道路信号优化评价 基于线形诱导的低等级公路弯道交通设施优化

陈莹 杜志刚 徐进 郑号染 申云龙 刘兵武汉理工大学交通与物流工程学院 重庆交通大学交通运输学院

摘 要：为提高低等级公路弯道行车安全，利用线形诱导设施，研究弯道路段交通设施的优化措施。通过对现有交通设施运用现状的分析，探讨现状改善措施的不足之处，提出线形诱导的概念，包括线形诱导的基本原理及线形诱导设施设置的基本原则，继而构建出低等级公路弯道交通安全优化框架。研究表明：通过利用线形诱导设施中的短线条、中线条、长线条、环等局部视觉参照元素，构建低等级公路弯道视线诱导系统，形成弯道处的多层线形诱导与多层轮廓诱导，实现低等级公路弯道识别段、接近段、弯道段的交通设施优化，从而达到提前感知弯道走向、有效识别弯道线形与道路界限、引导驾驶人过弯的目的，保障低等级公路弯道路段的行车安全。

关键词：交通工程;低等级公路;弯道路段;线形诱导;交通安全;

基金：国家自然科学基金资助,项目编号52072291;

我国低等级公路占比高，但由于其线形条件差，环境恶劣，不良道路环境影响交通安全，极易导致交通事故的发生。尤其是低等级公路弯道路段，道路环境复杂，不良的线形组合易造成错误信息的识别。同时交通设施设置不完善，过弯时车速制约过弯半径，驾驶人视距受到阻碍，外加不良天气可能带来的道路表面抗滑能力下降，易引发翻车、碰撞、刮擦、坠入山体等交通事故。

现阶段对低等级弯道路段的研究主要集中于以下2个方面：(1)低等级公路弯道路段轨迹偏移特性，如通过驾驶人行驶轨迹特征的分析，探究轨迹偏移与弯道线形参数的相关性[1,2],继而辨别出弯道风险区域[3,4,5,6];(2)低等级公路弯道路段速度特性，如行驶速度与弯道线形参数(半径大小、曲线长度)的相关性[7,8],以速度为参数，对线形设置优良的评价[9]、对加速度的分析[10]、弯道路段合理限速值的分析[11],并以此探究其对弯道危险冲突区域面积以及发生位置的影响[12,13]。

可知，对于低等级公路弯道的研究多集中于驾驶人行车特性与危险区域识别，即为低等级公路弯道处优化设计与改善等提供实测数据支撑和理论依据。然而现阶段，针对低等级公路弯道路段事故频发、后果严重，以理论研究为依据，提出运用于实际的安全优化方案，是亟待解决的问题。因此从低等级公路弯道现状交通设施优化措施着手，分析现存设施优化改善的缺陷，从而提出综合运用线形诱导技术的低等级公路交通设施优化方案，有效引导驾驶人过弯，降低弯道路段驾驶风险。

1 现有改善措施及评价1.1现有改善措施

现阶段，对于弯道交通安全改善的措施主要集中在以下4个方面，相关设施图如图1所示。

图1 现有改善设施 下载原图

(1)从优化弯道路面通行条件着手，提出布设降温型彩色防滑路面[14]、震动减速带或减速标线的设置(设置的位置、适用条件)[15,16,17,18],从而增加过弯时路面摩擦系数，减少侧滑与跨线行驶的风险。

(2)入弯标志的改善：及时对驾驶人进行弯道路段提示，在小半径曲线、急弯地带设置提示标志[19,20];合理控制驾驶人过弯速度，在适当的位置设置减速标志[21]。

(3)设置合理的路侧防护设施，以减少弯道处翻车坠崖等交通事故。如在山区低等级公路的延崖路段设置护栏[22]、公路警示桩[23]或为节约护栏设置的工程费用，采用混凝土材质的斜护墩来代替护栏[24]。

(4)弯道视通条件优化。为改善过弯视距，可人为拓宽驾驶视野，修除视线内侧遮蔽物，如灌木、土坡[14];弯道内设置凸面反光镜[22];为缓解过弯视错觉，施画减速标线，并探寻最佳(宽度、颜色、形状)设置形式[25,26]。

1.2现有改善措施评价

从现有研究可见，针对路面条件的改善措施存在以下缺点。

(1)减速带的设置易受天气条件的影响；彩色防护路面的适用条件为坡度超过5°且长度大于50 m的长直、桥梁、隧道的坡道或进出口，或半径小于100 m弯道，且造价较高，寿命周期短。

