指路標(biāo)志與路面文字協(xié)同設(shè)置安全距離研究*

裴玉龍 曹永臣

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院 哈爾濱 150040)

0 引 言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，汽車保有量的增大，城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)明顯加快，城市道路網(wǎng)越來越復(fù)雜，我國雖已頒布文獻(xiàn)[1-2]等國家標(biāo)準(zhǔn)以期科學(xué)性、規(guī)范性，以及系統(tǒng)性地管理城市道路交通標(biāo)志與標(biāo)線設(shè)置，但交通指路標(biāo)志需要表達(dá)的信息越來越多，同時駕駛?cè)说囊曊J(rèn)能力有限，例如，新的地名、路名大量涌現(xiàn)，造成個別路段交通提示標(biāo)志信息過多，或因?yàn)橥＼囄卉囕v或道邊樹木的遮擋，駕駛?cè)藳]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(nèi)外專家學(xué)者對交通標(biāo)志和標(biāo)線的和合理布設(shè)以及駕駛?cè)说囊曊J(rèn)特性，進(jìn)行了大量的研究.Byshov 等[3]系統(tǒng)地將道路標(biāo)線與特定的速度限制相關(guān)聯(lián)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(biāo)志下駕駛?cè)说囊曊J(rèn)特性.Charlton[5]研究在駕駛?cè)嗽趶澋礼{駛時，四種警告標(biāo)志組合和幾種道路標(biāo)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(chǔ)，建立了針對交通標(biāo)志的注視點(diǎn)預(yù)測模型，對復(fù)雜交通標(biāo)志的注視點(diǎn)預(yù)測具有良好的精度.熊堅等[7]提出了一種通過駕駛動態(tài)模擬心理學(xué)實(shí)驗(yàn)評價城市指路標(biāo)志認(rèn)知性的方法．建立了用于駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的路網(wǎng)及相關(guān)的指路標(biāo)志系統(tǒng).姚裔虎等[8]針對現(xiàn)冰雪地區(qū)公路彎道，提出了冰雪道路彎道誘導(dǎo)標(biāo)設(shè)置間距模型，進(jìn)而得出減速限速和提醒標(biāo)志設(shè)置的最佳位置.文獻(xiàn)[2]在交叉口與路段上的交通標(biāo)志和標(biāo)線協(xié)調(diào)設(shè)置方面進(jìn)行了更加細(xì)致的規(guī)定.

國內(nèi)外對交通標(biāo)志標(biāo)線設(shè)置的安全距離和駕駛?cè)艘曊J(rèn)效果有較詳實(shí)的研究，但對二者協(xié)同設(shè)置的研究較少.由此，本文提出使用交通指路標(biāo)志與路面文字協(xié)同設(shè)置的方法，選取城市主干路作為研究對象，將設(shè)置在路邊的單懸臂式交通指路標(biāo)志版面所表達(dá)的部分信息，以路面文字的形式設(shè)置在指路標(biāo)志前方，以對道路信息進(jìn)行重復(fù)表達(dá).在車輛行駛過程中，駕駛?cè)说囊曊J(rèn)順序?yàn)椤奥访嫖淖帧嘎窐?biāo)志”.本文提出協(xié)同距離的概念，為路面文字與交通指路標(biāo)志順次設(shè)置時，使得駕駛?cè)藢χ嘎窐?biāo)志的視認(rèn)時間最少時二者的間距.

1 駕駛?cè)艘曊J(rèn)過程分析

1.1 研究的前提假設(shè)

本文的研究內(nèi)容為城市主干路上路面文字與指路標(biāo)志的協(xié)同設(shè)置，為方便實(shí)驗(yàn)和研究的順利進(jìn)行，需先做出以下前提假設(shè)：①研究對象為城市主干路，道路設(shè)計車速為40，50和60 km/h，指路標(biāo)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(shè)定為3.25 m；③參與實(shí)驗(yàn)的被試人員生理、心理皆為正常狀態(tài).

1.2 駕駛?cè)艘曊J(rèn)過程

駕駛?cè)艘曊J(rèn)過程見圖1，駕駛?cè)嗽贏點(diǎn)視認(rèn)設(shè)置在D點(diǎn)的路面文字并在B點(diǎn)視認(rèn)結(jié)束，即為路面文字認(rèn)讀點(diǎn)，AB為視認(rèn)距離，車輛從A點(diǎn)行駛到B點(diǎn)所使用的時間為駕駛?cè)藢β访嫖淖值囊曊J(rèn)時間.駕駛?cè)说竭_(dá)C點(diǎn)時，路面文字從視野中消失.

圖1 駕駛?cè)艘曊J(rèn)過程

駕駛?cè)嗽贓點(diǎn)視認(rèn)設(shè)置在H點(diǎn)的指路標(biāo)志(包括四信息量和六信息量指路標(biāo)志)，并在F點(diǎn)視認(rèn)結(jié)束.DH為路面文字和指路標(biāo)志的設(shè)置間距S1.EF為指路標(biāo)志視認(rèn)距離(E點(diǎn)或F點(diǎn)相對于于D點(diǎn)的先后位置不確定)，車輛從E點(diǎn)行駛到F點(diǎn)所使用的時間為駕駛?cè)藢χ嘎窐?biāo)志的視認(rèn)時間，駕駛?cè)诉M(jìn)行決策及操作行為.

