指路標志與路面文字協同設置安全距離研究*

裴玉龍 曹永臣

(東北林業大學交通學院 哈爾濱 150040)

0 引 言

隨著城市經濟的迅速發展，汽車保有量的增大，城市基礎設施的建設明顯加快，城市道路網越來越復雜，我國雖已頒布文獻[1-2]等國家標準以期科學性、規范性，以及系統性地管理城市道路交通標志與標線設置，但交通指路標志需要表達的信息越來越多，同時駕駛人的視認能力有限，例如，新的地名、路名大量涌現，造成個別路段交通提示標志信息過多，或因為停車位車輛或道邊樹木的遮擋，駕駛人沒有足夠時間識別、理解這些信息，從而影響道路交通安全.

國內外專家學者對交通標志和標線的和合理布設以及駕駛人的視認特性，進行了大量的研究.Byshov 等[3]系統地將道路標線與特定的速度限制相關聯可能是提高提示效率的有效方法.Costa等[4]從注意力不集中、駕駛行為的自動性等方面研究路邊直立式標志下駕駛人的視認特性.Charlton[5]研究在駕駛人在彎道駕駛時，四種警告標志組合和幾種道路標線組合對于車輛速度和車道位置的影響.徐志等[6]以Ltti的視覺注意模型為基礎，建立了針對交通標志的注視點預測模型，對復雜交通標志的注視點預測具有良好的精度.熊堅等[7]提出了一種通過駕駛動態模擬心理學實驗評價城市指路標志認知性的方法．建立了用于駕駛模擬實驗的路網及相關的指路標志系統.姚裔虎等[8]針對現冰雪地區公路彎道，提出了冰雪道路彎道誘導標設置間距模型，進而得出減速限速和提醒標志設置的最佳位置.文獻[2]在交叉口與路段上的交通標志和標線協調設置方面進行了更加細致的規定.

國內外對交通標志標線設置的安全距離和駕駛人視認效果有較詳實的研究，但對二者協同設置的研究較少.由此，本文提出使用交通指路標志與路面文字協同設置的方法，選取城市主干路作為研究對象，將設置在路邊的單懸臂式交通指路標志版面所表達的部分信息，以路面文字的形式設置在指路標志前方，以對道路信息進行重復表達.在車輛行駛過程中，駕駛人的視認順序為“路面文字→指路標志”.本文提出協同距離的概念，為路面文字與交通指路標志順次設置時，使得駕駛人對指路標志的視認時間最少時二者的間距.

1 駕駛人視認過程分析

1.1 研究的前提假設

本文的研究內容為城市主干路上路面文字與指路標志的協同設置，為方便實驗和研究的順利進行，需先做出以下前提假設：①研究對象為城市主干路，道路設計車速為40，50和60 km/h，指路標志的尺寸取140 cm×100 cm；②研究范圍為雙向6車道道路，單車道寬度設定為3.25 m；③參與實驗的被試人員生理、心理皆為正常狀態.

1.2 駕駛人視認過程

駕駛人視認過程見圖1，駕駛人在A點視認設置在D點的路面文字并在B點視認結束，即為路面文字認讀點，AB為視認距離，車輛從A點行駛到B點所使用的時間為駕駛人對路面文字的視認時間.駕駛人到達C點時，路面文字從視野中消失.

圖1 駕駛人視認過程

駕駛人在E點視認設置在H點的指路標志(包括四信息量和六信息量指路標志)，并在F點視認結束.DH為路面文字和指路標志的設置間距S1.EF為指路標志視認距離(E點或F點相對于于D點的先后位置不確定)，車輛從E點行駛到F點所使用的時間為駕駛人對指路標志的視認時間，駕駛人進行決策及操作行為.

駕駛人到達G點時，指路標志從視野中消失，并在I點時行動完成，J點為交叉口的入口處，HJ為指路標志前置距離S2，DJ為路面文字的前置距離S3.則路面文字和指路標志的設置條件應滿足：

S1+S2=S3

(1)

式中：S1為指路標志和路面文字設置間距，m；S2為指路標志前置距離，m；S3為路面文字前置距離，m.

