黄利华1,2,3,赵晓华1,2,李洋1,4,荣建1,2
(1.北京工业大学 城市交通学院,北京 100124;2.北京市交通工程重点实验室(北京工业大学),北京 100124; 3.北京城市系统工程研究中心,北京 100035;4.北京警察学院,北京 102202)
摘要:
为解决城市快速路小间距路段出口预告标志缺失等问题,针对小间距路段出口设置了5种预告标志方案,开展驾驶模拟试验,提取了9种指标进行重复测量方差分析,最终获取了6种显著影响指标. 采用基于熵权法的TOPSIS方法,评估5种方案的设置效用. 结果表明:在快速路小间距路段出口减速车道起点前1.0、0.5 km及起点处设置3次预告标志时,综合设置效果最好；其次为按照中国规范（GB 5768.2—2009）设置4次预告,及按照日本规范设置4次预告. 采用K-means聚类及LSD对比分析,发现1次预告方案指路效果明显较差. 最终建议小间距路段出口前设置3次预告标志,条件受限时应至少进行2次预告.
关键词: 城市快速路 小间距路段出口 预告标志 驾驶模拟 TOPSIS方法
DOI：10.11918/201810190
分类号:U491.5+21
文献标识码:A
基金项目:北京市交通行业科技项目(2016-kjc-01-002); 国家自然科学基金面上项目(61672067)
Optimal settings of advance guide signs of small spacing segment exits on urban expressway
HUANG Lihua1,2,3,ZHAO Xiaohua1,2,LI Yang1,4,RONG Jian1,2
(1. College of Metropolitan Transportation, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2. Beijing Key Laboratory of Traffic Engineering (Beijing University of Technology), Beijing 100124, China; 3. Beijing Research Center of Urban System Engineering, Beijing 100035, China; 4. Beijing Police College, Beijing 102202, China)
Abstract:
To solve the problems such as lack of advance guide signs of small spacing segment exits on urban expressway, this study proposed five kinds of advance sign setting schemes and conducted a driving simulation experiment. Nine types of evaluation indicators were extracted and analyzed by repeated ANOVA, and six indicators were selected which were significantly affected by different schemes. TOPSIS method combined with entropy weight coefficient was used to evaluate the effectiveness of the five schemes. Results showed that it had the best effect on the driving behavior when setting advance guide signs at 1 km, 0.5 km, and 0 km before the starting point of the deceleration lane. It was followed by the scheme with four advance guide signs according to China standard (GB 5768.2—2009), and the scheme with four advance guide signs according to Japan related standards. K-means cluster and LSD comparison analysis revealed that the effectiveness of setting one advance guide sign was poor. Since the scheme of three advance guide signs had the best effectiveness, it is recommended to be adopted. When road conditions are limited, at least two advance guide signs should be set.
Key words: urban expressway small spacing segment exits advance guide signs driving simulation TOPSIS
黄利华, 赵晓华, 李洋, 荣建. 城市快速路小间距路段出口预告标志优化设置[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2020, 52(3): 121-128. DOI: 10.11918/201810190.
HUANG Lihua, ZHAO Xiaohua, LI Yang, RONG Jian. Optimal settings of advance guide signs of small spacing segment exits on urban expressway[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2020, 52(3): 121-128. DOI: 10.11918/201810190.
基金项目 北京市交通行业科技项目(2016-kjc-01-002);国家自然科学基金面上项目(61672067) 作者简介 黄利华(1990—)，女，博士;
赵晓华(1971—)，女，教授，博士生导师 通信作者 赵晓华，zhaoxiaohua@bjut.edu.cn 文章历史 收稿日期: 2018-10-30
Abstract Full text Figures/Tables PDF
城市快速路小间距路段出口预告标志优化设置
黄利华1,2,3, 赵晓华1,2
, 李洋1,4, 荣建1,2 1. 北京工业大学 城市交通学院，北京 100124;
2. 北京市交通工程重点实验室(北京工业大学)，北京 100124;
3. 北京城市系统工程研究中心，北京 100035;
4. 北京警察学院，北京 102202
收稿日期: 2018-10-30
基金项目: 北京市交通行业科技项目(2016-kjc-01-002);国家自然科学基金面上项目(61672067)
作者简介: 黄利华(1990—)，女，博士; 赵晓华(1971—)，女，教授，博士生导师
通信作者: 赵晓华，zhaoxiaohua@bjut.edu.cn
摘要: 为解决城市快速路小间距路段出口预告标志缺失等问题，针对小间距路段出口设置了5种预告标志方案，开展驾驶模拟试验，提取了9种指标进行重复测量方差分析，最终获取了6种显著影响指标.采用基于熵权法的TOPSIS方法，评估5种方案的设置效用.结果表明：在快速路小间距路段出口减速车道起点前1.0、0.5 km及起点处设置3次预告标志时，综合设置效果最好；其次为按照中国规范(GB 5768.2—2009)设置4次预告，及按照日本规范设置4次预告.采用K-means聚类及LSD对比分析，发现1次预告方案指路效果明显较差.最终建议小间距路段出口前设置3次预告标志，条件受限时应至少进行2次预告.
