基于視認(rèn)遮擋下的地下道路交通標(biāo)志布設(shè)研究

胡同晶

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037)

0 引言

為解決城市局部交通擁堵問(wèn)題，在北京、上海、成都、重慶、西安等地已開(kāi)始建設(shè)地下道路，而相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相對(duì)缺乏，2020-03-01上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司起草的《城市地下道路交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)》[2]主要對(duì)標(biāo)志的版面尺寸、字體大小、出入口標(biāo)志的設(shè)置位置等給出了較為詳細(xì)的規(guī)定，但使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，受地下道路空間的限制，標(biāo)志牌常被行駛的車輛、設(shè)備所遮擋，導(dǎo)致不能完全視認(rèn)交通標(biāo)志，從而給行車安全性及交通的順暢通行帶來(lái)不利影響.

1 標(biāo)志設(shè)置位置不同情況下的視認(rèn)遮擋考慮因素

在地下道路上行駛的車輛受行駛車道和車輛的影響，其視認(rèn)遮擋主要與交通標(biāo)志設(shè)置高度、車輛高度、行駛速度、駕駛員行車過(guò)程中的視野、車輛分布等有關(guān)[3]，而從交通標(biāo)志被遮擋的方向上，可分為橫向遮擋和縱向遮擋.

1.1 視距與視野

駕駛員視距的長(zhǎng)短、視野大小與行車速度有直接關(guān)系.視距是駕駛員從看到前方路面上的標(biāo)志牌，至采取措施(停車、錯(cuò)車)以達(dá)到車輛行駛的最終狀態(tài)所需要的距離；因而速度越快，導(dǎo)致駕駛員獲得標(biāo)志信息時(shí)，所需的視距就越長(zhǎng).對(duì)于視野[4]來(lái)說(shuō)，駕駛員在靜止?fàn)顟B(tài)下，其視野角度約隨著車速的增加，駕駛員視野也在相應(yīng)減??；因而行駛在車道上的車輛獲取信息隨著速度的增加，視野在變小，導(dǎo)致駕駛員視認(rèn)標(biāo)志信息的范圍也在進(jìn)一步縮小.

1.2 車輛類型及相應(yīng)尺寸

不同類型的車型的車身尺寸各不相同，進(jìn)而對(duì)標(biāo)志的設(shè)置高度造成影響.當(dāng)標(biāo)志采用路側(cè)布設(shè)時(shí)，其主要表現(xiàn)為并排行駛的內(nèi)側(cè)車輛(相對(duì)于標(biāo)志牌來(lái)說(shuō)，以下相同)側(cè)面遮擋外側(cè)車輛，且內(nèi)側(cè)車輛的車身高度越高，要求側(cè)向設(shè)置標(biāo)志的高度越高，而地下道路受投資及工程的可實(shí)施性影響，其高度無(wú)法滿足標(biāo)志設(shè)置的相應(yīng)要求，車身的側(cè)面橫向遮擋由此產(chǎn)生.

當(dāng)標(biāo)志采用路中布設(shè)時(shí)，其主要表現(xiàn)為后車跟馳前車過(guò)近或標(biāo)志牌高度不足，造成標(biāo)志信息被前車后背車身遮擋，無(wú)法及時(shí)獲得相關(guān)信息，一般情況前后均為小車跟馳時(shí)，其被遮擋的概率相對(duì)較小，而遮擋較大的因素往往來(lái)源于大型車輛，這是由于大型車輛的車身高度普遍在3.5 m[5]以上，后車跟馳的小型汽車視線高度普遍在1.1～1.3 m，兩者的高差平均在2.3 m以上，這就造成了后面跟馳車輛的縱向視認(rèn)遮擋.

