高海拔高速路动物穿行警示标志设置研究

韩万里，吕云飞，赵建有

(1. 上海城建城市运营(集团)有限公司，上海 200023； 2. 长安大学 汽车学院,陕西 西安 710064)

0 引 言

近年来，国内外交通管理部门在预防车辆碰撞技术方面也逐渐投入大量人力和物力[1]。随着我国高速公路里程的不断增加，车辆与野生动物的碰撞事故也不断发生，造成人员和动物的伤亡，甚至对一些濒危动物的种群维持构成威胁[2-3]。目前，国内科研工作者就公路的建设、营运对生态环境的破坏与污染做了大量研究，但道路对动物的影响，以及车辆与动物碰撞事故还未引起足够重视[4]。交通管理部门在预防车辆和动物碰撞等此类交通事故主要采取的措施仍旧是阻隔和设置牧道，虽然取得了一定的效果，但也带来生境阻隔和碎化影响，车辆和动物的碰撞仍旧经常发生[4-5]。尤其对于遍布牧区和野生动物保护区的高海拔地区公路，此类问题更严重。因此，为了有效预防此类交通事故，相关交通部门应当收集统计此类数据，预防此类道路交通事故的发生，对人身安全和动物保护都具有重大意义。

受高海拔地区道路交通环境的影响，车辆与野生动物的碰撞事故原因非常复杂。但相关研究表明，在道路上设置野生动物穿行警示标志后，可以有效地降低车辆行驶速度，并减少车辆与动物碰撞事故[6]。J. M. CONN等[7]认为，如果驾驶人有足够的反应时间来处理潜在的危险情况或避开动物就可降低车辆和动物碰撞事故的发生。而交通警示标志的作用就是提醒车辆或行人注意危险地点，在到达危险时有充分的时间采取必要的行动，以确保行车安全[8]。在交通警示标志设置方面有大量研究，如，R. A. RETTING等[9]通过对交通碰撞事故的发生与交通标识标牌之间的关系研究表明，使用限速标志可以减少碰撞事故的发生；T. BEN-BASSAT等[10]指出，在设计交通标志时需同时考虑驾驶员的理解能力与反应时间；刘浩学[11]对公路交叉口交通标志设置的工效学进行分析，构建了一般公路交叉口标志的设置方法模型；陆建等[12]对普通公路路侧限速标志设置进行研究，确定了路侧限速标志的最佳设置位置。还有研究建议对交通警示标志的设置应当充分考虑道路使用者对标志的感知、识别、理解和其行动的特性，如果设置不当，就会失去设置意义[13]。

然而，以上研究均为针对普通公路交通标志研究，且研究没有考虑到道路环境对驾驶人的影响，对于高原地区高速公路警示标志的研究还未涉及。按照平原地区的标准来设置高原地区高速公路动物穿行警示标志，或仅依照以往统计数据和方法得出的规范，在特殊环境中设置交通标志，其效用的发挥会受到很大影响。为了有效地设置高海拔地区高速公路动物穿行警示标志，预防车辆与动物碰撞事故，提高人身和动物安全，笔者从人-车-路-环境系统考虑，基于高海拔地区高速公路特殊环境对驾驶人的影响，通过实地调研和实车试验，深入研究高海拔地区高速公路动物穿行警示标志的形式和设置方法。研究成果具有一定的实践应用价值，可为高海拔高速公路警示标志设置提供一定借鉴和经验。

1 研究方法及过程

据研究表明[14]，车辆与动物碰撞事故并不是随机分布的，其事故发生地点可以预测。因此，找到车辆和动物碰撞事故的诱导因素，就可以制定出防御碰撞措施。高海拔地区遍布牧区及野生动物自然保护区，道路周边地理环境(例如接近水源或动物觅食区域)是车辆与动物碰撞的一个诱导因素[15]。因此，可以在车辆与动物碰撞事故多发地点、牧道、进入牧区和自然保护区之前设置动物穿行警示标志，以提醒驾驶人注意减速，达到预防车辆与动物碰撞事故发生的目的。

