城市道路占路施工區(qū)交通標(biāo)志設(shè)置理論與仿真研究

魏連雨，魏 凱，馮 雷，劉艷竹

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401）

城市道路占路施工區(qū)交通標(biāo)志設(shè)置理論與仿真研究

魏連雨1,2，魏 凱1，馮 雷1，劉艷竹1

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401）

采用交通流理論和交通仿真技術(shù)，結(jié)合占路施工區(qū)人、車(chē)、路、環(huán)境的交通特性，對(duì)占路施工區(qū)參數(shù)以及交通標(biāo)志的設(shè)置進(jìn)行了研究．在分析交通標(biāo)志認(rèn)知模型的基礎(chǔ)上，采用交通流理論，建立了占路施工區(qū)參數(shù)以及交通標(biāo)志的設(shè)置參數(shù)的計(jì)算公式．針對(duì)理論分析結(jié)果，采用UCw in/road仿真系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，由于理論分析前提條件的理想化，導(dǎo)致其計(jì)算參數(shù)小于UC w in/road系統(tǒng)的數(shù)值分析結(jié)果，說(shuō)明UC win/road系統(tǒng)的數(shù)值分析更具客觀性．

占路施工；交通標(biāo)志；交通仿真；前置距離；限速

0 引言

交通語(yǔ)言系統(tǒng)是交通管理者與出行者（設(shè)施使用者）之間進(jìn)行信息交流的工具，是以文字、符號(hào)、顏色等為基礎(chǔ)的符號(hào)體系和規(guī)則體系的集合．交通語(yǔ)言的應(yīng)用體現(xiàn)為道路交通標(biāo)志、標(biāo)線以及其他交通管理控制設(shè)施所包含的一系列與交通管理出行相關(guān)的信息[1]．

城市道路占路施工過(guò)程中，道路使用空間減小，道路狀況復(fù)雜程度增大，交通系統(tǒng)穩(wěn)定性降低．為了最大限度降低道路施工對(duì)交通出行的影響，保障施工區(qū)交通安全，需要采取合理的占路施工區(qū)交通管理措施．其中交通標(biāo)志的布置對(duì)施工區(qū)正常運(yùn)行有著不可估量的作用．

本文結(jié)合交通流理論和交通仿真相關(guān)理論，構(gòu)建交通標(biāo)志前置距離的計(jì)算模型，對(duì)城市道路占路施工區(qū)交通標(biāo)志的設(shè)置進(jìn)行理論研究．然而，由于理論研究是在理想條件下進(jìn)行的，其普遍適用性有待檢驗(yàn)．因此，本文基于UC w in/road模擬系統(tǒng)和SOAR認(rèn)知模型充分考慮施工區(qū)交通實(shí)際狀況對(duì)施工區(qū)交通標(biāo)志的設(shè)置進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)理論計(jì)算和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析．

1 占路施工區(qū)交通標(biāo)志概述

道路交通標(biāo)志是用圖形符號(hào)、顏色和文字向交通參與者傳遞特定信息，用于交通管理的設(shè)施[2]．科學(xué)合理、完善準(zhǔn)確的交通標(biāo)志的設(shè)置對(duì)道路交通的正常運(yùn)行有著不可估量的重要作用．

占路施工區(qū)是指為保障占路施工現(xiàn)場(chǎng)工作人員和設(shè)備、車(chē)輛、行人的交通安全而用交通安全設(shè)施圍起來(lái)的交通控制區(qū)域[3-4]．占路施工區(qū)一般由警告區(qū)、上游過(guò)渡區(qū)、作業(yè)區(qū)、下游過(guò)渡區(qū)和終止區(qū)組成[5]．

占路施工區(qū)交通標(biāo)志包括施工安全標(biāo)志、警告標(biāo)志、禁令標(biāo)志、指示標(biāo)志、輔助標(biāo)志．結(jié)合占路施工區(qū)人、車(chē)、路、環(huán)境的交通特性，（即基于交通心理學(xué)的駕駛員駕駛行為的調(diào)整、穩(wěn)定、恢復(fù)3階段變化；基于交通流理論的車(chē)輛的重新分布、分流合流行為；以及各功能區(qū)段的道路性質(zhì)）[3-4]對(duì)占路施工區(qū)的交通標(biāo)志分區(qū)段進(jìn)行設(shè)置．通過(guò)不同標(biāo)志、標(biāo)牌的設(shè)定，保證道路施工期間交通安全通暢．簡(jiǎn)單的說(shuō)，應(yīng)從整個(gè)道路交通系統(tǒng)出發(fā)，統(tǒng)一規(guī)范，協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，關(guān)聯(lián)設(shè)置，而且要遵循以人為本的原則．設(shè)置情況如表1所示．

