中美公路彎道標志設置淺析

劉 勇

(3M中國有限公司，廣州 510663)

截至2019年，我國汽車保有量突破2.6億輛，公路總里程達484.65萬km，其中高速公路達14.26萬km[1]，我國的道路建設規(guī)模和道路使用已成為世界交通大國。我國要從世界交通大國邁向世界交通強國，除在基礎設施硬件的規(guī)模建設外，在交通科學管理方面需不斷創(chuàng)新發(fā)展，并向發(fā)達國家學習。

美國對公路彎道安全的研究起步較早，也較系統(tǒng)。從2006年開始，美國聯(lián)邦公路局主持專項研究如何提升彎道內的交通安全水平，并發(fā)布了《彎道安全提升的低成本措施》的技術報告，該報告綜合了美國相關的研究論文和文獻，總結出有效、低成本的工程改善措施，如交通標志、交通標線、輕度破損的路面改造措施，且每隔一段時間會根據(jù)新的研究結果進行更新，2016版是最新版本，在報告中提出了以下交通標志的改善措施[2]：

1) 增大交通標志的尺寸，可提高標志的識認性。

2) 在道路兩側同時設置相同內容的標志，可提高標志被發(fā)現(xiàn)的幾率。

3) 在建議速度標志桿上粘貼一條反光材料，可降低車輛通過彎道的平均速度，最高可降低16 km/h。

4) 使用熒光黃反光材料制作線形誘導標志，可降低鄉(xiāng)村公路彎道上18%～35%的碰撞事故。

5) 在彎道警告標志和誘導標上配套使用黃閃燈能降低37%～76%的彎道碰撞事故。

6) 在彎道中設置車速反饋標志，能明顯降低彎道通過速度，減少5%～7%的彎道碰撞事故。

目前，我國大陸還沒有一個國家級管理機構把道路彎道安全的提升作為一個固定的專題項目來持續(xù)研究和跟蹤，但近年彎道交通安全也受到不少交通研究者的關注。趙曉華等[3]通過駕駛模擬試驗，發(fā)現(xiàn)警告標志位置會影響車輛在彎道前直線路段的行駛速度，駕駛員在彎道路段對速度的縱向控制過彎前后速度的波動性。張智勇等[4]利用高精度車載GPS對小客車在不同彎道半徑下的運行速度進行采集，建立距離與運行速度的預測模型,以實際運行速度的85%作為建議速度值，并給出建議速度標志的設置間距,指出當彎道上連續(xù)設置建議速度標志時，可有效降低車輛的實際運行速度。韓磊等[5]提出交通工程設施信息量對駕駛員行車時注視強度、掃視強度和眨眼強度均有顯著影響。彎道內設施信息量應適度，低信息量和高信息量條件下駕駛員辨識和搜索能力及注意力集中程度較差，不利于行車安全。徐良杰等[6]研究了在冰雪環(huán)境下彎道誘導標的色彩識認效果，藍色和紅色標志擁有最佳視認效果，藍色標志略優(yōu)于紅色標志；車速在20 km/h～50 km/h 時，視認距離為33 m～41 m，且擁有良好的穩(wěn)定性，綠色標志視認距離穩(wěn)定性較差，黃色標志視認距離整體最低，且二者均不利于行車安全性。

本文就公路彎道的交通標志設計，對比分析了國內的GB 5768.2—2009《道路交通標志和標線 第2部分道路交通標志》、JTG D82—2009《公路交通標志和標線設置規(guī)范》和美國2009年版的《交通控制設施統(tǒng)一手冊》，從駕駛需求分析的角度，探尋美國交通設施設計規(guī)范背后的科學依據(jù)，供國內交通設計、管理同行借鑒。

1 彎道的駕駛任務分析

美國公路合作研究組織NCHRP(National Cooperative Highway Research Program)是美國公路運輸協(xié)會聯(lián)合美國聯(lián)邦公路局共同成立的研究機構，著力研究公路規(guī)劃、建設、設計、運營、維護中出現(xiàn)的各種問題，每年都會發(fā)表各類的研究報告，這些報告被美國及世界很多國家作為制定國家標準和規(guī)范的參考依據(jù)。其中編號為600的報告《公路系統(tǒng)人因工程指南》中，對平面曲線道路中的人因工程有著詳盡的論述，包括彎道駕駛任務的分析、駕駛者對曲線道路的感知、曲線路段駕駛速度的選取、幫助駕駛者安全操控等措施。

該報告中按駕駛任務的不同把彎道分成了4個階段，分別是接近彎道、發(fā)現(xiàn)彎道、駛入和通過彎道、以及駛出彎道，如圖1所示，并對每個階段的駕駛任務、視覺需求大小、有效信息傳遞模式、車輛操控需求、影響車速的因素都有具體的描述，如表1所述。

