基于主動防護的冰雪地區公路彎道路側標志組合設計方法研究*

姚裔虎 劉 念 徐良杰 樊 華

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

0 引 言

在我國北方地區冬季，駕駛員在公路上常易遇到雨、霧、冰、雪等視距差、路面濕滑的惡劣駕駛環境，極易造成駕駛員心理緊張，對行車安全極為不利.公路彎道是公路事故多發的主要路段，據相關資料研究表明，在冰雪天氣惡劣條件下，公路彎道處每百萬車輛公里事故數相比非冰雪條件可高達13倍[1].為了避免事故的發生，對冰雪地區公路進行限速[2]，在公路彎道處設置合理的交通標志，給駕駛員舒適而有安全感的引導非常有必要.

目前，國內外對駕駛員彎道的認知特性及彎道駕駛時的標志誘導都是基于普通條件下的公路的.Persaud等[3]指出用合理的彎道危險提示來保障公路彎道路段安全；張業生[4]用眼動儀記錄駕駛員對交通標志信息的認知性及特征；關偉等[5]研究了交通標志對駕駛員制動操作認知模型的影響.康秋藝等[6]基于視知覺特性對交通標志識別認知的影響因素進行了分析.Zwahlen等[7]研究了一般公路彎道上合理的誘導標志的感知數量.毛慧[8]總結了適用于我國普通公路和高速公路彎道路段設置合理的線形誘導標的原則和方法.劉強等[9]運用GPS和GIS信息系統工程方法實施彎道交通預警.李文權等[10]建立了可行的、簡便的連續設置路側標志的模型和方法，提高高速公路內側車道上行駛時對于路側的交通標志視認的準確率.周劍萍等[11]從駕駛員心理角度出發，考慮駕駛員的視錯覺特性，選擇一項或多項視錯覺生成原理，按功能需要人為改變交匯點處的視覺效果，引導駕駛員駕駛行為，提出一種基于視錯覺原理的減速標線設計方法.

上述眾多彎道交通安全研究對象是處于正常天氣下的，沒有關于冰雪公路彎道路段視知覺環境下駕駛員的視認機理及車速控制方法研究.鑒于此，本文將以冰雪地區公路彎道路段的誘導標為對象，從駕駛員的視覺信息出發，研究分析駕駛員在彎道處轉向行為的影響因素，探索并提出基于主動防護特性的路標設計方法，以此來提高冰雪地區公路彎道處的交通安全水平.

1 冰雪彎道駕駛員及其行車特性分析

1.1 駕駛員視覺特性

駕駛員在操控車輛行駛過程中，需要通過感官系統來獲取來自車內車外的不同信息來控制車輛的運行，其中視覺信息是駕駛員駕駛汽車過程中最重要的信息來源，而在冰雪地區道路上，除了接收常規的道路特征信息外，駕駛員還需快速應對變化多樣的冰雪天氣信息，判斷道路不同位置的冰雪覆蓋情況，結合自身駕駛經驗、駕駛技術和車輛的狀況以采取相應的軌跡選擇和剎車、加速、保持速度等判斷，甚至是否選擇該道路繼續前行的判斷.

當車輛在冰雪地區公路彎道處行駛時，駕駛員的動態視野由于景物的單調、駕駛的謹慎和注意力更為集中等因素，變化更為敏感，隨著速度的增加動態視野的范圍下降更快.冰雪地區公路彎道處駕駛員的視野范圍與車速的關系見圖1.

1.2 行車速度特性

駕駛車輛在道路彎道處的速度是影響道路交通安全的一個極其重要的因素，尤其在冰雪天氣的影響下，過高的車速更易導致車輛不受控制發生側滑或側翻.本文基于實驗，對車輛在冰雪地區公路彎道處行駛的速度特性進行了分析，見圖2.

圖2 彎道觀測位置

在彎道1的5個主點位置設置測速儀：ZH-直緩點，HY-緩圓點，QZ-曲中點，YH-圓緩點，HZ-緩直點，在道路有積雪、路面部分位置有冰或雪板的條件下，測得車輛行駛速度數據統計見圖3a).之后對同樣的彎道1進行仿真，模擬得出圖3b)中車輛在非冰雪天氣條件下該彎道位置處的行駛車速數據.由圖3數據統計，分析可知：

冰雪地區公路彎道1處車速分布在30 km/h左右的占大多數；而速度在50 km/h以上的，只占8.5%左右.彎道1在非冰雪條件下車速則大多數處于60 km/h以上；而速度在30 km/h以下的，只占1.4%左右.綜上所述，冰雪地區公路彎道處的行車速度較非冰雪地區公路彎道處要小得多，甚至大多數車輛的速度只有非冰雪地區公路彎道處行車速度的一半左右.冰雪地區彎道車速范圍與一般非冰雪條件下車速有很大不同，故普通彎道路側標志在冰雪條件下不具有適用性，需另外進行有針對性的設計.