(2)针对入弯标志的改善措施存在无法确定标志设置的最优位置，且不同弯道处具体限速值的最优值受弯道线形条件影响，因此限速标志上所显示的数额无法统一。

(3)针对路侧安全的改善措施以护栏为主，然而护栏恢复能力弱，如若发生撞击护栏的交通事故，即需要重新更设新护栏，且由于护栏设置不当等问题，常发生撞击端头等造成二次事故发生。

(4)针对弯道视通条件的改善措施存在以下缺点：直接对内侧植被清理的可行性仅限于低植被的平弯地区，但工作量大，且需定期重复工作，无实际改善意义；而凸面反光镜则适用于双车道视距不良的小半径曲线处；其他引导标设置标准不一。

由于低等级公路弯道路段照明条件不佳，交通设施设置不完善，现有的交通安全设施的设置并不能有效地解决驾驶人在过弯时产生的视距不良等问题，无法引导驾驶人实现安全舒适的过弯行为。因此，以弯道翻车、坠崖、碰撞等事故形态与原因为着手点，以综合性的线形诱导技术为支撑的、多项设施协同配合的、低成本的交通安全设施的优化设置方法是将来低等级公路交通安全改善的趋势所在。

2 线形诱导设施2.1线形诱导

参考“线形照明”中使用线条状灯具(多为直线条、曲线条、环形等形式)以提高环境局部亮度与对比度，勾勒建筑轮廓及空间变化的概念，提出线形视线诱导设施为(以下简称线形诱导设施):具有线条形状的视线诱导设施，表现为环形、长线条、中线条、短线条等形式，具有较大尺寸、远端可视，形式多样、便于组合，勾勒建筑界限、明确空间路权，发光分散、柔和舒适的特点。

2.1.1线形诱导特点(1)较大尺寸、远端可视。

线形诱导，综合利用点、线(长/中/短线条)、环等局部视觉参照元素，其中竖向线条、环状信息尺寸比点状信息尺寸更大，可视距离更远。如图2。

图2 可视优势 下载原图

(2)形式多样、便于组合。

有短、中、长线条、环形等几种常见方式(图3),可适应识别视距、停车视距等不同视距要求，并可调控视错觉。

图3 组合形式 下载原图

(3)勾勒建筑界限、明确空间路权。

诱导设施与建筑限界线或障碍物轮廓平行设置，不侵入建筑限界，确保用路人的空间路权。如图4。

图4 勾勒界限 下载原图

(4)发光分散、柔和舒适。

相对于传统点状照明灯具，诱导设施光线分散柔和，为驾驶人提供舒适的视觉环境。如图5。

图5 发光柔和 下载原图

2.1.2典型线形诱导设施

视线诱导设施，表现为环形、长线条、中线条、短线条等形式。其中：(1)短线条线形诱导设施主要包括矩形轮廓标、短立面标记；(2)中线条线形诱导设施主要包括轮廓柱、组合式线形诱导标；(3)长线条线形诱导设施主要包括反光条、腰带线、隧道入口段反光环等；(4)环状线形诱导设施主要为反光环。如图6为线形诱导设施示例。

图6 不同类型的线形诱导设施示例 下载原图

2.1.3与传统多点诱导的区别

传统的视觉参照系的构建形式主要为多点诱导，以点状信息为主，以小尺度的点状信息实现高频的低中位的视觉诱导，主要设施类型为轮廓标与突起路标。而线形诱导与传统多点诱导相比，可实现低/中/高频率的低/中/高位诱导。其差异特性如表1所示。

2.1.4研究现状

现阶段通过线形诱导设施改善行车环境主要集中在2个方向。

(1)应用于隧道光环境的改善。

从光环境问题着手，证实视线诱导设施的使用优势[27]。继而进一步对隧道不同区域提出针对性改善[28],如不同频率、色彩的标志标线的配合使用[29],并确定了改善设施的最佳组合个数[30]。

表1 线形诱导与多点诱导的差异 导出到EXCEL

项目	内容
多点诱导(点状信息为主)	(1)轮廓勾勒不足，竖向路权模糊；(2)信息冗余，道路边界及走向不明确，横/竖向路权模糊；(3)眩光效应显著，加剧视错觉。
线形诱导(短、中、长线条与环状信息为主，点状信息为辅)	(1)与道路界限一致，对比度高，横向路权明确；(2)线形与轮廓诱导结合，纵/竖向路权明确；(3)发光柔和，营造空间感与层次感，合理控制视错觉；(4)信息量适中，多频多尺度信息相结合，便于感知、决策、执行。

