高海拔高速路動物穿行警示標志設置研究

韓萬里，呂云飛，趙建有

(1. 上海城建城市運營(集團)有限公司，上海 200023； 2. 長安大學 汽車學院,陜西 西安 710064)

0 引 言

近年來，國內外交通管理部門在預防車輛碰撞技術方面也逐漸投入大量人力和物力[1]。隨著我國高速公路里程的不斷增加，車輛與野生動物的碰撞事故也不斷發生，造成人員和動物的傷亡，甚至對一些瀕危動物的種群維持構成威脅[2-3]。目前，國內科研工作者就公路的建設、營運對生態環境的破壞與污染做了大量研究，但道路對動物的影響，以及車輛與動物碰撞事故還未引起足夠重視[4]。交通管理部門在預防車輛和動物碰撞等此類交通事故主要采取的措施仍舊是阻隔和設置牧道，雖然取得了一定的效果，但也帶來生境阻隔和碎化影響，車輛和動物的碰撞仍舊經常發生[4-5]。尤其對于遍布牧區和野生動物保護區的高海拔地區公路，此類問題更嚴重。因此，為了有效預防此類交通事故，相關交通部門應當收集統計此類數據，預防此類道路交通事故的發生，對人身安全和動物保護都具有重大意義。

受高海拔地區道路交通環境的影響，車輛與野生動物的碰撞事故原因非常復雜。但相關研究表明，在道路上設置野生動物穿行警示標志后，可以有效地降低車輛行駛速度，并減少車輛與動物碰撞事故[6]。J. M. CONN等[7]認為，如果駕駛人有足夠的反應時間來處理潛在的危險情況或避開動物就可降低車輛和動物碰撞事故的發生。而交通警示標志的作用就是提醒車輛或行人注意危險地點，在到達危險時有充分的時間采取必要的行動，以確保行車安全[8]。在交通警示標志設置方面有大量研究，如，R. A. RETTING等[9]通過對交通碰撞事故的發生與交通標識標牌之間的關系研究表明，使用限速標志可以減少碰撞事故的發生；T. BEN-BASSAT等[10]指出，在設計交通標志時需同時考慮駕駛員的理解能力與反應時間；劉浩學[11]對公路交叉口交通標志設置的工效學進行分析，構建了一般公路交叉口標志的設置方法模型；陸建等[12]對普通公路路側限速標志設置進行研究，確定了路側限速標志的最佳設置位置。還有研究建議對交通警示標志的設置應當充分考慮道路使用者對標志的感知、識別、理解和其行動的特性，如果設置不當，就會失去設置意義[13]。

然而，以上研究均為針對普通公路交通標志研究，且研究沒有考慮到道路環境對駕駛人的影響，對于高原地區高速公路警示標志的研究還未涉及。按照平原地區的標準來設置高原地區高速公路動物穿行警示標志，或僅依照以往統計數據和方法得出的規范，在特殊環境中設置交通標志，其效用的發揮會受到很大影響。為了有效地設置高海拔地區高速公路動物穿行警示標志，預防車輛與動物碰撞事故，提高人身和動物安全，筆者從人-車-路-環境系統考慮，基于高海拔地區高速公路特殊環境對駕駛人的影響，通過實地調研和實車試驗，深入研究高海拔地區高速公路動物穿行警示標志的形式和設置方法。研究成果具有一定的實踐應用價值，可為高海拔高速公路警示標志設置提供一定借鑒和經驗。

1 研究方法及過程

據研究表明[14]，車輛與動物碰撞事故并不是隨機分布的，其事故發生地點可以預測。因此，找到車輛和動物碰撞事故的誘導因素，就可以制定出防御碰撞措施。高海拔地區遍布牧區及野生動物自然保護區，道路周邊地理環境(例如接近水源或動物覓食區域)是車輛與動物碰撞的一個誘導因素[15]。因此，可以在車輛與動物碰撞事故多發地點、牧道、進入牧區和自然保護區之前設置動物穿行警示標志，以提醒駕駛人注意減速，達到預防車輛與動物碰撞事故發生的目的。

