公路交通科技  2025, Vol. 42 Issue (10): 335-345

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贝润钊, 杜志刚, 梅家林, 韩磊, 许富强.
BEI Runzhao, DU Zhigang, MEI Jialin, HAN Lei, XU Fuqiang
高速公路隧道弯道区域线型轮廓标适用性试验研究
Experimental study on applicability of linear delineators in curve area of expressway tunnels
公路交通科技, 2025, 42(10): 335-345
Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2025, 42(10): 335-345
10.3969/j.issn.1002-0268.2025.10.023

文章历史

收稿日期: 2023-01-16
高速公路隧道弯道区域线型轮廓标适用性试验研究
贝润钊1,2 , 杜志刚1,2 , 梅家林1 , 韩磊1 , 许富强1     
1. 武汉理工大学 交通与物流工程学院, 湖北 武汉 430063;
2. 交通信息与安全教育部工程研究中心, 湖北 武汉 430063
摘要: 目标 系统评估线型轮廓标在不同半径高速公路隧道弯道中的适用性, 为优化隧道弯道视线诱导系统设置、提升行车安全性提供依据。方法 构建了4种轮廓标类型(国标传统型、短条形、中条形和长条形)与3种弯道半径(500 m、1 500 m、2 500 m)组合的模拟驾驶场景, 以30 Hz频率采集车辆在隧道弯道区域(接近段、弯道段、驶离段)的速度数据, 并分析弯道段平均速度、速度曲线趋势、速度选择指标(开始减速位置、入弯速度、最低速度、出弯速度)以及速度控制指标(减速幅度和速差)。结果 在3种半径的弯道, 线型轮廓标的适用性均优于国标中规定的传统轮廓标; 不同长度的线型轮廓标在接近段和弯道段的作用效果有显著性差异; 在接近段, 相较于短条形轮廓标, 中条形和长条形轮廓标有助于驾驶人对前方弯道早发现、早决策、早行动, 具有让驾驶人提前开始减速的效果。结论 推荐在隧道弯道设置线型轮廓标; 500 m小半径弯道应慎用长条形, 以防安全隐患; 1 500 m中半径弯道可根据控速需求灵活选择长度; 2 500 m大半径弯道不同线型轮廓标差异不大, 可选用短条形以控制成本。中条形轮廓标因在各半径下均能诱导驾驶人提前减速且速度曲线正常, 被推荐为适用范围最广的方案。
关键词: 交通工程    线型轮廓标    模拟驾驶试验    隧道弯道    速度    
Experimental study on applicability of linear delineators in curve area of expressway tunnels
BEI Runzhao1,2, DU Zhigang1,2, MEI Jialin1, HAN Lei1, XU Fuqiang1    
1. School of Transportation and Logistics Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan, Hubei 430063, China;
2. Engineering Research Center of Ministry of Education for Transportation Information and Safety, Wuhan, Hubei 430063, China
Abstract: Objective The study investigated the applicability of linear delineators in expressway tunnel curved sections with varying radii, providing a basis for the setting of visual guiding system in curved sections and improving traffic safety. Method The simulated driving scenarios were constructed incorporating four types of delineators (traditional standard-defined, short-strip, medium-strip, and long-strip) and three curve radii (500, 1 500, 2 500 m). Vehicle speed data in tunnel curve areas, i.e., approach section, curved section and departure section, were collected at the frequency of 30 Hz. The analysis was carried out on average speed, speed profile trend, speed selection indicators (deceleration initiation point, entry speed, minimum speed, and exit speed), and speed control indicators (speed reduction amplitude and speed differential). Result Among curves with all three radii, the linear delineators demonstrate better applicability than traditional standard-defined delineators. Significant differences are observed in the effectiveness of different-length linear delineators in approach sections and curved sections. In approach sections, compared with short-strip delineators, the medium-strip and long-strip delineators facilitate earlier detection, earlier decision-making, and earlier action by drivers toward upcoming curve, resulting in earlier deceleration responses. Therefore, medium-strip or long-strip linear delineators are recommended for tunnel curved sections. Cautions are advised when installing linear delineators in curved sections with 500 m radius. For curved sections with 1 500 m radius, the length of linear delineators can be selected based on specific speed control requirements. In curved sections with 2 500 m radius, short-strip delineators may be installed from a cost-saving perspective. Medium-strip linear delineators have the broadest range of applicability. Conclusion It is recommended to set linear delineators in tunnel curved sections. Cautions are advised when installing linear delineators in curved sections with 500 m radius. For curved sections with 1 500 m radius, the length of linear delineators can be selected based on specific speed control requirements. In curved sections with 2 500 m radius, short-strip delineators may be installed from a cost-saving perspective. Medium-strip linear delineators are recommended as the most widely applicable scheme, because they can induce drivers to decelerate in advance, and the speed curve is under each radius.
Key words: traffic engineering    linear delineator    simulated driving test    curves in tunnel    speed    
0 引言

