基于驾驶行为的隧道交通标志影响特征及作用机理_赵晓华.pdf

第 51 卷 第 4 期2023 年 4 月Vol.51 No.4April 2023华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition）基于驾驶行为的隧道交通标志影响特征及作用机理赵晓华1 董文慧1 李佳1 刘琪琪1 张常奋2（1.北京工业大学 北京市交通工程重点实验室，北京 100124；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381）摘要：合理设置隧道交通标志能够在一定程度上缓解隧道特殊环境引发的“时空隧道效应”。文中研究了高速公路隧道内部交通标志（限速标志、出口预告标志）对驾驶行为的影响特性，首先选取特长隧道作为实验路段，通过驾驶模拟实验测试获取驾驶人细粒度微观行为数据，然后再考虑随机效应影响的条件下构建线性混合效应模型，揭示了隧道内部交通标志对驾驶行为的影响特征及作用机理。结果表明：不同影响区段内交通标志对驾驶行为的作用存在差异；在隧道内部设置限速标志能够一定程度上降低事故风险的发生概率，限速标志的重复设置一定程度上能提高驾驶人的操控能力；在隧道内部设置限速标志及出口距离预告标志有助于改善驾驶人空间控制能力、提高驾驶舒适度，其中，在距离隧道出口约小于1 km的影响区段内设置隧道出口距离预告标志有助于提高驾驶人的行车舒适性，在距离隧道出口2 km和1.5 km的影响区段内设置预告标志能在提高车辆控制能力的同时使驾驶人具有更高的行驶车速；此外，隧道交通标志作用下的驾驶行为受驾驶人性别、年龄、驾驶经验等特征属性影响，男性驾驶人的驾驶风险更低。关键词：隧道交通标志；驾驶行为；影响特征；作用机理；线性混合效应模型；驾驶模拟技术中图分类号：U491.5+21文章编号：1000-565X（2023）04-0088-13近年来，我国公路隧道大规模发展，尤其是长大隧道及隧道群数量迅速增加 1。截止2020年底，全国公路隧道共计21 316处、总长2 199.93万m，其中特长隧道1 394处、总长623.55万m，长隧道5 541处、总长963.32万m。公路隧道飞速发展给交通安全带来了新的挑战。与开放路段相比，隧道发生事故的可能性较小。然而，由于隧道的特殊构造，一旦发生事故，事故严重程度高于普通路段2。研究表明，2016 年至 2020 年，全国隧道路段平均每年发生814.6起交通事故，导致247.2人死亡，分别占全国交通事故总量的0.35%和0.39%3。行车过程中，驾驶人主要依靠视觉获取周边交通环境信息4。然而，隧道中部区域照度低，环境单调、缺乏变化，属于弱视觉参照系环境，易形成“时空隧道效应”5。在“时空隧道效应”作用下，驾驶人心理负荷增大，急于“逃离”隧道，显著低估车速、高估跟车距离，容易诱发超速行为，追尾、撞侧墙等事故发生概率明显增加5-6。隧道交通问题始终困扰着相关领域的研究人员，如何改善隧道行车环境以提升其安全水平，是国内外学者探究的热点问题。目前，主要通过合理设置隧道照明设施及交通安全设施两种方法改善其运行环境与行doi：10.12141/j.issn.1000-565X.220251收稿日期：20220504基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFB1600500）Foundation item：Supported by the National Key R&D Program of China（2019YFB1600500）作者简介：赵晓华（1971-），女，博士.教授，主要从事交通安全、驾驶行为研究。E-mail：通信作者：李佳（1990-），女，博士，讲师，主要从事道路交通安全、驾驶行为研究。E-mail：第 4 期赵晓华 等：基于驾驶行为的隧道交通标志影响特征及作用机理车安全7。