寒區(qū)高速公路交通標(biāo)志遮擋仿真模型

蘇 成，董君曼

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

對(duì)于高緯度寒區(qū)高速公路，當(dāng)行駛在車道內(nèi)側(cè)的小型車外側(cè)出現(xiàn)大型車時(shí)，會(huì)對(duì)小型車駕駛員對(duì)路側(cè)標(biāo)志的認(rèn)讀產(chǎn)生影響。在小型車跟隨前方大型車行駛的情況下，小型車駕駛員在讀取門架式交通標(biāo)志牌信息時(shí)，前方大型車可能會(huì)對(duì)后方跟隨小型車駕駛員認(rèn)讀視線造成遮擋，最終影響駕駛員行車安全。針對(duì)這種情況，掌握在不同交通條件(包括不同大型車占有率、不同交通量等)下的大型車遮擋規(guī)律及寒區(qū)高速公路標(biāo)志設(shè)置存在的問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有以及將要建設(shè)的寒區(qū)高速公路交通標(biāo)志優(yōu)化設(shè)計(jì)和遮擋狀況改善都具有重要意義。

Faghri[1]研究?jī)?nèi)側(cè)車道小型車被外側(cè)車道的大型車遮擋交通標(biāo)志后，通過(guò)建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型分析小型車與大型車之間的相互關(guān)系。Anliang[2]利用圖像預(yù)處理和深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了一種道路交通標(biāo)志識(shí)別算法。該算法利用圖像分割檢測(cè)交通標(biāo)志，并利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型準(zhǔn)確地識(shí)別道路交通標(biāo)志。Al-Kaisy等[3]應(yīng)用Matlab軟件建立遮擋概率模型，通過(guò)分析得到大小型車的運(yùn)行速度、相對(duì)距離及交通量是影響標(biāo)志遮擋概率的主要因素。Li等[4]通過(guò)魯班車輛檢測(cè)，應(yīng)用設(shè)計(jì)的車輛檢測(cè)語(yǔ)法處理了部分交通監(jiān)控的車輛遮擋問(wèn)題。Chen等[5]提出一種新的機(jī)遇遮擋感知的車輛檢測(cè)CNN框架，可很好地處理復(fù)雜城市交通場(chǎng)景中車輛遮擋問(wèn)題。Huang等[6]應(yīng)用移動(dòng)激光掃描點(diǎn)云建立了研究駕駛員視線被遮擋現(xiàn)象與兩車間相對(duì)位置等因素之間關(guān)系的仿真模型。Pietrucha等[7]根據(jù)車輛到達(dá)規(guī)律, 利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立大型車遮擋概率的計(jì)算模型，結(jié)果顯示小型車與大型貨車遮擋關(guān)系與其相對(duì)位置及所行駛路段上交通量等因素密切相關(guān)。Lu等[8]通過(guò)分析駕駛員對(duì)交通標(biāo)志的視認(rèn)過(guò)程，建立了重復(fù)交通標(biāo)志計(jì)算模型。Agarwal等[9]提出了門架式交通標(biāo)志遮擋問(wèn)題，研究發(fā)現(xiàn)若重型車位于小型車之前時(shí)，小型車駕駛員無(wú)法視認(rèn)出門架式交通標(biāo)志信息，并通過(guò)概率論數(shù)學(xué)手段建立了交通標(biāo)志遮擋模型的計(jì)算公式。Liu等[10]提出利用被遮擋交通標(biāo)志檢測(cè)系統(tǒng)解決因道路交通標(biāo)志差異性，以及被遮擋而導(dǎo)致的交通標(biāo)志檢測(cè)問(wèn)題，即利用一種顏色立方局部二值模式(CC-LBP)的顏色立方特征來(lái)構(gòu)造由整體到局部的級(jí)聯(lián)檢測(cè)器，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以準(zhǔn)確、高效地檢測(cè)到被遮擋的交通標(biāo)志。Gornale等[11]使用歐幾里得和杰卡德矩陣的方法，在異質(zhì)氣候條件下，以每秒60幀的速度能執(zhí)行良好的識(shí)別和檢索不同形狀、顏色交通標(biāo)志的準(zhǔn)確性，同時(shí)可減少交通標(biāo)志識(shí)別的時(shí)間復(fù)雜度。Lim等[12]提出一種基于通用圖形處理單元(GPGPU)的實(shí)時(shí)交通標(biāo)志檢測(cè)與識(shí)別方法，即使用基于GPGPU的實(shí)時(shí)交通標(biāo)志檢測(cè)并使用層次模型進(jìn)行區(qū)域檢測(cè)和識(shí)別，具有較強(qiáng)的抗光照條件變化能力，提高了交通標(biāo)志檢測(cè)與識(shí)別的處理速度。馮移東[13]提出基于車頭時(shí)距建立路側(cè)標(biāo)志遮擋現(xiàn)象模型，并提出該模型的應(yīng)用。李苗苗[14]建立高等級(jí)公路圓曲線內(nèi)側(cè)交通標(biāo)志被遮擋模型。裴玉龍等[15]在分析指路標(biāo)志版面不同區(qū)域視認(rèn)效果的基礎(chǔ)上，以“字牌高度比”來(lái)表征標(biāo)志牌設(shè)置高度和漢字高度的耦合關(guān)系，從不同視覺(jué)特性角度出發(fā)，劃分標(biāo)志牌的興趣區(qū)域。彭勁穩(wěn)等[16]通過(guò)對(duì)廣州越秀區(qū)城中村道路建設(shè)改善方法研究，提出相關(guān)問(wèn)題和解決方案，同時(shí)通過(guò)VISSIM仿真進(jìn)行了效果評(píng)價(jià)。李慧穎等[17]研究利用VISSIM仿真軟件對(duì)不同流量和不同重型車混入率干線公路交通流模擬，建立重型車混入率和交通事故率之間的關(guān)系模型，提升了重型車混入干線公路的安全性。