截至2024年末,全国有公路隧道28 724处、3 259.66万延米,较上一年增加1 427处、236.48万延米[1]。由于许多公路隧道建设在地形复杂的山区,考虑到线形与成本,不可避免地在隧道平面线形中采用曲线,因此弯道路段在隧道中较为常见。公路弯道段具有很高的安全风险,事故数占所有路段的18.4%,死亡人数和受伤人数分别占所有路段的23.3%和19.6%[2-3]。考虑高速公路隧道环境具有空间封闭、视区狭窄、单调重复等特点,且具有更高的设计速度,驾驶人在高速公路隧道弯道区域行驶具有更高的危险性[4]。驾驶车辆过程中驾驶人通过视觉获得90%以上的交通信息,80%以上交通事故的主要致因为驾驶人的感知、判断或操作失误[5]。视线诱导系统能优化公路隧道视觉参照系,有效调控驾驶人视错觉,从而减少不良驾驶行为,进而降低事故率[6]

为了在隧道中更科学地设置视线诱导系统,国内外学者对多种视线诱导设施的功能进行了研究。在速度感知方面,Manser[7]的结果表明,驾驶人通过隧道侧壁上不同类型的纹理来感知速度,并根据速度感知进行速度选择和速度控制;Wan[8]以速度高估程度和速度知觉负荷定量描述速度感知,研究了公路隧道侧墙标线的角度和长度对驾驶人速度感知的影响,结果表明,在试验选择的参数范围内,速度高估程度随着侧壁标记角度或长度的增加而降低,速度知觉负荷在标记角度为15°时最小;孟爽[9]将不同视线诱导设施抽象为不同尺度、不同频率的视觉信息,定量描述了大、中、小尺度以及高、中、低频视觉信息对速度高估程度的影响。在弯道段曲率感知方面,Du[10]定义了弯道错觉程度,并采用弯道错觉程度和反应时间评价不同视线诱导设施对驾驶人曲率感知能力的影响,结果表明,视距范围内一次可见3个反光环能有效提高驾驶人的曲率感知能力。在弯道段速度感知与横向偏移的关系方面,刘兵[11]研究了非对称边缘率标线对弯道驾驶人横向位置的影响,结果表明驾驶人整体偏离感知速度大的一侧。在弯道段曲率感知与横向偏移的关系方面,Sun[12]指出道路边缘标记可以提升驾驶人的曲率感知能力,从而减小车辆运行轨迹波动,降低弯道事故率。此外,Wu[13]研究发现,在弯道段设置线形诱导标对于接近弯道段的车辆有预警与速度控制的作用,可以辅助限速标志预防车辆在弯道段超速,还可以提高驾驶人在弯道的安全感。同时,反光环、线形诱导标这类大尺度视线诱导设施均有预警的作用,且效果具有叠加性[14]

《公路交通安全设施设计规范》 (JTG D81—2017)对于除轮廓标以外的其他可应用于隧道的视线诱导设施,如线形诱导标、轮廓带,虽提及推荐做法,但没有强制要求设置,而明确要求应在隧道侧壁以及检修道设置轮廓标。冯守中[15]对隧道中部轮廓标的部分设置参数进行研究,并指出应在隧道内部设置尺寸较高、较大的视线诱导设施。此外,JTG D81—2017还专门指出:在线形条件复杂的路段应设置反光性能较高、反射体尺寸较大的轮廓标,但没有提供详细参数。隧道弯道段属于线形条件复杂的路段,在该路段轮廓标的尺寸是一项重要的设计参数。区别于传统轮廓标,线型轮廓标采用整体为条形、内部为多个弧形反光面的设计,通过增长轮廓标来增大尺寸,增强警示效果,在弯道段可能有更强的适用性,且已经在一些路段投入使用。因此有必要对不同长度的线型轮廓标在不同半径弯道的适用性进行专门研究。

1 隧道弯道段线型轮廓标设置方法 1.1 驾驶人在隧道弯道区域的需求

对于由直线段入弯,出弯后又转为直线段的路线,驾驶人在入弯前即受前方弯道的影响,出弯后一段时间内才脱离弯道的影响。将弯道及弯道的影响区称为弯道区域,并将其划分为接近段、弯道段和驶离段,如图 1所示。驾驶人需要隧道弯道区域视距、视区良好,并能为其提供清晰、明确的空间路权[16],即保证其可清晰明确地视认:(1)隧道建筑限界;(2)车道宽度、检修道位置、侧墙位置;(3)道路的平、纵线形。在此基础上,驾驶人需要驾驶环境中的视觉参照为其提供恰当的速度感知,而对于隧道弯道区域,驾驶人需要在接近段对前方弯道的弯曲程度形成恰当的视认预期[17],在弯道段形成恰当的感知曲率[16],并最终完成车速控制、车道保持。驾驶人在接近段、弯道段、驶离段的差异化需求见表 1

图 1 隧道弯道区域 Fig. 1 Curved area in tunnel

表 1 驾驶人在接近段、弯道段和驶离段的差异化需求 Tab. 1 Differentiated demand of drivers in approach section, curved section and departure section
弯道区域分段 差异化需求
视觉需求 车速控制
接近段 视认前方弯道,判断弯道的弯曲程度。 减速
弯道段 恰当的曲率感知。 调和车速
驶离段 满足基本视觉需求即可。 恢复车速

