高速公路出口前置指路标志的安全设置距离模型

朱治邦，郭唐仪，潘 姝

（1.中设设计集团股份有限公司 综合规划研究院，江苏 南京 210014；2.南京理工大学自动化学院，江苏 南京 210094）

0 引言

高速公路出口区域的前置指路标志（Advance Guide Sign，简称AGS）旨在为驾驶人提供及时、准确、可靠的出口交通信息，其设置距离直接影响出口区域的通行效率和行车安全。

为了使驾驶人提前获得出口道路的交通信息，我国《道路交通标志和标线》（GB 5768—2009）（以下简称“规范”）规定在高速公路出口前方距离减速车道的渐变段起点2km、1km和500m位置分别设置前置指路标志[1]。驾驶人通过视认指路标志预知前方道路信息，并按照标志要求进行相应的驾驶操作。在高速公路出口区域，车道变换是最为常见的驾驶行为，大量驶离高速主线的车辆要从内侧车道变换至外侧车道。如果驾驶人未能及时获取标志信息，容易错过最佳的车道变换时机，从而在高速出口匝道处产生风险驾驶行为，引发交通事故。因此，规范指出连续设置的三块出口指路标志中，最靠近出口匝道的AGS设置距离至关重要。

国际上，大部分发达国家对出口前置指路标志设置距离的研究开展得较早，且对标志设置的形式研究较细致。与我国规范不同的是，美国《统一交通控制设施手册》（Manual on Uniform Traffic Con⁃trol Devices，简称MUTCD）[2]将出口分为两类：①大中型出口，在出口前距离减速车道的渐变段起点2mile,1mile和1/2mile位置分别设置前置指路标志；②小型出口，只在出口则只在前1/2mile位置设置一个标志。Fitzpatrick等[3]通过模拟实验，对比分析了高速公路出入口多级指路标志的设置效果。Costa等[4]基于实车试验，研究了路边直立式标志下驾驶人的视认特性。Zhang等[5]基于模拟驾驶试验，研究了多信息道路标志标识下驾驶人的视认能力，对标志的设置形式提出了建议。

近年来，我国也开始逐步开展高速公路出口前置指路标志设置距离研究。赵妮娜等[6]对比研究了国内外高速公路枢纽互通指路标志设置的类型、位置、结构，指出我国目前各省对于标志设置距离不统一的问题。杨冰浩[7]通过开展室内仿真实验，揭示了驾驶人搜索和阅读标志信息的过程，研究了不同限速下的指路标志最大前置距离。王昊程等[8]研究了多车道高速公路的出口前置标志设置距离。刘伟铭等[9]结合驾驶人的视认特征，重点研究分流区车道变换行驶距离，构建了高速公路出口前置标志安全距离模型。于仁杰等[10]从驾驶人的视认性和短时记忆角度，提出了高速公路施工限速标志设置位置和方法。吴彪等[11]基于驾驶人认知心理，构建了施工区标志前置距离设置距离模型，指出最小安全距离是330m。潘兵宏等[12]基于驾驶人心理和响应特性，研究了不同道路条件下、不同驾驶人条件的高速公路出口标志设置距离，指出目前我国规范中对双向6车道及以上的标志设置距离偏小。

我国现有规范和美国MUTCD中的推荐距离都是依据经验判断，而各个高速公路出口匝道位置及设计标准存在差异，故AGS设置的合理性有待考量。目前国内外对高速公路出口前置指路标志设置距离的研究主要集中于驾驶人对标志的视认特征方面，但是较少将驾驶行为、驾驶安全等多因素融合分析。为此，本文将以出匝车辆为研究对象，综合考虑高速公路的道路条件、驾驶人视觉特性及驾驶行为特性、标志本身的设置方式，构建最后一块AGS的安全设置距离模型，提出在不同设置方式、不同车道数、不同速度条件下最后一块AGS合理的设置距离。

