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城市快速路出口标志位置设置研究_李爱增

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DOI:10.16097/j.cnki.1009-6744.2006.05.006第6卷第5期交通运输系统工程与信息2006年10月JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnology文章编号:1009-6744(200605-0036-06
Vol.6No.5
October2006
城市快速路出口标志位置设置研究
李爱增,李文权,王　炜
(东南大学交通学院,南京210096
摘要:　为了达到有效引导交通流的目的,首先从驾驶心理学的角度将驾驶员对交通标
志的识别和对所驾车辆的操作过程分为7个点6个阶段进行研究,在对已有交通标志设置条件进行分析的基础上,得到了交通标志位置设置的依据,然后对驾驶员由城市快速路外侧2车道向外侧1车道的车道转变过程进行了微观分析,在此基础上利用概率论方法,得到了车辆由外侧2车道向外侧1车道汇合时操作行动距离L的理论模型,进而得到了城市快速路出口标志位置设置前置距离D的理论模型,最后通过实例计算得到了城市快速路不同设计车速下出口标志设置的前置距离.关键词:　城市快速路;交通标志;间隙;车头时距;Erlang分布;M3分布中图分类号:　U491.5
ResearchonPositionofTrafficSignonUrbanExpresswayOff-Ramp
LIAi-zeng,LIWen-quan,WANGWei
(TransportationCollege,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China
Abstract:　Inordertoguidetrafficfloweffectively,thispaperfirstlydividedtheprocessofidentifyingtrafficsignsandoperatingvehicleintosevenpointsandsixphasesfromtheviewpointofdrivingpsychology.Andbyanalyzingtheexistingsettingconditionsoftrafficsignpointed,thebasisofsettingtrafficsignisgot.Thentheprocessofchanginglanesfromtheoutersecondonetotheouterfirstoneonurbanexpresswayisanalyzedindetail.Onthebasisofitandbymeansofprobabilityanalysis,thetheoreticalmodelofoperatingdistancewhenvehiclesmergingfromthesecondlanetothefirstoneisobtained,andthenthetheoreticaldistancemodeloftrafficsigntothebegin-ningpointofoff-rampisalsoacquiredLastlythedistanceoftrafficsigntothebeginningpointofoff-rampbelongingtodifferentdesigningvelocitywascalculatedout.Keywords:　urbanexpressway;trafficsign;gap;headway;Erlangdistribution;M3distributionCLCnumber:　U491.5
0　引　　言
道路交通标志是用图形符号、颜色和文字向交
通参与者传递特定交通管理信息的一种交通管理设施.道路交通标志能给道路使用者以确切的道路交通情报,使道路交通达到安全、畅通、低公害和节约能源的目的.城市快速路作为一种高标准的汽车专用路,具有通行能力大、行驶速度高、一旦发生事故严重性程度高的特点,因此城市快速路交通
收稿日期:2006-04-11
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50478071.
标志的设置非常重要,它是城市快速路交通设施设
计的重要内容之一.交通标志位置的设置显得更为重要,位置设置合理,可以向道路使用者提供及时、可靠、有效的信息,从而达到安全、畅通、高效运行的目的.位置设置不合理,就可能导致采取措施不及、错向行驶等问题,不但不能有效地引导交通流,甚至会引发交通事故.因此日益受到广大学者及交通管理者的重视,并展开相关研究.
李爱增(1972-,男,河南汝州人,东南大学交通学院博士研究生,主要研究方向为交通运输规划与管理.Email:li-aizeng@163.com

第5期城市快速路出口标志位置设置研究
37
关于交通标志的设置,目前国外的研究较多地集中在对可变信息板的设计、可变信息板的显示内容、交通标志的形状及颜色、交通标志的照明及亮度等方面.关于交通标志的设置位置,文献[1]基于驾驶员眼睛与标志牌的连线和车行道方向的水平夹角、交通标志的侧向距离及车辆变换车道时间来研究交通标志的设置位置.文献[2]基于驾驶员夜间行驶时眼睛扫描标志和搜寻信息的试验数据,建立了夜间交通标志最小读取距离的概率分布函数来研究交通标志的设置问题.文献[3]以驾驶模拟的手段,通过对驾驶员转换车道过程中驾驶行为和视线转移过程的分析,得到了驾驶员转换车道过程中车辆加减速状况、转向灯开启状况等特征,为交通标志的设置提供了依据.