关键词: 城市快速路 小间距路段出口 预告标志 驾驶模拟 TOPSIS方法
Optimal settings of advance guide signs of small spacing segment exits on urban expressway
HUANG Lihua1,2,3, ZHAO Xiaohua1,2
, LI Yang1,4, RONG Jian1,2 1. College of Metropolitan Transportation, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;
2. Beijing Key Laboratory of Traffic Engineering (Beijing University of Technology), Beijing 100124, China;
3. Beijing Research Center of Urban System Engineering, Beijing 100035, China;
4. Beijing Police College, Beijing 102202, China
Abstract: To solve the problems such as lack of advance guide signs of small spacing segment exits on urban expressway, this study proposed five kinds of advance sign setting schemes and conducted a driving simulation experiment. Nine types of evaluation indicators were extracted and analyzed by repeated ANOVA, and six indicators were selected which were significantly affected by different schemes. TOPSIS method combined with entropy weight coefficient was used to evaluate the effectiveness of the five schemes. Results showed that it had the best effect on the driving behavior when setting advance guide signs at 1 km, 0.5 km, and 0 km before the starting point of the deceleration lane. It was followed by the scheme with four advance guide signs according to China standard (GB 5768.2—2009), and the scheme with four advance guide signs according to Japan related standards. K-means cluster and LSD comparison analysis revealed that the effectiveness of setting one advance guide sign was poor. Since the scheme of three advance guide signs had the best effectiveness, it is recommended to be adopted. When road conditions are limited, at least two advance guide signs should be set.
Keywords: urban expressway small spacing segment exits advance guide signs driving simulation TOPSIS
城市快速路出口包含立交出口、路段出口两种类型.实际中，快速路出入口多、标志设置空间受限，大多以立交出口预告标志作为设置重点.此外，路段出口预告标志相关标准缺乏，加剧了预告标志的随意设置，尤其是对于小间距路段出口(出口间距小于300 m)[1].当前，路段出口已成为快速路的重要部分，预告信息的不足极易诱发出口附近的驾驶安全、交通拥堵问题，完善路段出口的预告标志设置十分必要.
在国外研究中，文献[2-5]主要借助驾驶模拟试验评估高速公路指路标志的设置效用，从驾驶员的理解性、视认性及行为表现方面提出指路标志的优化设置建议.文献[6-9]借助桌面模拟、驾驶模拟、实地测试试验手段，分析立交桥出口图形预告标志对驾驶行为的影响，为该标志的优化设计提供了科学依据.在国内研究中，文献[10-11]针对现状问题的分析提出快速路指路标志设计设置原则.文献[12-13]通过借鉴国外高速公路指路标志设置方法提出中国高速公路及快速路预告标志改进方法.文献[14-18]结合标志视认原理搭建高速公路及快速路指路标志位置优化设置模型.文献[19]借助室内视认及现场认读试验提出基于容错理念的快速路指路标志设置方法.相比国外，国内主要借助归纳分析、国外借鉴、视认模型等定性化研究手段开展高速公路及快速路预告标志设置研究，未能有效结合动态驾驶行为数据开展量化研究.因此，为提升研究成果在实际应用中的适用性，中国应针对快速路小间距路段出口预告标志，采用驾驶模拟、实地测试等试验手段，基于动态驾驶行为数据开展定量优化研究.