駕駛?cè)说竭_(dá)G點(diǎn)時，指路標(biāo)志從視野中消失，并在I點(diǎn)時行動完成，J點(diǎn)為交叉口的入口處，HJ為指路標(biāo)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(biāo)志的設(shè)置條件應(yīng)滿足：

S1+S2=S3

(1)

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

1.3 指路標(biāo)志設(shè)置高度

由于車輛高度相較于交通標(biāo)志較低，a為駕駛?cè)说呢Q直視角，根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，當(dāng)a>8°時，駕駛?cè)艘曊J(rèn)能力迅速下降，因此取8°為駕駛?cè)素Q直視角的臨界值；h為駕駛?cè)艘朁c(diǎn)高度，取1.2 m；d為駕駛?cè)伺c指路標(biāo)志的垂直距離；H為交通標(biāo)志設(shè)置高度，等于h和d之和，取5.2 m；X為標(biāo)志從駕駛?cè)艘曇跋r，駕駛?cè)伺c指路標(biāo)志的水平距離，X與d的關(guān)系見式(2).本文研究的交通指路標(biāo)志為單懸臂式，駕駛?cè)伺c指路標(biāo)志的幾何關(guān)系見圖2.

d=Xtana

(2)

圖2 駕駛?cè)伺c指路標(biāo)志的幾何關(guān)系

1.4 指路標(biāo)志前置距離

駕駛?cè)苏J(rèn)讀指路標(biāo)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(tài)發(fā)生改變的位置.車輛經(jīng)過視認(rèn)點(diǎn)—認(rèn)讀點(diǎn)—思考點(diǎn)—消失點(diǎn)過程，達(dá)到車輛變道的第一個決策點(diǎn)F，車輛經(jīng)過兩組決策點(diǎn)和執(zhí)行點(diǎn)后完成兩次變換車道的操作，最終到達(dá)變道完成點(diǎn)J點(diǎn).則指路標(biāo)志前置距離模型S2[10]為

(3)

式中：S2為指路標(biāo)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(shù)；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(rèn)點(diǎn)和指路標(biāo)志的間距，m.

圖3 車輛變換車道過程

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

表1 指路標(biāo)志前置距離

2 標(biāo)志標(biāo)線協(xié)同設(shè)置實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1) 使用視頻制作軟件Adobe Premiere，結(jié)合余曼等[15]的研究成果對指路標(biāo)志和路面文字進(jìn)行設(shè)計，制作城市主干路駕駛場景視頻作為實(shí)驗(yàn)材料，按標(biāo)志標(biāo)線設(shè)置方式分為兩類：僅指路標(biāo)志作用、路面文字和指路標(biāo)志協(xié)同作用.

2) 將實(shí)驗(yàn)材料中，指路標(biāo)志表達(dá)的信息數(shù)量分為四信息量和六信息量兩類，路名信息位置設(shè)計見圖4.對于四信息量指路標(biāo)志，路面文字重復(fù)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(biāo)志，根據(jù)文獻(xiàn)[2]中8.1.4節(jié)的要求，圖4b)中位置5和位置6為遠(yuǎn)信息，位置2和位置4為近信息，也就是下一次左轉(zhuǎn)或者是右轉(zhuǎn)時將進(jìn)入的道路，所以路面文字重復(fù)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(biāo)志版面的位置

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

1) 選擇24人作為被試人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)前，要求被試人員完成基本信息的調(diào)查問卷，問卷內(nèi)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(shí)驗(yàn)過程，以確保所有被試人員在了解實(shí)驗(yàn)要求和內(nèi)容.

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

圖5 僅指路標(biāo)志實(shí)驗(yàn)材料

圖6 路面文字和指路標(biāo)志順次出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)材料

4) 將測試人對指路標(biāo)志視認(rèn)時間、測試人基本信息、路面文字和指路標(biāo)志設(shè)置間距等原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，導(dǎo)入SPSS軟件進(jìn)行分析，依據(jù)統(tǒng)計結(jié)果將反應(yīng)時間異常的數(shù)據(jù)定義為反應(yīng)錯誤數(shù)據(jù)，在進(jìn)行反應(yīng)時間分析時，反應(yīng)錯誤的數(shù)據(jù)不做統(tǒng)計.

3 路面文字與指路標(biāo)志協(xié)同設(shè)置距離優(yōu)化

3.1 剔除不相關(guān)因素

篩選出性別、有無近視、有無駕齡等不相關(guān)因素.對數(shù)據(jù)中的樣本進(jìn)行t檢驗(yàn)，結(jié)果分別見表2～4.

