高ETC車輛比例下引導(dǎo)標(biāo)志優(yōu)化功效研究

向往，孫金燦，龍科軍，何艷杰，王超倫，劉雪梅

（長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

近年來，在交通部的大力推動下，安裝不停車電子收費(fèi)系統(tǒng)（electronic toll collection，簡稱為ETC）的車輛逐漸增加。截止2020年底，安裝了該收費(fèi)系統(tǒng)的車輛比例已經(jīng)超過65.98%［1］。高速公路管理方也重新調(diào)整了ETC車道與半自動車道收費(fèi)系統(tǒng)（manual toll collection，簡稱為MTC）車道的比例。這些措施改變了駕駛員在高速公路收費(fèi)站處對兩種車道的選擇行為和習(xí)慣。因此，在高速公路ETC車輛大幅增多的情況下，針對性地優(yōu)化車道引導(dǎo)標(biāo)志牌就顯得尤為重要。

人們對高速公路收費(fèi)站引導(dǎo)標(biāo)志設(shè)計進(jìn)行了大量研究。這些研究大多通過優(yōu)化和設(shè)計引導(dǎo)標(biāo)志牌的箭頭和文字，更好地引導(dǎo)駕駛員在通過高速公路收費(fèi)站時能正確地找到合適的收費(fèi)通道。QIAO等人［2］基于駕駛模擬試驗和問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在出口標(biāo)志中添加箭頭，有助于駕駛員理解出口信息。馬連霞［3］分析和評價了收費(fèi)站5種不同指示標(biāo)志的有效性，分析結(jié)果顯示，同時包含位置信息和文字信息的標(biāo)志組合的指示效果最好。ABDELATY等人［4］對收費(fèi)站前的動態(tài)信息標(biāo)志（dynamic message sign，簡稱為DMS）內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化，使其標(biāo)志含義更容易被駕駛員理解，方便駕駛員更安全地通過收費(fèi)站。SAAD等人［5］發(fā)現(xiàn)在收費(fèi)站前的標(biāo)志牌中添加箭頭指引，可以減少收費(fèi)站前的突然換道行為，能更安全地引導(dǎo)駕駛員進(jìn)行換道。

在引導(dǎo)標(biāo)志功效測試方面，由于實地測試的權(quán)限和安全問題，虛擬現(xiàn)實技術(shù)成為試驗測試的重要手段。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠模擬車輛行駛過程中的環(huán)境，將駕駛感受精準(zhǔn)地傳遞給駕駛?cè)?。高車速帶來的高風(fēng)險也使高速公路標(biāo)志功效測試試驗以虛擬仿真試驗（即駕駛模擬器）為主。國內(nèi)外已有大量基于駕駛模擬器的引導(dǎo)標(biāo)志牌的研究。趙妮娜等人［6］通過駕駛模擬器進(jìn)行了尋路試驗，獲取了微觀駕駛行為數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)，研究了不同形式出口標(biāo)志的效用。GUO等人［7］考慮了行車安全要求及駕駛員的信息接收能力，針對高速公路出口指路標(biāo)志的信息容量，設(shè)計了駕駛模擬試驗，通過測試優(yōu)化確定了出口指路標(biāo)志的位置。黃利華［8］通過駕駛模擬試驗，研究了三級預(yù)告標(biāo)志、立交橋型指路標(biāo)志和城市快速路立交橋出口指路標(biāo)志對駕駛?cè)瞬倏匦袨楹蛙囕v運(yùn)行狀態(tài)的影響。通過駕駛模擬器研究標(biāo)志方案是一種合理、有效的試驗方法。