其中，针对交通安全设施的有效性国内外学者开展了大量的探索性研究，主要针对驾驶人视觉和心理特性的变化规律，提出了满足驾驶人生理、心理特征需求的安全设施优化的建议8-12。诸多交通安全设施中，研究者认为交通标志的优化设置是性价比最高的一种交通安全改善措施13。现实情况中，长大隧道路段交通标志主要包括警告标志、禁令标志、指路标志、旅游标志。隧道内部交通标志主要涉及限速标志和出口距离预告标志 13。近年来，研究人员深入分析了隧道交通标志设置问题。杜志刚等 8 研究了驾驶人在隧道出口路段瞳孔面积的变化规律，分了析驾驶人对隧道出口交通标志的准确认知；有学者基于驾驶人识认及驾驶特性，研究得到隧道限速标志纵向前置距离 14；吴朝阳等 15 基于视觉连续性理念探讨了隧道内标志版面几何尺寸及位置设置问题，提出了基于视觉连续性理念的隧道内标志设置原则；同时，也有学者针对高速公路长大隧道路段交通安全需求，分析交通标志设置对各指标参数的影响效用，并提出最优化设计方案 13。此外，GB 57682009道路交通标志和标线 16、JTG D822009公路交通标志和标线设置规范 17、公路隧道提质升级行动技术指南、JTG/T3381-022020 公路限速标志设计规范 18 中均包含了隧道路段交通标志设置的相关规定。GB 57682009中规定特长隧道中部区域应设置隧道出口距离预告标志以达到隧道出口的指示作用，并规定了其设置参数。JTG/T3381-022020中指出，隧道限速标志宜设置在隧道入口前100200 m处，可根据需要与隧道限高标志合并设置。相关研究和标准一定程度上能够缓解“时空隧道效应”。尽管现有研究和标准规范为隧道路段交通标志设置提供了基本原则和依据；但是，对于隧道限速标志的运用（具体位置）仍缺乏细致描述 19，关于隧道路段是否需要重复设置限速标志以强化驾驶人控速意识没有形成共识；特别是针对隧道出口距离预告标志的设置效用以及是否会加剧驾驶人的逃逸心理没有形成明确结论；这些问题制约了隧道标志的科学使用。因此，有必要从人因角度出发，量化特长隧道环境下交通标志的配套设置对驾驶行为的影响特性，为实现其合理设置提供理论依据和科学指导。鉴于此，文中从驾驶人角度研究隧道内部交通标志对驾驶行为的影响特性，选取隧道出口距离预告标志和限速标志作为研究对象。首先，采用驾驶模拟技术搭建典型特长隧道场景，开展驾驶模拟实验测试，得到细粒度的微观行为数据；然后，选择4个行为表现指标（平均速度，速度标准差，横向偏移和加速度），并考虑驾驶人属性随机效应，构建线性混合效应模型，量化分析隧道内部交通标志对驾驶行为变化特征及影响规律的作用效果。研究基于人因角度解析隧道交通标志对驾驶人行为的影响规律，以期为隧道交通安全设施安全水平的综合改善提供依据。1特长隧道驾驶模拟实验1.1被试选取本研究基于预期方差、目标置信度和误差幅度计算所需样本量。计算公式为N=(Z/2+Z)222（1）式中：N为样本量；Z/2为标准正态分布的/2上分位数（双侧检验统计量）；Z为标准正态分布的上分位数（单侧检验统计量）；为正态分布总体标准差；为响应指标均值与参考指标均值差值。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/2=1.65；为了平衡效度和成本效益，使用 80%的效度，当=0.2 时，Z=0.84；的取值通常难以估计，根据=可得20，是有意义的差异，经验取值区间为0.250.521，文中取值为0.5。通过计算，研究所需的样本量为25。在基于驾驶模拟技术的道路交通安全研究中，参与者数量一般在20到40人不等22-25，本研究共招募31名被试进行实验，样本量符合要求，具备科学性和合理性。被试均为职业驾驶员，高速公路驾驶经验丰富，其中87.5%的驾驶员有隧道驾驶经验。相关信息如表1所示。