1.3 車輛分布情況

當(dāng)標(biāo)志的設(shè)置高度不足以讓行駛在不同車道上的車輛視認(rèn)時(shí)，其相應(yīng)范圍內(nèi)的車輛分布情況變得尤為重要.對(duì)于側(cè)向布設(shè)的標(biāo)志牌來(lái)說(shuō)，主要受相鄰車道的車輛分布影響，且離標(biāo)志牌越近、內(nèi)側(cè)車輛分布越密集遮擋的概率就越大；對(duì)于路中布設(shè)來(lái)說(shuō)，主要受前后跟馳車輛的車型影響，行駛車輛所在的車道上，大車越多其后面跟馳的車輛被遮擋的概率就越大.

1.4 標(biāo)志間的冗余間距

地下道路內(nèi)，交通標(biāo)志的種類不多，但標(biāo)志數(shù)量卻繁多.如何在合適的空間距離內(nèi)，讓駕駛員不至于因?yàn)閼?yīng)接不暇的交通標(biāo)志，造成視認(rèn)信息疲勞、標(biāo)志間的視認(rèn)遮擋等問(wèn)題，就需要對(duì)標(biāo)志的前后冗余[6]間距進(jìn)行考慮，以保證車輛行駛過(guò)程中能安全、順暢地改變行車狀態(tài).

1.5 線性障礙物與交通標(biāo)志的橫向凈距.

地下道路受空間限制，標(biāo)志牌常常與設(shè)備層共平面，該種情況表現(xiàn)為縱向錯(cuò)不開(kāi)，橫向平齊布置，這也就造成設(shè)備層的相關(guān)設(shè)施(如風(fēng)箱)形成線性障礙物，給交通標(biāo)志的懸掛布設(shè)帶來(lái)一定的難度.標(biāo)志與設(shè)備過(guò)近，行駛在非懸掛標(biāo)志牌車道的車輛，造成視線遮擋，無(wú)法看全標(biāo)志版面上的信息；標(biāo)志與設(shè)備距離過(guò)大時(shí)，設(shè)備層設(shè)施排不開(kāi)，空間上受限，因此這就要求，對(duì)不同車道上的車輛視認(rèn)標(biāo)志需要的橫向凈距進(jìn)行考慮.因此，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，標(biāo)志與地下道路線性障礙物的橫向凈距合理性變得尤為重要.

1.6 橫向障礙物與交通標(biāo)志的縱向距離.

地下道路因受空間限制，橫向穿越地下道路設(shè)備層的情況較多，而對(duì)于服務(wù)商務(wù)區(qū)內(nèi)各地塊的地下通道標(biāo)志牌相對(duì)較多，使橫向穿越的相關(guān)設(shè)施與標(biāo)志的間距保持在較大的范圍內(nèi)，不至于造成交通標(biāo)志被相關(guān)設(shè)施遮擋.

2 基于視認(rèn)遮擋考慮的交通標(biāo)志相對(duì)位置確定

標(biāo)志設(shè)置位置的不同，對(duì)交通標(biāo)志的視認(rèn)遮擋情況也不相同，而如何合理地確定不同設(shè)置位置的標(biāo)志要求，是需要探討的問(wèn)題.從運(yùn)行情況來(lái)看，對(duì)于地下道路上行駛的車輛，其可從2個(gè)方面來(lái)展開(kāi)研究：交通標(biāo)志與障礙物的縱向距離和線性障礙物與交通標(biāo)志的橫向凈距.

2.1 縱向距離研究

2.1.1 交通標(biāo)志與障礙物的縱向距離確定

標(biāo)志間的縱向距離一般受標(biāo)志版面高度、標(biāo)志下邊緣距離地面高差、標(biāo)志視認(rèn)距離、標(biāo)志消失距離的影響，其間的具體相對(duì)位置關(guān)系如下：

(1)

式中，d為標(biāo)志間的縱向距離(m)；v1為車輛接近標(biāo)志時(shí)的車速(km/h)；t0為標(biāo)志視認(rèn)反應(yīng)時(shí)間(s)，其為駕駛員獲取標(biāo)志信息并采取相應(yīng)操作的時(shí)間之和，一般取3.5 s；θ為視野角度；h0為交通標(biāo)志牌的高度，一般取0.8 m；h1為駕駛員視線與地面的高差，小型車取1.2 m，大型客車取2 m；H為交通標(biāo)志牌下邊緣與地面高差，一般取地下道路的凈空(通常為3.5 m).

