基于事故分析的公路限高门架警告标志优化设置*

赵建有，徐 舸，韩万里，谢伟国，李 斌

(1.长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064；2.河南省收费还贷高速公路管理有限公司航空港分公司，河南 郑州 450000；3.长安大学 运输工程学院，陕西 西安 710064)

0 引言

为禁止超过限定高度机动车通过特定路段、区域、建筑物或构造物，减轻路桥荷载，方便交通管理[1-2]，在部分城市快速路和高架路采取设置限高门架等措施。

近年，机动车数量逐年增长，高级公路、城市快速路等交通设施大规模建设，道路立体交叉增多，以防护设施为目的的限高门架数量增加，因机动车碰撞限高门架引发交通事故，严重威胁司乘人员生命安全。2017年11月交通部正式发布《公路交通安全设施设计细则》(JTG D81—2017)，进一步规范道路限高门架设置。道路限高门架交通事故致因总结为4个方面[3-4]：限高门架结构刚度和强度过高(限高门架材料以Q235、Q345钢结构为主)，车辆碰撞造成重大损失或人员伤亡；限高门架高度设计不合理；横梁跨越多条车道时，碰撞将阻碍车辆通行；限高门架宽、材质等设计标准不统一。据相关研究，大型商用车辆与小型车辆驾驶员视认效率和停车安全视距不同[5]，标志设置应将该差异问题考虑在内。因此，本文基于限高门架事故特征，对城市道路限高门架警告标志进行优化设置，从工效学和人因工程学角度分析事故特征及影响因素，研究城市道路限高门架警告标志设置问题，并针对性提出预防措施。

1 数据来源及分析

1.1 数据来源

本文共收集2008—2018年交通事故68起，事故地点及事故数量见表1。选取事故发生地点、时间、事故车型、人员伤亡情况、限高门架高度及事故原因等数据，统计有效数据共52起，无效数据16起。

表1 事故地点及事故数量

1.2 描述性统计分析

通过对52起限高门架碰撞事故分析可知，事故共造成18人死亡，92人受伤；事故多发生在限速40～60 km/h公路，门架高度2.2～4.5 m(M=3.03 m，SD=0.309)，肇事车为高度2.5～4.5 m大型车辆(M=3.50 m，SD=0.50),样本特征见表2。在52起事故中，92.3%限高门架警告标志未前置设置，其中73.1%驾驶员表示当注意到标志时，已来不及采取刹车制动。将事故原因归纳为3种：标志直接设置在限高门架上方，驾驶员标志视认能力下降；限高门警告标志前置距离不足或未前置，导致停车安全距离不足；低能见度条件下，安全视距不足。

表2 样本特征

2 限高门架碰撞事故致因分析

2.1 事故影响因素

本文采用Kruskal-Wallis检验事故致因与限高门架高度是否存在显著差异。结果表明：不同事故致因与对应限高门架高度有显著差异(p=0.027)。基于二元logistic回归分析与事故致因相关因素，假设因变量为“事故原因”(估计错误=1，来不及制动=2)；自变量为限高门架高度、车型(重型货车=1，轻型货车=2，客车=3)、有无前置警告标志(有=1，无=2)及视线条件(正常视距=1，不良视距下=2)。使用“向前-LR”法筛选变量，构建SPSS模型并得到事故原因与限高门架关系正确率74.5%。事故影响因素见表3。

表3 事故影响因素

关系模型表明限高门架高度与事故原因呈显著负相关，即限高门架高度越小，事故原因越偏向“来不及制动”。限高门架高度每减少1个单位，因“来不及制动”造成事故可能性增加27%。大型车辆驾驶员眼睛位置与观测角与一般车辆驾驶员不同，导致驾驶员交通标志观测角和光线入射角不同，影响视认距离、视认效率和停车安全距离[5]。

2.2 不同车型驾驶员观测角度差异影响

相同距离下不同车型驾驶员观察交通标志情况如图1所示。当距交通标志100 m时，大型车驾驶员观测角1°，小型车0.5°；当观测角均为0.5°时，大型车距交通标志距离比小型车多130 m，当大型车驾驶员交通标志观测角度为0.5°时，距标志230 m，基本无法进入字体视读距离(人肉眼对交通标志识认距离一般在300 m内，有效距离视读一般在50～150 m内完成)。

图1 相同距离下不同车型驾驶员观察交通标志情况

因此，当限高门架警告标志设置不当或未考虑驾驶员眼高视认需求时，易被驾驶员忽略；当标志逆反射效率最高时，驾驶员不具备视认能力；当距离减小，标志逆反射效率不能满足驾驶员视认需求。此外，大型车载重量大，很难在有效距离内完成制动停车。