被试年龄在2254岁之间，平均值表1驾驶员基本信息Table 1Basic information of the driver驾驶员特征男性女性年龄1824岁年龄2534岁年龄3549岁年龄50岁及以上驾龄5年及以下驾龄610年驾龄11年及以上数量/人238252133820比例/%74.225.86.516.167.79.79.725.864.5平均值40.7岁14.8年SD8.0岁7.1年89第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）为（40.78.0）岁；驾龄均超过两年，平均值为（14.87.1）年。性别比例和年龄分布均符合现阶段中国驾驶员统计特征26。所有被试对实验内容知情并自愿参加。同时，实验人员对被试进行风险评估，提前做好应急措施及补救方法。1.2实验仪器实验所用驾驶模拟器（如图1所示）采用AutoSim公司的模拟驾驶系统，属于实车模拟器；共有8台电脑主机，其中6台用于计算虚拟驾驶场景并分别显示在投影和LCD上，1台用于计算车辆的实时动力参数，1台用于运行主控软件并协调各硬件设备；音响系统模拟真实驾驶时的音效。模拟驾驶系统的软件部分包括Evariste、Simword和Scancer；其中Evariste用于建立模拟驾驶环境；Simword用于运行模拟驾驶环境；Scancer用于采集驾驶时的车辆数据，采样频率为30 Hz，可提取行驶速度、加速度、偏移中心线位置等车辆行驶状态数据，以及刹车、油门、方向盘转角等操控行为数据。模拟器具有3个自由度，可为驾驶员提供前方130水平视野和40垂直视野，以及左右后视镜和后方30水平视野、40垂直视野。1.3场景设计本研究主要探究高速公路隧道内设置出口距离预告标志以及重复设置限速标志对驾驶人行为特征的影响。为此，选定北京冬奥会主干道兴延高速公路作为3D模型基础，选取3.5 km长的隧道路段作为测试路段。在选定隧道测试路段已有设施的基础上，研究设计3种隧道内部交通标志设置方案，隧道交通标志设置示意图如图2所示。其中方案A作为控制组不设置交通标志。其余隧道基础设施根据GB 5768.22009道路交通标志和标线 第 2 部分 道路交通标志 和JTG D70-22014公路隧道设计规范 第二册 交通工程与附属设施规范进行设计。隧道设计参数及交通标志方案设置如表2、表3所示。按照设计规范中隧道设计参数要求，应用3D Max软件搭建隧道虚拟仿真场景，效果如图3所示。1.4实验流程实验由预实验和正式实验组成，预实验选用非正式实验场景测试被试是否适应驾驶模拟环境，同时熟悉驾驶模拟操控。正式实验时，被试需驾驶通过随机排列的 3 条隧道。每个场景驾驶时长约10 min。为避免长时间驾驶造成疲劳效应，被试1次只驾驶1个场景，测试3次，每次驾驶任务至少间隔20 min。实验步骤如下：（1）被试填写相关信息，包括个人信息和实验前生理、心理表；（2）被试驾驶练习5 min，并向被试宣读实验指导语，包括注意事项、应急情况处理及设备仪器使用等；（3）佩戴设备，告知被试目的地，完成驾驶测试；（4）实验员记录驾驶情况，保存数据；（5）实验结束后，被试填写主观问卷以评价模拟场景的真实度及驾驶过程中主观心理感受。1.5数据预处理已有研究表明，模拟环境下驾驶人的最大视认有效距离为150200 m27-29。为更好地进行数据分析，本研究根据交通标志影响划分区域。隧道全程即隧道入口到隧道出口的区段。交通标志影响区域划分为4部分（区段1，2 km预告（限速）标志影响区段；区段2，1.5 km预告标志影响区段；区段3，1 km预告标志影响区段；区段4，0.5 km预告标志影响区段），均为标志设置前150 m和后350 m，并以5 m为间隔对实验数据进行截取，划分结果如图4所示。图1实验设备Fig.1Experimental apparatus90第 4 期赵晓华 等：基于驾驶行为的隧道交通标志影响特征及作用机理2驾驶人在隧道交通标志影响下的行为特性2.1指标选取隧道交通标志设置的本质目的是保证驾驶人在图2隧道交通标志设置示意图（单位：m）Fig.2Schematic diagram of tunnel traffic sign setting（Unit：m）图3仿真场景搭建及效果展示Fig.