1.1 調研路段

調研路段選取青海省共玉高速公路，其全長630 km，雙向2車道，行車道寬度為3.75 m，分離式路基，最低海拔為2 917 m，最高海拔為4 807 m，平均海拔為4 000 m以上，見圖1。共玉高速公路穿過三江源自然保護區及多個牧區，是比較有代表性的一條高海拔地區高速公路。由于線路較長，調查采用行車樣線法[4]，故2～3人沿著公路駕車以最低限速行駛并錄像，部分路段下車步行詳細調查，記錄死亡動物并拍照。通過咨詢專家、走訪當地民眾的方式及利用交通管理部門的公路設計資料等，相對準確地確定出動物通道位置、車輛與動物碰撞事故發生率及牧道利用情況。

1.2 試驗設備與場景

為了驗證分析高海拔交通環境對駕駛人的影響，考慮到環境的特殊性和人身安全，試驗的目的在于驗證分析說明。因此，試驗最終挑選不同年齡、駕齡的3名男性，年齡為28～45 歲，駕齡為4～10年。在自然駕駛條件下，分別在3 000～3 500 、3 500～4 000、4 000～4 500 m海拔路段上采集被試者行車數據。采用手持式GPS測速定位，車內安裝2個高清行車記錄儀，分別記錄車輛運行和被試者狀態，并采用主觀檢測方法向被試者詢問精神狀態，同時在駕駛過程中讓被試者對當前行車速度進行估計。被試者矯正視力均在5.0以上，駕齡為10年左右，身體健康，無不良嗜好，均擁有C1駕照，其中1名駕駛人有高原駕駛經驗，2名駕駛人為初到高原。

圖1 共玉高速公路地理位置、沿線海拔變化情況Fig. 1 Geographical location and altitude changealong Gongyu Expressway

2 調查取證與數據分析

2.1 車輛與動物碰撞事故現狀分析

通過隨機調查，在研究路段內共發現3起車輛與動物碰撞事故，并導致動物致死。高速公路沿線常有動物出現在公路護欄內側。結合對其沿線居民的走訪了解到，沿線86%的居民經常發現車輛與動物碰撞事故。由于此類碰撞事故大多未涉及人員傷亡，因此，道路使用者大多選擇不報警，交通管理部門也沒有相應的備案。對沿途50個放牧通道調查發現，相關警示標志缺失，且動物通道兩側無動物活動痕跡(觀察腳印、糞便等)，放牧通道利用率不高。

2.2 高海拔地區道路環境對駕駛人影響分析

估計速度特性主要是考察駕駛人對運動物體速度估計的準確性以及個體性格的焦躁性等方面的特征[9]。針對被試者在3個不同海拔下的車輛運行速度及估計速度，共采集到65航段數據，剔除16段誤差較大的航段，如表1。隨著海拔的升高，A組和C組的平均行車速度均有增高的趨勢，且速度估計誤差逐漸增大，其平均行車速度別介于72.7～108 m/h之間，平均估計速度誤差值為9.6～35 m/h，部分路段高于設計速度80 m/h，超過設計速度3.1%～35%；而B組平均行車速度隨著海拔的增高有減小的趨勢，這可能與B組駕駛人經常在高海拔地區行車有關，但其整體速度偏高，平均速度介于89.9～98 m/h，高于設計速度80 m/h，超過設計速度12.4%～22.5%，平均估計速度誤差值為18～21 m/h。在海拔4 000～4 500 m的路段，3組平均行車速度達90 m/h，最高車速為119 m/h，駕駛人均感覺到疲勞、反應遲鈍和呼吸困難，并有輕微的頭暈癥狀，速度估計誤差值偏大，超速行駛。相關研究對青藏公路運行速度特性發現，對運行速度影響以海拔4 km為臨界點，平直路段的基本期望速度轎車為120 m/h[16]。

表1 被試者在3個不同海拔下車輛運行速度及車速估計值Table 1 Vehicle speed and the estimated vehicle speed of subjects at three different altitudes

對不同海拔3組駕駛人平均估計速度誤差進行因素分析，如表2。在不同海拔條件下，駕駛人對行車速度的估計值誤差值呈中度顯著差異(0.01

表2 不同海拔高速公路上駕駛人平均速度估計誤差分析Table 2 Analysis of driver’s average speed estimation errors onhighways at different altitudes