目前,国内关于交通标志的位置设置,其研究方法一般是根据驾驶心理学原理,以驾驶员对交通标志所传递信息接收和加工处理的基本顺序为依据,将驾驶员从交通标志获取信息并对所驾车辆实施操作的过程分为对交通标志视认和对所驾车辆
实施操作两个过程.有的研究者将此过程分为5个阶段,有的将其分为6个阶段,有的将其分
[6]
为7个阶段.但目前的研究方法中,一方面对交通标志位置设置的依据需要进行认真思考,另一方面对车辆变换车道时须行驶距离的确定还需进行深入的研究,这都将对快速路交通标志位置设置的合理性产生影响,本文对此进行详细阐述.
本文以单向两车道快速路出口标志位置设置为例进行研究,得到城市快速路出口标志位置设置的理论模型,并通过实例计算得到设计车速为60kmh、80kmh及100kmh的城市快速路出口标志设置位置.
[4]
[5]
1　驾驶员对城市快速路出口标志的识别和对所驾车辆实施操作的过程分析
从认识论和控制论的角度来看,从驾驶员发现交通标志到对所驾车辆实施操作完成,一般要经历发现标志、读取标志、进行决策、实施操作四个过程,详细分析可分为如下7个点,6个阶段,见图1.
图1　驾驶员发现标志至采取行动结束过程图
　
　　驾驶员在A点发现交通标志,此时看不清标志所显示内容,当行驶至B点时开始读取标志内容,到达C点时读取、理解结束开始进行判断是否需要采取行动,至D点时,判断结束,准备采取行动,对车辆的操作反应至E点结束,E点为对车辆实施操作的开始点,至G点时操作结束,F点为出口匝道的标志设置点.
读取标志结束点即决策开始点C至决策结束点D之间的距离为决策距离d,决策结束点D至对车辆实施操作开始点E之间的距离为操作反应距离b,操作开始点E至操作结束点G之间的距离为行动距离L,决策结束点D至标志设置点F之间的距离为可操作距离m,读取标志结束点即决策开始点C至标志设置点F之间的距离为读完后距离a,读取标志点B至标志设置点F之间的距离为标志视认距离S,标志设置点F至出口道鼻端之间的距离为出口道标志设置的前置距离D.
关于出口标志位置设置的依据,有的分析方法
2　城市快速路出口标志位置设置依据分析
为便于分析,设读取标志点B至读取标志结束点即判断开始点C之间的距离为读取距离c,

38
交通运输系统工程与信息2006年10月
要求读完后距离大于可操作距离;有的分析方法又定义了一个交通标志消逝距离即交通标志从驾驶员眼中的消逝点至交通标志之间的距离,要求视认距离大于读取距离与消逝距离之和.这些条件反映了交通标志设置的基本要求,但由于不同的驾驶员读取标志的时间不同,因而读取标志结束点的位置不尽相同,同时可操作距离定义为决策结束点至标志设置点之间的距离不尽合理,定义为决策结束点至出口道鼻端之间的距离更能符合实际情况;要求视认距离大于读取距离与消逝距离之和,但如果其小于读取距离、消逝距离、判断距离、甚至部分行动距离之和,也难以完成车辆需要驶出快速路时的一系列动作要求.
对于不同的驾驶员,读取时间、决策时间、操作反应时间各不相同,但其能看清交通标志点的位置
基本相同,基于上述分析,可确定城市快速路出口标志位置设置的依据为标志视认距离与标志前置
距离之和大于认读距离、决策距离、操作反应距离以及行动距离之和(如果出口标志位置设置不合理,操作行动结束点G也可能位于减速车道上,甚至位于出口匝道下游,即
S+D>c+d+b+L
=V1t1+V1t2+V1t3+L
上车辆的正常行驶速度;
t1———读取时间;
t2———决策时间;t3———操作反应时间.