表1 占路施工區(qū)各功能段交通標(biāo)志設(shè)置Tab.1 The setting of the traffic signs in the road construction area

2 占路施工區(qū)交通標(biāo)志設(shè)置理論研究

在停車(chē)視距的基礎(chǔ)上對(duì)交通標(biāo)志的前置距離進(jìn)行定義．為了使駕駛員在作業(yè)區(qū)之前完成所有的必要措施，交通標(biāo)志應(yīng)設(shè)置在作業(yè)區(qū)之前一定距離處，這個(gè)距離稱(chēng)為交通標(biāo)志的前置距離[6]．

從交通心理學(xué)和交通安全理論的角度，結(jié)合交通設(shè)施設(shè)計(jì)和交通管理與控制的相關(guān)理論，通過(guò)構(gòu)建駕駛員行駛模型和標(biāo)志的認(rèn)知模型，對(duì)交通標(biāo)志的前置距離進(jìn)行研究．對(duì)交通標(biāo)志的認(rèn)知模型大致如圖1所示．圖1中，A點(diǎn)發(fā)現(xiàn)標(biāo)志，B點(diǎn)認(rèn)讀開(kāi)始，C點(diǎn)認(rèn)讀完成，D點(diǎn)消失點(diǎn)，E點(diǎn)行動(dòng)點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)標(biāo)志牌，G點(diǎn)完成點(diǎn)．

分析駕駛員的駕駛行為可得：B點(diǎn)到C點(diǎn)為認(rèn)讀距離R'，C點(diǎn)到E點(diǎn)為反應(yīng)距離J，E點(diǎn)到G點(diǎn)為行動(dòng)距離L．

消失點(diǎn)D到標(biāo)志牌F為消失距離M，認(rèn)讀完成點(diǎn)C到標(biāo)志牌F為距離R；認(rèn)讀開(kāi)始點(diǎn)B到標(biāo)志牌F為視認(rèn)距離S，標(biāo)志牌F到動(dòng)作完成點(diǎn)G為前置距離D．

為保證駕駛行為的改變，分析駕駛員行駛模型和標(biāo)志的認(rèn)知模型中各段距離的關(guān)系可得：

其中：L1為變換車(chē)道的距離；L2為減速距離．結(jié)合交通工程和道路勘測(cè)設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)對(duì)上述公式中的距離進(jìn)行分析計(jì)算[6-7]．

圖1 交通標(biāo)志認(rèn)知模型示意圖Fig.1 The cognitivemodelof traffic signs

1）認(rèn)讀完成點(diǎn)C到標(biāo)志牌F的距離R

2）變換車(chē)道距離L1

式中：n為車(chē)道數(shù)；V1為認(rèn)讀標(biāo)志時(shí)的速度，Km/h；t2為變換一次車(chē)道需要的時(shí)間（s），約6 s左右．

3）減速距離L2

4）反應(yīng)距離J

式中：t1為判斷時(shí)間（s），一般取2.5 s．

由上述各公式可得：

那么交通標(biāo)志的前置距離D為：

3 占路施工區(qū)交通標(biāo)志設(shè)置仿真分析

3.1 仿真原理

UC w in/Road是輔助道路工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)模擬系統(tǒng)，可通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)操作進(jìn)行三維模擬．UC w in/Road包含“地形輸入”、“道路定義”、“道路形成和交通流生成”、“交通設(shè)置編輯”、“虛擬現(xiàn)實(shí)模擬”等功能．應(yīng)用該軟件時(shí)，首先輸入編輯地形信息；其次，通過(guò)設(shè)置參數(shù)，定義道路信息；接著，設(shè)置交通路徑以及信號(hào)控制，生成交通流；然后，對(duì)行駛進(jìn)行設(shè)置完成三維虛擬現(xiàn)實(shí)模擬[8]．

SOAR的全稱(chēng)為狀態(tài)、算子和目標(biāo)（State，Operator and Result），是由A llen Newell等人于1983年開(kāi)發(fā)的稱(chēng)為“通用智能”的一種框架，主要討論知識(shí)、思考、智力和記憶，是一個(gè)應(yīng)用范圍非常廣的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[9]．SOAR認(rèn)知模型認(rèn)為施工區(qū)車(chē)輛為相互影響的差異化駕駛單體，SOAR通過(guò)一個(gè)固定的處理機(jī)制——決策周期，完成SOAR的選擇和應(yīng)用算子等功能．