1 需求分析立交出口通常连接高等级道路或区域，路段出口位于立交桥之间，一般通达低等级道路或地点，如图 1所示.北京城市快速路约383.2 km，五环内立交桥245座.立交桥之间一般有1~3个路段出口，间距普遍在500 m左右，部分小至250 m左右.为尽快完善快速路交通安全设施薄弱环节，应优先针对小间距路段出口开展预告标志优化研究.
Fig. 1
图 1 城市快速路中的立交出口、路段出口 Fig. 1 Interchange exit and road exit on urban expressway 1.1 相关标准中国现有国标、地标及指南[20-23]规范了高速公路或城市快速路出口的预告标志设置方法，以北京市为例，预告标志设置如图 2(a)所示.实质上，中国规范主要解决高速公路出口、快速路立交出口的指引问题.然而，两类出口与路段出口在间距、功能方面存在较大差异，现有预告方法对路段出口的适用性有待验证.
Fig. 2
图 2 国内外预告指路标志设置示例 Fig. 2 Examples of advance guide signs in different countries 美国高等级路网发达，立交桥是城市快速路与其他道路的主要连接形式，城市快速路路段出口甚少.文献[24]主要针对快速路立交桥预告标志进行详细规范，如图 2(b)所示.日本与中国在道路建设体系中更为相似，城市快速路路段出口普遍存在，道路标识手册[25]明确规定其预告标志的设置方法，如图 2(c)所示.为探究日本快速路路段出口预告方法的设置效果，本文将日本设置方法作为方案之一，与中国设置方法进行对比.
1.2 存在问题以北京南二环的方庄出口、芳古出口，及通惠河北路的万利中心出口、西大望路出口预告标志设置为例，如图 3所示. 4个小间距路段出口存在预告标志设置次数、位置、形式不一致的问题，万利中心出口甚至存在预告标志缺失的现象.
Fig. 3
图 3 北京快速路小间距路段出口指路标志 Fig. 3 Advance guide signs for small spacing segment exits on urban expressway of Beijing 当前，城市快速路主要为双向6车道道路，且出口密集、标志设置空间受限.为合理分配空间资源，现状预告标志以门架式多出口组合预告为主，并配合悬挂式预告为辅.以北京市快速路某出口D为例，如图 4所示，双向6车道条件下最多可设4次预告标志.
Fig. 4
图 4 双向6车道条件下D出口预告标志 Fig. 4 Advance guide sign of exit D under the condition of two-way 6 lanes 1.3 研究目标选取北京市典型快速路小间距路段出口(间距250 m)设计5种实验场景，包含5种预告次数，即按照中国相关规范设置预告标志1次、2次、3次、4次及按照日本相关规范设置4次(日本)，设置参数见表 1.采用驾驶模拟技术开展效用评估研究，以获取最优预告方法.
表 1
表 1 5条实验场景预告标志的设置参数 Tab. 1 Setting parameters of advance guide signs in five simulation scenarios 预告次数 预告标志位置 1次 减速车道起点
2次 0.5 km、减速车道起点
3次 1.0、0.5 km、减速车道起点
4次 2.0、1.0、0.5 km、减速车道起点
4次(日本) 0.8、0.4、0.2 km、减速车道起点
表 1 5条实验场景预告标志的设置参数 Tab. 1 Setting parameters of advance guide signs in five simulation scenarios
2 试验设计 2.1 被试者招募招募被试者28名，其中男女比例3:1，非职业、代驾司机比例5:9.被试者年龄分布在20~55岁(平均年龄数为33.18，年龄数标准差为8.78)，驾龄分布在2~23 a(平均驾龄数为8.72，驾龄数标准差为5.84).
2.2 试验仪器基于驾驶模拟舱系统，实时、动态采集车辆行驶状态数据(如行驶速度、加减速度等)、操控行为数据(如刹车、油门等)，采样频率为30 Hz.
2.3 试验场景5条实验场景中所含测试道路相同，道路组成如图 5所示.
Fig. 5
图 5 试验道路及4次预告标志设置示例 Fig. 5 Experimental road and an example with installation of four advance guide signs A—B为0.5 km的试验起始路段(双向4车道，限速60 km/h)；B—C为1 km的试验过渡路段(双向2车道，限速30 km/h)；C—G为2.25 km的城市快速路路段(双向6车道，限速80 km/h)，D、E、F、G为4个出口位置. C—D、D—E间距分别为1.0、0.75 km；E—F、F—G间距均为0.25 km，G′为目的出口G减速车道渐变段起点.