2.3 限高警告标志设置位置影响

目前，限高门架高度与警告标志设置没有统一标准，警告标志一般设置于门架上方，设置方式不规范，降低标志逆反射效率。不同位置标志牌逆反射亮度比例如图2所示。车辆处于道路右侧车道行驶，当距离交通标志50 m时，对车灯照射净空位置标志进行逆反射亮度测试，假设道路右侧标志照射亮度为100，龙门架上方标志仅为17。

图2 不同位置标志牌逆反射亮度比例

2.4 不良天气条件对警告标志视认影响

雾、雨、雪等恶劣天气及夜晚造成不良视距，大型车驾驶员对限高门架警告标志视认问题尤为突出，不良视距下，驾驶员对前方路面距离信息缺乏有效判断[6]。在事故分析中，因雨、雾及夜晚逆光等不良视距引发事故占19.2%，当视距受影响，注意到限高门架或警告标志时已来不及制动停车。

2.5 复杂交通环境对警告标志视认影响

不同交通环境下，驾驶员对相同交通标志注意程度与反应状态不同。复杂交通环境会影响驾驶员信息接收与传递，公路两侧霓虹灯、灯光广告等背景发光物体对警告标志视认干扰较大[7-8]。西安二环某道路限高门架如图3所示，在复杂交通环境下，警告标志很难提前引起驾驶员注意。

图3 西安二环某道路限高门架

3 限高门架警告标志优化设置

交通标志是驾驶员与交通环境主要互动方式之一[9]，不同交通环境与道路信息能否及时、准确地传递给驾驶员，对提高车辆运行安全至关重要。相关研究表明，在危险路段设置警告标志可减少30%交通事故[10]。而道路交通标志能否有效地向交通参与者传递信息，取决于其设置科学合理性，在交通状况复杂路段更为明显。对限高门架警告标志设置，既要保证大型车辆驾驶员能够视认，又要留有足够的安全停车距离。

3.1 限高门架警告标志路侧前置设置

标志视认可分为“发现、认读、判断、行动”4个阶段[11]。驾驶员对限高门架警告标志的视认过程如图4所示。由图4可知，当车辆行驶到A点时发现警告标志(看不清标志信息)，当行驶到B点时可识别标志限高值，由A行驶至B的这段距离为驾驶员觉察距离S1；当车辆行驶到C点时，驾驶员将标志内容读完，这段距离为读取距离S2；此时，驾驶员采取行动判断(是否刹车)，一直到D点驾驶员判断结束，这段距离为决策距离S3；驾驶员收到需要紧急停车信号，一直到E点驾驶员将脚移至制动踏板开始行动，这段距离为驾驶员反应距离S4。

图4 标志视认过程、最小安全距离及驾驶员操作过程

根据大型车辆驾驶员动态视觉特性，当驾驶员视线与路侧标志夹角α超过视角阈值θ时(一般取值15°)，标志从驾驶员视野中消失，消失点F到标志G的距离称为消失距离m；从E点行动开始到行动结束H点，制动停车的这段距离为行动距离L；从A点到标志G称为视认距离S。通过分析大型车辆驾驶员对限高门架警告标志视认过程可知，驾驶员必须在限高门架警告标志消失前认读完限高值信息才能减速停车，需同时满足式(1)～(2)：

S+D≥S1+S2+S3+S4+L

(1)

L≥m

(2)

根据《城市道路工程技术规范》(GB 51286—2018)，交通标志设置既要实现自身功能，又不能影响道路通行安全条件[12]。结合《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)[13]，将式(1)～(2)整理可得限高门架警告标志前置距离条件，如式(3)～(4)所示：

(3)

(4)

式中：D为前置距离，m；d为驾驶员视线到标志侧距，m，一般取9 m[14]；V0为车辆最高行驶速度或道路限速值，m/s；t1为驾驶员观察标志时间，s；t2为驾驶员读取标志时间，s；t3为驾驶员决策时间，s；t4为驾驶员反应时间，s。

制动停车行动距离L分为3部分，相关规范假定在制动时得到最大制动力，而实际为逐渐上升达到最大制动力[15]，所以，制动停车行动距离L包括：制动间隙消除阶段L1、制动力逐渐上升阶段L2及平稳制动阶段L3。根据车辆工程学经验模型，制动力逐渐上升阶段，减速度服从线性变化。平稳制动阶段，制动力达到最大值后，以最大减速度持续制动直至停车。L2，L3，L如式(5)～(7)所示：

