高速公路施工路段減速警示效果試驗研究

為優化高速公路施工路段減速警示效果，文章基于可供性理論，遴選設計樣式、尺寸、設置間距、閃爍頻率、間距五個因素，用混合正交試驗方法設計問卷，71名被試者從感知效果、認知效果、危險程度三個方面給出分值，并通過綜合平衡法獲得最佳組合方案。針對問卷無法確定的警示設施參數，進一步基于模擬駕駛構建了作業區基本場景，組織了駕駛模擬試驗并采集數據，分析預警距離、系統控制方式和占道位置三個因素對于駕駛員行為的影響，結果顯示：警示設施預警距離使駕駛速度在距離施工區600 m、500 m、400 m點位有顯著降低；預警距離對換道位置有顯著影響，提前800 m設置預警與提前400 m相比，駕駛人平均換道位置提前148.79 m；控制方式與占用車道的交互作用對換道位置有顯著影響，在占用行車道的場景中，相比于整體車道控制方式，采用分車道控制方式的換道位置提前了189.00 m。研究揭示了警示參數對于駕駛員主觀感受及車輛運行規律的影響，對工程實踐具有指導作用。

交通安全；高速公路；可供性理論；駕駛模擬；正交設計

U415.2A070223

作者簡介：

李欣遙（1998—），助理工程師，主要從事高速公路改擴建工程安全管理、交通組織管理、涉路施工管理工作。

0" 引言

高速公路施工路段由于道路條件發生突變，易引發交通事故。統計數據表明，施工路段事故率明顯高于其他高速公路路段［1］。為保證行車安全，在工程實踐中采用了多種減速警示促使駕駛員提前控制車速，以降低事故率。研究高速公路減速警示效果，可為施工路段警示設施設置及安全保障措施實施提供依據。

隨著智能交通與物聯網技術發展，近年來智慧化公路警示系統獲得了應用。Hua W等［2］開發了可沿車道線安裝在路面的智能道路螺栓，利用地磁傳感器實現多車輛識別；阮太元等［3］設計了低能見度下快速路車路協同的路側主動發光設施；陳廣輝［4］研究了一種適用于高速公路施工區的碰撞預警系統，將智能監測預警計數與公共出行平臺預告、安全運管平臺監管結合。現有文獻對部分警示設施的影響效果進行了研究：Kristin K等［5］研究表明，警示燈光以連續方式閃爍，駕駛人能更準確地識別工作區變道錐；Domenichini等［6］在駕駛模擬器中測試了交叉口不同信息符號和知覺處理措施對駕駛人反應行為的影響；馬志政等［7］結合心理認知行為模型和行車中停車視距計算方法對警告標志的設置位置進行了分析。

受警示設施影響的駕駛員行為變化主要體現在速度調節方面，這在文獻中進行了廣泛研究。Zhao等［8］在駕駛模擬器的車聯網測試平臺，分析了不同能見度下駕駛員受警告后的車速調整特征；Williams等［9］研究了不同顏色設置、亮度水平和閃爍信標對駕駛速度特征的影響；Khondaker等［10］從微觀角度研究個體駕駛行為VSL算法，以提高駕駛員車速設定的合理性。

上述文獻雖然對應用后的警示效果進行了對比研究，但對于設施間距、設計樣式、設置位置等參數仍缺少量化研究。因此，本研究基于可供性理論與問卷研究，初步確定智慧警示設施的試驗參數，再通過駕駛模擬器試驗進一步研究預警距離、系統控制方式和占道位置三個因素對于駕駛員行為的影響，提出了優化設置方案，為工程實踐提供了科學依據。

1" 車速警示的可供性分析

可供性理論（Theory of Affordances，TOA）認為，人能感受并行動是由于外界事物從多個層面提供了行為的可能［11］。從感官層面看，高速公路交通安全設施的設計樣式、間距、尺寸等因素均具有影響作用，可在感官層面帶給駕駛人不同的心理感覺和象征［12］。從認知啟示層面看，交通安全設施的設計樣式、閃爍頻率等因素與駕駛人的信息理解和風險感知有關［13］。物理屬性層面，各系統之間盡管存在差異，但實現原理相似。功能層面，警示系統均不會影響道路的基本功能。綜上，通過可供性分析，設置參數應包括預警設施的設計樣式、間距、設置位置、尺寸、閃爍頻率幾個方面。

根據相關標準初步確定參數范圍。設計樣式方面，初步選取了漢字、純色、圖形3種方案，如圖1所示。設置位置方面，考慮到龍門式布置布線困難且成本極高，提出了路側信號與路面道釘同時警示、路側信號警示兩個方案。設置尺寸采用了大、小兩種水平（路側信號燈20個/40 cm，路面道釘10個/15 cm）。設置間距方面，參考國標規定考慮了15 m、30 m兩種間距水平［14］。閃爍頻率參考常用方案，采用1 Hz和2 Hz兩種方案。