傳統(tǒng)高速公路收費(fèi)站車道提示標(biāo)志的內(nèi)容主要是提示ETC車輛需提前靠左換道進(jìn)入收費(fèi)站左側(cè)的ETC車道。但當(dāng)ETC車輛更多時，車輛可不需換道、直接進(jìn)入ETC車道。因此，為了避免在收費(fèi)站廣場發(fā)生擁擠和碰撞，前置標(biāo)志提示內(nèi)容應(yīng)改為提示MTC車輛提前靠右變道行駛。為簡化標(biāo)志內(nèi)容、提升標(biāo)志誘導(dǎo)效果，本研究參考了符號學(xué)理論［9］的部分內(nèi)容。在符號學(xué)理論中，箭頭是交通引導(dǎo)標(biāo)志中導(dǎo)向性最強(qiáng)的圖形符號，指示明確、直接［10］。孟娟［11］指出，箭頭具有很好的視覺識別功能，能讓人在很短的時間內(nèi)，即使隔著一定距離也能清晰地接收到其所要表達(dá)的交通導(dǎo)向信息。張坤等人［12］研究了注視點數(shù)（fixation count，簡稱為FC）。觀察區(qū)域內(nèi)的FC越大，該區(qū)域越重要，越能引起注意。對比試驗發(fā)現(xiàn)：箭頭的三角設(shè)計形式吸引司機(jī)注視的效果最好。因此，本研究采用長沙理工大學(xué)駕駛模擬器和眼動儀，對高速公路收費(fèi)站預(yù)告引導(dǎo)標(biāo)志做兩個方面的創(chuàng)新設(shè)計；①將原有標(biāo)志的部分文字變成箭頭，增強(qiáng)提示信息的可讀性，并通過分析駕駛模擬試驗的數(shù)據(jù)，驗證引導(dǎo)標(biāo)志牌優(yōu)化的有效性；②在站前2.2 km處增加語音警告，通過分析駕駛模擬試驗結(jié)果，驗證語音警告是否能引導(dǎo)駕駛員更早地做出變道決策。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗人員

本次參與試驗的人員為42名均持有有效駕駛證件的中國籍駕駛員，其中，32名男性，10名女性；年齡范圍為18～53歲，年齡均值為34.07歲，方差為8.7；獲得駕照時間范圍為1～17 a，均值為7.1 a，方差為4.5；實際駕齡范圍為1～17 a，均值為4.3 a，方差為3.5。他們均有開車經(jīng)過高速公路收費(fèi)站的經(jīng)驗，具體數(shù)據(jù)見表1。每個參與者都被邀請參加兩個試驗環(huán)節(jié)：駕駛模擬器的熟悉試驗環(huán)節(jié)和正式測試環(huán)節(jié)。

表1 參與者的駕駛經(jīng)驗特征Table 1 Characteristics of participants'driving experience

1.2 試驗設(shè)備

本試驗采用了長沙理工大學(xué)的駕駛模擬器，該模擬器具有360°環(huán)視野。在試驗過程中，該模擬器以60 Hz的頻率自動記錄包括減速、換道等駕駛行為在內(nèi)的動態(tài)駕駛數(shù)據(jù)，以及包括速度、方向盤轉(zhuǎn)角和油門踏板角度在內(nèi)的車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)。

1.3 試驗場景設(shè)計

我國現(xiàn)行的交通規(guī)范沒有規(guī)定ETC車道的具體比例，羅梓銘［13］通過仿真試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ETC車輛比例較高時，收費(fèi)站的通行能力會隨著ETC車道數(shù)的增加呈先增加后平穩(wěn)的趨勢，當(dāng)ETC車道數(shù)增加到9條時，通行能力達(dá)到穩(wěn)定。本試驗?zāi)M了一個有代表性的高速公路收費(fèi)站。它由9條ETC通道和4條MTC通道組成，其中，ETC車道的使用率超過69%。本試驗在無自由交通流的情況下進(jìn)行，參試者分別以ETC和MTC兩種不同車輛駕駛員的身份駛?cè)敫咚俟肥召M(fèi)站。

HUANG等人［14］指出，高速公路出口前500 m范圍內(nèi)的區(qū)域是車輛換道行為發(fā)生的主要路段，因此，出口預(yù)告標(biāo)志牌主要集中安放在距離出口1 000、500、300和0 m處。本試驗依據(jù)引導(dǎo)標(biāo)志牌設(shè)計的少數(shù)、指引和提前的原則，采取控制變量法，設(shè)計3種高速公路主線收費(fèi)站預(yù)告牌的組合方案。

試驗設(shè)置一個現(xiàn)狀組a1，即傳統(tǒng)標(biāo)志牌組合方案，研究現(xiàn)有方案是否能滿足高比例ETC車輛的通行。方案a2在現(xiàn)狀組a1的基礎(chǔ)上，遵循引導(dǎo)少數(shù)MTC車輛的原則，將收費(fèi)站前1 000、500、300和0 m處的引導(dǎo)標(biāo)志內(nèi)容更改為“MTC靠右指引”，進(jìn)一步提前引導(dǎo)MTC車輛，標(biāo)志牌上部除收費(fèi)站收費(fèi)通道的提醒，還增加了收費(fèi)通道位置的提醒，以期更好地指引少數(shù)MTC車輛進(jìn)行提前換道，減少其在收費(fèi)站附近對主線ETC車輛的影響。方案a3在方案a2的基礎(chǔ)上，在收費(fèi)站前2.2 km處添加了“前方到達(dá)道仁收費(fèi)站，請?zhí)崆斑x擇車道”的語音提醒，提示MTC駕駛員注意引導(dǎo)標(biāo)志，更早地提前變換至目標(biāo)車道。3種預(yù)告引導(dǎo)標(biāo)志組合方案如圖1所示，試驗設(shè)計分組見表2。