(2)弯道视觉条件改善。

如通过不同诱导设施的搭配设置，改善恶劣气候条件下的行车环境[31,32]。或对弯道路段诱导设施设置的具体位置[33]以及频次[34]的探究。通过线形诱导设施的布设，可以加强驾驶人周边局部环境的亮度与对比度，将道路轮廓及线形走向勾勒描绘，满足驾驶人识别视距、停车视距等视距需求，重构驾驶人视觉参照系，有效调整驾驶人行车视错觉。同时，视线诱导设施具有低成本、易养护、耐候性好的优点，可对交通安全起到良好的优化效果。

2.2弯道线形诱导基本原理

线形诱导系统利用逆反射技术，结合驾驶人的视觉特点与需要，综合利用短、中、长线条、环等局部视觉参照元素，构建出公路弯道视线诱导系统，以优化驾驶人对于车辆行驶状况的感受程度及反应水平，进而强化弯道行车安全性。

逆反射技术是指，采用逆反射材料将照射到其上的入射光按原入射方向大部分返回，提高自身能见度的功能。车灯照射反光材料，反光构件等起到反射增光的作用，改善弯道处光环境，增加弯道轮廓辨识度，如图7所示。

2.3弯道线形诱导设置原则

对于弯道线形诱导设施的应用，应遵循路权、人因与驾驶任务综合考虑的原则。其中对于空间路权的考虑，低等级弯道路段主要以横向与纵向路权为主，其作用均为帮助驾驶人各行其道，而纵向路权又可引导驾驶人进行进一步的转向、变速等驾驶行为，因此在弯道处着重纵向路权的优化改善，可实现驾驶人有效的线形诱导。

图7 线形诱导基本原理 下载原图

而人因与驾驶任务则从人的角度进行改善，驾驶人在转向前会对弯道状态进行感知、判断、决策，然而弯道不良的行车环境会影响驾驶人的视距、视区，导致了方向、距离以及速度的错误判断，从而进一步影响了驾驶人对于速度的控制、车道以及行车距离的保持等驾驶任务的操作与执行，导致弯道处事故的发生。如图8为弯道处驾驶人视觉特性示意图，与一般直线路段相比，驾驶人视线会存在远近分区，因此为保障驾驶人可视范围内拥有良好的诱导，道路设计者应该着重远视区域的视线诱导问题，合理设置线形诱导设施，有效引导驾驶人完成过弯行为。

因此，考虑人因与驾驶任务的线形诱导设施的设置应着重于视距的改善、缓解视错觉，入弯前对前方行车环境实现正确判断，从而达到入弯前减速以及保持车道内行驶等驾驶行为。以此，在低等级道路弯道路段交通事故易发的前提下，以现有研究方法为基础，从驾驶人视觉需求出发，提出基于路权、人因、驾驶任务的，以线形诱导措施为手段的低等级公路弯道路段交通安全优化方法，可为低等级公路弯道路段的改善提供依据。

图8 弯道路段驾驶人视野示意 下载原图

3 弯道设施优化研究框架

在低等级公路弯道路段，道路线形过渡剧烈，行车环境单一，夜间光环境不良导致路面与山体\\侧壁等对比度低，驾驶人易产生速度控制不当、转向不及时，继而诱发交通事故。从驾驶人视觉需求出发，以改善弯道行车环境、提高弯道行车安全为目标，以线形诱导为主要改善方法，以路权、人因与驾驶任务为综合考虑原则，采用(低、中、高)三位诱导，总结出低等级公路弯道交通安全设施优化研究框架，如图9所示。

图9 弯道设施优化研究框架 下载原图

4 弯道线形诱导设施优化案例分析4.1弯道分区

以线形诱导的基本原理为基础，综合运用各种线形诱导设施，以弯坡路段为例，提出了低等级公路弯道路段优化方案。

为实现不同地带的线形诱导与轮廓诱导，将弯道路段分为识别段、接近段、弯道段三段，如图10为弯道分区示意，针对不同类型弯道路段，定义弯道分段的区域范围。依据不同地带驾驶人的视觉、速度控制以及车道保持等需求，依次设置线形诱导优化方案。

