高速公路施工路段減速警示效果試驗(yàn)研究

為優(yōu)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(shè)計(jì)樣式、尺寸、設(shè)置間距、閃爍頻率、間距五個(gè)因素，用混合正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)問卷，71名被試者從感知效果、認(rèn)知效果、危險(xiǎn)程度三個(gè)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(shè)施參數(shù)，進(jìn)一步基于模擬駕駛構(gòu)建了作業(yè)區(qū)基本場景，組織了駕駛模擬試驗(yàn)并采集數(shù)據(jù)，分析預(yù)警距離、系統(tǒng)控制方式和占道位置三個(gè)因素對于駕駛員行為的影響，結(jié)果顯示：警示設(shè)施預(yù)警距離使駕駛速度在距離施工區(qū)600 m、500 m、400 m點(diǎn)位有顯著降低；預(yù)警距離對換道位置有顯著影響，提前800 m設(shè)置預(yù)警與提前400 m相比，駕駛?cè)似骄鶕Q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(shù)對于駕駛員主觀感受及車輛運(yùn)行規(guī)律的影響，對工程實(shí)踐具有指導(dǎo)作用。

交通安全；高速公路；可供性理論；駕駛模擬；正交設(shè)計(jì)

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(kuò)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(fā)生突變，易引發(fā)交通事故。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(shí)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(shè)施設(shè)置及安全保障措施實(shí)施提供依據(jù)。

隨著智能交通與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，近年來智慧化公路警示系統(tǒng)獲得了應(yīng)用。Hua W等［2］開發(fā)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(shí)現(xiàn)多車輛識別；阮太元等［3］設(shè)計(jì)了低能見度下快速路車路協(xié)同的路側(cè)主動(dòng)發(fā)光設(shè)施；陳廣輝［4］研究了一種適用于高速公路施工區(qū)的碰撞預(yù)警系統(tǒng)，將智能監(jiān)測預(yù)警計(jì)數(shù)與公共出行平臺(tái)預(yù)告、安全運(yùn)管平臺(tái)監(jiān)管結(jié)合。現(xiàn)有文獻(xiàn)對部分警示設(shè)施的影響效果進(jìn)行了研究：Kristin K等［5］研究表明，警示燈光以連續(xù)方式閃爍，駕駛?cè)四芨鼫?zhǔn)確地識別工作區(qū)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?cè)朔磻?yīng)行為的影響；馬志政等［7］結(jié)合心理認(rèn)知行為模型和行車中停車視距計(jì)算方法對警告標(biāo)志的設(shè)置位置進(jìn)行了分析。

受警示設(shè)施影響的駕駛員行為變化主要體現(xiàn)在速度調(diào)節(jié)方面，這在文獻(xiàn)中進(jìn)行了廣泛研究。Zhao等［8］在駕駛模擬器的車聯(lián)網(wǎng)測試平臺(tái)，分析了不同能見度下駕駛員受警告后的車速調(diào)整特征；Williams等［9］研究了不同顏色設(shè)置、亮度水平和閃爍信標(biāo)對駕駛速度特征的影響；Khondaker等［10］從微觀角度研究個(gè)體駕駛行為VSL算法，以提高駕駛員車速設(shè)定的合理性。

上述文獻(xiàn)雖然對應(yīng)用后的警示效果進(jìn)行了對比研究，但對于設(shè)施間距、設(shè)計(jì)樣式、設(shè)置位置等參數(shù)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(shè)施的試驗(yàn)參數(shù)，再通過駕駛模擬器試驗(yàn)進(jìn)一步研究預(yù)警距離、系統(tǒng)控制方式和占道位置三個(gè)因素對于駕駛員行為的影響，提出了優(yōu)化設(shè)置方案，為工程實(shí)踐提供了科學(xué)依據(jù)。