标志视认距离S可计算如下(见图2:
(1
其中　V1———B、C、D各点的车速,即城市快速路
图2　标志视认距离计算图
　
hH-e
S=tgθ=tgθ
(2
V1———对车辆实施操作开始点的车速;j———对车辆实施操作的减速度.
有的定义操作行动距离L为从操作行动开始点
[5]
至路口(或危险点之间的距离,并有计算公式为
22
L=(n-1V1t2+(V1-V2(2a其中　n———车道数;V1———认读标志时的车速;
V2———达到路口(或危险点的车速;t2———判断须采取措施的时间;
a———汽车平均减速度.
上述算法均应用动力学原理对行动距离L进行计算,但上述算法中,一方面V2、j或a难以确定,另一方面,车辆变换车道过程中,车速V1很有可能改变,特别是外侧车道交通量较大时.3.2　行动距离L的计算模型研究3.2.1　对操作行动的微观分析
车辆接近城市快速路出口时,其行驶状态有两种,第一,车辆本身就在城市快速路外侧1车道行
其中　h———驾驶员水平视线与标志板上边缘间的垂直距离;
θ———读取标志点驾驶员眼睛和标志牌上缘连线与水平线夹角,可通过仪器测得;
H———标志牌上缘距离地面高度;e———驾驶员视线高,小汽车取1.2m,载重汽车取1.8m.
3　行动距离L计算模型研究
3.1　已有的行动距离L计算方法分析
对于行动距离L,有的定义为操作行动开始点与操作行动结束点之间的距离,并有计算公式为
L=(n-1L
＊
[6]
+(V-V(2j
2
221
其中　n———快速路单侧车道数;
＊
L———变换一次车道所需距离;
V2———对车辆实施操作完成点的车速;

第5期城市快速路出口标志位置设置研究
39
驶,这时车辆只需正常行驶酱可,不存在变换车道问题;第二,如果车辆行驶在内侧车道即外侧2车道,驾驶员会寻找时机由外侧2车道合流到外侧1车道,此时如果外侧1车道没有车辆或车头时距足够大,驾驶员会以正常行驶速度变换车道,如果外侧1车道车辆车头时距较小影响2车道车辆以正常行驶速度汇入,2车道车辆会变换车速寻找1车道车辆车头时距大于临界间隙的间隙汇入进行合流,此时车辆由外侧2车道汇入外侧1车道合流所需距离即为我们所研究的操作行动距离,因为此距离大于车辆可由外侧2车道以正常行驶速度汇入外侧1车道时所需距离.
3.2.2　行动距离L的计算模型
由于快速路外侧1车道车辆的运行状态、车头时距分布等对于快速路上匝道、下匝道、互通立交间隔设置、交织段的通行能力等的研究意义重大,因此引起了学者们的广泛关注,对快速路外侧1车道及相关部分展开了深入研究,例如高速公路合流
[7]
区1车道车头时距分布特征,高速公路合流区1车道交通量、高速公路加减速车道合流分流特[9]
征等.目前对于快速路车道长度的研究较多地集中在加减速车道上,研究方法有从延误理论出发研究变速车道长度的、有利用计算机模拟进行
[11][12]
研究的、有利用概率论进行研究的、有利用微分法进行研究的.目前对于城市快速路交通标志设置点前合流区长度的研究还较少,本节利用概率论方法,对车辆由城市快速路外侧2车道向外侧1车道汇合的行动距离L进行研究.
外侧1车道交通流特性是影响行动距离L的一个重要因素,主要表现在外侧1车道交通流的流量、速度、车头时距分布上,而这三者又有密切的联系,最直接的影响是车头时距的分布.对于城市快
[14]
速路的车头时距分布,研究结果为:
(1主线流量在0～500pcuhln时,车头时距分布服从移位负指数分布,分布函数为
-λ′(t-t
m
P(h≥t=e,t≥tmtm;
—t——平均车头时距(s;tm———最小车头时距(s.