图10 弯道分区示意 下载原图

(1)当道路设置缓和曲线时。

由于国内弯道大多由直线、缓和曲线、圆曲线三部分构成，此时弯道三段区域分别代表：识别段(直线)、接近段(缓和曲线)、弯道段(圆曲线)。

(2)当道路为单一圆曲线时。

部分道路未设置缓和曲线，弯道段的线形由直线直接连接圆曲线，对于弯道各阶段长度，参照不同限速值下的视距条件，其中识别段长度参照驾驶人简单识别视距，接近段长度参照驾驶人停车视距。如表2为《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)中提出的不同设计速度下的视距长度。

表2 不同设计速度下的视距长度 导出到EXCEL

设计速度km⋅h−1设计速度km⋅h-1	简单识别视距		停车视距
	长度/m	时间/s	长度/m	时间/s
40	110	9.9	40	3.6
60	170	10.2	75	4.5
80	230	10.4	110	4.95

4.2线形诱导改善设施

通过不同线形诱导设施的组合搭配使用，实现不同层次的视线诱导，改善驾驶环境，给予驾驶人有效引导。不同视觉参照元素以及对应诱导设施尺寸如表3所示。

表3 不同视觉参照元素下的设施类别 导出到EXCEL

视觉参照系	尺寸	代表设施
点	——	突起路标
竖向短线条	0.18 m<长<0.50 m0.04 m<宽<0.08 m	矩形轮廓标
纵向短线条	长<1.50 m	短立面标记
竖向中线条	0.50 m≤长<2 m0.08 m≤宽<0.80 m	轮廓柱
纵向中线条	1.50 m≤长<3 m	组合式线形诱导标
竖向长线条	2 m≤长<5 m0.15 m≤宽<0.40 m	反光条
纵向长线条	长≥3 m	腰带线
环状信息	——	反光环

由于低等级公路道路安全条件差，因此，选用纵、竖向短、中线条以及环状信息重构视觉参照系，对于低等级公路弯道路段的三位诱导，中位诱导采用轮廓柱予以实现，可以有效显示道路边界轮廓，其高度为70～80 cm, 直径为30～35 cm, 并采用不同颜色相间的反光膜，如图11(c);弯道外侧通过采用组合式线形诱导标，以纵向中线条为视觉参照元素，指引驾驶人改变行车方向，提高警觉，如图11(b);内侧使用单一诱导标实现中远距离的线形诱导的不对称性，加强环境变化多样性，如图11(a)。对于线形诱导标的设置形式，采用斜制式，标志倾斜角度与道路走向平行，可实现车辆的双向诱导。而拱形门架，以环状信息实现高位诱导，加强视觉冲击，提高警觉，其高度为6 m, 宽度略宽于道路，并设置黄黑相间的立面标记，并于各车道中间设置相应颜色的箭头，指向行车道中线，如图11(d),等距离设置，保证视线范围内可视拱形门架为3个。

4.3弯道安全优化分析(1)识别段。

图12(a)改善前，直线段行车环境单一，仅设置了防撞墩，并漆涂了红白立面标记，即存在纵向、竖向短线条的线形与轮廓诱导。但由于油漆材料反光性不足，导致夜间道路界限不够清晰，驾驶人对于前方路况条件未知，无法识别前方存在弯道。因此，通过增设轮廓柱，添加竖向中线条的视觉参照，最终实现一层线形诱导和两层轮廓诱导结合，如图12(b),为提前增加入弯预警，采用大体积、低闪现频率的信息予以刺激，单柱轮廓柱，采用颜色为橙色和白色相间的反光膜。改善过的识别段可以实现以较平缓的方式警示驾驶人前方即将进入危险路段，提前做好准备。

图11 线形诱导设施 下载原图

(2)接近段。

图13(a)改善前的接近段处，与识别段设施设置无差异，行车道边界不够清晰，无法有效视认前方弯道线形轮廓，横纵向路权不明确，驾驶人无法预留充足的时间进行过弯准备。因此，接近段使用两层线形诱导和两层轮廓诱导予以改善，如图13(b)。延用轮廓柱的同时，为了进一步加强驾驶人的警觉意识，与识别段相比，外侧增设黄黑相间的组合式线形诱导标，加强纵向中线条的视觉参照系，内侧使用单一诱导标，加强纵向短线条视觉参照系。采用这样的结构设置，能够加强夜间交通设施对驾驶人的诱导效果，实现各种环境下视距可视，箭头的方向有利于疲劳的驾驶人感知到弯坡路段。