1.3 指路標志設置高度

由于車輛高度相較于交通標志較低，a為駕駛人的豎直視角，根據文獻[9]可知，當a>8°時，駕駛人視認能力迅速下降，因此取8°為駕駛人豎直視角的臨界值；h為駕駛人視點高度，取1.2 m；d為駕駛人與指路標志的垂直距離；H為交通標志設置高度，等于h和d之和，取5.2 m；X為標志從駕駛人視野消失時，駕駛人與指路標志的水平距離，X與d的關系見式(2).本文研究的交通指路標志為單懸臂式，駕駛人與指路標志的幾何關系見圖2.

d=Xtana

(2)

圖2 駕駛人與指路標志的幾何關系

1.4 指路標志前置距離

駕駛人認讀指路標志后，操縱車輛變換車道過程見圖3，M1～M6為道路上幾個車輛行駛狀態發生改變的位置.車輛經過視認點—認讀點—思考點—消失點過程，達到車輛變道的第一個決策點F，車輛經過兩組決策點和執行點后完成兩次變換車道的操作，最終到達變道完成點J點.則指路標志前置距離模型S2[10]為

(3)

式中：S2為指路標志前置距離，m；(n-1)L為變換車道所必需的距離，m；L為改變一次車道所需距離，m；n為車道數；為減速、改變方向所必需的距離，m；v1為接近車速，m/s；v2為交叉口處車速，m/s；t為駕駛員的決策時間，s；a為車輛減速度，m2/s；l為視認點和指路標志的間距，m.

圖3 車輛變換車道過程

參照文獻[1]中速度值所對應的前置距離，以及楊冰浩等[11-14]的研究成果，并結合式(3)，得到設計速度對應指路標志前置距離的建議值見表1.

表1 指路標志前置距離

2 標志標線協同設置實驗

2.1 實驗設計

1) 使用視頻制作軟件Adobe Premiere，結合余曼等[15]的研究成果對指路標志和路面文字進行設計，制作城市主干路駕駛場景視頻作為實驗材料，按標志標線設置方式分為兩類：僅指路標志作用、路面文字和指路標志協同作用.

2) 將實驗材料中，指路標志表達的信息數量分為四信息量和六信息量兩類，路名信息位置設計見圖4.對于四信息量指路標志，路面文字重復位于圖4a)中位置2、位置3、位置4的路名；對于六信息量指路標志，根據文獻[2]中8.1.4節的要求，圖4b)中位置5和位置6為遠信息，位置2和位置4為近信息，也就是下一次左轉或者是右轉時將進入的道路，所以路面文字重復位于圖4b)中位置2、位置3、位置4的路名.

圖4 路名在指路標志版面的位置

2.2 實驗過程

1) 選擇24人作為被試人員進行實驗.實驗前，要求被試人員完成基本信息的調查問卷，問卷內容包括年齡、性別、有無駕齡、有無近視、是否患病等，剔除其中不符合條件的被試人員.

2) 向被試人員解釋實驗過程，以確保所有被試人員在了解實驗要求和內容.

3) 使用投影儀播放實驗材料，被試人員觀看視頻并按要求作出響應(用秒表記錄時間節點)，其中僅指路標志出現的駕駛場景見圖5,路面文字和指路標志順次出現的駕駛場景見圖6.

圖5 僅指路標志實驗材料

圖6 路面文字和指路標志順次出現實驗材料

4) 將測試人對指路標志視認時間、測試人基本信息、路面文字和指路標志設置間距等原始數據進行整理，導入SPSS軟件進行分析，依據統計結果將反應時間異常的數據定義為反應錯誤數據，在進行反應時間分析時，反應錯誤的數據不做統計.

3 路面文字與指路標志協同設置距離優化

3.1 剔除不相關因素

篩選出性別、有無近視、有無駕齡等不相關因素.對數據中的樣本進行t檢驗，結果分別見表2～4.

表2 性別獨立樣本檢驗

表3 有無近視獨立樣本檢驗

表4 有無駕齡獨立樣本檢驗

檢驗結果表明測試人的性別、有無駕齡以及有無近視對實驗結果沒有影響，結合袁黎等[16]的研究成果，應將該類因素剔除，表明本文屬于基礎研究，性別、有無駕齡、有無近視等因素對實驗結果得到的規律沒有影響.