1.1 调研路段

调研路段选取青海省共玉高速公路，其全长630 km，双向2车道，行车道宽度为3.75 m，分离式路基，最低海拔为2 917 m，最高海拔为4 807 m，平均海拔为4 000 m以上，见图1。共玉高速公路穿过三江源自然保护区及多个牧区，是比较有代表性的一条高海拔地区高速公路。由于线路较长，调查采用行车样线法[4]，故2～3人沿着公路驾车以最低限速行驶并录像，部分路段下车步行详细调查，记录死亡动物并拍照。通过咨询专家、走访当地民众的方式及利用交通管理部门的公路设计资料等，相对准确地确定出动物通道位置、车辆与动物碰撞事故发生率及牧道利用情况。

1.2 试验设备与场景

为了验证分析高海拔交通环境对驾驶人的影响，考虑到环境的特殊性和人身安全，试验的目的在于验证分析说明。因此，试验最终挑选不同年龄、驾龄的3名男性，年龄为28～45 岁，驾龄为4～10年。在自然驾驶条件下，分别在3 000～3 500 、3 500～4 000、4 000～4 500 m海拔路段上采集被试者行车数据。采用手持式GPS测速定位，车内安装2个高清行车记录仪，分别记录车辆运行和被试者状态，并采用主观检测方法向被试者询问精神状态，同时在驾驶过程中让被试者对当前行车速度进行估计。被试者矫正视力均在5.0以上，驾龄为10年左右，身体健康，无不良嗜好，均拥有C1驾照，其中1名驾驶人有高原驾驶经验，2名驾驶人为初到高原。

图1 共玉高速公路地理位置、沿线海拔变化情况Fig. 1 Geographical location and altitude changealong Gongyu Expressway

2 调查取证与数据分析

2.1 车辆与动物碰撞事故现状分析

通过随机调查，在研究路段内共发现3起车辆与动物碰撞事故，并导致动物致死。高速公路沿线常有动物出现在公路护栏内侧。结合对其沿线居民的走访了解到，沿线86%的居民经常发现车辆与动物碰撞事故。由于此类碰撞事故大多未涉及人员伤亡，因此，道路使用者大多选择不报警，交通管理部门也没有相应的备案。对沿途50个放牧通道调查发现，相关警示标志缺失，且动物通道两侧无动物活动痕迹(观察脚印、粪便等)，放牧通道利用率不高。

2.2 高海拔地区道路环境对驾驶人影响分析

估计速度特性主要是考察驾驶人对运动物体速度估计的准确性以及个体性格的焦躁性等方面的特征[9]。针对被试者在3个不同海拔下的车辆运行速度及估计速度，共采集到65航段数据，剔除16段误差较大的航段，如表1。随着海拔的升高，A组和C组的平均行车速度均有增高的趋势，且速度估计误差逐渐增大，其平均行车速度别介于72.7～108 m/h之间，平均估计速度误差值为9.6～35 m/h，部分路段高于设计速度80 m/h，超过设计速度3.1%～35%；而B组平均行车速度随着海拔的增高有减小的趋势，这可能与B组驾驶人经常在高海拔地区行车有关，但其整体速度偏高，平均速度介于89.9～98 m/h，高于设计速度80 m/h，超过设计速度12.4%～22.5%，平均估计速度误差值为18～21 m/h。在海拔4 000～4 500 m的路段，3组平均行车速度达90 m/h，最高车速为119 m/h，驾驶人均感觉到疲劳、反应迟钝和呼吸困难，并有轻微的头晕症状，速度估计误差值偏大，超速行驶。相关研究对青藏公路运行速度特性发现，对运行速度影响以海拔4 km为临界点，平直路段的基本期望速度轿车为120 m/h[16]。

表1 被试者在3个不同海拔下车辆运行速度及车速估计值Table 1 Vehicle speed and the estimated vehicle speed of subjects at three different altitudes

对不同海拔3组驾驶人平均估计速度误差进行因素分析，如表2。在不同海拔条件下，驾驶人对行车速度的估计值误差值呈中度显著差异(0.01

表2 不同海拔高速公路上驾驶人平均速度估计误差分析Table 2 Analysis of driver’s average speed estimation errors onhighways at different altitudes