1.2 线性视线诱导设施

线性诱导是一种优化视线诱导设施、构建视线诱导系统的理念,借鉴了照明设计领域中线性照明的设计思路。线性照明采用连续的线条状光源,如直线形、曲线形、环形光源,能够有效勾勒出建筑及空间轮廓。与线性照明类似,线性诱导利用多种线条状视线诱导设施,包括短条形、中条形、长条形、环形设施,提高行驶环境的局部亮度与对比度,勾勒轮廓及线形走向,进而提高驾驶人对不同距离交通信息的有效感知,引导其安全完成驾驶任务。

视线诱导设施功能可概括为线形诱导和轮廓诱导,其中线形诱导的内涵为:引导驾驶人视认前进方向平纵线形的变化,使驾驶人获得良好的方向感,驾驶人可根据线形变化适当调整行车方向;轮廓诱导的内涵为:警示道路整体及障碍物轮廓,尤其是隧道路段,使驾驶人获得良好的空间感,驾驶人可及时调整车辆的横向位置。线性视线诱导设施是指符合“线性诱导”设计理念,可以更好地实现线形诱导、轮廓诱导功能的视线诱导设施,特点见表 2

表 2 线性视线诱导设施的特点 Tab. 2 Characteristics of linear visual guiding devices
特点 含义
较大尺寸,远端可视 比点状信息尺寸更大,可视距离更远,可确保识别视距范围外可视,有助于驾驶人更早建立视认预期。
形式多样,功能多样 有短条形、中条形、长条形等几种常见方式,可适应复杂识别视距、简单识别视距、停车视距等不同视距要求,并可调控驾驶人的速度感知、曲率感知。
勾勒轮廓,明确限界 与建筑限界或构筑物轮廓附着设置,不侵入建筑限界,可提高其局部亮度与对比度,进而增强用路人对其的视认性,确保用路人的空间路权。
发光分散,柔和舒适 相对于传统照明灯具,诱导设施光线分散柔和,为驾驶人提供舒适的视觉环境。

1.3 线型轮廓标

轮廓标用于指示边缘轮廓和道路的前进方向,在隧道中用于明确检修道、侧壁位置和道路平、纵线形。区别于国标中的传统轮廓标,线型轮廓标是在纵向(沿行车方向)上长度较长的轮廓标,尺寸更大,可视距离更远,勾勒隧道线形效果更好,视觉连续效果更佳。线型轮廓标属于线性视线诱导设施,其线形诱导、轮廓诱导功能加强,或许可以达到预警与调节驾驶人曲率感知的效果。同时线型轮廓标有类似于边缘率标线的效果[17],不同长度的线型轮廓标闪现频率及视觉暂留时间不同,或许可以调节驾驶人的速度感知。

基于线性诱导理念,设计3种不同长度的线型轮廓标:短条形轮廓标(长度0.5 m)、中条形轮廓标(长度1 m)、长条形轮廓标(长度2 m)。然而线型轮廓标在隧道弯道区域的作用效果是否优于传统轮廓标,在接近段、弯道段有何功能,其长度、设置位置、设置间隔以及在不同半径弯道的适用性尚缺乏科学依据,因此本研究主要通过模拟驾驶试验研究不同长度的线型轮廓标在不同半径弯道的适用性。

2 试验 2.1 试验设备及被试

试验采用基于UC-win/Road的3自由度驾驶模拟平台,主要构件为驾驶舱和弧形屏幕,驾驶舱由实车改造而成,可以提供真实的驾驶体验(包括震动、声音),弧形屏幕搭配5个投影可以提供沉浸式仿真场景。驾驶模拟平台以30 Hz的频率记录驾驶绩效指标,并在一次试验结束后将试验数据自动保存。

选择被试需要考虑样本量以及被试构成,其中样本量应满足最小样本量要求,被试构成应符合我国驾驶人的性别、年龄结构。最小样本量的计算见式(1):

$ N=Z^2 \sigma^2 / E^2, $ (1)

式中,N为样本量;Z为标准正态分布统计量;σ为标准偏差;E为最大误差。

通常,选择10%的显著性水平来反映未知参数的90%置信水平。当置信水平为90%时,Z=1.25;σ取值为0.25~0.5,由于驾驶模拟试验人数限制,σ取为0.40;E=10%。因此,计算所需最小样本量为25。据此本文将样本量定为30,在满足最小样本量的基础上进一步提高精度,同时为保证一定的冗余,确保当部分样本无法满足要求时不必展开二次试验,本次试验招募了37名驾驶人。2021年我国男女驾驶人比例为1.97∶1,26~50岁驾驶人占70.71%,51~60岁驾驶人占14.48%[18]。故试验招募的驾驶人包括25名男性驾驶人,12名女性驾驶人,男女比例2.08∶1。驾驶人年龄在22~54岁之间,其中26~50岁驾驶人26人,占比70.27%;51~60岁驾驶人5人,占比13.51%。所有驾驶人视觉、听力均良好,驾龄超过2年。

