魏連雨，魏 凱，馮 雷，劉艷竹

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401）

城市道路占路施工區(qū)交通標(biāo)志設(shè)置理論與仿真研究

魏連雨1,2，魏 凱1，馮 雷1，劉艷竹1

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401）

采用交通流理論和交通仿真技術(shù)，結(jié)合占路施工區(qū)人、車、路、環(huán)境的交通特性，對占路施工區(qū)參數(shù)以及交通標(biāo)志的設(shè)置進(jìn)行了研究．在分析交通標(biāo)志認(rèn)知模型的基礎(chǔ)上，采用交通流理論，建立了占路施工區(qū)參數(shù)以及交通標(biāo)志的設(shè)置參數(shù)的計算公式．針對理論分析結(jié)果，采用UCw in/road仿真系統(tǒng)進(jìn)行對比，結(jié)果表明，由于理論分析前提條件的理想化，導(dǎo)致其計算參數(shù)小于UC w in/road系統(tǒng)的數(shù)值分析結(jié)果，說明UC win/road系統(tǒng)的數(shù)值分析更具客觀性．

占路施工；交通標(biāo)志；交通仿真；前置距離；限速

0 引言

交通語言系統(tǒng)是交通管理者與出行者（設(shè)施使用者）之間進(jìn)行信息交流的工具，是以文字、符號、顏色等為基礎(chǔ)的符號體系和規(guī)則體系的集合．交通語言的應(yīng)用體現(xiàn)為道路交通標(biāo)志、標(biāo)線以及其他交通管理控制設(shè)施所包含的一系列與交通管理出行相關(guān)的信息[1]．

城市道路占路施工過程中，道路使用空間減小，道路狀況復(fù)雜程度增大，交通系統(tǒng)穩(wěn)定性降低．為了最大限度降低道路施工對交通出行的影響，保障施工區(qū)交通安全，需要采取合理的占路施工區(qū)交通管理措施．其中交通標(biāo)志的布置對施工區(qū)正常運(yùn)行有著不可估量的作用．

本文結(jié)合交通流理論和交通仿真相關(guān)理論，構(gòu)建交通標(biāo)志前置距離的計算模型，對城市道路占路施工區(qū)交通標(biāo)志的設(shè)置進(jìn)行理論研究．然而，由于理論研究是在理想條件下進(jìn)行的，其普遍適用性有待檢驗．因此，本文基于UC w in/road模擬系統(tǒng)和SOAR認(rèn)知模型充分考慮施工區(qū)交通實際狀況對施工區(qū)交通標(biāo)志的設(shè)置進(jìn)行仿真模擬，并對理論計算和仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析．

1 占路施工區(qū)交通標(biāo)志概述

道路交通標(biāo)志是用圖形符號、顏色和文字向交通參與者傳遞特定信息，用于交通管理的設(shè)施[2]．科學(xué)合理、完善準(zhǔn)確的交通標(biāo)志的設(shè)置對道路交通的正常運(yùn)行有著不可估量的重要作用．

占路施工區(qū)是指為保障占路施工現(xiàn)場工作人員和設(shè)備、車輛、行人的交通安全而用交通安全設(shè)施圍起來的交通控制區(qū)域[3-4]．占路施工區(qū)一般由警告區(qū)、上游過渡區(qū)、作業(yè)區(qū)、下游過渡區(qū)和終止區(qū)組成[5]．

占路施工區(qū)交通標(biāo)志包括施工安全標(biāo)志、警告標(biāo)志、禁令標(biāo)志、指示標(biāo)志、輔助標(biāo)志．結(jié)合占路施工區(qū)人、車、路、環(huán)境的交通特性，（即基于交通心理學(xué)的駕駛員駕駛行為的調(diào)整、穩(wěn)定、恢復(fù)3階段變化；基于交通流理論的車輛的重新分布、分流合流行為；以及各功能區(qū)段的道路性質(zhì)）[3-4]對占路施工區(qū)的交通標(biāo)志分區(qū)段進(jìn)行設(shè)置．通過不同標(biāo)志、標(biāo)牌的設(shè)定，保證道路施工期間交通安全通暢．簡單的說，應(yīng)從整個道路交通系統(tǒng)出發(fā)，統(tǒng)一規(guī)范，協(xié)調(diào)設(shè)計，關(guān)聯(lián)設(shè)置，而且要遵循以人為本的原則．設(shè)置情況如表1所示．

表1 占路施工區(qū)各功能段交通標(biāo)志設(shè)置Tab.1 The setting of the traffic signs in the road construction area