研究结果充分验证说明了驾驶人受高原环境影响比较大。相关研究采集了1 079个驾驶人的生理、心理有效样本数据，结果也表明，随着海拔的增高，反应时间要比正常情况下延长，增加了驾驶人应对潜在危险的时间，极易发生碰撞事故[17]，如表3。

表3 驾驶人在不同海拔下的反应延误时间Table 3 Drivers’ response delay time at different altitudes

3 高海拔地区高速公路动物穿行警示标志设计及前置距离模型

车辆在行驶过程中，遇到紧急状况，导致运行速度突变，尤其是较大的速度落差会使驾驶人措手不及，发生碰撞事故[18]，因此超速行驶是造成车辆与动物碰撞的一个很大的因素。动物穿行警示标志设置目的就是提醒驾驶人注意行车安全，减速慢行，提高其警觉性[19]。

3.1 动物穿行警示标志设计

不同动物穿行警示标志图案能起到不同的警示效果。据相关研究表明，动物穿行警示标志上的动物呈现运动趋势的时候对驾驶人的影响较大，效果较好[20]。从驾驶人视觉特征研究表明，黄底黑图案的搭配具有更好的可视性[21]。根据调查，不同国家和地区动物穿行警示标志图案是不相同的。例如美国许多州均设立了鹿和奶牛的动物穿行警示标志，澳大利亚的警示标志也基本上也采用鹿和袋鼠[4]。综合考虑以上因素，根据国标规定要求[13]，结合青海省共玉高速公路沿线动物分布及种类情况，建议在自然保护区内，警示标志图案采用呈运动趋势的藏羚羊，牧区及放牧通道前的警示标志图案同理采用呈运动趋势的牦牛，黄底黑图案的搭配。此外，也可以在警示标志上给出限速及距离信息，告知驾驶人长度范围，提高警惕。动物穿行警示标牌主要设置在放牧通道、事故易发点、牧区和自然保护区前方，如图2。

图2 高海拔地区高速公路动物穿行警示牌Fig. 2 Warning signs for animal crossing on highway inhigh altitude areas

3.2 高海拔地区高速公路动物穿行警示标志前置距离模型

3.2.1 交通标志视认过程分析

车辆与动物碰撞事故涉及驾驶人、动物、车辆及道路环境等因素[22]。驾驶人的交通安全认知过程可分为感觉、领会、决策、起始响应、动作5个阶段，在每个阶段驾驶人均受到交通环境的影响[23]。驾驶人视认标志的过程，可以分为“发现、认读、判断、行动”4个阶段[22]，如图3。驾驶人经视认点，到读取标志信息点A开始读取动物穿行警示标志，到B点可以将标志内容读完，此段距离为读取标志距离S1。此时驾驶人采取行动判断，这段距离为移动距离S2。然后开始行动，此时车辆已经行驶到D点，从行动点D到行动完成F点的距离为制动阶段距离S3。驾驶人在制动阶段距离必须安全顺畅完成必要减速动作。

图3 驾驶人视认标志过程及对应的制动减速度与时间的关系曲线Fig. 3 Relationship curve of driver’s visual sign recognition process andcorresponding braking deceleration and time

从给读点A到标志E的距离为视认距离S0，标志的前置距离为D。从标志读完点B到标志E的距离为读完信息后到标志的距离S4。如果该距离S4比消失点C到标志E距离m要短，就意味着驾驶人不能准确判断标志的内容[11]。

S3≤D+S4-S2

(1)

(2)

式中：θ为驾驶人的视角阈值，一般路侧标志取θ=15°，头顶标志取θ=7°；d为驾驶人的视高(1.2 m)到标志的侧距(路侧安装标志)，据调查，共玉高速公路车道宽为3.75 m。

3.2.2 交通标志视认距离计算模型研究

国标中对限速标志和建议速度标志的版面规格有规定。以此为基础，分析视认距离S4与实际图文高度h和行车速度的关系。根据人因工程学原理[8]，动物穿行警示标志的设置条件和图文的大小按式(3)设计：

(3)

式中:h′为有效图文字高度；h为实际文字高度；k1为文种修正系数，对于拉丁字母取k1=1.2；k2为文字复杂性修正系数，汉字的笔画少于10画时k2=1，汉字的笔画为10～15画时k2=0.9，汉字的笔画超过15画时k2=0.85；k3为行车速度修正系数，按表4选取。