由此可見(jiàn)，不同的行車速度，對(duì)應(yīng)的標(biāo)志間的縱向距離也不相同，具體情況如表1所示.

表1 標(biāo)志縱向距離設(shè)置表

2.1.2 冗余間距(d)下的縱向障礙物與交通標(biāo)志牌的縱向距離確定

考慮到實(shí)際交通運(yùn)行中的非理想狀態(tài)，處于行車中的駕駛員，因受標(biāo)志設(shè)置位置不一、周邊環(huán)境干擾、駕駛車輛時(shí)的心理生理狀態(tài)等因素的影響，不可避免地出現(xiàn)交通標(biāo)志信息遺漏、錯(cuò)失等情況，因此需對(duì)縱向障礙物進(jìn)行考慮時(shí)，還應(yīng)增設(shè)標(biāo)志牌，以給標(biāo)志有一定的冗余度，實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中冗余度一般取2～3次.故而橫向障礙物距離第1塊標(biāo)志牌的縱向距離還應(yīng)增設(shè)冗余間距，一般對(duì)于車速≤60 km/h的地下道路來(lái)說(shuō)，冗余度取1次即可，從而可計(jì)算出障礙物與標(biāo)志的最終建議縱向距離，詳細(xì)見(jiàn)表2.

表2 冗余間距下的縱向距離設(shè)置表

2.2 橫向距離研究

交通標(biāo)志的橫向距離研究，主要表現(xiàn)為空間受限時(shí)的頂壁線性障礙物與標(biāo)志的距離研究和車輛跟馳模型下的路側(cè)橫向遮擋概率研究.

圖2 橫向遮擋示意圖

2.2.1 標(biāo)志與線性障礙物間的橫向距離的確定

當(dāng)交通標(biāo)志牌懸掛于地下道路隧道頂壁時(shí)，兩側(cè)范圍的線性障礙物距離交通標(biāo)志牌的間距受標(biāo)志牌本身高度、距離地面高度及行駛車道與標(biāo)志牌間的距離影響，標(biāo)志牌的上頂點(diǎn)與線性障礙物下邊緣、駕駛員目視車道前方的方向基本在同一平面三角形內(nèi)，且線性障礙物下邊緣與車道行駛方向平行，通過(guò)相似三角形原理，可得橫向凈距關(guān)系如下：

(2)

式中，b為障礙物與標(biāo)志牌邊緣的橫向距離(m)；B為駕駛員與標(biāo)志牌邊緣的橫向距離；當(dāng)?shù)叵碌缆返膬艨杖?.5 m時(shí)，b=0.258B；當(dāng)?shù)叵碌缆返膬艨杖?.5 m時(shí)，b=0.195B.

2.2.2 受行駛車輛橫向遮擋的標(biāo)志設(shè)置高度研究

地下道路路側(cè)設(shè)置交通標(biāo)志牌時(shí)，其設(shè)置的合理性與標(biāo)志設(shè)置高度、車輛高度有關(guān)，其基本關(guān)系如下：

(3)

式中，H1為標(biāo)志牌下邊緣與地面的高差(m)；n為車道數(shù)，即為標(biāo)志牌距離最遠(yuǎn)處的車道數(shù)；b0為車道寬度(m)；b1為標(biāo)志牌與車道邊緣的距離，一般與側(cè)向凈寬度相等，取值為0.5 m(v≤60 km/h)；b2為車輛橫向?qū)挾?m)；h0為交通標(biāo)志牌的高度，一般取0.8 m；h1為駕駛員視線與地面的高差(m)；h2為車輛的車身高度.