2.2 仿真场景

试验共包含12个仿真场景,每个仿真场景均为限速80 km/h的高速公路隧道弯道,由弯道前直线段、左向弯道段、弯道后直线段构成,其中弯道长度为500 m,弯道前、后直线段长度均为1 000 m。弯道长度为500 m满足《公路路线设计规范》 (JTG D20—2017)对平曲线一般值的要求,直线段长度为1 000 m可以完整呈现驾驶人未受弯道影响、受弯道影响、脱离弯道影响的驾驶过程。

接近段与驶离段分别为弯道段前后500 m范围。在接近段驾驶人可能会采取减速行为,因此接近段的长度应大于识别视距(决策视距),取弯道前500 m为接近段,满足设计速度80 km/h条件下,JTGD 20—2017中复杂识别视距及AASHTO对于E级决策视距的要求。同时,经检验,所有被试在弯道前500 m尚未对前方弯道采取减速行为,在弯道后500 m处,所有被试均已恢复直线段车速(80 km/h左右)。

为了控制变量,弯道段选用单圆曲线,且采用相同的长度、转向。Jiao[19]认为隧道弯道半径越小,驾驶人注视点越集中于曲线内侧,心理压力越大,驾驶时的安全性越低,在相同半径下,相较于右转,左转时驾驶人的紧张感和危险系数更高。同时,左转弯时内侧车道的视距、视区更差,危险系数更高。因此在内侧车道驾驶通过左向弯道是各种驾驶情形(内侧、外侧×左向、右向)中的最不利情形。据此弯道段采用左向弯道, 且在模拟驾驶中车辆保持在内侧车道行驶。

仿真场景参照《公路工程技术标准》 (JTG B01—2014)和《公路隧道设计规范》 (JTG 3370.1—2018)构建:设计速度为80 km/h;分离式双向4车道,单车道宽度取3.75 m;隧道建筑限界为5 m,两侧检修道宽度取0.75 m,左侧侧向宽度取0.5 m,右侧侧向宽度取0.75 m,标线宽度为20 cm;隧道内照度水平按照100%照明标准设计, 满足《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014的要求。

JTG D20—2017规定隧道内宜采用不设超高的平曲线半径;受条件限制需采用设置超高的平曲线时,其超高不宜大于4%。设计速度为80 km/h的隧道,受限最小半径为300 m,一般最小半径为400 m,不设超高最小半径为2 500 m。考虑到隧道弯道多出现在山区高速公路,而山区高速公路隧道弯道可能由于地形受限设置超高,并且不考虑极端情况,选择500,1 500,2 500 m为试验中的弯道半径,并在500,1 500 m的试验场景中设置对应的超高。

信志刚[20]对直线段轮廓标的设置间距和高度进行了研究,轮廓标间距以15 m左右为宜,设置高度约为0.4,1 m分别有利于小型车、大型车驾驶人的视觉环境改善。据此试验场景中在检修道侧壁(设置高度0.4 m)和隧道侧墙(设置高度1 m)均设置轮廓标,直线段轮廓标设置间距为15 m,考虑到驾驶人在弯道段需要进行曲率感知,需要更小的轮廓标设置间距,选择10 m作为弯道段设置间距。设置于隧道弯道段检修道侧壁的轮廓标类型是一个试验的变量,包括点状、短条形、中条形、长条形轮廓标,其他位置的轮廓标均为传统轮廓标。轮廓标设置参数如表 3所示。

表 3 轮廓标设置参数 Tab. 3 Setting parameter of delineators
轮廓标设置参数 设置高度 设置间距 设置类型 反光膜 线型轮廓标长度
参数描述 检修道侧壁0.4 m,隧道侧墙1 m。 直线段15 m,弯道段10 m。 弯道段检修道侧壁:变量,点状、短条型、中条型、长条型中的一种;其他位置:传统轮廓标。 Ⅵ类:微棱镜型结构,有金属镀层。 短条型0.5 m,中条型1 m,长条型2 m。

2.3 试验方法及流程

试验包括适应性练习和正式试验。考虑到驾驶模拟平台和实地驾驶有差异,通过适应性练习让驾驶人在包含直线与弯道的户外场景上训练,筛选严重不适应驾驶模拟平台的驾驶人,以及让驾驶人熟悉操作。适应性练习以驾驶人是否适应为标准。驾驶人适应需同时满足4个条件:(1)适应性练习时间大于20 min。(2)认为自己可以胜任这项工作。(3)主试认为该驾驶人可以胜任。(4)该驾驶人在训练后的测试中没有违反交通法规,且可以保持车道行驶。