上述針對(duì)交通標(biāo)志遮擋的研究模型建立方法大多是基于概率論和線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)知識(shí)，所建立的遮擋模型為靜態(tài)模型，將實(shí)際動(dòng)態(tài)的遮擋過(guò)程靜態(tài)化，理想假設(shè)的條件較多，使最終計(jì)算結(jié)果存在較大偏差，大多集中于單一的路側(cè)標(biāo)志遮擋現(xiàn)象，缺少對(duì)不同種道路形式的綜合模擬。因此，為了更加準(zhǔn)確地描述寒區(qū)高速公路上小型車駕駛員在讀取標(biāo)志信息板時(shí)視線被大型車遮擋問(wèn)題，文中將道路行車狀況劃分為小型車駕駛員讀取路側(cè)標(biāo)志信息板視線被遮擋和讀取門架式標(biāo)志信息板視線被遮擋兩種類型，分析駕駛員的視覺(jué)特性，以交通量加載服從泊松分布為基礎(chǔ)建立VISSIM仿真模型，通過(guò)模擬仿真得到其遮擋概率。對(duì)遮擋概率進(jìn)行分析得出結(jié)論，并在此基礎(chǔ)上對(duì)交通標(biāo)志被遮擋問(wèn)題提出改善措施。

1 駕駛員視覺(jué)特性參數(shù)

1.1 路側(cè)式標(biāo)志遮擋

對(duì)于路側(cè)遮擋現(xiàn)象，當(dāng)小型車位于第二車道、大型車位于第三車道時(shí)，外側(cè)大型車對(duì)內(nèi)側(cè)小型車駕駛員造成遮擋現(xiàn)象的過(guò)程如圖1所示。

圖1 路側(cè)標(biāo)志遮擋臨界狀態(tài)