5条试验道路中，对实验目的出口G分别按照北京市现行规范进行1、2、3、4次预告，及日本现状进行4次预告；非目的出口按照北京规范设置4次预告(见图 4).以目的出口G按照北京规范设置4次预告为例(非目的出口指路标志省略)，如图 5所示.每条场景道路长约4 km，驾驶时间约5 min.
2.4 试验过程每位被试者随机驾驶5个试验场景，试验步骤如下：1)练习驾驶.被试者在非试验场景中驾驶5 min，以适应模拟车辆及周围环境. 2)告知任务.告知被试者试验注意事项，如车辆限速、事故处理等；并告知去往目的地，要求按照日常驾驶习惯完成驾驶任务. 3)正式驾驶.被试者开始驾驶，模拟系统采集试验数据. 4)结束任务.驾驶结束后，工作人员提问并记录被试者寻找此次目的地的难易程度.随后被试者休息5~10 min，之后重复第2步，驾驶新的试验场景. 5)问卷填写.被试者将5个场景全部完成后，填写驾后主观问卷.
3 指标研究表明快速路出口前500 m是驾驶人的关键运行区域.定义出口前500 m为关键影响范围，以查看不同预告标志方案对驾驶人在关键区域(O—G)的影响，如图 6所示.
Fig. 6
图 6 关键影响范围 Fig. 6 Definition of key influence area 基于驾驶人认知过程，从主观感受、操控行为、运行状态3个层面，获取关键影响范围内的9种指标数据，建立影响指标体系, 分析预告标志的影响规律，支撑5种预告方案的效用评估.
1) 主观感受.目的地难易程度打分：驾驶员对寻找目的地难易程度的主观打分. 0代表非常难，10代表非常容易.
2) 操控行为.GPpower：驾驶员踩油门的功效和[26]，关键影响范围内值越小表明驶出出口安全性越高，
3) 运行状态.速度：车辆行驶快慢情况，越接近运行速度行驶状态越好.速度标准差：车辆行驶速度波动或行驶平稳情况[27]，波动越小越好.加速度：车辆加减速情况，与运行状态有关，行驶越顺畅越好.加速度标准差：加速度波动情况，表征行驶舒适程度，越小越好.行驶时间：车辆运行时长，代表行驶效率，越短越好.正确驶出比例：正确驶出目的出口的人员比例，表征标志引导效果，越高越好.
4 预告次数对驾驶行为的影响采用重复测量方差分析，分析5种预告方案对驾驶行为的影响，发现不同预告次数对驾驶员主观感受、操控行为、车辆运行状态方面的影响不同.
1) 主观感受.目的地难易程度打分：预告次数对驾驶员寻找目的地难易感受存在显著性影响(F(4, 108)=7.03; Sig=0.001)；随着预告次数增加，分值增高，表明驾驶员认为预告标志增多有助于寻找目的地，如图 7所示.
Fig. 7
图 7 预告方案对主观感受指标的影响 Fig. 7 Influence of five schemes on subjective feeling indicators 2) 操控行为.GPpower：预告次数对油门功效存在显著性影响(F(4, 108)=5.67;Sig=0.00)；随着预告次数增加而降低，设置4次预告时反而有小幅增加，如图 8(a)所示.换车道次数：预告次数对换车道次数存在显著性影响(F(4, 108)=10.22;Sig=0.00)；随着预告次数增加而降低，设置3次预告时达到最小；设置4次、4次(日本)预告时反而有增多趋势，如图 8(b)所示.
Fig. 8
图 8 预告方案对操控行为指标的影响 Fig. 8 Influence of five schemes on maneuvering behavior indicators 3) 运行状态.速度：预告次数对行驶速度存在显著影响(F(4, 108)=3.14;Sig=0.04)；随着预告次数增加有降低趋势；设置3次预告时，速度反而增加，如图 9(a)所示.速度标准差：预告次数对速度标准差无显著影响(F(4, 108)=0.86;Sig=0.51)；随着预告次数增加有上升趋势；设置3次预告时，速度波动反而减小，如图 9(b)所示.加速度：预告次数对加速度无显著影响(F(4, 108)=1.46;Sig=0.25)；随着预告次数增加而降低，设置3次预告时降幅更为明显，如图 9(c)所示.加速度标准差：预告次数对加速度标准差无显著影响(F(4, 108)=0.35;Sig=0.84)；但随着预告次数增加而逐渐降低，如图 9(d)所示.行驶时间：预告次数对行驶时间存在显著影响(F(4, 108)=3.58;Sig=0.02)；设置1、3次预告时行驶时间较短，如图 9(e)所示.正确驶出比例：预告次数对正确驶出目的出口比例存在显著影响(F(4, 108)=4.13;Sig=0.011)；随着预告次数增加而增加，1次预告时明显较低，如图 9(F)所示.