表4 k3值Table 4 Value of k3

根据日本土木研究所的实验数据[8]：

f(h′)=5.67h′

(4)

视认距离计算模型为：

S4=5.67h′=5.67×1.2×1×k3=6.084k3

(5)

3.2.3 基于驾驶员识认特性的车辆减速距离计算模型

根据驾驶人操作规律，驾驶人读取标志信息后，对车辆进行制动并最终在速度控制点前降低速度，此过程可分为两个阶段，即：制动准备阶段和制动阶段[24]。

1)制动感觉-反应距离计算模型

由图4可知，制动反应阶段包括感觉-反应时间(对应视认过程分析读取标志距离S1)、移动时间(对应视认过程分析移动距离S2)。不同海拔路段驾驶人反应时间为0.77～0.89 s，考虑到极限状态，取0.89 s；根据人因工程学原理[25]，驾驶人眼睛移动时间为0.09 s，目标选择时间为0.6 s，识别时间为0.5 s。所以在制动反应阶段，驾驶人感觉-反应时间为2.08 s。由于驾驶员移动阶段(换脚并踩下制动踏板)时间较小，一般为0.2～0.3 s，所以取极限状态值为0.3 s。在此阶段，车辆并没有被制动，处于匀速运行状态，其运行距离如式(6)、式(7)：

S1=v0×2.08

(6)

S2=v0×0.3

(7)

制动阶段对应视认过程的行动距离，分为制动过渡阶段和平稳制动阶段。

在制动过渡阶段，车辆减速度由0到一个确定的减速度a0，速度由v0降为v1。根据车辆工程学原理[12]，这一减速度数值a0与车辆的初速度成线性关系，其关系模型如式(8)：

a0=0.524v0-0.121 5

(8)

根据车辆工程学经验模型，车辆制动过渡阶段时间一般为0.3 s，且认为减速度服从线性变化，则制动过渡阶段末的速度可用式(9)表示：

(9)

则制动过渡阶段的车辆运行距离为：

(10)

平稳制动阶段，车辆自v1以匀减速运动进行行驶，至速度控制标志规定的限速值vt为止。则平稳制动阶段的车辆运行距离为：

(11)

2)减速距离计算模型

综合以上两个阶段的距离计算模型，驾驶人读取动物穿行警示标志后，车辆减速距离模型为：

(12)

3.2.4 标志前置距离计算模型

由式(1)和式(2)可得高海拔地区动物穿行警示标志的前置距离设置条件为：

D≥S-S4

(13)

d≤S3tan(θ)

(14)

将式(13)、式(14)代入式(5)、式(12)、式(13)，则：

(15)

(16)

通过上述计算与分析，针对共玉高速公路限速情况，其前置距离为80 m。根据模型得出的前置距离结果比一般平原地带交通限速类标志前置距离要远[24]，这是由于高海拔地区地理和交通环境比较特殊，对驾驶人的影响比较大[16-17]。计算结果也恰好说明了该模型符合高海拔地区的实际情况。

3.2.5 高海拔地区动物穿行警示标志前置距离参照表

根据构建模型，通过计算可得到由不同初速度降低到某限速值时，限速标志与建议速度标志前置距离，如表5。

表5 限速标志前置距离参照表Table 5 Reference table for prepositive distance of speed limit sign

4 结 论

通过对高海拔地区高速公路动物穿行状况及其对驾驶员的影响特征分析，提出了高海拔地区高速公路动物穿行警示标志形式和设置方法。研究结论如下：

1)通过随机调查发现，高海拔地区高速公路沿线放牧通道利用率不高，经常发生车辆与动物碰撞事故，缺失设置动物穿行警示标志。

2)对高海拔地区道路环境对驾驶人行为的影响进行了研究，综合验证分析了高海拔地区交通环境对驾驶人影响较大。

3)基于当前国内外相关研究成果，结合高海拔地区动物分布及种类，设计了高海拔地区动物穿行警示标志。

4)基于高海拔地区交通环境对驾驶人的影响，提出了设置动物穿行警示标志前置距离的最低要求，同时构建了动物穿行警示标志前置距离模型，并验证了模型的有效性。