圖1中：W單為單車道寬度，m；W緊為寒區(qū)高速公路右側(cè)緊急停車道寬度，m；W側(cè)為路側(cè)標(biāo)志橫向位移距離，m；大型車車長(zhǎng)為L(zhǎng)大；大型車車寬為W大。由圖1可知，最大遮擋距離出現(xiàn)在開(kāi)始遮擋時(shí)期，最小遮擋距離出現(xiàn)在結(jié)束遮擋時(shí)期。當(dāng)內(nèi)側(cè)道路小型車與外側(cè)道路大型車車頭之間的垂直距離處于兩者之間時(shí)，則會(huì)發(fā)生遮擋現(xiàn)象。

最終得到路側(cè)標(biāo)志遮擋最大間距

L3側(cè)max=EF+L大=

(1)

(2)

因此，在小型車位于第二車道、大型車位于第三車道時(shí)，當(dāng)大、小型車垂直間距x大(t)-x小(t)處于L3側(cè)max和L3側(cè)min之間時(shí)，小型車駕駛員對(duì)于路側(cè)標(biāo)志的識(shí)讀可能會(huì)受到大型車遮擋影響。而小型車位于第二車道、大型車位于第四車道產(chǎn)生路側(cè)標(biāo)志遮擋現(xiàn)象時(shí)，與上述情況相似。則可以得到

路側(cè)標(biāo)志遮擋最大間距

(3)

路側(cè)標(biāo)志遮擋最小間距

(4)

因此，在小型車位于第二車道、大型車位于第四車道時(shí)，當(dāng)大、小型車垂直間距x大(t)-x小(t)處于L4側(cè)max和L4側(cè)min之間時(shí)，小型車駕駛員對(duì)于路側(cè)標(biāo)志的識(shí)讀可能會(huì)受大型車的遮擋影響。

1.2 門架式標(biāo)志遮擋

在寒區(qū)高速公路上，當(dāng)車輛類型為大、小型車混行，小型車尾隨大型車行駛時(shí)，就會(huì)發(fā)生門架式標(biāo)志遮擋現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 門架式交通標(biāo)志遮擋

圖2中，小型車視線高度為h1，大型車高度為h2，門架式標(biāo)志下邊緣距路面為h3，門架式標(biāo)志板高為h4。

認(rèn)讀時(shí)間和漢字?jǐn)?shù)之間的關(guān)系可表示為

t=0.005 5n2-0.029 4n+1.246 4

(5)

則認(rèn)讀距離和視認(rèn)距離為

(6)

LAE=Lmax

(7)

式中:n為標(biāo)志漢字字?jǐn)?shù)；t為認(rèn)讀時(shí)間，s;v為行駛車速,km·h-1。

由圖2中的幾何關(guān)系可以看出：△FIG∽△FKH，可得臨界跟車距離

(8)

2 仿真模型建立

VISSIM仿真模型在公交車輛和社會(huì)車輛的延誤狀態(tài)研究中有較好的應(yīng)用[19]，而文中仿真模型的仿真原理是在車輛視線遮擋這一特定交通狀況下開(kāi)展，根據(jù)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)出在仿真時(shí)間內(nèi)小型車駕駛員視線被遮擋次數(shù)，從而算出1 h內(nèi)發(fā)生遮擋的總時(shí)間及遮擋概率。

2.1 仿真過(guò)程

1)仿真步長(zhǎng)

將仿真模型的步長(zhǎng)設(shè)定為0.1s。在這種情況下，模型刷新大、小型車輛相對(duì)位置時(shí)，大、小型車在距離約2 m左右的位置進(jìn)行波動(dòng)。此時(shí)，能夠根據(jù)大、小型車之間間距描述小型車駕駛員視線被遮擋狀況。