實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，車輛類型的不同，其路側(cè)標(biāo)志牌懸掛的高度也不相同，假定距離標(biāo)志牌較遠(yuǎn)的車道僅行駛小汽車，而其較近的車道行駛大客車，則標(biāo)志牌下邊緣與地面的高差如表3所示：

表3 標(biāo)志牌下邊緣與地面的高差設(shè)置表

無(wú)論地下道路行駛何種車輛，受投資和工程可實(shí)施性的影響，交通標(biāo)志采用路側(cè)布設(shè)均無(wú)法讓行駛在外側(cè)車道上的車輛看全版面.

3 條件受限下，標(biāo)志牌受行駛車輛的遮擋概率研究

3.1 標(biāo)志牌被橫向遮擋的概率研究

通過(guò)側(cè)向布設(shè)的標(biāo)志設(shè)置高度結(jié)論可看出，采用該種方式布設(shè)時(shí)，無(wú)論何種車型，其被遮擋的可能性均較大，但這并不能說(shuō)明側(cè)向布設(shè)標(biāo)志牌的方式不適用于地下道路.如果要知道側(cè)向布設(shè)的影響大小，就需要對(duì)其橫向遮擋的概率進(jìn)行量化研究.橫向遮擋的概率與車道密切相關(guān)，行駛在地下道路內(nèi)車輛受橫向遮擋的概率受標(biāo)志設(shè)置高度、車型、車速等因素[7]的影響較為嚴(yán)重.

假定地下道路采用采用兩車道布設(shè)，車輛行駛為勻速進(jìn)行，則外側(cè)行駛車輛視認(rèn)標(biāo)志主要與內(nèi)側(cè)車道上的車輛分布情況和車身的長(zhǎng)度有關(guān)，由此外側(cè)行駛車輛視認(rèn)標(biāo)志被遮擋的概率為：

p側(cè)=1-p內(nèi)P(l2)

(4)

式中，P(l2)為外側(cè)車道車輛不被內(nèi)側(cè)車輛視認(rèn)遮擋的概率；l2為外側(cè)車輛不被內(nèi)側(cè)車輛的車身遮擋長(zhǎng)度；p內(nèi)為車輛在內(nèi)側(cè)車道上出現(xiàn)的概率.

第1種情況P(l2)可按外側(cè)車輛視認(rèn)標(biāo)志完成長(zhǎng)度l2，占外側(cè)車輛被遮擋與未被遮擋的視認(rèn)長(zhǎng)度的總和，即：

(5)

式中，l1的取值不僅與車身長(zhǎng)度有關(guān)，還與駕駛員視認(rèn)交通標(biāo)志時(shí)的視角有關(guān)；l2的取值與車頭間距、車身行駛過(guò)程中的遮擋長(zhǎng)度有關(guān)，即

(6)

(7)

式中，l0為車身長(zhǎng)度；l2為外側(cè)車輛未被內(nèi)側(cè)車輛的車身遮擋長(zhǎng)度；h空為車頭間距；θ為駕駛員視認(rèn)標(biāo)志時(shí)的視線與行車方向的視角；v為車道上車輛行駛速度.

由上述計(jì)算公式可得出

(8)

考慮到地下道路內(nèi)外側(cè)車道車輛分布均勻，其基本服從負(fù)指數(shù)分布 ，則內(nèi)側(cè)車道上行駛車輛的車頭時(shí)距ht必須大于

則此時(shí)的概率為

式中，λ表示車輛的到達(dá)率.則橫向被遮擋概率為

(9)

由于駕駛員視認(rèn)標(biāo)志的完成點(diǎn)一般與標(biāo)志的消失點(diǎn)有關(guān)，因此本公式考慮的θ取值為各速度相對(duì)應(yīng)的最大視角.另外，車輛到達(dá)率λ=Q/3 600，h空=3 600v/Q，結(jié)合地下道路受地下周邊條件的影響.