在車(chē)輛駛近施工作業(yè)區(qū)時(shí)，需要進(jìn)行換道，與在換道車(chē)道正在行駛的車(chē)輛存在交織．本文根據(jù)當(dāng)前車(chē)輛和相鄰車(chē)輛占用道路的重疊程度對(duì)交通沖突及嚴(yán)重程度進(jìn)行判別．將道路定義為n個(gè)道路元胞的組合，每個(gè)道路元胞為1.25m×1.25m，小汽車(chē)尺寸取5m×2.5m，每個(gè)小汽車(chē)所占道路元胞為8個(gè)，在車(chē)輛交織過(guò)程中車(chē)輛所占道路元胞可能會(huì)出現(xiàn)重疊，根據(jù)重疊的數(shù)量定義沖突嚴(yán)重程度．將沖突嚴(yán)重程度分為3級(jí)：一般沖突，中等沖突，嚴(yán)重沖突，其對(duì)應(yīng)重疊的數(shù)量分別為1，2，3及以上．

本文仿真實(shí)驗(yàn)以上游過(guò)渡區(qū)限速標(biāo)志設(shè)置為例，通過(guò)構(gòu)建基于認(rèn)知模型的占路施工區(qū)交通仿真模型，分析一定道路交通條件下占路施工上游過(guò)渡區(qū)限速標(biāo)志設(shè)置位置的合理性以及限速值的確定．

3.2 仿真條件

采用圖2所示道路進(jìn)行仿真，雙向六車(chē)道快速路長(zhǎng)2 km，設(shè)計(jì)車(chē)速為60 km/h，通行能力1500 pcu/h，車(chē)道寬度為3.75m．在離路口800m處進(jìn)行施工作業(yè)，封閉自東向西方向靠近中央分隔帶的一個(gè)車(chē)道，其他車(chē)道的行車(chē)方向不變，車(chē)輛的自由流速度為60 km/h．施工區(qū)的交通標(biāo)志簡(jiǎn)單布置表示如圖2所示，其中限速標(biāo)志距離上游過(guò)渡區(qū)交界位置的距離為D，即交通標(biāo)志的前置距離．

圖2 占路施工區(qū)簡(jiǎn)單布置圖Fig.2 The layoutof the road construction area

為了使仿真條件與施工區(qū)實(shí)際交通狀況相契合，可以通過(guò)仿真參數(shù)的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)．改變輸入車(chē)輛類(lèi)型及其比例來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際交通中車(chē)輛組成的隨機(jī)性，實(shí)現(xiàn)其相互影響、彼此制約．相同車(chē)輛類(lèi)型可設(shè)置不同的行駛參數(shù)，如加速度、減速度、期望車(chē)速的分布不同，來(lái)實(shí)現(xiàn)交通實(shí)際中駕駛員性別、年齡、駕齡差異性的模擬．此外，UCw in/road仿真系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景的模擬，可分別對(duì)晴天、雨天、雪天進(jìn)行仿真模擬．

3.3 仿真實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

（1）科研成果劃分法。科研成果本質(zhì)上屬于知識(shí)創(chuàng)新集成建構(gòu)，一般表現(xiàn)為知識(shí)類(lèi)、技術(shù)類(lèi)和產(chǎn)品類(lèi)三大類(lèi)型。對(duì)應(yīng)科研成果的理論屬性和應(yīng)用屬性與三大類(lèi)型兩兩組合，知識(shí)類(lèi)，提出新的理論體系和認(rèn)識(shí)，主要包括基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用理論研究；技術(shù)類(lèi)，開(kāi)發(fā)出新的工藝制作標(biāo)準(zhǔn)，主要包括專(zhuān)利技術(shù)研究和實(shí)用技術(shù)研究；產(chǎn)品類(lèi)，生產(chǎn)制造出新的有用產(chǎn)品，主要包括產(chǎn)品創(chuàng)新研究和產(chǎn)品創(chuàng)造研究。依據(jù)油田博士后科研成果類(lèi)型劃分及屬性特征，通過(guò)對(duì)149個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示：知識(shí)理論研究占26%，技術(shù)應(yīng)用研究為66%，產(chǎn)品生產(chǎn)型項(xiàng)目研究最少，僅為8%。