1" 車速警示的可供性分析

可供性理論（Theory of Affordances，TOA）認(rèn)為，人能感受并行動(dòng)是由于外界事物從多個(gè)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(shè)施的設(shè)計(jì)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?cè)瞬煌男睦砀杏X和象征［12］。從認(rèn)知啟示層面看，交通安全設(shè)施的設(shè)計(jì)樣式、閃爍頻率等因素與駕駛?cè)说男畔⒗斫夂惋L(fēng)險(xiǎn)感知有關(guān)［13］。物理屬性層面，各系統(tǒng)之間盡管存在差異，但實(shí)現(xiàn)原理相似。功能層面，警示系統(tǒng)均不會(huì)影響道路的基本功能。綜上，通過可供性分析，設(shè)置參數(shù)應(yīng)包括預(yù)警設(shè)施的設(shè)計(jì)樣式、間距、設(shè)置位置、尺寸、閃爍頻率幾個(gè)方面。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)初步確定參數(shù)范圍。設(shè)計(jì)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(shè)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(cè)信號與路面道釘同時(shí)警示、路側(cè)信號警示兩個(gè)方案。設(shè)置尺寸采用了大、小兩種水平（路側(cè)信號燈20個(gè)/40 cm，路面道釘10個(gè)/15 cm）。設(shè)置間距方面，參考國標(biāo)規(guī)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(yàn)研究/李欣遙，李" 標(biāo)，梁健健，朱" 彤

2" 問卷測試及結(jié)果

2.1" 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行視頻問卷試驗(yàn)，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(yàn)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(shè)計(jì)速度100 km/h。道路兩側(cè)及中央分隔帶均設(shè)置有鋼護(hù)欄。模擬道路駕駛時(shí)間為天氣晴朗、光照良好的晝間。最終確定的研究參數(shù)，4個(gè)因素為2水平，1個(gè)因素為3水平。結(jié)合以往研究根據(jù)混合正交表L12（31×24）進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。參與者每觀看完1個(gè)場景視頻需要從視覺感知效果、認(rèn)知效果和危險(xiǎn)程度3個(gè)方面（均為10分制）對每個(gè)場景進(jìn)行評分。

2.2" 試驗(yàn)結(jié)果分析

對各駕駛?cè)嗽u分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，將評分變換至區(qū)間［0，1］內(nèi)。采用綜合平衡法，得到每個(gè)因子的影響因素排序和最佳水平組合。12個(gè)試驗(yàn)場景的正交數(shù)據(jù)分析結(jié)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(xù)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(rèn)知效果和危險(xiǎn)效果最佳方案組合。綜合三種情況結(jié)果，最優(yōu)的組合選取A1B1C1D1E1。

3" 基于駕駛模擬的警示效果試驗(yàn)

基于駕駛模擬設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)一步研究其他關(guān)鍵參數(shù)布設(shè)的警示效果及對駕駛行為的影響。

3.1" 模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次模擬駕駛試驗(yàn)設(shè)置施工區(qū)為試驗(yàn)典型場景?？紤]選取預(yù)警距離、控制方式和占道位置3個(gè)因素。試驗(yàn)因素和水平具體見表2。

試驗(yàn)場景道路全長20 km，包含8個(gè)直線段和7個(gè)曲線段。如圖2所示。

本次場景設(shè)計(jì)警告區(qū)長度設(shè)置為1 200 m，漸變區(qū)模擬場景設(shè)置為120 m，緩沖區(qū)設(shè)置為80 m，下游過渡區(qū)長度設(shè)置為20 m，施工區(qū)場景中終止區(qū)設(shè)置為30 m。

為研究設(shè)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(shè)置一個(gè)基礎(chǔ)場景。采用正交表L4（23）設(shè)計(jì)后的試驗(yàn)方案和加入方案后的試驗(yàn)場景總方案如表3所示。

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

3.2" 試驗(yàn)設(shè)備與流程

通過模擬仿真駕駛程序?qū)崿F(xiàn)場景搭建及模擬駕駛。駕駛模擬器由顯示器、兩組音響設(shè)備、羅技駕駛模擬轉(zhuǎn)向盤和控制裝置，駕駛座椅和相關(guān)配件組成。試驗(yàn)場景是采用UC-win/road軟件搭建。

本次模擬駕駛試驗(yàn)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?cè)藬?shù)比例的71.4%。施工區(qū)場景數(shù)據(jù)采集點(diǎn)為警告區(qū)前方200 m開始到工作區(qū)結(jié)束，每100 m采集一次數(shù)據(jù)，共計(jì)18個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。采集數(shù)據(jù)包括：模擬駕駛車輛實(shí)時(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