圖1 預(yù)告引導(dǎo)標(biāo)志組合方案Fig.1 Combination scheme of advance notice guidance signs

表2 試驗設(shè)計分組Table 2 The design of experimental grouping

1.4 試驗流程

1）預(yù)試驗階段。參試者自行調(diào)整座椅至合適位置，熟悉模擬駕駛車輛的油門、剎車和轉(zhuǎn)向等設(shè)備，體驗?zāi)M場景，確認(rèn)身體是否有不適現(xiàn)象。

2）試驗準(zhǔn)備階段。工作人員為參試者說明試驗注意事項，校正駕駛模擬器和眼動儀。

3）正式試驗階段。由一名工作人員操作駕駛模擬軟件，另一名工作人員操作眼動儀軟件。駕駛模擬器將自動采集車輛的試驗數(shù)據(jù)，眼動儀將錄制參試者的眼動視頻。

4）整個試驗共3個場景，分3次完成，為消除駕駛順序效應(yīng)帶來的數(shù)據(jù)誤差，每個試驗場景隨機(jī)產(chǎn)生。每次試驗中參試者均以不同指定身份（ETC或MTC用戶）進(jìn)行試驗，每次試驗結(jié)束后休息20 min。

5）試驗結(jié)束后，保存試驗數(shù)據(jù)。參試者根據(jù)駕駛時的主觀感受，填寫組合型預(yù)告標(biāo)志的有效性評價問卷和駕駛模擬器真實度主觀評測表。

1.5 數(shù)據(jù)整理

駕駛模擬器記錄的車輛的運(yùn)行時間、速度、加速度和坐標(biāo)等試驗數(shù)據(jù)見表3。對42名駕駛員的換道行為數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和整理后，獲得研究范圍內(nèi)每個數(shù)據(jù)點的換道行為指標(biāo)值。同時，本試驗通過iView X?HED平臺記錄參試者的動態(tài)眼動注視過程。

表3 試驗原始數(shù)據(jù)變量Table 3 Experimental raw data variables

本次駕駛模擬試驗主要分析MTC駕駛員的換道行為，研究參數(shù)包括響應(yīng)時間、換道開始位置、換道持續(xù)距離、換道過程中的加速度和平均速度。各指標(biāo)具體示意圖如圖2所示。具體指標(biāo)含義描述如下：

圖2 決策和換道過程各指標(biāo)示意圖Fig.2 Schematic diagram of indicators in decision-making and lane changing process

1）響應(yīng)時間：參試者開始換道與到達(dá)2.2 km最末端的預(yù)告標(biāo)志處的時間差，即參試者辨認(rèn)整套組合型預(yù)告引導(dǎo)標(biāo)志的時間。

2）換道開始位置：參試者開始變換車道的地點距0 m預(yù)告標(biāo)志的相對位置。

3）換道持續(xù)距離：參試者換道開始時刻的位置與換道結(jié)束時刻的位置間的距離。

4）換道過程中的加速度：車輛在換道開始時刻與換道結(jié)束時刻之間行駛的平均加速度。

5）平均速度：車輛在換道行為開始與換道結(jié)束之間的平均速度。

2 試驗結(jié)果

本研究運(yùn)用SPSS軟件，采用單因素方差分析方法，分析不同方案下參試者的性別、年平均高速駕駛里程和年齡特性對響應(yīng)時間和換道位置的影響。每名參試者都參與了3個方案的試驗。本研究共進(jìn)行126次試驗，其中：108次試驗參試者都進(jìn)行了提前換道。以下假設(shè)檢驗均基于0.05的顯著性水平。各項換道行為指標(biāo)見表4。換道開始位置在三種不同標(biāo)志方案下的均值見圖3所示。