3.3.1 限速標(biāo)志限速值的確定

改變速度限制上限，分別設(shè)置為30 km/h、35km/h、40 km/h、45 km/h、50 km/h、55 km/h、60 km/h，并將限速標(biāo)志前置距離D長(zhǎng)度分別設(shè)為100 m、150m、200m、250m、300m、350m、400m，發(fā)車(chē)頻率設(shè)為1050pcu/h，即道路載荷系數(shù)為0.7，對(duì)7種不同限速值和標(biāo)志前置距離進(jìn)行交叉仿真實(shí)驗(yàn)，仿真120min內(nèi)，得到不同條件下的交通沖突指標(biāo)如表2～表4所示．

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到趨勢(shì)圖如圖3～圖5所示．如圖3～圖5所示，隨著限速標(biāo)志前置距離的不同和限速值的改變，一般沖突、中等沖突和嚴(yán)重沖突的變化也不盡相同．當(dāng)限速值不變而改變限速標(biāo)志的前置距離時(shí)，對(duì)上述各圖進(jìn)行分析．

表2 不同位置和不同限速下一般沖突次數(shù)Tab.2 The numberofgeneral traffic conflicts

表3 不同位置和不同限速下中等沖突次數(shù)Tab.3 The numberofmedium traffic conflicts

表4 不同位置和不同限速下嚴(yán)重沖突次數(shù)Tab.4 The numberof serious conflicts

由圖3可得：一般沖突次數(shù)隨著前置距離由100m增大到400m過(guò)程中，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，表明隨著限速標(biāo)志前置距離的增大，輕微交通事故發(fā)生的可能性逐漸下降．

圖3 限速標(biāo)志位置對(duì)一般沖突的影響Fig.3 The location of sign effectson thegeneral traffic conflicts

由圖4可得：中等沖突次數(shù)隨著限速標(biāo)志前置距離的改變，增減變化趨勢(shì)并不明顯，這表明中等交通事故發(fā)生的可能性隨著限速標(biāo)志前置距離的改變而無(wú)明顯變化．

圖4 限速標(biāo)志位置對(duì)中等沖突的影響Fig.4 The location of sign effectson themedium traffic conflicts

由圖5可得：嚴(yán)重沖突次數(shù)隨著限速標(biāo)志前置距離由100m增大到400m的過(guò)程中變化較為復(fù)雜，沖突次數(shù)對(duì)于不同的限速值呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)；當(dāng)限速值較大時(shí)（40～60 km/h），沖突次數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，而當(dāng)限速值較小時(shí)（30～40 km/h），沖突次數(shù)呈現(xiàn)先減小再上升的趨勢(shì)，變化點(diǎn)大約在前置距離250～300m的位置．

圖5 限速標(biāo)志位置對(duì)嚴(yán)重沖突的影響Fig.5 The location of sign effectson the serious traffic conflicts

綜上所述，考慮一般沖突、中等沖突、嚴(yán)重沖突隨限速值大小以及前置距離的變化趨勢(shì)，對(duì)占路施工區(qū)的限速值進(jìn)行分析可將限速值宜設(shè)置為40 km/h．

3.3.2 限速標(biāo)志前置距離的確定

限速值設(shè)置為40 km/h，限速標(biāo)志的前置距離取不同值，研究交通流的時(shí)空?qǐng)D可得：圖6～圖9為限速值40 km/h，限速標(biāo)志前置距離取不同值時(shí)的交通流時(shí)空?qǐng)D．D=100 m時(shí)，在施工區(qū)域前方發(fā)生大面積擁堵，且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，擁堵區(qū)域逐漸擴(kuò)大；D=200 m時(shí)，施工區(qū)前方擁堵面積減少很快，擁堵區(qū)域擴(kuò)大趨勢(shì)得到控制；L=250 m時(shí)，施工區(qū)前方擁堵面積進(jìn)一步減少但仍然存在；D=300 m時(shí)，施工區(qū)前方擁堵面積仍然存在，與D=250m時(shí)交通流狀態(tài)差別不大．

圖6 D=100m時(shí)的交通流時(shí)空?qǐng)DFig.6 Time-spacediagram when D=100m

綜合考慮交通沖突和交通擁堵?tīng)顩r，推薦在仿真實(shí)驗(yàn)條件下，限速40 km/h的交通標(biāo)志設(shè)置位置為施工過(guò)渡區(qū)前方250～300m．

4 仿真結(jié)果與理論計(jì)算對(duì)比分析

由理論研究可得，交通標(biāo)志的前置距離計(jì)算公式為

根據(jù)仿真條件可得：車(chē)道數(shù)為3車(chē)道，設(shè)計(jì)速度為60 km/h，限速值為40 km/h，即n=3，V1=60 km/h，V2=40 km/h，t1=2.5 s，t2=6 s，經(jīng)計(jì)算可得，前置距離D的值大約為240m．