1 驾驶行为分析

AGS的设置原则是：须使驾驶人具有充足的时间和空间视认AGS信息，并作出决策、反应，以确保所有车道上的车辆能够安全驶离主线。因此，AGS的最小安全距离须满足最不利情况，即车辆接近出口匝道，且位于距离出口最远的车道上。此时，驾驶人的出匝行为过程主要包括视认标志、车道变换、减速调整，如图1所示。

图1 驾驶人出匝行为示意图

1.1 认知-反应

图1中，驾驶人在到达A0点之前没有看到任何AGS，且保持在最内侧车道直行。驾驶人到达A0点时发现位于F点的最后一块AGS，对标志信息进行视认、读取、思考，并在B0点作出换道决策。

1.2 车道变换

图1中，驾驶人经过B0点后通过视觉搜索合适间隙，在B1点执行换道决策，调整方向实施换道，到达C0点时即完成一次车道变换。假设第一次车道变换结束后立即决定第二次车道变换，则C0点开始重复上述过程，直到车辆已位于距离出口最近的车道D点。

1.3 减速调整

图1中，驾驶人经过D点后，车速自Vm开始降低并准备驶入出口匝道。E点表示匝道分流鼻位置，驾驶人经过该位置时车速已满足匝道行车速度要求，故取此处车速为匝道设计速度Vr。

2 最后一块AGS设置距离的影响因素分析

最后一块AGS的设置距离对高速公路分流区的安全性有重要影响，主要受以下几个因素影响。

2.1 驾驶人视觉特性

驾驶人的视角是最后一块AGS设置距离模型的关键参数。在行驶过程中，视觉为驾驶人提供80%的交通信息。研究表明，驾驶人对偏前方固定物体的视认角θ在3°～5°内视野最清晰，10°～12°内较清晰，超过14°则认为视野消失[13]。如图1所示，A0点为视认点，是标志可视区间的最初位置，A3点为视野消失点，驾驶人经过A3点后指路标志不在驾驶人视野内，M即为不可视区间。

AGS的设置方式对视认效果也有一定影响。我国高速公路出口区域AGS有3种设置方式：路边直立式、路上横跨式和中央分隔带架设式[14]。路边直立式适用于右侧驶出的匝道，成本较低，架设方便，但当主线单向车道数大于3时，不利于最内侧车道行驶的驾驶人辨识标志牌；路上横跨式便于所有车道上的驾驶人辨识信息，但成本最高；中央分隔带架设方式适用于左侧驶出的匝道。本模型考虑这3种设置方式对驾驶人的影响，分别建立3种设置方式下AGS设置距离的计算公式。

2.2 车道变换驾驶行为

由上述驾驶行为分析可知，执行车道变换所需时间也是一个重要影响因素。一次车道变换过程包括两个阶段：

（1）驾驶人在产生换道意图后，通过视觉搜索选择合适的间隙；

（2）在决策执行点开始实施换道至完成。

每一次执行向右变换车道前，驾驶人会观察、判断当前位置的可穿越间隙是否满足换道要求。如果满足正常换道要求，驾驶人无需进行加减速驾驶行为；反之，则需要进一步考虑驾驶人的心理特点和个性特点。若驾驶人情绪不稳定、易冲动，可能全力加速超越车辆，实现强制换道；若驾驶人情绪稳定、有耐心，可能会等待合适的穿越间隙。Finnegan等[15]发现交通流对驾驶人视觉搜索可穿越间隙的时间有很大影响，并指出在有车辆影响下和无车辆影响下，驾驶人进行视觉搜索的平均时长分别为6.1s和3.7s，为此建议在一次车道变换过程中，用6.6s的时间来完成视觉搜索，用1.5s的时间来实施换道。