（a）漢字方案

（b）純色方案

（c）圖形方案

高速公路施工路段減速警示效果試驗研究/李欣遙，李" 標，梁健健，朱" 彤

2" 問卷測試及結果

2.1" 正交試驗設計

首先進行視頻問卷試驗，通過被試者觀看視頻并填寫問卷的方式分析方案組合，試驗參與者共71位，年齡分布在21～53歲，其中男性41名，女性30名，身體狀況均良好，均具有C1及以上駕駛證，駕齡均＞1年。模擬道路為雙向四車道高速公路，設計速度100 km/h。道路兩側及中央分隔帶均設置有鋼護欄。模擬道路駕駛時間為天氣晴朗、光照良好的晝間。最終確定的研究參數，4個因素為2水平，1個因素為3水平。結合以往研究根據混合正交表L12（31×24）進行正交試驗設計。參與者每觀看完1個場景視頻需要從視覺感知效果、認知效果和危險程度3個方面（均為10分制）對每個場景進行評分。

2.2" 試驗結果分析

對各駕駛人評分數據進行規范化處理，將評分變換至區間［0，1］內。采用綜合平衡法，得到每個因子的影響因素排序和最佳水平組合。12個試驗場景的正交數據分析結果見表1。由表1得出各因素水平的k值，信息類型列的k1值為文字類均值，k2值為圖形類均值，k3類為純色均值，后續各列k值為本列各水平均值。選擇各水平中得分最高的，形成最佳組合為A3B1C1D1E1，同理可得到認知效果和危險效果最佳方案組合。綜合三種情況結果，最優的組合選取A1B1C1D1E1。

3" 基于駕駛模擬的警示效果試驗

基于駕駛模擬設計試驗進一步研究其他關鍵參數布設的警示效果及對駕駛行為的影響。

3.1" 模擬試驗設計

本次模擬駕駛試驗設置施工區為試驗典型場景。考慮選取預警距離、控制方式和占道位置3個因素。試驗因素和水平具體見表2。

試驗場景道路全長20 km，包含8個直線段和7個曲線段。如圖2所示。

本次場景設計警告區長度設置為1 200 m，漸變區模擬場景設置為120 m，緩沖區設置為80 m，下游過渡區長度設置為20 m，施工區場景中終止區設置為30 m。

為研究設置駕駛行為差異，本次研究還在占用行車道和超車道的情況下分別設置一個基礎場景。采用正交表L4（23）設計后的試驗方案和加入方案后的試驗場景總方案如表3所示。

在進行施工區場景搭建時，將表3中6種水平組合隨機排序3次，形成3個場景序列，然后按照3個場景序列搭建3個場景，以消除固定順序帶來的影響。最終搭建起來的施工區場景如圖3所示。

3.2" 試驗設備與流程

通過模擬仿真駕駛程序實現場景搭建及模擬駕駛。駕駛模擬器由顯示器、兩組音響設備、羅技駕駛模擬轉向盤和控制裝置，駕駛座椅和相關配件組成。試驗場景是采用UC-win/road軟件搭建。

本次模擬駕駛試驗招募了35位參與者，參與者包含男性25名，女性10名，男性占總人數比例的71.4%。施工區場景數據采集點為警告區前方200 m開始到工作區結束，每100 m采集一次數據，共計18個數據采集點。采集數據包括：模擬駕駛車輛實時位置、速度、加速度、所在車道、加速踏板行程、剎車踏板行程。

4" 駕駛模擬試驗數據結果分析

4.1" 車速分析

由距離施工區600 m、500 m、400 m三處數據采集點的數據分析結果可知，預警距離因素對車速具有顯著影響（Plt;0.05），在其他位置均沒有顯著影響。由于車速受到預警距離的影響，可提前預警位置，使車輛速度在600～400 m處開始明顯降低。

4.2" 換道位置分析

在施工區場景中，駕駛人獲取道路施工信息后，降低速度的同時還需要進行換道來離開工作區占用車道。因為占用車道的不同，駕駛人可能因為在行車道和超車道對于危險的感知不同，對換道行為有所影響。如圖4所示為施工區6種場景的換道位置箱圖。

由圖4可知，施工區換道位置在各場景之間存在差異，考慮控制方式、預警距離及道路事件占用車道三因素都可能影響駕駛人換道位置，故采用三因素方差分析來研究各因素及其交互作用對換道行為的影響。方差分析結果顯示預警距離（P=0.008）以及控制方式和占用車道的交互作用（P=0.022）對換道位置影響顯著。

5" 結語

（1）本文基于可供性理論遴選出了信息類型、大小、位置、閃爍頻率、間距5個因素，選用混合正交試驗方法對水平進行問卷調查。

（2）通過綜合平衡法對問卷調查數據分析，從感知效果、認知效果以及危險程度等方面，得出各因素水平最佳的方案組合為：信息類型為文字信息，設置位置為路面路側、閃爍頻率采用2 Hz、選用15 cm尺寸，道釘間間距設置為15 m。說明在不同的警示方式下，駕駛員的感知效果、認知效果以及危險程度具有明顯差異。

（3）駕駛模擬試驗進一步表明，預警距離對速度具有顯著影響，提前800 m設置警示設施，可使車輛在距離施工區600～400 m處有明顯減速；不同場景的換道位置有明顯差異，提前800 m設置預警與提前400 m設置預警相比，平均換道位置提前148.79 m。在條件允許的情況下，應盡可能地提前設置預警，更有利于運行安全。

（4）研究也存在一些不足之處，由于招募的模擬駕駛員年齡集中在中青年階段，因此前述結論適用范圍為中青年駕駛員，后續研究宜對老年駕駛員車速警示效果進行比較研究。

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20240429