(2主线流量在500～1000pcuhln时,车头时距服从2阶Erlang分布,分布函数为
P(h≥t=∑(2μte
i!i=0
i
1
-2μt
[13]
[10]
[8]
式中　μ———单位时间内车辆的平均到达率,pcus.(3主线流量在1000～1500pcuhln时,车头
时距服从M3分布,分布函数为
p(h≥t=
ρe
-λ(t-t
m
,t≥tmt<tm
0,,
(5
式中　ρ———车头时距大于tm的车流所占比例,q≥0.025pcus
0,q<0.025pcus
ρq
　　λ———形状参数,λ=;
1-tmq
ρ=
e
q———车流量,单位以pcus计.
根据文献[15],快速路基本路段、匝道—主线连接处、交织区设计时均采用二级服务水平;根据文献[14],二级服务水平下设计车速为60kmh、80kmh及100kmh的城市快速路路段交通量分别为220～750pcuh、500～1150pcuh及750～1550pcuh.为了使2车道车辆能够成功合流,不同设计车速下的二级服务水平交通量应取较大的值,由此可以得到不同设计车速的城市快速路设计服务水平下的车头时距分布.
下面分析当外侧1车道车头时距服从一定分布时,行动距离L的计算方法.当外侧2车道车辆汇入外侧1车道时,外侧1车道必须出现外侧2车道车辆能够接受的最小车头时距,这种最小车头时距称为临界间隙,记为tc,tc可理论上给出也可由实测数据统计得出.当外侧1车道车头时距小于tc时,2车道车辆不能汇入,当外侧1车道车辆车头时距大于等于tc时,2车道车辆可以成功汇入.以临界间隙tc作为判断标准,则外侧1车道的车头时距要么小于tc要么大于等于tc,因此在外侧1车道n个车头时距中,大于等于临界间隙tc的车头时距的个数X服从参数为n,pc的二项分布,即X～b(n,pc,则在外侧1车道n个车头时距中,有k个车头时距大于等于tc的概率为pk=p{X=k}=Cnpcqc
k
kn-k
-0.55(q-0.025
(3
,k=0,1,2,…,n
式中　λ′———移位负指数分布参数,λ′=1(t-
(6式中　pc———车头时距h大于等于临界间隙tc的概率,qc=1-pc.
由上述分析可知,当主线外侧1车道车头时距服从2阶Erlang分布时,
1-2μt
ie
pc=P(h≥t=∑(2μt(7
i!i=0
(4

40
1
交通运输系统工程与信息
i
2006年10月
i!
　　当主线外侧1车道车头时距服从M3分布时,
-λ(t-t
mpc=P(h≥tc=ρe(9
i=0
qc=1-pc=1-∑(2μt
e
-2μt
(8
员眼睛和标志牌上缘连线与水平线夹角θ约为7
～10°,取θ=8°,H取7m,e取1.2m.临界间隙tc约为3～4s
[16]
,取tc=3s,取tm=1s.
qc=1-pc=1-ρe
-λ(t-t
m
(1当设计车速Vf=60kmh时,取该设计车速下的二级服务水平交通量Q=700pcuh,此时外侧1车道车头时距服从2阶Erlang分布.计算得c+b+d=Vf(t1+t2+t3　　　　=60×(1.5+2+1.5×1000/3600　　　　=83.33(m
H-e7-1.2h==≈41.27(mS=
tgθtg8tgθ
　　由(7式计算可得pc=0.6747,由(8式可得qc=0.3253.取α=0.97,由(11式计算可得n=4,则由(12式可得
Ld=n×
Vf×1000
Q
(10
　　由二项分布的定义,当k=0时,p0为外侧1车道的n个车头时距中出现了0个车头时距大于
等于tc的概率,即外侧1车道的n个车头时距中
n
没有出现车头时距大于等于tc的概率,
k=1
∑p
k
=
1-p0即为外侧1车道n个车头时距中允许车辆完成合流的概率.
n
令　　　
k=1
∑pk=1-p0≥α
(11
α为能使外侧2车道车辆成功汇入外侧1车道的概率,为了使2车道车辆成功汇入,α可取较
大的值.将由(7式、(8式或(9式、(10式计算得到的pc、qc代入(11式,即可得到使外侧2车道车辆成功汇入1车道时所需的外侧1车道的车头时距个数n.