3 最后一块AGS设置距离模型

本模型的构建基于如下假设：

（1）假设驾驶员的视力在视认角内分布均匀；

（2）车道变换过程中不进行加减速行为，车速保持不变；

（3）最不利情况，即出匝车辆需要从最内侧车道变换至最外侧车道；

（4）变换至减速车道后立即开始减速，使得车辆到达匝道分流鼻的速度为匝道限速或者设计速度。

根据图1，最后一块AGS设置距离满足：

式（1）中：D为最后一块AGS的设置距离（m）；D1为认知-反应过程中车辆行驶距离（m）；D2为车道变换过程中车辆行驶的距离（m）；D3为车辆在最外侧车道时车速由Vm降至Vr这一调整过程中所行驶的距离（m）；S为驾驶人视认点至标志的距离（m）。

3.1 认知-反应过程中行驶的距离

驾驶人从视认标志到反应判断这一时间段为认知-反应时间（Perception-ReactionTime，简称PRT）。由前文知，D1表示PRT内车辆的行驶距离。研究表明，车速每提高8km/h，驾驶人对信息的认知-反应时间缩短0.2s。

由经验得，PRT和Vm之间的关系为：

式（2）中：Vm为高速公路主线的设计速度（km/h）。

于是：

3.2 车道变换过程中行驶的距离

图1中，点B0与点D之间的水平距离D2表示驾驶人换道过程中车辆的行驶距离，与换道次数和实施一次换道的行驶距离有关。当高速公路主线单向车道数为k时，最不利情况下（即从主线最内侧车道到最外侧车道）需要执行k-1次变道，那么车辆在车道变换过程中行驶的距离为：

式（4）中：T为车道变换的平均时间（s）；k为高速公路主线的车道（不包括减速车道和辅助车道）数（条）；Vm意义同前。

3.3 减速调整过程中行驶的距离

图1中，点D与点E之间的水平距离D3表示减速过程中车辆行驶的距离。车辆通过车道变换到达减速车道后，将降低速度行驶至分流鼻。减速距离为：

式（5）中：Vr为出口匝道的设计速度（km/h）；g为重力加速度，取g=9.8m/s2；f为不同行驶速度下轮胎和地面的摩擦系数；δ为坡度（上坡为“+”，下坡为“-”）；Vm意义同前。

3.4 驾驶人视认点与AGS设置位置的距离

AGS不同的设置方式及在不同的横向、纵向偏移条件下，驾驶人视认点到指路标志的距离不同，且需满足可视条件：

式（6）中：S为驾驶人视认点到指路标志的距离（m）；M为不可视区间长度（m）。

3.4.1 考虑横向偏移

当AGS采取路边直立式设置时，视认点到指路标志之间的距离为：

式（7）中：Wl为车道宽度（m）；St为横跨安装和路边安装标志的横向偏移量（m）；θ为驾驶人视认角（°）。

当AGS采取中央架设式设置时，视认点到指路标志之间的距离为：

式（8）中：Wm为高速公路中央分隔带的宽度（m）；Wl,θ意义同前。

3.4.2 考虑横向、纵向偏移

当AGS采取路上横跨式设置时，视认点到指路标志之间的距离S按下式计算：

式（9）～式（11）中：S1为考虑横向偏移的视认点到指路标志的距离（m）；S2为考虑纵向偏移的视认点到指路标志的距离（m）；Sv为横跨安装标志的纵向偏移量（m）；Wl,θ,k意义同前。

4 算例分析

以图1中东西走向的高速公路为例，主线单向有3条车道，车辆从右侧匝道驶离高速。主线设计速度为100km/h，匝道设计速度为50km/h。采用《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）[16]推荐值，主线单车道宽度取3.75m，中央分隔带宽度取4.50m，右侧硬路肩宽度取3.00m。为不失一般性，现假设视认角θ=10°，驾驶人在该视认角范围内足以视认最后一块AGS的信息。完成一次车道变换的总时间为8.1s。路边直立式和路上横跨式的横向偏移取2.0m，路上横跨式的纵向偏移取2.5m。