每个驾驶人完成适应性练习后开始正式试验,按随机顺序完成12个场景,2个场景间隔20 min。正式试验按如下步骤进行:(1)被试填写个人信息表,包括性别、年龄、驾龄等信息;(2)向被试宣读引导书后开始正式试验,同时主试记录被试在不同方案中的表现;(3)驾驶人主观问询:主试查看被试的数据,根据驾驶人的速度曲线以及在不同方案中的表现与驾驶人交流,记录驾驶人在不同路段的感受并保存驾驶模拟数据。在正式试验中,要求驾驶人保持在内侧车道行驶。驾驶人在弯道区域的速度受进入时的速度、仪表盘、速度感知的共同作用。本研究期望驾驶人仅根据对场景的速度感知来选择车速,从而测试不同长度的轮廓标对车辆在弯道区域的速度的影响。因此,为了控制变量,在进入弯道区域之前仪表盘正常工作,要求驾驶人根据场景及仪表盘保持车速在80 km/h左右,来使不同驾驶人在不同场景中进入弯道区域的速度大致相等。在弯道区域仪表盘失效,并在试验开始之前提前告知驾驶人弯道区域仪表盘会失效,应根据场景控制车速,如此可以消除驾驶人看仪表盘对速度产生的影响。为避免周围车辆的干扰,在正式试验时,仿真场景中不加载其他车辆。

3 试验结果 3.1 弯道段平均速度

弯道段平均速度是指车辆在弯道段所有采样点速度的平均值,它是一个粗粒度指标,但可以大致反应驾驶人在不同场景下的速度选择,因此选用该指标对驾驶人的速度选择进行初步研究。获得各被试在不同场景下的弯道段平均速度,分别取均值后得到如图 2所示的三维速度分布图。

图 2 弯道段平均速度三维分布图 Fig. 2 Three-dimensional distribution of average velocity in curved section

在三维速度分布图中,不同场景的速度分布在55~90 km/h之间,棱锥台越尖锐对应的速度越大,且所有速度以5 km/h为一个梯度划分为7个梯度,分别以不同的颜色对应。根据三维速度分布图可以归纳出以下信息:

(1) 500 m半径弯道的4个场景速度全在65 km/h之下,1 500 m和2 500 m半径弯道的8个场景速度全在70 km/h之上。

(2) 速度最小值为59.82 km/h,在场景3(500 m×中条形)取得,速度最大值为85.48 km/h,在场景9(2 500 m×点状)取得。

(3) 不同场景速度的基本规律为:①随着弯道半径增大,速度增大;②随着线型轮廓标长度增大,速度减小;③相较于受线型轮廓标长度的影响程度,速度随弯道半径变化的幅度更大。

(4) 上条所述基本规律有一处特例:在500 m半径弯道段,随着线型轮廓标长度的增大,弯道段平均速度呈现先增大,后减小,再增大的趋势。在500 m半径的弯道,传统轮廓标和长条形轮廓标的速度曲线为W形,是异常速度曲线,这导致了此处特例的产生。

两因素方差分析(F=12.129, P < 0.005)表明,轮廓标类型和弯道半径类型的交互作用对弯道段平均速度的影响存在统计学意义。为了进一步研究轮廓标类型的单独效应(500 m, P=0.013; 1 500 m, P=0.000; 2 500 m, P=0.000),将获得的各被试在不同场景下的弯道段平均速度,按照半径分组统计,得到不同半径条件下的分组箱线图,如图 3所示。

图 3 弯道段平均速度分组箱线图 Fig. 3 Boxplot of average velocity in curved section

根据分组箱线图可以进一步归纳出以下信息:

(1) 半径为500,1 500,2 500 m时,弯道段平均速度分别集中在57.5~66,68~82,75~89 km/h,且随着轮廓标长度的增大,弯道段平均速度在区间内变化。由此可知:弯道半径决定弯道段平均速度的所处区间,不同的轮廓标类型在此基础上调节弯道段平均速度。

(2) 改设了线型轮廓标后速度的离散程度变小,这说明改设线型轮廓标后驾驶人在弯道段的速度选择更集中。

不同场景弯道段平均速度的变化规律可以体现驾驶人在弯道段的速度选择行为,但没有将整个弯道区域统筹考虑,无法获悉微观驾驶行为,不足以判断不同长度线型轮廓标在不同半径弯道的适用性。因此为了对弯道区域进行精细化研究,在弯道区域每隔50m取一个断面统计所有被试的瞬时车速,并取其平均值作为断面速度。

3.2 速度曲线形式分析

图 4~6分别为500,1 500,2 500 m半径条件下点状、短条形、中条形、长条形轮廓标的速度曲线,可以看出每隔50 m取一个断面可以清晰反应车辆在弯道区域的速度变化趋势,不同场景的速度曲线形式可以分为U形、V形、W形、和√形,V形速度曲线和√形速度曲线的区别在于:V形的速度最低点在弯道段取得,而√形的速度最低点在接近段取得;在驶离段,V形速度曲线加速到与没有受弯道影响的速度相当的速度就停止加速,√形速度曲线继续加速。各场景速度曲线形式及其安全性如表 4示,“★”的个数代表安全性,数量越多安全性越好,“★★★”表示安全性合格,不同曲线形式的安全性分析及比较见表 5及表后的分析。场景1,5,9,也即在不同半径的弯道段设置传统轮廓标对应的场景,弯道区域不同路段驾驶人主观问询和速度曲线形式分析如表 5所示。