由设计车速Vf及该设计车速下的二级服务水平交通量Q即可由式(12求得外侧2车道车辆成功汇入外侧1车道时的行驶距离Ld.
Vf×1000
(12
Q
　　(12式说明在长度为Ld的距离内,可以使得
Ld=n×
外侧2车道车辆完成合流的概率为α(为了使外侧2车道车辆成功合流,α取较大的值,此Ld即为所求的操作行动距离L.
=4×60×1000=342.86(m
700
　　则L=Ld=342.86m.由(13式可得设计车速为60kmh的城市快速路出口标志位置设置的前置距离D为
D>c+d+b+L-S=83.33+342.86-41.27=384.92(m,可取D=400m.
　　(2当设计车速Vf=80kmh时,取该设计车速下的二级服务水平交通量Q=1100pcuh,此时外侧1车道车头时距服从M3分布.计算得c+b+d=Vf(t1+t2+t3　　　　=80×(1.5+2+1.5×1000/3600　　　　=111.11(m
hH-e7-1.2S=tgθ=tgθ=tg8≈41.27(mq=1100pcuh=0.3056pcus,ρ=e
=e=0.8750
ρq0.8750×0.3056
λ===0.3772
1-tmq1-1×0.3056　　由(9式计算得pc=0.4115,由(10式计算得qc=0.5885.取α=0.97,由(11式计算可得n=7,则由(12式可得
Ld=n×
Vf×1000
Q
-0.55(q-0.025
-0.55(0.3056-0.025
4　城市快速路出口标志位置设置模型
根据上述计算,由(1式即可得出城市快速路
出口标志位置设置的前置距离D的计算模型为
D>c+d+b+L-S=V1t1+V1t2+V1t3+
　n×
Vf×1000H-e
-Qtgθ
(13
5　实例计算
下面分别计算设计车速为60kmh、80kmh及
100kmh的城市快速路出口标志设置位置.
读取标志时间t1约为1～2s,取t1=1.5s;决策时间t2约为2～2.5s,取t2=2s;操作反应时间t3约为1.5～2.5s,取t3=1.5s.读取标志点驾驶
=7×80×1000=509.09(m
1100
　　则L=Ld=509.09m.由(13式可得设计车速为80kmh的城市快速路出口标志位置设置的前置

第5期城市快速路出口标志位置设置研究
41
距离D为
D>c+d+b+L-S=111.11+509.09-41.27=578.93(m,可取D=580m.
　　(3当设计车速Vf=100kmh时,取该设计车速下的二级服务水平交通量Q=1500pcuh,此时外侧1车道车头时距服从M3分布.采用与Vf=80kmh时相同的计算步骤,可得设计车速为100kmh的城市快速路出口标志位置设置的前置距离D为
D>c+d+b+L-S=138.89+692.31-41.27=789.93(m,可取D=790m.
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6　结论
通过本文分析得到如下结果:
(1从认识论和控制论的角度,将驾驶员对交通标志的识别和对所驾车辆的操作过程分为7个点,6个阶段进行研究,通过对已有交通标志设置条件的分析,得到了交通标志位置设置的理论依据,它同样也是交通标志并设和列队连设的设置依据.
(2对驾驶员由城市快速路外侧2车道向外侧1车道的汇合过程进行微观分析,在此基础上利用概率论的方法得到了操作行动距离L的理论计算模型.
(3在第(2点的基础上得到了城市快速路出口道交通标志设置的前置距离D的理论模型,并通过实例计算得到了设计车速为60kmh、80kmh及100kmh的城市快速路出口标志位置设置的前置距离.
驾驶员在城市快速路外侧2车道发现和读取交通标志时,有可能因为外侧1车道车辆尤其是大车的阻挡而使其视线受到阻碍,从而使得驾驶员不能在正常路段内完成对车辆的操作过程,由此引起措施不及、错向行驶甚至交通事故,这时需要考虑同一交通标志多块连续设置的问题,这就需要对交通标志设置的块数和设置的间隔进行深入的分析,这是本文需要进一步研究的方向.

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/2aaa75d502768e9950e73848.html

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