2)仿真車道

對(duì)于按照車道功能劃分車道類型的寒區(qū)高速公路，在進(jìn)行路側(cè)標(biāo)志遮擋模擬仿真時(shí)，選取小型車位于第二車道、大型車位于第三車道和第四車道時(shí)內(nèi)側(cè)小型車視線被外側(cè)大型車所遮擋情況進(jìn)行仿真。對(duì)于門架式標(biāo)志遮擋模擬仿真時(shí)，仿真車道不限定于某一條車道。

3)仿真路段長(zhǎng)度

為簡(jiǎn)便計(jì)算，將仿真模型的路段長(zhǎng)度設(shè)定為小型車駕駛員的視認(rèn)距離。

4)仿真路段車輛坐標(biāo)

為判斷小型車駕駛員視線是否被大型車輛所遮擋，有兩個(gè)判定條件需要同時(shí)符合：有大型車出現(xiàn)在小型車的有效視認(rèn)距離內(nèi)；大、小型車車頭垂直間距處于最大臨界距離和最小臨界距離之間。由此可見(jiàn)，為了確定小型車與大型車之間的動(dòng)態(tài)變化，需要將車輛坐標(biāo)以及大、小型車車頭間垂直間距作為評(píng)價(jià)結(jié)果的參數(shù)之一。

2.2 仿真參數(shù)確定

為更加直觀地表現(xiàn)仿真系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，文中以雙向八車道寒區(qū)高速公路為例，采集了該仿真系統(tǒng)需要的相關(guān)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理計(jì)算，進(jìn)而確定系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)取值(見(jiàn)表1～3)。

表1 仿真參數(shù)確定

表2 路側(cè)式標(biāo)志遮擋仿真參數(shù)

表3 門架式標(biāo)志遮擋仿真參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 路側(cè)式標(biāo)志遮擋

對(duì)于路側(cè)式標(biāo)志遮擋，為了方便計(jì)算，選取駕駛員未被遮擋視線情況進(jìn)行模擬，最終得到360 s內(nèi)小型車駕駛員視線未被遮擋次數(shù)N1。為更加直觀地描述大型車遮擋現(xiàn)象，可通過(guò)計(jì)算得到小型車駕駛員視線在讀取路側(cè)標(biāo)志時(shí)被遮擋概率為

(9)

由式(9)可得到表4。

表4 小型車駕駛員讀取路側(cè)標(biāo)志時(shí)視線被遮擋概率

為更加直觀地反映出小型車駕駛員視線遮擋概率與車輛交通量之間的變化關(guān)系，將表4轉(zhuǎn)換為折線圖(見(jiàn)圖3)。

圖3 小型車駕駛員視線在1 h內(nèi)被路側(cè)標(biāo)志遮擋概率

可以明顯看到，對(duì)于按照車輛類型進(jìn)行車道劃分的寒區(qū)高速公路，在小型車交通量一定的情況下，隨著外側(cè)車道大型車交通量的增加，小型車駕駛員視線被遮擋概率也逐漸增加，但其增長(zhǎng)率整體呈下降趨勢(shì)。在相同大型車交通量下，小型車交通量從300 veh·h-1增加到1 200 veh·h-1時(shí)，遮擋概率差從0.165降到0.142。同樣，在大型車交通量一定的情況下，隨著內(nèi)側(cè)車道小型車交通量的增加，小型車駕駛員視線被遮擋概率也逐漸上升?？傮w看，隨著大、小型車輛交通量的增加，到一定程度后，遮擋概率的增長(zhǎng)速率逐漸減小。根據(jù)遮擋概率規(guī)律，可對(duì)交通標(biāo)志進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 門架式標(biāo)志遮擋

依據(jù)仿真步驟進(jìn)行小型車駕駛員視線遮擋次數(shù)計(jì)算，得到360 s內(nèi)小型車駕駛員視線被遮擋次數(shù)N2。通過(guò)計(jì)算得到1 h內(nèi)視線被遮擋概率為