研究結果充分驗證說明了駕駛人受高原環境影響比較大。相關研究采集了1 079個駕駛人的生理、心理有效樣本數據，結果也表明，隨著海拔的增高，反應時間要比正常情況下延長，增加了駕駛人應對潛在危險的時間，極易發生碰撞事故[17]，如表3。

表3 駕駛人在不同海拔下的反應延誤時間Table 3 Drivers’ response delay time at different altitudes

3 高海拔地區高速公路動物穿行警示標志設計及前置距離模型

車輛在行駛過程中，遇到緊急狀況，導致運行速度突變，尤其是較大的速度落差會使駕駛人措手不及，發生碰撞事故[18]，因此超速行駛是造成車輛與動物碰撞的一個很大的因素。動物穿行警示標志設置目的就是提醒駕駛人注意行車安全，減速慢行，提高其警覺性[19]。

3.1 動物穿行警示標志設計

不同動物穿行警示標志圖案能起到不同的警示效果。據相關研究表明，動物穿行警示標志上的動物呈現運動趨勢的時候對駕駛人的影響較大，效果較好[20]。從駕駛人視覺特征研究表明，黃底黑圖案的搭配具有更好的可視性[21]。根據調查，不同國家和地區動物穿行警示標志圖案是不相同的。例如美國許多州均設立了鹿和奶牛的動物穿行警示標志，澳大利亞的警示標志也基本上也采用鹿和袋鼠[4]。綜合考慮以上因素，根據國標規定要求[13]，結合青海省共玉高速公路沿線動物分布及種類情況，建議在自然保護區內，警示標志圖案采用呈運動趨勢的藏羚羊，牧區及放牧通道前的警示標志圖案同理采用呈運動趨勢的牦牛，黃底黑圖案的搭配。此外，也可以在警示標志上給出限速及距離信息，告知駕駛人長度范圍，提高警惕。動物穿行警示標牌主要設置在放牧通道、事故易發點、牧區和自然保護區前方，如圖2。

圖2 高海拔地區高速公路動物穿行警示牌Fig. 2 Warning signs for animal crossing on highway inhigh altitude areas

3.2 高海拔地區高速公路動物穿行警示標志前置距離模型

3.2.1 交通標志視認過程分析

車輛與動物碰撞事故涉及駕駛人、動物、車輛及道路環境等因素[22]。駕駛人的交通安全認知過程可分為感覺、領會、決策、起始響應、動作5個階段，在每個階段駕駛人均受到交通環境的影響[23]。駕駛人視認標志的過程，可以分為“發現、認讀、判斷、行動”4個階段[22]，如圖3。駕駛人經視認點，到讀取標志信息點A開始讀取動物穿行警示標志，到B點可以將標志內容讀完，此段距離為讀取標志距離S1。此時駕駛人采取行動判斷，這段距離為移動距離S2。然后開始行動，此時車輛已經行駛到D點，從行動點D到行動完成F點的距離為制動階段距離S3。駕駛人在制動階段距離必須安全順暢完成必要減速動作。

圖3 駕駛人視認標志過程及對應的制動減速度與時間的關系曲線Fig. 3 Relationship curve of driver’s visual sign recognition process andcorresponding braking deceleration and time

從給讀點A到標志E的距離為視認距離S0，標志的前置距離為D。從標志讀完點B到標志E的距離為讀完信息后到標志的距離S4。如果該距離S4比消失點C到標志E距離m要短，就意味著駕駛人不能準確判斷標志的內容[11]。

S3≤D+S4-S2

(1)

(2)

式中：θ為駕駛人的視角閾值，一般路側標志取θ=15°，頭頂標志取θ=7°；d為駕駛人的視高(1.2 m)到標志的側距(路側安裝標志)，據調查，共玉高速公路車道寬為3.75 m。

3.2.2 交通標志視認距離計算模型研究

國標中對限速標志和建議速度標志的版面規格有規定。以此為基礎，分析視認距離S4與實際圖文高度h和行車速度的關系。根據人因工程學原理[8]，動物穿行警示標志的設置條件和圖文的大小按式(3)設計：

(3)

式中:h′為有效圖文字高度；h為實際文字高度；k1為文種修正系數，對于拉丁字母取k1=1.2；k2為文字復雜性修正系數，漢字的筆畫少于10畫時k2=1，漢字的筆畫為10～15畫時k2=0.9，漢字的筆畫超過15畫時k2=0.85；k3為行車速度修正系數，按表4選取。