表4 （續(xù)）Table 4（continued）

2.1 決策過程

由表4可知，引導(dǎo)標(biāo)志方案對換道開始位置有顯著影響（F=4.914，p=0.009）。從圖3可看出，在原始方案a1下的參試者的換道開始位置距0 m標(biāo)志牌最近，為667.98 m。在新方案a2和a3中，參試者的換道開始位置則更遠(yuǎn)，分別為1 026.35 m和1 010.02 m。這說明提前引導(dǎo)可使MTC車輛更早地變換至目標(biāo)車道。

圖3 換道開始位置在三種不同標(biāo)志方案下的均值Fig.3 Mean value of lane change start position under three different sign schemes

駕齡（F=5.940，p=0.004）、年平均通過收費(fèi)站次數(shù)（F=7.432，p=0.001）和年平均高速駕駛里程（F=3.159，p=0.028）這3個因素與換道開始位置的關(guān)系分別如圖4所示。它們都與換道開始位置之間呈顯著相關(guān)關(guān)系。18～25歲年齡段參試者的換道開始位置明顯比其他年齡段駕駛員的更提前。這說明駕駛經(jīng)驗較少的參試者的換道開始位置更提前。這可能是他們?nèi)狈︸{駛經(jīng)驗，駕駛心理更謹(jǐn)慎導(dǎo)致的。隨著高速公路駕駛經(jīng)驗的增加，參試者的換道開始位置也在往后移。

圖4 4個因素對換道開始位置均值的影響Fig.4 The influence of four factors on mean value of starting position of lane change

駕齡（F=3.124，p=0.048）和年平均通過收費(fèi)站次數(shù)（F=2.715，p=0.049）這兩個因素都對響應(yīng)時間有顯著影響，具體如圖5所示。從圖5（a）可知，短駕齡（1～3 a）參試者的響應(yīng)時間最少，中長駕齡（4～10 a）和長駕齡（>10 a）參試者的響應(yīng)時間逐漸增加。這說明駕駛年限越長的駕駛員，換道決策過程越安全。從圖5（b）可看出，從未經(jīng)過高速收費(fèi)站的參試者的響應(yīng)時間最低，有一定高速駕駛經(jīng)驗的參試者的響應(yīng)時間更長。

圖5 駕齡與年平均通過高速收費(fèi)站次數(shù)對響應(yīng)時間均值的影響Fig.5 The influence of driving age and average annual times toll station on mean value of response time

2.2 換道過程

換道過程數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果見表5。

表5 換道過程中各變量的描述性統(tǒng)計和方差分析結(jié)果Table 5 Descriptive statistics and analysis of variance results of variables in lane changing process

由表5可知，標(biāo)志方案因素（F=4.508，p=0.013）、加速度（F=15.661，p=0.001）和平均速度（F=14.856，p<0.001）這三者對換道持續(xù)距離均有顯著影響。標(biāo)志方案的影響見圖6所示。由圖6（a）、圖6（b）可知，新方案a2和方案a3的換道持續(xù)距離和平均速度均明顯高于原始方案a1的。由圖6（c）可知，原始方案a1的加速度最大，優(yōu)化導(dǎo)向標(biāo)志方案的加速度隨著變道時導(dǎo)向強(qiáng)度的增加而明顯降低。這說明改進(jìn)后的新型方案可以使駕駛員的換道過程更平穩(wěn)。

圖6 不同標(biāo)志方案對車輛行駛指標(biāo)的影響Fig.6 Influence of different sign schemes on vehicle driving index

性別因素對換道持續(xù)距離的影響，年平均駕駛里程對加速度的影響和年齡對平均速度這三者對換道過程的影響如圖7所示。參試者在換道過程中，性別因素（F=4.820，p=0.030）對換道持續(xù)距離有顯著影響。由圖7（a）可知，男性參試者的換道持續(xù)距離明顯長于女性參試者的。年平均駕駛里程因素（F=3.116，p=0.029）對加速度有顯著影響。由圖7（b）可知，駕駛里程大于50 000 km的參試者的加速度明顯高于駕駛里程不超過50 000 km的參試者的。年齡（F=3.194，p=0.027）對平均速度有顯著影響。由圖7（c）可知，年齡超過50歲的參試者的平均速度最大，年齡在18歲到50歲之間的駕駛者，隨著年齡的增加，其平均速度不斷降低。

圖7 參試者的不同特征對駕駛參數(shù)的影響Fig.7 Influence of different characteristics of participants on driving indicators

