出口匝道的設計速度（km/h）；g為重力加速度，取g=9.8m/s2；f為不同行駛速度下輪胎和地面的摩擦系數；δ為坡度（上坡為“+”，下坡為“-”）；Vm意義同前。

3.4 駕駛人視認點與AGS設置位置的距離

AGS不同的設置方式及在不同的橫向、縱向偏移條件下，駕駛人視認點到指路標志的距離不同，且需滿足可視條件：

式（6）中：S為駕駛人視認點到指路標志的距離（m）；M為不可視區間長度（m）。

3.4.1 考慮橫向偏移

當AGS采取路邊直立式設置時，視認點到指路標志之間的距離為：

式（7）中：Wl為車道寬度（m）；St為橫跨安裝和路邊安裝標志的橫向偏移量（m）；θ為駕駛人視認角（°）。

當AGS采取中央架設式設置時，視認點到指路標志之間的距離為：

式（8）中：Wm為高速公路中央分隔帶的寬度（m）；Wl,θ意義同前。

3.4.2 考慮橫向、縱向偏移

當AGS采取路上橫跨式設置時，視認點到指路標志之間的距離S按下式計算：

式（9）～式（11）中：S1為考慮橫向偏移的視認點到指路標志的距離（m）；S2為考慮縱向偏移的視認點到指路標志的距離（m）；Sv為橫跨安裝標志的縱向偏移量（m）；Wl,θ,k意義同前。

4 算例分析

以圖1中東西走向的高速公路為例，主線單向有3條車道，車輛從右側匝道駛離高速。主線設計速度為100km/h，匝道設計速度為50km/h。采用《公路路線設計規范》（JTG D20—2017）[16]推薦值，主線單車道寬度取3.75m，中央分隔帶寬度取4.50m，右側硬路肩寬度取3.00m。為不失一般性，現假設視認角θ=10°，駕駛人在該視認角范圍內足以視認最后一塊AGS的信息。完成一次車道變換的總時間為8.1s。路邊直立式和路上橫跨式的橫向偏移取2.0m，路上橫跨式的縱向偏移取2.5m。

模型參數標定如下：

考慮最不利情況，駕駛人在最內側車道，則出匝前需要完成兩次車道變換。

最后一塊AGS的3種安裝方式具有相同的D1,D2和D3，但具有不同的S。因此，根據式（3）～式（5），計算：

3種標志設置方法中，對于路邊直立式：

則最后一塊AGS的最小設置距離為：

對于中央架設式：

則最后一塊AGS的最小設置距離為：

對于路上橫跨式，根據式（9）～式（11），計算：

則最后一塊AGS的最小設置距離為：

算例結果表明：

（1）在同樣的道路條件下，中央架設式安全設置距離最大，路上橫跨式次之，路邊直立式最小；

（2）在3種設置方式中，中央架設式最不利于改善行車安全，因此不建議在實際應用中將最后一塊AGS設置在中央分隔帶內。

5 與我國現行規范推薦值的比較

5.1 模型計算距離

我國高速公路主線限速范圍為60～120km/h，匝道限速范圍為30～60km/h。在不同主線限速、車道數和匝道限速下，利用本文模型分別計算路邊直立式、中央架設式和路上橫跨式的最后一塊AGS的安全設置距離，結果如表1～表3所示。

由表1可知，對于路邊直立式AGS，我國規范中推薦值（500m）對于主線單向2條車道的情況普遍適用，但在主線為單向3條車道且限速高于90km/h、單向4條車道且限速高于70km/h或單向5條車道所有限速下，規范推薦的設置距離無法滿足要求。

由表2和表3可知，以中央架設式或路上橫跨式設置AGS時，我國規范推薦值（500m）對于主線單向2條車道的情況普遍適用，但是當主線為單向3條車道且限速高于80km/h、單向4條車道且限速高于60km/h或單向5條車道所有限速時，規范推薦的設置距離無法滿足要求。

表1 路邊直立式AGS安全設置距離表（單位：m）

表2 中央架設式AGS安全設置距離表（單位：m）

表3 路上橫跨式AGS安全設置距離表（單位：m）

5.2 合理性分析

車道變換是影響高速公路出口區域安全性的重要因素。在出口區域內，車道變換次數越少、分散越均勻，其安全性越高。本文通過TSIS-CORSIM設置不同的最后一塊AGS距離，對單向5車道高速公路出匝分流區（分流鼻上游500m范圍）進行1h的模擬，取每車道每小時交通量為2 000veh/h，主線和匝道設計速度分別是120km/h和40km/h。

以路邊直立式設置為例，由表1可知，最后一塊AGS設置距離應該在匝道分流鼻上游至少1 218m處；規范中推薦距離為500m。分別假設有兩條高速和對應的出口匝道，其他條件完全相同，唯一不同的是最后一塊AGS設置距離。記規范推薦距離（500m）對應的道路為FR1，本文計算距離（1 218m）對應的道路為FR2。通過TSIS軟件模擬10次得分流鼻上游500m范圍內的車道變換次數，如表4所示，表中數值為10次模擬的均值。

表4 車道變換次數的規范推薦值與本文計算值對比表

由表4可知，在分流鼻上游500m范圍內，規范推薦距離產生的車道變換次數是本文推薦距離的2.6倍。可見，按照本文計算值設置AGS，可以有效減少出口區域的車道變換次數，提高車輛行駛的安全性。

6 結語

我國現行規范中對于AGS的設置距離推薦值往往依據經驗判斷，沒有考慮主線車道數、主線和匝道限速、匝道位置等因素的差異性，其合理性和有效性有待考量。本文以出匝車輛為研究對象，考慮最不利情況下駕駛人視認標志過程和駕駛行為過程，結合高速公路主線、匝道的車道數、限速條件、標志設置方式，建立了最后一塊AGS的安全設置距離模型。計算結果表明，規范中推薦的500m設置距離適用性較低，而利用本文所建模型分別計算的路邊直立式、路上橫跨式、中央架設式的最后一塊AGS的安全設置距離相對合理，可為升級優化高速公路出口指路標志設置提供一定的參考。

鑒于駕駛人個體間存在差異，本文對認知-反應時間參數的標定仍受到局限；其次，本文未對車輛在換道過程中可能存在的加、減速行為加以深究。因此，如何將駕駛人心理、車輛間相互影響等眾多因素綜合考慮，提高模型精確度，將是下一步研究的重點。

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