图 4 半径500 m弯道条件下不同轮廓标类型的速度曲线 Fig. 4 Speed curves of different delineators in curved section with 500 m radius

图 5 半径1 500 m弯道条件下不同轮廓标类型的速度曲线 Fig. 5 Speed curves of different delineators in curved section with 1 500 m radius

图 6 半径2 500 m弯道条件下不同轮廓标类型的速度曲线 Fig. 6 Speed curves of different delineators in curved section with 2 500 m radius

表 4 各场景速度曲线形式及其安全性 Tab. 4 Form and security of speed curves in various scenarios
速度曲线形式 场景 成因 安全性
U形 场景2(500 m×短条形)、场景3(500 m×中条形)、场景10(2 500 m×短条形)、场景11(2 500 m×中条形)、场景12(2 500 m×长条形) 无异常驾驶行为 ★★★★★
V形 场景6(1 500 m×短条形)、场景7(1 500 m×中条形)、场景8(1 500 m×长条形) 无异常驾驶行为 ★★★★
√形 场景5(1 500 m×点状)、场景9(2 500 m×点状) 报复性加速 ★★
W形 场景1(500 m×点状)、场景4(500 m×长条形) 报复性加速与受限性减速
注:★的个数代表安全性,数量越多安全性越好,★★★表示安全性合格。

表 5 不同路段驾驶人主观问询和速度曲线形式 Tab. 5 Driver subjective inquirys and speed curve forms at different sections
接近段 弯道段 驶离段
驾驶人主观问询 场景1/5/9 (1)驾驶人会对前方弯道的弯曲程度形成自己的判断,并根据自己的判断选择入弯速度;(2)距离弯道很近时才能判断弯道的弯曲程度;(3)未完成判断时处于彷徨、不自信的状态;(4)完成弯曲程度判断时认为自身车速偏低。 场景1 报复性加速一段时间后,觉得难以控制车辆。 场景1/5/9 尽快恢复车速,倾向于采用比弯道段高的速度。
场景5/9 报复性加速后,控制车辆的难度在可以接受的范围内。
速度曲线形式分析 场景1/5/9 (1)形式:先以较大的减速度减速,再加速入弯;
(2)原因:①减速度较大是由于驾驶人处于彷徨、不自信的状态;②加速入弯是由于,驾驶人完成对前方弯道弯曲程度判断时,认为自身车速偏低,进而报复性加速。
场景1 (1)形式:报复性加速一段时间后,减速到最低车速,然后加速出弯;
(2)原因:减速是因为车速过高,在500 m半径的弯道控制车辆难度大,称这个减速过程为受限性减速。
场景1 继续加速,直到与受弯道影响前的速度相当。
场景5/9 (1)形式:持续报复性加速;
(2)原因:1 500,2 500 m半径的弯道线形条件较好,驾驶人认为加速后可以控制车辆。
场景5 继续大幅加速,直到88 km/h左右。
场景9 继续小幅加速,直到88 km/h左右。

值得注意的是,由驾驶人主观问询可知,对于场景4(500 m×长条形),驾驶人在接近段很早就可以判断弯道的弯曲程度,也没有处于彷徨、不自信的状态,但还是产生了和场景1(500 m×点状)类似的W形速度曲线,这可能是因为:驾驶人判断的弯道弯曲程度过小,这导致驾驶人在接近段以较大的加速度减速,进而在弯道段引发报复性加速与受限性减速。此外,由图 4可以看出,车辆在场景4弯道段的受限性减速幅度更大,这是由于:相较于传统轮廓标,长条形轮廓标可以提高驾驶人的速度感知,具有抑制速度的效果。

图 4~6可以看出,除了场景1,4,5,9外,其他场景(即在不同半径的弯道段设置不同长度线型轮廓标的场景)的速度曲线呈U形或V形。对于这些场景,由驾驶人主观问询可知,驾驶人在接近段很早就可以判断弯道的弯曲程度,且没有彷徨、不自信的状态,同时速度曲线表明,驾驶人在接近段的减速幅度较小,在弯道段先继续减速,直到达到最低车速后开始加速,出弯后恢复车速到与受弯道影响前的速度相当。此外,增长线型轮廓标后速度曲线整体下移,且在弯道段的偏移最为明显。

由上述分析可知:(1)W形和√形速度曲线均是由报复性加速和受限性减速产生的,区别在于,报复性加速后,驾驶人在500 m半径弯道中难以控制车辆,在1 500 m和2 500 m半径弯道中,控制车辆的难度在可接受范围内。(2)W形和√形速度曲线是反常、具有安全隐患的,形成的根本原因可能为驾驶人无法在接近段及时判断前方弯道的弯曲程度,或判断的弯曲程度过小。(3)传统轮廓标在不同半径弯道下的速度曲线均是反常的,长条形轮廓标在500 m半径弯道下的速度曲线也是反常的。(4)线型轮廓标可以帮助驾驶人在接近段及时判断前方弯道的弯曲程度,且在弯道段有抑制速度的效果,除了场景4(500 m×长条形),线型轮廓标的其他应用场景速度曲线均是正常的,整体上看,线型轮廓标在3种半径的弯道适用性均优于传统轮廓标。(5)W形速度曲线波动性大,安全性低于√形速度曲线,U形速度曲线底部更平坦,安全性高于V形速度曲线。