(10)

由式(9)可知，僅當(dāng)Q20≤241 pcu/h和Q30≤281 pcu/h時(shí)，上式方可繼續(xù)計(jì)算遮擋概率.當(dāng)Q=200 pcu/h，p側(cè)20=85%，p側(cè)30=74%，這顯然遮擋概率較大，且不能達(dá)到隧道要求的交通服務(wù)水平；故路側(cè)設(shè)置標(biāo)志牌視認(rèn)性較差，遮擋嚴(yán)重，該種設(shè)置方式不合理.

3.2 標(biāo)志牌被縱向遮擋的概率研究

對(duì)于地下道路上行駛的車輛，以路中布設(shè)時(shí)，跟馳車輛(小型車)受到前車的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)較大，這是因?yàn)闃?biāo)志高度受到限制，不可避免地受到駕駛員的行車視角和車身高度的遮擋，因而，在對(duì)標(biāo)志進(jìn)行路中布設(shè)時(shí)，必須考慮此種情況.

由于隧道受空間限制，凈空采用3.5 m時(shí)，標(biāo)志牌下邊緣的高度距離地面也是該高度，如果車身3.5 m高的大型車駛?cè)雱t被完全遮擋，這時(shí)標(biāo)志被遮擋的概率為1，因此，當(dāng)允許大型車駛?cè)霑r(shí)，需對(duì)車輛的跟馳距離予以提醒，該情況不做過(guò)多贅述.以下是針對(duì)僅允許小車駛?cè)氲牡叵碌缆愤M(jìn)行分析.

假設(shè)駕駛員的最大視角為i，標(biāo)志版面的上邊緣正好與最大視角的視線重合，此時(shí)前車出現(xiàn)在視野范圍內(nèi)，即認(rèn)為標(biāo)志信息被遮擋，該情況出現(xiàn)的概率p中則為

p中=P(ht

(11)

式中，P(ht

地下道路上行駛車輛的到達(dá)符合負(fù)指數(shù)分布，則前車遮擋區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)車輛的概率為P(ht

車輛行車過(guò)程中，雖然前后兩輛車的到達(dá)時(shí)間間隔具有任意性，但是當(dāng)車輛增多到一定程度時(shí)，其時(shí)間間隔基本相等，這與本文研究的視認(rèn)遮擋較為契合，因此前后車視認(rèn)遮擋的臨界點(diǎn)即可認(rèn)為是駕駛員視角θ與車輛后側(cè)車身高度、標(biāo)志牌版面的下邊緣形成一條直線，由此可確定其前后兩車的車頭間距h間，進(jìn)而根據(jù)行車速度，確定臨界點(diǎn)的車頭時(shí)距ht=t.

實(shí)際設(shè)計(jì)中，臨界點(diǎn)的車頭間距可通過(guò)小型車駕駛員視角θ、視線高度h1=1.2 m、車身高度h2=2 m、地下道路的凈空H=3.5 m、車速v、視認(rèn)標(biāo)志時(shí)間t0綜合確定，具體關(guān)系如下：

(12)

4 結(jié)束語(yǔ)

地下道路作為近幾年發(fā)展的一項(xiàng)新興工程，在解決我國(guó)城市化擁堵問(wèn)題方面重要性可見(jiàn)一斑，但是其內(nèi)部的交通標(biāo)志設(shè)置的合理性，卻并未引起重視.現(xiàn)行的設(shè)計(jì)常采用地面道路和公路隧道交通標(biāo)志的設(shè)置方法進(jìn)行布設(shè)，這就使得在使用過(guò)程中，常出現(xiàn)視認(rèn)遮擋，導(dǎo)致駕駛員無(wú)法有效地看全交通標(biāo)志信息，而要從源頭上解決這一問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)周邊環(huán)境，對(duì)各種障礙物與標(biāo)志的縱橫向距離進(jìn)行精確計(jì)算，方可保證地下道路使用的舒適度和便捷度，才能為區(qū)域的建設(shè)做好通堵工作.另外，文章在對(duì)現(xiàn)行地下道路研究時(shí)，僅考慮了單向3車道及以下情況，對(duì)3車道以上的地下道路尚待以后深化研究.