2 占路施工區(qū)交通標(biāo)志設(shè)置理論研究

在停車視距的基礎(chǔ)上對交通標(biāo)志的前置距離進(jìn)行定義．為了使駕駛員在作業(yè)區(qū)之前完成所有的必要措施，交通標(biāo)志應(yīng)設(shè)置在作業(yè)區(qū)之前一定距離處，這個距離稱為交通標(biāo)志的前置距離[6]．

從交通心理學(xué)和交通安全理論的角度，結(jié)合交通設(shè)施設(shè)計和交通管理與控制的相關(guān)理論，通過構(gòu)建駕駛員行駛模型和標(biāo)志的認(rèn)知模型，對交通標(biāo)志的前置距離進(jìn)行研究．對交通標(biāo)志的認(rèn)知模型大致如圖1所示．圖1中，A點發(fā)現(xiàn)標(biāo)志，B點認(rèn)讀開始，C點認(rèn)讀完成，D點消失點，E點行動點，F(xiàn)點標(biāo)志牌，G點完成點．

分析駕駛員的駕駛行為可得：B點到C點為認(rèn)讀距離R'，C點到E點為反應(yīng)距離J，E點到G點為行動距離L．

消失點D到標(biāo)志牌F為消失距離M，認(rèn)讀完成點C到標(biāo)志牌F為距離R；認(rèn)讀開始點B到標(biāo)志牌F為視認(rèn)距離S，標(biāo)志牌F到動作完成點G為前置距離D．

為保證駕駛行為的改變，分析駕駛員行駛模型和標(biāo)志的認(rèn)知模型中各段距離的關(guān)系可得：

其中：L1為變換車道的距離；L2為減速距離．結(jié)合交通工程和道路勘測設(shè)計相關(guān)知識對上述公式中的距離進(jìn)行分析計算[6-7]．

圖1 交通標(biāo)志認(rèn)知模型示意圖Fig.1 The cognitivemodelof traffic signs

1）認(rèn)讀完成點C到標(biāo)志牌F的距離R

2）變換車道距離L1

式中：n為車道數(shù)；V1為認(rèn)讀標(biāo)志時的速度，Km/h；t2為變換一次車道需要的時間（s），約6 s左右．

3）減速距離L2

4）反應(yīng)距離J

式中：t1為判斷時間（s），一般取2.5 s．

由上述各公式可得：

那么交通標(biāo)志的前置距離D為：

3 占路施工區(qū)交通標(biāo)志設(shè)置仿真分析

3.1 仿真原理

UC w in/Road是輔助道路工程規(guī)劃設(shè)計的三維虛擬現(xiàn)實模擬系統(tǒng)，可通過簡單的計算機(jī)操作進(jìn)行三維模擬．UC w in/Road包含“地形輸入”、“道路定義”、“道路形成和交通流生成”、“交通設(shè)置編輯”、“虛擬現(xiàn)實模擬”等功能．應(yīng)用該軟件時，首先輸入編輯地形信息；其次，通過設(shè)置參數(shù)，定義道路信息；接著，設(shè)置交通路徑以及信號控制，生成交通流；然后，對行駛進(jìn)行設(shè)置完成三維虛擬現(xiàn)實模擬[8]．

SOAR的全稱為狀態(tài)、算子和目標(biāo)（State，Operator and Result），是由A llen Newell等人于1983年開發(fā)的稱為“通用智能”的一種框架，主要討論知識、思考、智力和記憶，是一個應(yīng)用范圍非常廣的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[9]．SOAR認(rèn)知模型認(rèn)為施工區(qū)車輛為相互影響的差異化駕駛單體，SOAR通過一個固定的處理機(jī)制——決策周期，完成SOAR的選擇和應(yīng)用算子等功能．

在車輛駛近施工作業(yè)區(qū)時，需要進(jìn)行換道，與在換道車道正在行駛的車輛存在交織．本文根據(jù)當(dāng)前車輛和相鄰車輛占用道路的重疊程度對交通沖突及嚴(yán)重程度進(jìn)行判別．將道路定義為n個道路元胞的組合，每個道路元胞為1.25m×1.25m，小汽車尺寸取5m×2.5m，每個小汽車所占道路元胞為8個，在車輛交織過程中車輛所占道路元胞可能會出現(xiàn)重疊，根據(jù)重疊的數(shù)量定義沖突嚴(yán)重程度．將沖突嚴(yán)重程度分為3級：一般沖突，中等沖突，嚴(yán)重沖突，其對應(yīng)重疊的數(shù)量分別為1，2，3及以上．