3.2 信息量和信息位置對協同設置優化程度的影響

比較僅指路標志、路面文字和指路標志協同兩種情況下駕駛人對指路標志的視認時間并求得二者差值，即視認時間差，將視認時間差分為四信息量指路標志和六信息量指路標志兩種情況[17].對信息量和視認時間差兩組數據進行獨立樣本t檢驗，得到獨立樣本檢驗見表5.其中T=-6.701、P=0.000，表明指路標志信息量與視認時間差之間顯著相關.

四、六信息量情況下，將視認時間差按路名所在的版面位置分為位置2、位置3、位置4三組，比較路面文字和指路標志協同設置對指路標志視認時間的優化程度，即比較三個位置在這兩種信息量情況下的視認時間差，見圖7.由圖7可知，相對于四信息量指路標志，設置于六信息量指路標志前的路面文字對駕駛人視認效果的改善作用更為顯著，且改善程度為位置4>位置3>位置2，其原因為三個位置上協同設置對四信息量指路標志的優化程度相近，主要在0～0.6 s，而對六信息量的優化程度為0.2～0.6 s(位置2)、0.4～0.9 s(位置3)、0.6～1.2 s(位置4)，優化程度有較大差別.

表5 獨立樣本檢驗

圖7 四信息量和六信息量視認時間差

3.3 路面文字與指路標志最佳設置間距研究

分析設計車速為40，50，60 km/h，并分別使用四信息量、六信息量指路標志的情況下，路面文字與指路標志設置間距和駕駛人指路標志視認時間的關系.將實驗得到的6種情況下設置間距與駕駛人視認時間兩組數據，依設計車速分組進行擬合，得到2組擬合結果見圖8～9(v為設計車速)，其中，視認時間為駕駛人從看到指路標志到認讀標志牌信息所使用的時間，設置間距為路面文字與指路標志二者所處位置間的距離.可以看出，起初視認時間隨設置間距的增大而減小，但在設置間距達到某一數值后，視認時間達到最小值，之后則隨設置間距的增大而緩慢增大，表明路面文字和指路標志的設置間距并非絕對的越大越好，而是存在一個最優解，即最佳的設置間距.

將6種情況下的擬合優度按指路標志信息量分組表示，結果見表6～7，擬合程度、F檢驗、顯著性均皆較好，表明擬合程度較好，其結果可用于進一步分析，得到設置間距與視認時間的關系模型見式(4)～(5).

圖8 四信息量情況下的擬合結果

圖9 六信息量情況下的擬合結果

表6 四信息量指路標志擬合優度

表7 六信息量指路標志擬合優度

四信息量指路標志與路面文字設置間距模型：

(4)

六信息量指路標志與路面文字設置間距模型：

(5)

式中：S1為路面文字和指路標志的設置間距，m；t為駕駛人對指路標志的視認時間，s；v為設計速度，km/h.

使用MATLAB數學軟件計算式(4)～(5)的極值，得到在不同設計車速、指路標志信息量的情況下，駕駛人對指路標志視認時間最少時，路面文字和指路標志的設置間距，作為最佳設置間距，即本文所提出的協同距離，結果見表8～9.

表8 四信息量情況下的協同距離

表9 六信息量情況下的協同距離

由表8～9可知，路面文字和指路標志的協同距離受指路標志信息量影響較小，但受設計車速影響較大，且呈正相關.不同設計速度下，對四信息量指路標志的視認時間差別不大，對六信息量指路標志的視認時間差別較大，且隨設計車速的增大而減小.

根據式(1)得到各情況下路面文字和指路標志前置距離，見表10～11.

表10 四信息量指路標志和路面文字的前置距離

表11 六信息量指路標志和路面文字前置距離

4 結 論

1) 相對于四信息量指路標志，設置于六信息量指路標志前的路面文字對駕駛人視認效果的改善作用更為顯著，且信息位于指路標志版面的不同位置，其改善程度不同.

2) 構建不同信息量、不同設計車速情況下，協同設置間距和駕駛人對指路標志視認時間的關系模型，并得到在各類情況下視認時間最少時，路面文字和指路標志的設置間距，作為最佳安全間距，即協同距離.