由以上可以得到表5。

表5 小型車駕駛員視線在1 h內(nèi)被遮擋概率

為更加直觀地反映出小型車駕駛員視線遮擋概率與車輛交通量及大型車占有率之間的變化關(guān)系，將表5轉(zhuǎn)換為折線圖(見(jiàn)圖4)。

圖4 小型車駕駛員視線在1 h內(nèi)被門架式遮擋概率

可以明顯看到，對(duì)于車輛混行寒區(qū)高速公路，在車輛交通量一定的情況下，小型車駕駛員視線遮擋概率隨著大型車占有率的增大而增大，但大型車占有率越大，遮擋概率變化的趨勢(shì)越不明顯，隨著交通量從250 veh·h-1增加到550 veh·h-1，當(dāng)大型車占有率為0.1時(shí)遮擋概率上升0.036，當(dāng)大型車占有率為0.4時(shí)遮擋概率上升0.033。在大型車占有率一定的情況下，小型車駕駛員視線遮擋概率隨著交通量的增大而增大，并且交通量越大，遮擋概率上升的趨勢(shì)越快?？v觀全圖，在大型車占有率和交通量都很小時(shí)，遮擋概率的變化趨勢(shì)較明顯，但隨著兩者都在增大，小型車和大型車數(shù)逐漸增多，在道路狀態(tài)飽和點(diǎn)附近，遮擋概率的增長(zhǎng)趨勢(shì)較緩?？偠灾?，遮擋概率的總體趨勢(shì)是呈線性增長(zhǎng)，即車輛交通量越多，大型車占有率越大，遮擋概率越高。根據(jù)上述規(guī)律，文中將對(duì)交通標(biāo)志進(jìn)行優(yōu)化。

4 交通標(biāo)志優(yōu)化

根據(jù)上文得到的結(jié)論以及遮擋概率與其影響因素之間的關(guān)系，可以針對(duì)交通標(biāo)志提出幾點(diǎn)優(yōu)化措施，從而達(dá)到減少小型車駕駛員視線被遮擋現(xiàn)象的發(fā)生。

4.1 從交通參數(shù)方面改善

結(jié)合前面的研究可知，能夠通過(guò)控制大、小型車交通量以及大型車占有率達(dá)到減小大型車遮擋概率目的。因此，通過(guò)設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)及車輛檢測(cè)器對(duì)車流量、車速、大型車占有率等交通參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和采集。將數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理后選擇最佳交通方案，通過(guò)車載廣播、道路信息板等方式對(duì)寒區(qū)高速公路交通狀況進(jìn)行人為控制，大大提升寒區(qū)高速公路使用率及安全性。

4.2 從交通標(biāo)志方面改善

4.2.1 精簡(jiǎn)交通標(biāo)志信息

根據(jù)t=0.005 5n2-0.029 4n+1.246 4，可以得到交通標(biāo)志的文字?jǐn)?shù)量能夠直接影響駕駛員的認(rèn)讀時(shí)間，因此，交通標(biāo)志板信息要盡量精簡(jiǎn)，避免駕駛員讀取交通標(biāo)志信息時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

對(duì)于多車道寒區(qū)高速公路，相較于路側(cè)式交通標(biāo)志，可以多考慮設(shè)置門架式交通標(biāo)志，使得駕駛員能夠分別讀取本車道交通標(biāo)志信息，能夠大大減少駕駛員讀取交通標(biāo)志信息時(shí)間。

4.2.2 增加交通標(biāo)志數(shù)量

在寒區(qū)高速公路上，一般行駛速度快的小型車在左側(cè)車道行駛，較慢的大型車在右側(cè)車道行駛，此時(shí),左側(cè)車不會(huì)對(duì)右側(cè)車駕駛員視線造成遮擋。因此，可以在中央分隔帶與路側(cè)標(biāo)志相同位置處設(shè)置交通標(biāo)志，當(dāng)駕駛員在讀取路側(cè)標(biāo)志視線被遮擋時(shí)，可以通過(guò)讀取中央分隔帶交通標(biāo)志來(lái)補(bǔ)充交通標(biāo)志信息，從而降低駕駛員視線被遮擋概率。