3.3 速度选择、速度控制指标变化规律

线型轮廓标可以帮助驾驶人在接近段及时判断前方弯道的弯曲程度,在弯道段有抑制速度的效果,但研究发现,长条形轮廓标应用于500 m半径弯道时会产生W形速度曲线,存在安全隐患,因此有必要研究各类线型轮廓标在不同半径弯道的适用性。本节通过速度选择、速度控制指标评价各类线型轮廓标在不同半径弯道的适用性。速度选择指标包括:车辆的开始减速位置、入弯速度、弯道段最低速度(以下简称最低速度)、出弯速度。其中开始减速位置可反映:驾驶人认为是否需要减速过弯,以及对于需要减速过弯的场景,驾驶人何时认为需要减速过弯,开始减速位置靠前说明设施有助于驾驶人针对前方弯道早发现、早决策、早行动;入弯速度可以体现驾驶人的直观半径,入弯速度越低,直观半径越小;最低速度和出弯速度可反映设施抑制速度的效果。速度控制包含弯道段减速幅度(以下简称减速幅度)和弯道段速差(以下简称速差)2个指标,其中减速幅度为最低速度与入弯速度之差,速差为出弯速度与入弯速度之差。速度选择、速度控制指标的试验数据如 图 7~9表 6所示。

图 7 弯道半径500 m条件下不同长度线型轮廓标的速度曲线及关键点速度 Fig. 7 Speed curves and key point velocities of different linear delineators in curved section with 500 m radius

图 8 弯道半径1 500 m条件下不同长度线型轮廓标的速度曲线及关键点速度 Fig. 8 Speed curves and key point velocities of different linear delineators in curved section with 1 500 m radius

图 9 弯道半径2 500 m条件下不同长度线型轮廓标的速度曲线及关键点速度 Fig. 9 Speed curves and key point velocities of different linear delineators in curved section with 2 500 m radius

表 6 速度选择和速度控制指标试验数据 Tab. 6 Test data of speed selection indexes and speed control indexes
半径/ m 试验指标 线型轮廓标长度
短条形 中条形 长条形
500 速度选择指标 开始减速位置/m 400 300
入弯速度/(km·h―1) 77.08 71.18
最低速度/(km·h―1) 56.64 56.16
出弯速度/(km·h―1) 57.68 56.97
速度控制指标 减速幅度/(km·h―1) ―20.44 ―15.02
速差/(km·h―1) ―19.40 ―14.21
1 500 速度选择指标 开始减速位置/m 550 300 300
入弯速度/(km·h―1) 80.32 78.02 76.63
最低速度/(km·h―1) 72.56 68.11 64.76
出弯速度/(km·h―1) 75.32 69.75 65.47
速度控制指标 减速幅度/(km·h―1) ―7.76 ―9.91 ―11.87
速差/(km·h―1) ―5.0 ―8.27 ―11.16
2 500 速度选择指标 开始减速位置/m 550 300 300
入弯速度/(km·h―1) 81.44 79.21 78.37
最低速度/(km·h―1) 77.55 76.68 75.23
出弯速度/(km·h―1) 78.46 77.55 75.94
速度控制指标 减速幅度/(km·h―1) ―3.89 ―2.53 ―3.14
速差/(km·h―1) ―2.98 ―1.66 ―2.43

单因素方差分析(ANOVA)表明:500 m半径条件下,开始减速位置(P=0.000)和入弯速度(P=0.023)在短条形与中条形之间存在显著差异;1 500 m半径条件下,开始减速位置(P=0.000)、入弯速度(P=0.035)、最低速度(P=0.031)、出弯速度(P=0.037)在不同长度线型轮廓标内均存在显著差异;2 500 m半径条件下,开始减速位置(P=0.000)在不同长度线型轮廓标内均存在显著差异。由于1 500 m和2 500 m半径条件下有效的线型轮廓标类型有3种,ANOVA显著后,要获知不同轮廓标类型两两之间是否存在显著差异需要进行事后检验。事后检验结果表明:1 500 m半径条件下,开始减速位置在短条形与中条形以及短条形与长条形之间存在显著差异,入弯速度、最低速度、出弯速度在3种轮廓标类型两两之间存在显著差异;2 500 m半径条件下,开始减速位置在短条形与中条形以及短条形与长条形之间存在显著差异。