Fig. 9
图 9 预告方案对运行状态指标的影响 Fig. 9 Influence of five schemes on operating status indicators 综上所述，获取了不同预告次数显著影响的6种指标(Sig < 0.05).结合6种指标定义及具体数值(见图 7~9)，对5种方案在每类显著指标下的表现由优到劣排序(排序值为1~5)见表 2.发现每种指标下5种预告次数的优劣排序不同，难以确定最优方案.
表 2
表 2 5种预告次数在6种显著指标下的优劣排序 Tab. 2 Ranking of five schemes under six significant indicators 预告次数 6种显著指标排序值 目的地难易程度打分 GPpower 换车道次数 速度 行驶时间 正确驶出比例
1次 5 5 5 1 1 4
2次 4 4 4 4 5 3
3次 3 2 1 2 2 2
4次 2 3 2 5 4 1
4次(日本) 1 1 3 3 3 2
表 2 5种预告次数在6种显著指标下的优劣排序 Tab. 2 Ranking of five schemes under six significant indicators
5 预告次数设置效用综合评价6种指标权重不明确，难以实现对5种方案的精准评估.因此，考虑采用客观的熵权法进行指标赋权，并结合TOPSIS方法有效解决本研究多目标决策分析的问题[28]，实现5种方案设置效用的综合评价.具体计算过程如下：
1) 建立多目标决策矩阵.基于5种方案的6种显著性指标，建立多目标决策矩阵，X=Xmn(m=5，n=6).并将决策矩阵X进行同趋化、标准化处理分别获得矩阵
2) 获得指标权重.针对Xij*，采用熵权赋值法，获取6种指标权重Wi=(0.169 3 0.163 5 0.170 60.161 3 0.161 8 0.173 5)，对指标权重排序发现，正确驶出比例、换车道次数、目的地难易程度打分对预告方案效用评估有较大影响.
3) 计算欧氏距离.利用权重Wi与标准化矩阵Xij*，构造规范化加权矩阵Uij，获取正理想解Uj+=
4) 确定综合评分.计算各评价方案与最优解的相对接近度
综合得分由高到底依次为3次、4次、4次(日本)、2次及1次，如图 10所示.按照日本规范设置4次预告时，效果不及中国3、4次预告，可能与其首次预告位置较近、预告间距较小有关.
Fig. 10
图 10 5种预告方案综合得分 Fig. 10 Evaluation result of five schemes 为体现各个方案的差异，采用依据肘部法则的K-means聚类对5种方案进行二分类：一类为预告1次，另一类为预告2次、3次、4次及4次(日本).并开展各指标LSD两两对比，验证聚类结果的合理性，发现1次预告同其他4种方案均存在显著差异.表明设置1次预告时对驾驶人的指路效果明显较差.考虑预告标志对驾驶人的综合影响，建议工程应用中优先按照中国规范设置3次预告标志；条件受限时，应至少进行2次预告.
6 结论1) 目的地难易程度打分、驾驶员踩油门的功效和、换车道次数、速度、行驶时间、正确驶出比例均受到预告次数的显著影响(Sig < 0.05)，随预告次数不同呈现不同的变化.
2) 在减速车道起点前1.0、0.5 km及起点处设置3次预告标志时，综合设置效果最好；其次为按照中国规范设置4次预告，及按照日本规范设置4次预告.
3) 按照中国规范设置1次预告标志，设置效果较差；道路条件受限时，建议至少进行2次预告.
4) 相比实地测试，驾驶模拟试验行为数据具有相对有效性，研究结果具有一定的合理性，能够有效解决路段出口预告信息缺失等问题.当前实地测试实验已广泛应用于驾驶人认知领域，后期将开展实地测试以验证优化方案的设置效果.并针对多出口预告标志设置空间受限、信息干扰等问题进行深入研究.
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