表2 性別獨(dú)立樣本檢驗(yàn)

表3 有無近視獨(dú)立樣本檢驗(yàn)

表4 有無駕齡獨(dú)立樣本檢驗(yàn)

檢驗(yàn)結(jié)果表明測試人的性別、有無駕齡以及有無近視對實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有影響，結(jié)合袁黎等[16]的研究成果，應(yīng)將該類因素剔除，表明本文屬于基礎(chǔ)研究，性別、有無駕齡、有無近視等因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的規(guī)律沒有影響.

3.2 信息量和信息位置對協(xié)同設(shè)置優(yōu)化程度的影響

比較僅指路標(biāo)志、路面文字和指路標(biāo)志協(xié)同兩種情況下駕駛?cè)藢χ嘎窐?biāo)志的視認(rèn)時間并求得二者差值，即視認(rèn)時間差，將視認(rèn)時間差分為四信息量指路標(biāo)志和六信息量指路標(biāo)志兩種情況[17].對信息量和視認(rèn)時間差兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，得到獨(dú)立樣本檢驗(yàn)見表5.其中T=-6.701、P=0.000，表明指路標(biāo)志信息量與視認(rèn)時間差之間顯著相關(guān).

四、六信息量情況下，將視認(rèn)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(biāo)志協(xié)同設(shè)置對指路標(biāo)志視認(rèn)時間的優(yōu)化程度，即比較三個位置在這兩種信息量情況下的視認(rèn)時間差，見圖7.由圖7可知，相對于四信息量指路標(biāo)志，設(shè)置于六信息量指路標(biāo)志前的路面文字對駕駛?cè)艘曊J(rèn)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?yàn)槿齻€位置上協(xié)同設(shè)置對四信息量指路標(biāo)志的優(yōu)化程度相近，主要在0～0.6 s，而對六信息量的優(yōu)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(yōu)化程度有較大差別.

表5 獨(dú)立樣本檢驗(yàn)

圖7 四信息量和六信息量視認(rèn)時間差

3.3 路面文字與指路標(biāo)志最佳設(shè)置間距研究

分析設(shè)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(biāo)志的情況下，路面文字與指路標(biāo)志設(shè)置間距和駕駛?cè)酥嘎窐?biāo)志視認(rèn)時間的關(guān)系.將實(shí)驗(yàn)得到的6種情況下設(shè)置間距與駕駛?cè)艘曊J(rèn)時間兩組數(shù)據(jù)，依設(shè)計車速分組進(jìn)行擬合，得到2組擬合結(jié)果見圖8～9(v為設(shè)計車速)，其中，視認(rèn)時間為駕駛?cè)藦目吹街嘎窐?biāo)志到認(rèn)讀標(biāo)志牌信息所使用的時間，設(shè)置間距為路面文字與指路標(biāo)志二者所處位置間的距離.可以看出，起初視認(rèn)時間隨設(shè)置間距的增大而減小，但在設(shè)置間距達(dá)到某一數(shù)值后，視認(rèn)時間達(dá)到最小值，之后則隨設(shè)置間距的增大而緩慢增大，表明路面文字和指路標(biāo)志的設(shè)置間距并非絕對的越大越好，而是存在一個最優(yōu)解，即最佳的設(shè)置間距.

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

圖8 四信息量情況下的擬合結(jié)果

圖9 六信息量情況下的擬合結(jié)果

表6 四信息量指路標(biāo)志擬合優(yōu)度

表7 六信息量指路標(biāo)志擬合優(yōu)度

四信息量指路標(biāo)志與路面文字設(shè)置間距模型：

(4)

六信息量指路標(biāo)志與路面文字設(shè)置間距模型：

(5)

式中：S1為路面文字和指路標(biāo)志的設(shè)置間距，m；t為駕駛?cè)藢χ嘎窐?biāo)志的視認(rèn)時間，s；v為設(shè)計速度，km/h.

使用MATLAB數(shù)學(xué)軟件計算式(4)～(5)的極值，得到在不同設(shè)計車速、指路標(biāo)志信息量的情況下，駕駛?cè)藢χ嘎窐?biāo)志視認(rèn)時間最少時，路面文字和指路標(biāo)志的設(shè)置間距，作為最佳設(shè)置間距，即本文所提出的協(xié)同距離，結(jié)果見表8～9.

表8 四信息量情況下的協(xié)同距離

表9 六信息量情況下的協(xié)同距離

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

根據(jù)式(1)得到各情況下路面文字和指路標(biāo)志前置距離，見表10～11.

表10 四信息量指路標(biāo)志和路面文字的前置距離

表11 六信息量指路標(biāo)志和路面文字前置距離

4 結(jié) 論

1) 相對于四信息量指路標(biāo)志，設(shè)置于六信息量指路標(biāo)志前的路面文字對駕駛?cè)艘曊J(rèn)效果的改善作用更為顯著，且信息位于指路標(biāo)志版面的不同位置，其改善程度不同.

2) 構(gòu)建不同信息量、不同設(shè)計車速情況下，協(xié)同設(shè)置間距和駕駛?cè)藢χ嘎窐?biāo)志視認(rèn)時間的關(guān)系模型，并得到在各類情況下視認(rèn)時間最少時，路面文字和指路標(biāo)志的設(shè)置間距，作為最佳安全間距，即協(xié)同距離.