圖7 D=200m時(shí)的交通流時(shí)空?qǐng)DFig.7 Time-space diagram when D=200m

圖8 D=250m時(shí)的交通流時(shí)空?qǐng)DFig.8 Time-space diagram when D=250m

圖9 D=300m時(shí)的交通流時(shí)空?qǐng)DFig.9 Time-space diagram when D=300m

由仿真結(jié)果知，交通標(biāo)志前置距離為250～300m．

兩者對(duì)比可知，仿真結(jié)果比理論計(jì)算數(shù)值偏大．分析原因可知，理論計(jì)算公式是分析單一車(chē)輛的交通標(biāo)志認(rèn)知模型得出的，交通條件狀況較為理想．而仿真模擬中，不但考慮了車(chē)輛運(yùn)行中其他車(chē)輛的干擾因素，而且將不同年齡、性別、駕齡的駕駛員信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭奢斎氲慕煌▍?shù)在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行了設(shè)定．除此之外，還綜合考慮了不同的場(chǎng)景對(duì)交通標(biāo)志前置距離的影響．因此，交通條件變得復(fù)雜后，交通標(biāo)志的前置距離就會(huì)隨之增大．

理論公式是基于交通安全理論構(gòu)建駕駛員行駛模型和交通標(biāo)志認(rèn)知模型所得的結(jié)果，雖然條件過(guò)于理想，但是和仿真結(jié)果相比偏差不大．因此，理論計(jì)算公式在實(shí)際應(yīng)用中一定程度上是具有普遍適用性的，分析兩者結(jié)果可知，可在理論計(jì)算數(shù)值的基礎(chǔ)上增加20%左右作為限速標(biāo)志的前置距離．

5 總結(jié)

在交通語(yǔ)言系統(tǒng)和交通流理論基礎(chǔ)上，結(jié)合占路施工區(qū)交通特性，確定了占路施工區(qū)各功能段交通標(biāo)志的類(lèi)型．基于停車(chē)視距構(gòu)建交通標(biāo)志前置距離的計(jì)算模型，通過(guò)交通標(biāo)志認(rèn)知模型的研究，對(duì)各交通參數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了分析，確定了前置距離的計(jì)算公式．由于理論分析條件過(guò)于理想，運(yùn)用UC w in/road仿真系統(tǒng)和SOAR認(rèn)知模型，對(duì)上游過(guò)渡區(qū)限速標(biāo)志的設(shè)置進(jìn)行了仿真模擬，對(duì)不同限速值和標(biāo)志前置距離進(jìn)行交叉仿真實(shí)驗(yàn)，確定了限速值和限速標(biāo)志的前置距離．與理論計(jì)算結(jié)果相比，仿真結(jié)果較大，更符合實(shí)際情況；實(shí)際應(yīng)用中可以在理論計(jì)算值的基礎(chǔ)上增加20%左右作為限速標(biāo)志的前置距離．

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[責(zé)任編輯 楊 屹]

The theoreticalstudy and simulation of the traffic signs in urban road construction area

WEILianyu1,2，WEIKai1，F(xiàn)ENG Lei1，LIU Yanzhu1

（1.SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversityof Technology,Tianjin300401,China;2.CivilEngineering Technology Research Centerof HebeiProvince,Tianjin 300401,China）

Based on the theory of traffic flow and the technology of traffic simulation,thispaperstudies thesetting of the traffic signsin the road construction area taking into accountthe traffic characteristicsof thedriver,vehicles,road and environment.A fter analyzing the cognitivemodelof the traffic signs and researching the theory of traffic flow,this paper deduces the computational formulaof the parameternamely thepre-distanceof the traffic sign,which isderived under the ideal conditions.What'smore,in the application of the UCw in/road simulation system,this paper simulates the setting of the speed-limitsign in the upper transition region.On the basisof the simulation,the speed lim itvalue is determined and thepre-distanceof thespeed-lim itsign isobtained,which isa little longer than the resultof the theoreticalcalculation. Compared with the calculation resultof the pre-distance,the simulate result ismore practical.

road construction;traffic sign;simulation;the pre-distance;speed-lim it

U418.2

A

1007-2373(2016)01-0108-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.020

2014-06-17

河北省自然科學(xué)基金（E2013202228）

魏連雨（1957-），男（漢族），教授，博士生導(dǎo)師.