表4 k3值Table 4 Value of k3

根據日本土木研究所的實驗數據[8]：

f(h′)=5.67h′

(4)

視認距離計算模型為：

S4=5.67h′=5.67×1.2×1×k3=6.084k3

(5)

3.2.3 基于駕駛員識認特性的車輛減速距離計算模型

根據駕駛人操作規律，駕駛人讀取標志信息后，對車輛進行制動并最終在速度控制點前降低速度，此過程可分為兩個階段，即：制動準備階段和制動階段[24]。

1)制動感覺-反應距離計算模型

由圖4可知，制動反應階段包括感覺-反應時間(對應視認過程分析讀取標志距離S1)、移動時間(對應視認過程分析移動距離S2)。不同海拔路段駕駛人反應時間為0.77～0.89 s，考慮到極限狀態，取0.89 s；根據人因工程學原理[25]，駕駛人眼睛移動時間為0.09 s，目標選擇時間為0.6 s，識別時間為0.5 s。所以在制動反應階段，駕駛人感覺-反應時間為2.08 s。由于駕駛員移動階段(換腳并踩下制動踏板)時間較小，一般為0.2～0.3 s，所以取極限狀態值為0.3 s。在此階段，車輛并沒有被制動，處于勻速運行狀態，其運行距離如式(6)、式(7)：

S1=v0×2.08

(6)

S2=v0×0.3

(7)

制動階段對應視認過程的行動距離，分為制動過渡階段和平穩制動階段。

在制動過渡階段，車輛減速度由0到一個確定的減速度a0，速度由v0降為v1。根據車輛工程學原理[12]，這一減速度數值a0與車輛的初速度成線性關系，其關系模型如式(8)：

a0=0.524v0-0.121 5

(8)

根據車輛工程學經驗模型，車輛制動過渡階段時間一般為0.3 s，且認為減速度服從線性變化，則制動過渡階段末的速度可用式(9)表示：

(9)

則制動過渡階段的車輛運行距離為：

(10)

平穩制動階段，車輛自v1以勻減速運動進行行駛，至速度控制標志規定的限速值vt為止。則平穩制動階段的車輛運行距離為：

(11)

2)減速距離計算模型

綜合以上兩個階段的距離計算模型，駕駛人讀取動物穿行警示標志后，車輛減速距離模型為：

(12)

3.2.4 標志前置距離計算模型

由式(1)和式(2)可得高海拔地區動物穿行警示標志的前置距離設置條件為：

D≥S-S4

(13)

d≤S3tan(θ)

(14)

將式(13)、式(14)代入式(5)、式(12)、式(13)，則：

(15)

(16)

通過上述計算與分析，針對共玉高速公路限速情況，其前置距離為80 m。根據模型得出的前置距離結果比一般平原地帶交通限速類標志前置距離要遠[24]，這是由于高海拔地區地理和交通環境比較特殊，對駕駛人的影響比較大[16-17]。計算結果也恰好說明了該模型符合高海拔地區的實際情況。

3.2.5 高海拔地區動物穿行警示標志前置距離參照表

根據構建模型，通過計算可得到由不同初速度降低到某限速值時，限速標志與建議速度標志前置距離，如表5。

表5 限速標志前置距離參照表Table 5 Reference table for prepositive distance of speed limit sign

4 結 論

通過對高海拔地區高速公路動物穿行狀況及其對駕駛員的影響特征分析，提出了高海拔地區高速公路動物穿行警示標志形式和設置方法。研究結論如下：

1)通過隨機調查發現，高海拔地區高速公路沿線放牧通道利用率不高，經常發生車輛與動物碰撞事故，缺失設置動物穿行警示標志。

2)對高海拔地區道路環境對駕駛人行為的影響進行了研究，綜合驗證分析了高海拔地區交通環境對駕駛人影響較大。

3)基于當前國內外相關研究成果，結合高海拔地區動物分布及種類，設計了高海拔地區動物穿行警示標志。

4)基于高海拔地區交通環境對駕駛人的影響，提出了設置動物穿行警示標志前置距離的最低要求，同時構建了動物穿行警示標志前置距離模型，并驗證了模型的有效性。