八车道高速公路出口指路标志设置方案优化研究

王伟成、吴雨涛、陈飞

（1.华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014；2.东南大学交通学院，江苏 南京 210018）

0 引言

随着我国交通运输需求的增长，八车道及以上的多车道高速公路新建与改扩建也在如火如荼地展开。据资料统计，高速公路的里程受伤率是普通公路的2.3 倍，里程死亡率是普通公路的4.5 倍，高速公路事故带来的人身危险与经济损失更大，交通安全问题亟待解决。随着我国对交通安全的重视，近年来事故发生率、事故死亡率趋于平稳，但与发达国家相比，仍然有着不小的差距。同时，互通式立交的安全性比一般路段更值得重视。相关研究表明，出口匝道以及出口分流区的危险性最高，在高速公路出口发生的事故数量往往占整条高速公路事故总数的30%以上。而在高速公路出口路段，设置合理的交通安全设施是保障高速公路安全的关键。在分流区，出口前置指路标志（advance guide sign，AGS）对驾驶员及时合理变道、避免或减少交通事故的发生具有重要意义。《道路交通标志和标线》(GB 5768.2—2022)规定高速公路出口预告标志分别设置在距减速车道渐变段起点2km、1km、500m 的地点和减速车道起点，但这个距离与高速公路的设计速度和车道数无关，值得商榷。因此，如何科学合理地选定高速公路出口标志的前置距离，成为出口标志设置亟待解决的关键问题之一。

目前对具体设置位置的研究较少，且大多基于交通流理论，对最后一块出口指路标志的设置位置从理论计算模型角度进行分析，结论缺乏实际工程的有效性检验，且忽略了多级标志间的相互影响作用。综合考虑驾驶负荷、交通运行效率、驾驶换道长度、驾驶员短时记忆理论以及规范标志设置要求等因素，提出四组多级出口指路标志设置优化方案，建立综合评价模型，得到推荐方案。该研究为多车道高速公路出口路段的指路标志设置提供理论参考，对于提升高速公路交通安全具有一定指导意义。

1 拟定优化方案

在高速公路上，驾驶员对标志的记忆能力以及标志遮挡是影响标志设置间隔最主要的因素。根据目前的相关研究，驾驶员对于交通标志信息的记忆维持时间较短。

一方面，如果前置距离过长、间隔较大，驾驶员在大脑中记忆的相关信息很容易被其他信息冲散覆盖，从而导致对道路信息无法清楚、持久感知。

另一方面，过长的行驶距离可能使驾驶员对交通标志的正确性产生疑虑，为安全行驶埋下隐患。研究表明，年龄、性别以及驾驶的熟练度能够显著影响短时记忆。根据现场实车试验，发现驾驶员对交通标志信息的记忆量随时间的变化规律为“先快后慢”，呈现指数型分布。驾驶员短时记忆回归曲线见图1，一般认为在25s 左右，驾驶员仍然能保持95%的标志信息记忆的准确率。

图1 对于标志的短时记忆变化曲线

针对不同驾驶员的遗忘规律，考虑高速公路的运行速度为80～120km/h，将记忆时间换算为距离长度，得到记忆长度为500～1000m，因此认定高速公路上标志的重复间隔应该在500～1000m 之间。从道路安全的角度出发，对于新建多车道高速公路项目的互通出口标志牌需要增设级数基本已达成共识，但在设置四级、五级、六级指路标志的问题上研究较少，各工程项目也存在一定差异。综合考虑驾驶负荷、交通运行效率、驾驶换道长度、驾驶员的短时记忆理论以及规范标志设置要求等因素，提出四组多级出口指路标志设置优化方案，如表1所示。

表1 多级标志设置优化方案

2 试验方案设计

2.1 被试者招募

此次试验共招募到30 名持有驾照的志愿者，男性21 名，女性9 名，男女试验人员比例与目前我国男女驾驶人员比例相近。身体状况良好，无色弱、色盲。经核查，依据中心极限定理经验法则，样本量不应小于30。试验人员年龄分布在22～34 岁，平均年龄为25.22 岁，标准差3.78，驾龄分布在2～12年，平均驾龄为4.84年，标准差为2.76。

2.2 试验仪器

采用设备有道路建模软件UC-win/Road、眼动仪Tobii Pro Glasses、八通道生理反馈仪Infiniti 3000A、汽车模拟器Forum8。

2.3 试验场景

以沪宁高速（江苏段）的竣工数据作为现实依据，以其纵、横断面数据和平面数据为主要框架，驾驶仿真软件UC-win/Road 建立八车道高速公路仿真模型，排除道路线形条件对试验数据的干扰。