圖1 彎道的4個階段[7]

2 駕駛者對彎道的感知研究

表1中的主觀預期和曲率判斷，即指每個駕駛者對彎道的危險程度有自身的感知。在接近和進入彎道后，駕駛者會根據(jù)前方道路輪廓及特征得出自己認為的彎道曲率，這個曲率稱之為“視覺曲率”，駕駛者通常會依據(jù)它來判斷以什么速度通過這個彎道是安全的，雖然駕駛者也會從交通標志上獲取限速信息，但視覺曲率依然會是影響駕駛速度的主要因素。而這種視覺曲率和彎道的實際曲率往往并不一致，在凹形豎曲線和平面曲線疊加的彎道中，視覺曲率會比實際曲率小，即駕駛者感知的彎道比實際的更平坦，這就會誘使駕駛者以更高的速度通過彎道，如圖2所示。圖2中，虛線為駕駛者主觀認知的彎道路徑，實線為實際的彎道路徑，二者路徑有偏差，如駕駛者不及時調整駕駛方向和速度，會在彎道中心處附近侵入到相鄰車道，造成潛在的交通事故點。

3 彎道的偏角和彎道半徑

偏角和彎道半徑是道路交通上常用來表征彎道緩急的2個參數(shù)。偏角的定義是曲線起點處的切線與曲線終點處的切線相交時所形成的夾角，如圖3(a)所示。彎道半徑又稱為彎道曲率半徑，是連接彎道中心與彎道上任一點的線段，如圖3(b)示，r即為該彎道的曲率半徑。

表1 彎道4個階段的駕駛任務和局限[7]

圖2 視覺曲率與實際曲率的差異[7]

偏角和彎道半徑這2個參數(shù)都能在一定程度上表征曲線的彎曲程度，但在實際彎道中，哪一個能更準確地體現(xiàn)彎道給駕駛帶來的困難，是偏角越大，駕駛難度越大，駕駛需求越高？還是彎道半徑越小，駕駛難度越大，駕駛需求越高呢？來自美國密西根大學交通研究院的Omer TSIMHONI 和 Paul A. GREEN[8]曾就這個問題做過專門的試驗。試驗邀請了24名合格的駕駛者，年齡最小為18歲，最大的超過55歲，男女駕駛者各半，試驗設備包括駕駛模擬器及眼動儀等，道路設計有13種不同類型的彎道，其中包含20°、45°、90°三種不同的偏角，582 m、291 m、194 m、146 m四種不同的彎道曲率半徑。

該試驗得出一個重要的結論是無論在任何年齡段，其在彎道中的視覺需求與彎道半徑呈線性相關，

(a) 偏角

(b) 曲率半徑

而視覺需求并沒有隨著偏角的變化呈現(xiàn)出顯著不同[8]。由此可見，彎道半徑比偏角更能表征彎道對駕駛需求的影響。

4 彎道中交通標志的設置設計思路

在上述分析和試驗基礎上，下面僅以交通標志這一類設施為例，剖析彎道4個階段不同的設置和設計思路。

1) 接近彎道階段。該階段駕駛者的負擔不大，繼續(xù)按正常的駕駛方式和速度操控汽車，該路段需設置彎道預警標志和相對應的建議速度標志，讓駕駛者獲知前方道路形態(tài)的變化信息及相應的速度調整信息。

2) 發(fā)現(xiàn)彎道階段。該階段，駕駛者會逐漸發(fā)現(xiàn)前方道路的變化，會根據(jù)前方道路輪廓及特征得出他感知的彎道曲率，即視覺曲率，并開始調整車速，操控汽車使車輛保持在現(xiàn)有車道，此階段可再次設置彎道預警標志及建議速度標志，重復提醒駕駛者前方的彎道信息和建議速度信息。在接近彎道的位置，要開始設置彎道誘導標，協(xié)助駕駛者更清晰地判斷彎道輪廓，修正自己的視覺曲率。

3) 駛入和通過彎道階段。該階段駕駛者的主要任務就是根據(jù)前方景物不斷修正自己的視覺曲率，并相應調整車速和方向，操控車輛保持在安全的車道上行駛，該階段駕駛者需要的只是直接的道路輪廓誘導信息，因此在彎道內的交通標志只能是誘導標，而不應有文字類或復雜圖形類標志，否則會對駕駛者操控汽車造成潛在干擾。