由开始减速位置可以看出:在500 m半径的弯道设置短条形轮廓标,驾驶人在弯道前100 m处开始减速,设置中条形轮廓标,驾驶人在弯道前200 m处开始减速,驾驶人开始减速位置提前了100%;在1 500 m与2 500 m半径的弯道设置短条形轮廓标,驾驶人入弯后50 m才开始减速,而设置中、长条形轮廓标,驾驶人由不提前减速转变为在弯道前200 m处即开始减速。由此可知相较于短条形轮廓标,中、长条形轮廓标在500,1 500,2 500 m半径的弯道均可以使开始减速位置显著提前,有助于驾驶人对前方弯道早发现、早决策、早行动。

对于入弯速度,相较于在500 m半径的弯道设置短条形轮廓标(77.08 km/h),设置中条形轮廓标(71.18 km/h)使入弯速度下降了7.65%;在1 500 m半径的弯道,设置中条形轮廓标(78.02 km/h)相较于设置短条形轮廓标(80.32 km/h)入弯速度下降了2.86%,设置长条形轮廓标(76.63 km/h)相较于短条形轮廓标(80.32 km/h)下降了4.59%,相较于中条形轮廓标(78.02 km/h)下降了1.79%。由驾驶人主观问询可知,驾驶人根据直观半径选择入弯速度,直观半径越小入弯速度越低,因此入弯速度可以反映直观半径,由此可知增长条形轮廓标可以减小驾驶人的直观半径。然而入弯速度由短条形轮廓标到中条形轮廓标的下降幅度(2.86%),大于由中条形轮廓标到长条形轮廓标的下降幅度(1.79%),或许是由于中条形相对于短条形可以使驾驶人提前减速,而长条形与中条形的提前减速效果是一致的,提前减速也会导致车辆的入弯速度降低。

对于最低速度和出弯速度,只有在1 500 m半径弯道,不同长度线型轮廓标之间才存在显著差异。短、中、长条形轮廓标的最低速度为72.56,68.11,64.76 km/h,依次下降6.13%,4.92%,出弯速度为75.32,69.75,65.47 km/h,依次下降7.40%,6.14%。对于500m与2 500 m半径的弯道,最低速度和出弯速度虽然没有显著差异,但也呈随线型轮廓标长度增加而下降的趋势,由此可知,线型轮廓标在弯道段具有抑制速度的效果,这种效果随着线型轮廓标长度的增加而增强。在500 m半径的弯道差异不显著可能是由于,500 m半径的弯道本身就有很强的减速效果,在500 m半径的弯道设置短条形轮廓标,减速效果已接近极限。增长为中条形后下降趋势不明显,进一步增长为长条形后速度曲线反常可以初步佐证这一猜测。在2 500 m半径的弯道差异不显著可能是由于,2 500 m半径的弯道线形良好,驾驶人不减速也可以安全平顺地过弯。

在500,1 500,2 500 m半径的弯道,减速幅度和速差随线型轮廓标长度的增大没有明显的变b化规律,这是可能是由于,驾驶人处于弯道段时会首先根据自己的驾驶感受进行速度选择,然后根据速度选择进行速度控制,同时速度控制不仅受速度选择的影响,还与做出选择时的初始状态有关,这便形成了速度选择指标有规律而速度控制指标无规律这一现象,速度控制是为了实现速度选择。

4 结论

(1) 相较于国标中规定的传统轮廓标,线型轮廓标在纵向上(沿行进方向)长度较长,包括短条形轮廓标、中条形轮廓标、长条形轮廓标,符合线性诱导设计理念。整体上看,线型轮廓标在500,1 500,2 500 m半径的弯道适用性均优于传统轮廓标。

(2) 在接近段,相较于短条形轮廓标,中条形、长条形轮廓标有助于驾驶人对前方弯道早发现、早决策、早行动,具有让驾驶人在接近段提前开始减速的效果。在500 m半径的弯道段,设置中条形轮廓标可以使驾驶人的开始减速位置提前100%;在1 500 m和2 500 m半径的弯道段,设置中条形和长条形轮廓标可以使驾驶人由不提前减速转换为在弯道前200 m开始减速。驶入隧道弯道段前驾驶人提前减速,有助于提高隧道弯道区域的安全水平,因此更推荐在隧道弯道段设置中条形、长条形轮廓标。

(3) 在500 m半径的弯道段,设置短条型轮廓标即有明显的速度抑制效果,设置中条形轮廓标已接近极限值,再加长为长条形轮廓标就产生了安全隐患,故应在类似的弯道段设置线型轮廓标需谨慎;在1 500 m半径的弯道段,3种线型轮廓标均有明显的速度抑制效果,同时这种效果随着线型轮廓标长度的增大变化适度,可以根据不同的控速需求选择线型轮廓标的长度;在2 500 m半径的弯道段,不同长度线型轮廓标的速度抑制效果没有显著差异,从节约成本的角度讲可设置短条型轮廓标。

(4) 中条形轮廓标适用于500,1 500,2 500 m 3种半径的弯道,适用范围最广。在500,1 500,2 500 m半径的弯道段设置中条形轮廓标,均可以使驾驶人在弯道前200 m开始减速,且速度曲线正常,入弯速度、最低速度、出弯速度均小于设计速度。

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