4.1" 車速分析

由距離施工區(qū)600 m、500 m、400 m三處數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，預(yù)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(yù)警距離的影響，可提前預(yù)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(qū)場景中，駕駛?cè)双@取道路施工信息后，降低速度的同時(shí)還需要進(jìn)行換道來離開工作區(qū)占用車道。因?yàn)檎加密嚨赖牟煌?，駕駛?cè)丝赡芤驗(yàn)樵谛熊嚨篮统嚨缹τ谖ｋU(xiǎn)的感知不同，對換道行為有所影響。如圖4所示為施工區(qū)6種場景的換道位置箱圖。

由圖4可知，施工區(qū)換道位置在各場景之間存在差異，考慮控制方式、預(yù)警距離及道路事件占用車道三因素都可能影響駕駛?cè)藫Q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(jié)果顯示預(yù)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(jié)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(gè)因素，選用混合正交試驗(yàn)方法對水平進(jìn)行問卷調(diào)查。

（2）通過綜合平衡法對問卷調(diào)查數(shù)據(jù)分析，從感知效果、認(rèn)知效果以及危險(xiǎn)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(shè)置位置為路面路側(cè)、閃爍頻率采用2 Hz、選用15 cm尺寸，道釘間間距設(shè)置為15 m。說明在不同的警示方式下，駕駛員的感知效果、認(rèn)知效果以及危險(xiǎn)程度具有明顯差異。

（3）駕駛模擬試驗(yàn)進(jìn)一步表明，預(yù)警距離對速度具有顯著影響，提前800 m設(shè)置警示設(shè)施，可使車輛在距離施工區(qū)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(shè)置預(yù)警與提前400 m設(shè)置預(yù)警相比，平均換道位置提前148.79 m。在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能地提前設(shè)置預(yù)警，更有利于運(yùn)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(jié)論適用范圍為中青年駕駛員，后續(xù)研究宜對老年駕駛員車速警示效果進(jìn)行比較研究。

［1］SRINIVASAN S，CARRICK G，ZHU X，et al.Analysis of crashes in freeway work zone queues：A case study［R］.Transportation Research Center，2008.

［2］HUA W，WEI Q，WASHINGTON Y O.Smart road stud based two-lane traffic surveillance［J］.Journal of Intelligent Transportation Systems，2020，5（24）：480-493.

［3］阮太元，蔡雄友，陳虹安.低能見度下快速路車路協(xié)同及行車安全預(yù)警系統(tǒng)［J］.山東工業(yè)技術(shù)，2017（16）：268-269.

［4］陳廣輝.高速公路維養(yǎng)施工區(qū)安全預(yù)警系統(tǒng)研究［J］.公路，2020（10）：322-326.

［5］KRISTIN K，NICHOLAS P S，JOHN D，et al.Driver behavior in response to flashing lights［J］.Transportation Research Record，2019（3）：1-15.

［6］DOMENICHINI L，LA T F，BRANZI V.Speed behaviour in work zone crossovers.A driving simulator study［J］.Accident Analysis amp; Prevention，2017（98）：10-24.

［7］馬志政，楚彭子.基于駕駛?cè)诵睦碚J(rèn)知行為模型的道路警告標(biāo)志設(shè)置優(yōu)化［J］.價(jià)值工程，2016，35（33）：91-92.

［8］ZHAO X H，XU W X， mA J m，et al.Effects of connected vehicle-based variablespeed limit under different foggy conditions based on simulated driving［J］.Accident Analysis amp; Prevention，2019（128）：206-216.

［9］WILLIAMS B，GIBBONS R， mEDINA A，et al.Visibility of a color variable message sign in the fog［R］.Proceedings of the Transportation Research Board 94th Annual meeting，2015.

［10］KHONDAKER B，KATTAN L.Variable speed limit：a microscopic analysis in a connected vehicle environment［J］.Transportation Research Part C：Emerging Technologies，2015（58）：146-159.

［11］HARSTON H R.Cognitive，Physical，and Perceptual affordances in interaction design［J］.Behaviour and Information Technology，2003，22（5）：315-338.

［12］徐洪亮，張?zhí)?，唐伯明，?基于顏色視覺的道路交通安全色彩體系設(shè)計(jì)［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，28（1）：105-107，115.

［13］RONCHI E，NILSSON D， mODIG H，et al.Variable message signs for road tunnel emergency evacuations［J］.Applied ergonomics，2016（52）：253-263.

［14］GB 51038-2015，城市道路交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)置規(guī)范［S］.

20240429