2.4 试验过程

每名试验人员根据设置方案进行模拟试验，以随机顺序在按多级标志方案布置的5 个路段行驶，每次从出口匝道驶出。在每次试验完成后，让试验人员对目的地搜寻记忆难度进行打分，分数为0～10 分。对目的地越了解，则分数越高。整个试验分前期准备、驾驶练习、告知任务、驾驶开始和结束任务五个阶段。试验结束后，通过Bio-Neuro、Tobii Pro Lab 及UCwin/Road 相关软件平台，导出原始数据，进行初步数据预处理。

3 指标选取与分析

标志设置既要满足规范性、实用性，也要综合考虑整体的经济性。从驾驶员、交通运行效率、经济成本三个角度选取搜寻记忆难度打分、驾驶负荷、驾驶风格、换道次数、标志数量等五个指标进行分析，下面针对各个指标的具体含义做进一步阐述。

搜寻记忆难度打分：将指标定义为驾驶员对标志牌视认记忆的主观感受，0 分代表记忆难度最低，10分代表记忆难度最高。

驾驶负荷：采用相应结论综合驾驶负荷指标CIDL，由瞳孔直径、脑电、心率、加速度、方向盘转角等多维度综合处理得到，用来表征驾驶员在高速公路出口的精神压力、任务负荷程度，指标数值越大，则代表驾驶负荷越大。

驾驶风格：根据对试验结果的初步观察，虽然驾驶员的驾驶风格有差异，但是同一位驾驶员在不同场景下，有可能呈现出不同的驾驶表现。将延迟变道与多次交织定义为风险较大的驾驶风格，根据采取该行为人数的多少来对方案的优劣进行评判。

换道次数：换道次数越多对交通流造成的干扰越大，从而影响高速公路的通行能力。因此，换道次数越多，则优劣评判越低。

标志数量：在此次试验中，默认标志设置形式为最后一块门架型+其他路侧型的组合结构。因此以标志的数量来衡量标志方案的经济性，标志数量越多，则经济性越差，评分越低。

通过SPSS 数据分析软件，分析5 种指路方案对各个指标的影响，发现方案对驾驶员主观感受、操控行为、车辆运行状态方面的影响不同。对多级标志设置方案进行比选。各指标打分情况如表2所示。

表2 在5 种显著指标下的优劣排序

多级标志设置方案比选表明：

其一，标志牌的数量能显著影响驾驶员对目的地的视认搜索记忆；

其二，优化方案能显著降低驾驶负荷，通过对比优化方案之间负荷，在设置多块出口指路标志时，1.5km 处的出口指路标志至关重要，对驾驶行为有着较大的影响；

其三，不同的方案对驾驶风格有着显著的影响，当标志牌数量过多时，换道次数增加，同时也带来危险驾驶行为的增多。

4 综合评价模型构建

在确定了具体的得分后，需要对各个指标的重要性进行衡量。权重系数的确定一般分为主观法和客观法两种，客观法更具优势。目前比较常用的客观赋权法有变异系数法、独立性权数法、熵权法、标准离差法和CRITIC 法。CRITIC 法既考虑了指标之间的差异，也考虑了指标之间的共性，因此认为CRITIC 法是一种较为理想的客观权重确定方法。

在确定权重系数后，需要选取合适的评价模型。线性综合评价模型针对性强，简单明晰，能清楚地展示几个指标间的关系，并得到一个综合的评价值。因此选择线性综合评价模型。

各指标的权重系数如表3所示。在构建的综合评价模型时，目的地记忆在多级标志的设置中既是最为重要的因素，也是指路标志原本的作用。而驾驶负荷、驾驶风格、换道次数、标志数量等因素对出口指路标志的设置影响占比在15%～20%之间。

表3 评价指标的对比强度、冲突性、信息量和权重系数

对比三级标志设置，相比于现行方案如表4所示，优化方案1 中，最后一块出口指路标志前置距离充足，驾驶员的驾驶负荷保持稳定水平，整体运行效率更高。如考虑对现状标志牌设置基础上优化，增加标志牌设置数量的优化方案2、3、4，也能有效降低驾驶员在高速公路出口段的驾驶负荷。但随着标志牌数量的增加，并没有展现出更大的优势。总体上优化方案1（三级标志）与优化方案3（五级标志）的性能表现较为优异。考虑800-1500-2500 三级标志与目前规范的500-1000-2000 三级标志要求无法适应，相关成果可作为后续规范修订完善时提供参考。采用五级标志，运营优势更为明显。

表4 综合评价结果

5 结语

在八车道高速公路出口多级指路标志设置场景下，驾驶员驾驶换道行为更加多变，可以通过对标志设置方案的优化，实现对驾驶员驾驶行为的规范，从而达到保障交通安全、通畅运行的目的。

对八车道高速公路出口多级指路标志设置优化进行研究，优化后的三级标志与五级标志表现较为良好。考虑800-1500-2500 三级标志与目前规范的500-1000-2000 三级标志要求无法适应，采用500-1000-1500-2000-3000 五级标志，适宜于当前的工程建设，更具合理性与操作性，具体项目可结合出入口间距和工程造价因素参考应用。