4) 駛出彎道階段。該階段駕駛者從緊張的汽車操控中逐漸松弛下來，希望把汽車加速到進入彎道前的正常車速，可設置限速解除標志。

以上4個階段需設置的交通標志有彎道警告標志、彎道內建議速度標志、線形誘導標志以及限速解除標志，這幾類標志的設置位置、標志大小、間距同樣蘊含著科學的人因工程及駕駛需求分析。美國2009年版的《交通控制設施統(tǒng)一手冊》中對這些標志在彎道中如何設置有著非常詳盡的規(guī)定。

4.1 交通標志設置的必要性

彎道警告標志、線形誘導標志、建議速度標志設置的必要性規(guī)定如表2所示。依據(jù)進入彎道前的設計速度與彎道內的建議速度之差來判斷各類標志設置的必要性，分為3類：

必須：在該類彎道上必須設置這類標志。

推薦：在該類彎道上應該設置這類標志。

可選：在該類彎道上根據(jù)其他道路條件進行判斷，可設置，也可不設置。

隨著速度差值的增大，各類標志設置的強制性也逐漸增多，速度差值在32 km/h及以上，則所有標志都必須設置。

表2 彎道相關標志設置要求[9]

4.2 警告類標志設置的前置距離

根據(jù)警告標志的前置距離規(guī)定，如果進入彎道前的設計速度為96 km/h，而彎道內的建議速度為16 km/h，那該塊彎道警告標志應設置在彎道起點前105 m處，這個距離是如何得出的呢？以下為具體的演算過程，如表3所示，其駛入彎道過程如圖4所示。

圖4中，彎道中A點為駕駛者發(fā)現(xiàn)標志點，B點為彎道警告標志設置點，C點為駕駛者閱讀完標志開始減速點，D點為彎道的起點，從空間距離上解讀AD=AB+BD，即標志識認距離+標志前置距離，而從駕駛任務上解讀AD=AC+CD，即標志的感知反應階段+操控減速階段。

標志的感知反應階段在國外通常稱之為PRT(Perception-response time)，指駕駛者發(fā)現(xiàn)標志、識認標志、決定行動、開始行動的時間總和，這個時間目前被廣泛認可是2.5 s，在這段時間內汽車向前行駛的距離為AC。操控減速階段是指駕駛者將目前的速度降低至彎道內的建議速度的時間，在這段時間內汽車向前行駛的距離為CD，可通過以下計算得出駕駛者完成這2個階段的駕駛任務后汽車移動的距離。

AC階段駕駛者是以正常的設計速度勻速行駛，則AC的距離為：

AC=vt

式中：v為駛入彎道前的設計車速，即為96 km/h，單位換算后為26.4 m/s，t=2.5 s，則AC=26.4×2.5=66 m。

表3 警告標志的前置距離[9]

圖4 駕駛者在彎道的感知及警告標志設置示意

CD階段駕駛者是在做勻減速運動，操控車輛把車速從道路的設計時速減到彎道內的建議速度，所以CD的距離可以根據(jù)公式得出：

式中：v為駛入彎道前的限速，即為96 km/h，單位換算后為26.4 m/s；v0為彎道內的建議速度，即為16 km/h，單位換算后為4.38 m/s；a為汽車減速度，MUTCD中確定其為3 m/s2。將各數(shù)值代入公式，計算可得：

則AD=AC+CD=66+112.8=178.8 m，而AD=AB+BD=AC+CD=178.8 m，則BD=178.8-AB。AB為標志的識認距離，是指能識別該標志的最遠距離，它的計算公式是標志識認距離=標志識認指數(shù)×字符高度，在MUTCD中認定其為75 m，則BD=178.8-75=103.8 m，即該彎道警告標志的前置距離為103.8 m，近似等于105 m。

4.3 線形誘導標志的尺寸和設置間距

在MUTCD中，線形誘導標志是被歸為警告標志類，每一類警告標志根據(jù)道路級別的不同，以及單車道和多車道的不同，其尺寸都有非常明確的規(guī)定，尺寸最小是在普通道路上的單車道道路，為450 mm×600 mm，尺寸最大是在高速公路上，為900 mm×120 mm。