3 討論

本研究參考符號學(xué)理論，研究和比較了在較高ETC車輛比例情況下，高速公路收費(fèi)站前的預(yù)告標(biāo)志組合方案。研究結(jié)果表明：不同預(yù)告引導(dǎo)標(biāo)志組合方案對不同參試者的換道行為產(chǎn)生了不同的影響。

參試者的性別、駕駛經(jīng)驗和年齡等特征對車輛換道過程具有不同程度的影響。女性駕駛員的換道持續(xù)距離明顯短于男性駕駛員的，這意味著女性駕駛員可能進(jìn)行更危險的換道操作，這與之前的研究一致［15］。其次，豐富的駕駛經(jīng)驗對于換道過程有著積極的影響，擁有更長駕齡、更多年平均通過收費(fèi)站次數(shù)和更長年平均高速里程的參試者，其換道開始位置更靠前，換道過程中的加速度更小，換道行為更穩(wěn)健、安全。這是擁有較豐富經(jīng)驗的參試者更謹(jǐn)慎、具有更強(qiáng)的安全意識導(dǎo)致的。該結(jié)論支持了之前的研究成果［15-16］。

不同標(biāo)志方案下的換道行為的差異很大。原始方案a1和方案a2之間存在一定的差異。與原始方案a1相比，方案a2將收費(fèi)站預(yù)告標(biāo)志牌的方向指示改為“MTC靠右指引”的提示，同時增加收費(fèi)通道位置的提醒，調(diào)整后的各項換道行為指標(biāo)都得到了明顯的提升。方案a2的換道初始位置相較于方案a1的提前了54%，換道持續(xù)距離延長了52%。車流中占少數(shù)的MTC車輛的換道初始位置越提前，就越能減少和避免危險換道行為的發(fā)生［17］。改進(jìn)后方案a2的比方案a1的平均速度提高了25%，加速度下降了68%。這些結(jié)果表明，指引更明確的預(yù)告引導(dǎo)標(biāo)志可以鼓勵參試者更早地根據(jù)需求換道，也促使換道速度變化更為緩和，這些結(jié)論與之前的研究一致［18］。

雖然有研究表明，明確的方向語音提醒可以提高駕駛室員的注意力［19］，縮短駕駛員的反應(yīng)時間［20］。但在本試驗中，添加語音的方案a3和無語音提示的方案a2相比，各項指標(biāo)間沒有顯著性差異。方案a3添加了“前方到達(dá)道仁收費(fèi)站，請?zhí)崆斑x擇車道”的語音提示，其作用相當(dāng)于在收費(fèi)站前2.2 km位置處增加了一塊引導(dǎo)標(biāo)志。HUANG等人［14］指出站前2 km處的預(yù)告引導(dǎo)標(biāo)志對改善換道行為沒有顯著影響。本試驗是在無自由交通流的情況下進(jìn)行的，方案a2的標(biāo)志方案已經(jīng)能滿足車輛的換道需求。但如果在存在自由交通流的情況下，增添語音提醒的方案a3可能會起到更好的作用。

4 結(jié)論

本研究通過駕駛模擬試驗，研究在高ETC車輛比例背景下高速公路收費(fèi)站前不同引導(dǎo)標(biāo)志組合對MTC駕駛員換道行為的影響。試驗結(jié)果表明：改進(jìn)后的方案a2和方案a3對駕駛員的換道行為產(chǎn)生了積極的影響，縮短了駕駛員的響應(yīng)時間，使駕駛員的換道初始位置更提前，換道過程更安全，換道過程中的速度變化更加均勻，能更好地避免MTC車輛在收費(fèi)站廣場前與主線ETC車輛的沖突，提高收費(fèi)站的通行能力。在方案a2基礎(chǔ)上添加語音提醒的方案a3的最終效果與方案a2的差異不大，這可能是本研究是在無自由交通流下進(jìn)行所導(dǎo)致的。高速收費(fèi)站前的車輛引導(dǎo)是一個系統(tǒng)工程，涉及到ETC收費(fèi)通道數(shù)量優(yōu)化、引導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化等多方面的內(nèi)容，需要一系列的駕駛模擬試驗來測試。由于試驗場景的復(fù)雜性和可操作性問題，本研究的駕駛模擬試驗只做了引導(dǎo)標(biāo)志優(yōu)化方案方面的功效測試。在后續(xù)研究中會開展改變收費(fèi)站環(huán)境和交通環(huán)境的試驗測試。