图12 识别段 下载原图

(3)弯道段。

图14(a)改善前的弯道段，依然存在诱导信息不足，行车道边界不够清晰，无法有效视认弯道线形轮廓，横纵向路权不明确，驾驶人极易发生因视线不良、操作不当、速度过快而导致的交通事故。弯道段作为最危险路段，线形诱导的设置应给予驾驶人最强烈的视觉冲击，因此，在接近段的基础上，继续使用线形诱导标的同时，增设环状信息的视觉参照系，以拱形门架的诱导设施与另三种设施的组合，突出道路进入弯道危险路段，对疲劳的驾驶人有刺激作用，让其意识到危险的存在。即使用了三层线形诱导和三层轮廓诱导，合理调控驾驶人视错觉，如图14(b)。

图13 接近段 下载原图

图14 弯道段 下载原图

整体上，对于弯道路段的安全优化，通过纵\\竖向短线条、中线条以及环状等局部视觉参照元素，重构了整体视觉参照系，实现了路侧低位诱导、中位诱导与路面上方空间的高位诱导。通过不同空间位置的线形诱导，对驾驶人进行动态与提前预警，继而实现对低等级公路弯道路段的安全保障，提高路段全天候的行车安全。优化对比分析如表4。

表4 设施设置前后的优化对比 导出到EXCEL

道路区域	主要驾驶任务	现状方案	优化思路	优化方案	优化效果
识别段	发现弯道路段	防撞墩：纵向短线条 竖向短线条。	通过纵\\竖向短线条、中线条以及环状等局部视觉参照元素，低成本重构整体视觉参照系。	防撞墩：纵向短线条 竖向短线条；轮廓柱：竖向中线条。	线形诱导连续、一致；低照度下可视。
接近段	减速、保持车距			防撞墩：纵向短线条 竖向短线条；轮廓柱：竖向中线条；单一线形诱导标：纵向短线条；组合式线形诱导标：纵向中线条。	加强线形诱导；合理调控速度错觉，实现降速。
弯道段	转向、减速			防撞墩：纵向短线条 竖向短线条；轮廓柱：竖向中线条；单一线形诱导标：纵向短线条；组合式线形诱导标：纵向中线条；拱形门架(多反光环):环状。	弯道线形轮廓清晰，整体性好。

5 结语

围绕当前低等级公路弯道路段的交通安全问题，针对普通交通安全设施设置的缺陷，提出线形诱导的概念，通过线条形视线诱导设施的运用，改善低等级公路弯道路段行车环境。

(1)采用普通的交通安全设施(限速标志、彩色防滑路面、减速带、弯道提示标、凸面镜等)对弯道行车环境进行优化，可部分实现对于弯道不良行车环境的改善，但由于设置标准不统一、实操工作量大、养护困难等问题，不能有效地解决驾驶人在过弯时产生的视距不良等问题，无法引导驾驶人实现安全舒适的过弯行为，也无法实现交通工程设施设置的低成本、节能、环保的目标。

(2)线形诱导设施具有形式多样、较大尺寸、勾勒轮廓、发光分散等特征，可用来提升低等级公路弯道路段行车环境的交通安全。同时，线形诱导设施的耐久性良好，建安、养护费用低，可实现交通安全设施改善的经济性。

(3)通过利用逆反射技术，考虑驾驶人的视觉特性和视觉需求，综合利用(短、中、长)线条、环等局部视觉参照元素，构建出公路弯道视线诱导系统。考虑交通事故与驾驶人需求，综合空间路权(横向、纵向)、人因与驾驶任务(改善视距、车速控制)等因素，作为评价指标，构建低等级公路弯道交通安全优化评价体系。

(4)从低等级公路弯道事故与行车环境进行分析，以不同视觉需求为指标，以线形诱导为主要改善方法，总结出低等级公路弯道交通安全优化研究框架，研究结果可为弯道处道路交通安全的改善提供参考。

(5)低等级公路弯道路段可分为识别段、接近段、弯道段三个部分，各部分的驾驶需求有所差异。通过多种线形诱导设施的使用，在弯道处形成多层线形诱导与多层轮廓诱导，可实现提前感知弯道走向、有效识别弯道线形与道路界限、引导驾驶人过弯的驾驶需求，保障低等级公路弯道路段的行车安全。

今后对不同圆曲线半径、不同线形组合、不同路侧环境下的线形诱导系统还需要进一步研究。

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