模型参数标定如下：

考虑最不利情况，驾驶人在最内侧车道，则出匝前需要完成两次车道变换。

最后一块AGS的3种安装方式具有相同的D1,D2和D3，但具有不同的S。因此，根据式（3）～式（5），计算：

3种标志设置方法中，对于路边直立式：

则最后一块AGS的最小设置距离为：

对于中央架设式：

则最后一块AGS的最小设置距离为：

对于路上横跨式，根据式（9）～式（11），计算：

则最后一块AGS的最小设置距离为：

算例结果表明：

（1）在同样的道路条件下，中央架设式安全设置距离最大，路上横跨式次之，路边直立式最小；

（2）在3种设置方式中，中央架设式最不利于改善行车安全，因此不建议在实际应用中将最后一块AGS设置在中央分隔带内。

5 与我国现行规范推荐值的比较

5.1 模型计算距离

我国高速公路主线限速范围为60～120km/h，匝道限速范围为30～60km/h。在不同主线限速、车道数和匝道限速下，利用本文模型分别计算路边直立式、中央架设式和路上横跨式的最后一块AGS的安全设置距离，结果如表1～表3所示。

由表1可知，对于路边直立式AGS，我国规范中推荐值（500m）对于主线单向2条车道的情况普遍适用，但在主线为单向3条车道且限速高于90km/h、单向4条车道且限速高于70km/h或单向5条车道所有限速下，规范推荐的设置距离无法满足要求。

由表2和表3可知，以中央架设式或路上横跨式设置AGS时，我国规范推荐值（500m）对于主线单向2条车道的情况普遍适用，但是当主线为单向3条车道且限速高于80km/h、单向4条车道且限速高于60km/h或单向5条车道所有限速时，规范推荐的设置距离无法满足要求。

表1 路边直立式AGS安全设置距离表（单位：m）

表2 中央架设式AGS安全设置距离表（单位：m）

表3 路上横跨式AGS安全设置距离表（单位：m）

5.2 合理性分析

车道变换是影响高速公路出口区域安全性的重要因素。在出口区域内，车道变换次数越少、分散越均匀，其安全性越高。本文通过TSIS-CORSIM设置不同的最后一块AGS距离，对单向5车道高速公路出匝分流区（分流鼻上游500m范围）进行1h的模拟，取每车道每小时交通量为2 000veh/h，主线和匝道设计速度分别是120km/h和40km/h。

以路边直立式设置为例，由表1可知，最后一块AGS设置距离应该在匝道分流鼻上游至少1 218m处；规范中推荐距离为500m。分别假设有两条高速和对应的出口匝道，其他条件完全相同，唯一不同的是最后一块AGS设置距离。记规范推荐距离（500m）对应的道路为FR1，本文计算距离（1 218m）对应的道路为FR2。通过TSIS软件模拟10次得分流鼻上游500m范围内的车道变换次数，如表4所示，表中数值为10次模拟的均值。

表4 车道变换次数的规范推荐值与本文计算值对比表

由表4可知，在分流鼻上游500m范围内，规范推荐距离产生的车道变换次数是本文推荐距离的2.6倍。可见，按照本文计算值设置AGS，可以有效减少出口区域的车道变换次数，提高车辆行驶的安全性。

6 结语

我国现行规范中对于AGS的设置距离推荐值往往依据经验判断，没有考虑主线车道数、主线和匝道限速、匝道位置等因素的差异性，其合理性和有效性有待考量。本文以出匝车辆为研究对象，考虑最不利情况下驾驶人视认标志过程和驾驶行为过程，结合高速公路主线、匝道的车道数、限速条件、标志设置方式，建立了最后一块AGS的安全设置距离模型。计算结果表明，规范中推荐的500m设置距离适用性较低，而利用本文所建模型分别计算的路边直立式、路上横跨式、中央架设式的最后一块AGS的安全设置距离相对合理，可为升级优化高速公路出口指路标志设置提供一定的参考。

鉴于驾驶人个体间存在差异，本文对认知-反应时间参数的标定仍受到局限；其次，本文未对车辆在换道过程中可能存在的加、减速行为加以深究。因此，如何将驾驶人心理、车辆间相互影响等众多因素综合考虑，提高模型精确度，将是下一步研究的重点。

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