(5)

(6)

(7)

式中：f1为纵向摩阻系数，根据《城市道路路线设计规范》(CJJ 193—2012)[16]取0.4；g为重力加速度，9.8 m/s2；tL1为间隙消除时间，s，一般取0.05；tL2为不同类型制动器所需时间，s，《机动车运行安全技术条件》(GB 7258—2017)[17]规定，汽车列车和铰接客车、铰接式无轨电车制动协调时间应≤0.80 s。

实际情况下要考虑大型车辆驾驶员视认角度，尤其在动态行车时，有较短视线定视持续时间，只有当观察视线与标志构成的视角阈限足够大，且在定视情况下驾驶员才能辩识交通标志，标志视认距离S如式(8)所示：

(8)

式中：ΔH为标志中心与驾驶员视线平面高差，m；β为最大视界范围，(°)，一般β最大值为15°；t为视认标志时间，s，由t1、t2、t3和t4组成。

要确保在有限时间完成认读、决策、反应及安全制动停车，标志最小安全前置距离Dmin如式(9)所示：

(9)

同时，必须满足式(2)，且在逆光等标志可视情况较差时，取正常与不良视距中较小值。

根据道路限高门架警告标志最小安全前置距离计算模型，假定在某城市道路(双车道)路侧设置1处标志，车辆制动间隙消除时间tL1为0.05 s，车辆制动协调时间tL2为0.80 s，g为9.8 m/s2，f1为0.40，β为15°，d为9 m。根据《道路交通标志和标线》(GB 5768—2017)[18]，路侧限高门架警告标志设置前置参考距离见表4。

表4 城市道路限高门架警告标志前置参考距离

考虑大型车辆驾驶员识别标志特点，最小安全前置距离设置须同时满足式(2)。把相关参数带入式(2)，计算前置距离至少为33.3 m，满足由模型(9)计算得出限高门架警告标志前置参考距离，验证构建前置距离模型合理性。

3.2 限高门架警告标志优化设置其他优化建议

1)重复设置限高门架警告标志

道路交通系统路况相对复杂，道路周边环境干扰、车流量大遮蔽多，考虑大型车辆驾驶员近距离观察视角，需保障标志信息送达环境。因此，需提高驾驶员发现标志机会，增加标志容错性。

2)道路双侧设置限高门架警告标志

由于警告标志设置位置固定，当车辆处于不同车道同一断面时，一般位于最外侧车道入射角最小，最内侧车道入射角最大。入射角越小逆反射效率越高，逆反射效率越低。根据不良视距下交通标志视认效率分析可知，路侧直立标志相对其他位置交通标志反射效率较高。为克服视认效率差异，建议采用道路两侧双标志，既提高标志影响力，又充分告知驾驶员前方道路信息。

3)提高限高门架警告标志显现性(增加标志逆反射值)

限高门架警告标志设置应充分考虑夜晚、不良天气及大型车辆驾驶员视角特性等因素，使标志逆反射材料性能与字符大小满足不良视距下大型车辆驾驶员安全视距需求。如采用大角度反光性能较好的材料(荧光黄钻石级和荧光黄绿钻石级反光材料)提高标志显著性，阻抗其他背景反光物体，改善安全视认效率。在质量审计时，建议在大型车辆夜间、雨、雾、雪等不良视距条件下检查。

4)综合限速等其他警告预防设施设置

在合理设置限高门架警告标志情况下，还可通过添加限速等其他警告措施，如增加地面标线、警告语、减速带及有参照刻度的前置标志等方法，选择最优警告方案。

4 结论

1)限高门架高度对事故影响显著，当限高门架高度减少1个单位时，因“来不及制动”造成碰撞事故可能性增加27%，即限高门架高度越小，碰撞事故原因越偏向于“来不及制动”；通过构建大型驾驶员视线特征标志前置距离模型，得出公路限高门架警告标志前置参考距离，验证模型有效性，并有针对性提出限高门架警示标志优化设置意见。

2)充分考虑大型车辆驾驶员视角特性，重复设置限高门架警告标志，提高驾驶员发现标志机会，增加标志容错性；采用道路两侧双标志，既提高标志影响力，又充分告知驾驶员前方道路信息；提高限高门架警告标志显著性，改善安全视认效率，在质量审计时使用大型车辆在夜间、雨、雾、雪等不良视距条件下检查；综合限速等其他警告预防设施设置，增加地面标线、警告语、减速带及有参照刻度的前置标志等方法，选择最佳警告方案。