雖然采取增加交通標(biāo)志數(shù)量達(dá)到降低駕駛員遮擋概率的方式切實(shí)有效，但并不是重復(fù)設(shè)置次數(shù)越多越好。交通標(biāo)志的設(shè)置應(yīng)綜合考慮、合理布局、防止出現(xiàn)信息不足或過(guò)載現(xiàn)象，信息應(yīng)連續(xù)，重要信息宜重復(fù)顯示。交通標(biāo)志一般設(shè)置在車流方向右側(cè)或車行道上方，為降低駕駛員遮擋概率增加交通標(biāo)志數(shù)量，當(dāng)同一地點(diǎn)需要設(shè)置兩個(gè)交通標(biāo)志時(shí)，可安裝在一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)上，但其內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)相較于門架式交通標(biāo)志來(lái)說(shuō)應(yīng)更加精準(zhǔn)簡(jiǎn)潔[21]；若需分開(kāi)設(shè)置標(biāo)志，應(yīng)滿足禁令、指示和警告標(biāo)志的設(shè)置空間要求。交通警告標(biāo)志設(shè)置原則上要避免不同種類的標(biāo)志并設(shè)，交通警告標(biāo)志不宜多設(shè)。同一地點(diǎn)需要設(shè)置2個(gè)以上交通警告標(biāo)志時(shí)，原則上只設(shè)置其中最需要的1個(gè)。一般情況下，交通標(biāo)志(交通警告標(biāo)志：警告車輛、行人注意前方)重復(fù)設(shè)置最多2次即可。

5 結(jié) 論

文中以寒區(qū)高速公路交通標(biāo)志大型車遮擋為研究對(duì)象，利用交通仿真軟件VISSIM進(jìn)行寒區(qū)高速公路路側(cè)式及門架式標(biāo)志遮擋模型的建立，將已經(jīng)研究好的參數(shù)輸入到模型的程序中。以臨界跟車距離作為是否產(chǎn)生遮擋的判斷依據(jù)，得到在規(guī)定仿真時(shí)間內(nèi)小型車駕駛員視線被遮擋的次數(shù)。在此數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到每小時(shí)小型車駕駛員視線被遮擋的時(shí)間及概率。

1)對(duì)于路側(cè)式標(biāo)志遮擋現(xiàn)象，道路外側(cè)大型車對(duì)道路內(nèi)側(cè)小型車讀取路側(cè)標(biāo)志時(shí)造成的影響，隨著內(nèi)側(cè)車道小型車車道自身交通量及外側(cè)車道大型車車道交通量的增加而上升。因此，根據(jù)上述結(jié)論，針對(duì)路側(cè)遮擋現(xiàn)象，可以通過(guò)減少道路交通量達(dá)到有效降低遮擋概率目的。

2)對(duì)于門架式標(biāo)志遮擋現(xiàn)象，小型車駕駛員在讀取門架式標(biāo)志時(shí)被前方大型車遮擋所造成的影響，隨著大型車占有率的增加及交通量的增加而上升。因此，可以通過(guò)控制車道交通量及降低大型車占有率的方式有效降低車輛混行道路的標(biāo)志遮擋情況。

3)最終結(jié)合模型數(shù)據(jù)，從遮擋影響因素以及產(chǎn)生遮擋的根源入手，針對(duì)交通參數(shù)，提出與車輛監(jiān)控系統(tǒng)以及車輛檢測(cè)器相結(jié)合，采集流量、大型車占有率、車速等交通參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后選擇最佳交通方案，并通過(guò)車載廣播、道路信息板等方式對(duì)寒區(qū)高速公路交通狀況進(jìn)行人為控制。針對(duì)交通標(biāo)志，提出了推薦重復(fù)設(shè)置距離。