2003版MUTCD對線形誘導標的設置間距沒有做出具體的推薦數(shù)值，只是籠統(tǒng)地要求必須要保證駕駛者在任何時候都能看到至少2塊以上的線形誘導標志，設置的線形誘導標志必須要有足夠的可視距離，以保證駕駛者有足夠的反應時間來操控汽車。在2003年—2009年間，美國學者做了大量的試驗研究，論證輪廓標的數(shù)量和有效性，其中Elisabeth R. Rose 和 Paul J. Carlson[10]的研究結果最為著名，提出不同曲率的彎道對線形誘導標志數(shù)量需求不同，對小半徑的彎道，駕駛者的視野中只看到2塊誘導標是不夠的，視野中看的誘導標數(shù)量越多，車速下降越快，并根據(jù)彎道曲率半徑的不同給出了具體的線形輪廓標的設置間距[10]。2009年版MUTCD參照Elisabeth R. Rose 和 Paul J. Carlson[10]的研究結論，列出了具體的推薦間距數(shù)值。間距設置的依據(jù)是彎道曲率半徑及彎道內的建議速度，曲率半徑越小，建議速度越低，則設置的間距越小，即設置越密，對駕駛者判斷彎道的曲率越有幫助。

5 對國內彎道設施設計的啟發(fā)

美國較中國大陸提早40年進入汽車時代，人因工程和駕駛需求等基礎性研究也早在上世紀60年代就已開始，參與研究的機構有高校、企業(yè)、民間行業(yè)協(xié)會、各州的交通部及美國聯(lián)邦公路局等，目前已形成門類齊全的研究體系，每年都會就新出現(xiàn)的交通安全問題進行專項研究。官方會依據(jù)這些最新研究成果對交通安全設施的應用規(guī)范進行及時修訂，持續(xù)改進道路交通安全。中國用不到10年的時間走完了西方近40年才走完的道路，幾乎是跑步進入汽車時代，導致在思想觀念上造成了長期的“重建設，輕管理”?，F(xiàn)行交通設施應用規(guī)范還停留在國內10年前的科研成果上，比如國內還在以彎道偏角大小作為判別是否需要設置誘導標的依據(jù)，且誘導標設置密度的依據(jù)是將進入彎道前的設計速度作為唯一判定標準，而沒有綜合考慮彎道曲率半徑以及彎道內的限速等。筆者根據(jù)現(xiàn)行的中美交通設施規(guī)范，就彎道內誘導標的尺寸及設置間距進行對比，結果如表4、表5所示。由表4、表5可知，在同等級公路條件下，美國設置誘導標的尺寸遠大于我國規(guī)范要求，最大的面積差了3倍；而在同等設計時速下，美國設置誘導標的密度高于我國，在設計速度為120 km/h道路上，設置密度高了接近1倍。更大的標志尺寸和更短的設置間距，意味著給駕駛者提供了更遠的識認距離，更準確的彎道線形輪廓信息，駕駛者有更長的操控安全距離，更精準的彎道曲率判斷，也就有了更安全的駕駛條件。在道路基礎建設上，國內已經和發(fā)達國家并駕齊驅甚至超過，但在交通安全、效率、管理上還有較大的差距。要想在這些交通軟實力上迎頭趕上，一方面要盡快建立健全交通安全基礎研究梯隊和體系，另一方面可借鑒美國等西方發(fā)達國家的研究成果，快速提升我國在交通設施的應用管理水平，以匹配我國現(xiàn)階段及未來的道路使用及交通運輸規(guī)模。目前，GB 5768.2—2009《道路交通標志和標線第2部分：道路交通標志》正在進行大的修訂，從該標準的征求意見稿中看到偏角已不再作為彎道誘導標的設置依據(jù)了，誘導標的間距設置是按照彎道半徑的不同作出了規(guī)定。雖然和美國相比，還存在一定的差異，但說明標委會的專家們已看到了其中的問題并開始著力改進，相信隨著這一新版本的發(fā)布，國內公路標志設置將上一個新的臺階。

表4 中美誘導標設置間距比較[9，11-12]

表5 中美誘導標尺寸比較[10，12-13]

6 結束語

1) 公路彎道按照其駕駛任務的不同分為接近、發(fā)現(xiàn)、駛入通過、駛出4個階段，根據(jù)每個階段不同的駕駛需求來設置不同的交通標志。

2) 相比偏角，彎道曲率半徑能更準確地表征彎道駕駛難度，彎道內標志的設置位置、尺寸、間距都與之密切相關。

3) 警告類標志設置的前置距離與道路的設計速度及彎道內的限速有關，在設置時需考慮駕駛者的感知反應時間和車輛減速距離。

4) 彎道誘導標的尺寸和設計間距與彎道的曲率半徑及彎道內的限速有關，曲率半徑越小，彎道內的限速越低，則設置的間距越小，即設置越密，對駕駛者判斷彎道的曲率越有幫助。

5) 國內應重視交通管理及交通設施安全系統(tǒng)專項研究，建議采用彎道曲率半徑及限速作為彎道標志的設計依據(jù)，加大彎道標志的尺寸，加密彎道誘導標的設置，以提高標志的識認性和誘導效果，滿足駕駛者在彎道上安全駕駛的需求。