圖3 彎道1冰雪和非冰雪條件各主點地點車速頻率分布直方圖

2 基于主動防護的路側信息標識及其優化設計

2.1 彎道誘導標設計

誘導標大小、形狀、顏色與環境之間是一種相互聯系、相互影響的復雜關系，本文主要研究線形誘導標的色彩設計，對于標志尺寸內容不作重點研究，因此僅針對現有三種尺寸，針對同一種標志色彩方案進行靜態實驗，獲取在靜態環境中駕駛員對標志尺寸的個人選擇情況.在實驗中，以藍底白圖案為例，實驗者對三種標志尺寸的仿真圖片進行優先選擇，其中600 mm×800 mm為方案1，400 mm×600 mm為方案2，220 mm×400 mm為方案3，選擇結果見圖4.

圖4 標志尺寸選擇方案

由圖4可知，在不考慮行駛速度限制時，單從尺寸大小上來看，尺寸越大對駕駛員的信息提示效果越好.當駕駛員行駛速度越高時，普通的中、小型標志難以吸引駕駛員注意力，標志指示效果受限，就需要大尺寸標志，加大在視野中的作用面積和駕駛員視認距離.此外，三種標志尺寸長寬比例從實驗者優先選擇中難以判斷適用情況，長寬比例也不是本文嚴重重點，此處將不作進一步分析.

2.2 減速限速標志及提醒標志

本文借鑒文獻[12]的方法，通過對駕駛員視覺和心理的刺激，使駕駛員提前減速進入彎道，在彎道上以較低的車速平穩行駛.在駕駛員駛入彎道時設置彎道提醒和限速標志，標志的設置位置示意見圖5，加強駕駛員的主動減速行為，發揮主動防護特性.

圖5 彎道提醒和限速標志設置

在實地試驗表明，當交通標志設置于遠離彎道入口的位置時(100，200，400 m)，駕駛員第一剎車點的位置會隨著標志位置的增加而增加，制動操作則會直接受到交通標志信息的影響；當交通標志設置位置距彎道入口較近時(0，50 m)，交通標志位置的變化并不能顯著引起第一剎車點位置的變化，交通標志對制動操作的作用將被彎道輪廓線產生的作用所代替，因此，減速限速標志及彎道提醒標志的設置應該充分考慮駕駛員對交通標志的視認性特征如道路條件、交通狀況、天氣因素等，設置于距彎道入口有一定距離的位置，間距至少100 m，具體值隨實際道路交通情況的不同而變化，見圖6.

圖6 標志設置點

3 案例分析

考慮到彎道附近路段結構物會駕駛員視覺造成的影響，選取前后無橋梁、隧道等構造物，路段前后300 m無電子監控、違章抓拍設備，交通量適中的路段做為試驗路段，盡量保證駕駛員的主動防護特性得到最大發揮.彎道地點選取吉林省吉林市西三家子村附近冰雪彎道，使用NC200便攜式交通分析儀對冰雪公路彎道車輛狀態進行檢測，未設置和已設置路側組合信息試驗NC-200布置圖分別見圖7.結合當地彎道道路條件、交通流量以及天氣狀況，運用所得彎道路側標志組合設計方法對路側標志進行布置，兩個試驗方案分別進行3 h.

圖7 NC-200布置圖

經試驗，獲得冰雪條件下公路彎道處未設置路側組合信息時各主點的地點車速統計和設置路側組合信息的地點車速統計.選擇50 th車速、85 th車速二個指標分析方案的合理性.設置方案前與設置方案后的彎道車輛速度對比見圖8.

圖8 設置方案前與設置方案后的彎道車輛速度對比

由試驗結果分析可知，設置方案后5個主點的50 th速度、85 th速度均小于設置方案前.設置方案前與設置方案后的彎道車輛50 th速度對比圖顯示，彎道QZ點處駕駛員降速最明顯，其他各點設置方案后駕駛員均有不同程度的降速.設置方案前與設置方案后的彎道車輛85 th速度對比圖顯示，彎道QZ點處駕駛員降速最明顯，其他各點設置方案后駕駛員均有不同程度的降速.

以上研究表明，采用4個誘導標、誘導標的顏色為紅色、在進入彎道前設置減速限速及提醒標志的設計組合能夠有效吸引駕駛員的注視點，對冰雪條件下公路彎道車輛起到降速作用.

4 結 論

本文分別就冰雪地區公路條件下彎道誘導標志、減速限速標志和提醒標志提出設計模型.針對冰雪地區公路彎道特性，考慮了駕駛員彎道認知特性，以駕駛員視線誘導、限制車速為目的，提出標志組合設計方案，為冰雪地區公路彎道的標志設置提供參考.在冰雪公路條件下，紅色誘導標對駕駛員的視覺刺激最大，路側誘導標設置數量宜為4個，設置間距依彎道半徑而定.減速限速標志宜設置在進入彎道前直線段上，推薦間距至少100 m，具體值隨實際道路交通情況的不同而變化.

本研究存在以下不足，后續有待進一步深入研究：①對于彎道誘導標志，本文主要探討了其顏色和標志與尺寸大小的視覺影響，其他參數的影響還有待深入研究；②對與冰雪地區公路彎道路側標志的遮擋問題，本次未作考慮，后續可以開展比如大車造成的遮擋和不良線形組合的遮擋等問題研究.