本文仿真實驗以上游過渡區(qū)限速標(biāo)志設(shè)置為例，通過構(gòu)建基于認(rèn)知模型的占路施工區(qū)交通仿真模型，分析一定道路交通條件下占路施工上游過渡區(qū)限速標(biāo)志設(shè)置位置的合理性以及限速值的確定．

3.2 仿真條件

采用圖2所示道路進(jìn)行仿真，雙向六車道快速路長2 km，設(shè)計車速為60 km/h，通行能力1500 pcu/h，車道寬度為3.75m．在離路口800m處進(jìn)行施工作業(yè)，封閉自東向西方向靠近中央分隔帶的一個車道，其他車道的行車方向不變，車輛的自由流速度為60 km/h．施工區(qū)的交通標(biāo)志簡單布置表示如圖2所示，其中限速標(biāo)志距離上游過渡區(qū)交界位置的距離為D，即交通標(biāo)志的前置距離．

圖2 占路施工區(qū)簡單布置圖Fig.2 The layoutof the road construction area

為了使仿真條件與施工區(qū)實際交通狀況相契合，可以通過仿真參數(shù)的設(shè)置來實現(xiàn)．改變輸入車輛類型及其比例來實現(xiàn)實際交通中車輛組成的隨機(jī)性，實現(xiàn)其相互影響、彼此制約．相同車輛類型可設(shè)置不同的行駛參數(shù)，如加速度、減速度、期望車速的分布不同，來實現(xiàn)交通實際中駕駛員性別、年齡、駕齡差異性的模擬．此外，UCw in/road仿真系統(tǒng)還可以實現(xiàn)不同場景的模擬，可分別對晴天、雨天、雪天進(jìn)行仿真模擬．

3.3 仿真實驗和結(jié)果

（1）科研成果劃分法。科研成果本質(zhì)上屬于知識創(chuàng)新集成建構(gòu)，一般表現(xiàn)為知識類、技術(shù)類和產(chǎn)品類三大類型。對應(yīng)科研成果的理論屬性和應(yīng)用屬性與三大類型兩兩組合，知識類，提出新的理論體系和認(rèn)識，主要包括基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用理論研究；技術(shù)類，開發(fā)出新的工藝制作標(biāo)準(zhǔn)，主要包括專利技術(shù)研究和實用技術(shù)研究；產(chǎn)品類，生產(chǎn)制造出新的有用產(chǎn)品，主要包括產(chǎn)品創(chuàng)新研究和產(chǎn)品創(chuàng)造研究。依據(jù)油田博士后科研成果類型劃分及屬性特征，通過對149個項目進(jìn)行統(tǒng)計分析結(jié)果顯示：知識理論研究占26%，技術(shù)應(yīng)用研究為66%，產(chǎn)品生產(chǎn)型項目研究最少，僅為8%。

3.3.1 限速標(biāo)志限速值的確定

改變速度限制上限，分別設(shè)置為30 km/h、35km/h、40 km/h、45 km/h、50 km/h、55 km/h、60 km/h，并將限速標(biāo)志前置距離D長度分別設(shè)為100 m、150m、200m、250m、300m、350m、400m，發(fā)車頻率設(shè)為1050pcu/h，即道路載荷系數(shù)為0.7，對7種不同限速值和標(biāo)志前置距離進(jìn)行交叉仿真實驗，仿真120min內(nèi)，得到不同條件下的交通沖突指標(biāo)如表2～表4所示．

對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析得到趨勢圖如圖3～圖5所示．如圖3～圖5所示，隨著限速標(biāo)志前置距離的不同和限速值的改變，一般沖突、中等沖突和嚴(yán)重沖突的變化也不盡相同．當(dāng)限速值不變而改變限速標(biāo)志的前置距離時，對上述各圖進(jìn)行分析．

表2 不同位置和不同限速下一般沖突次數(shù)Tab.2 The numberofgeneral traffic conflicts

表3 不同位置和不同限速下中等沖突次數(shù)Tab.3 The numberofmedium traffic conflicts

表4 不同位置和不同限速下嚴(yán)重沖突次數(shù)Tab.4 The numberof serious conflicts

由圖3可得：一般沖突次數(shù)隨著前置距離由100m增大到400m過程中，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，表明隨著限速標(biāo)志前置距離的增大，輕微交通事故發(fā)生的可能性逐漸下降．

圖3 限速標(biāo)志位置對一般沖突的影響Fig.3 The location of sign effectson thegeneral traffic conflicts

由圖4可得：中等沖突次數(shù)隨著限速標(biāo)志前置距離的改變，增減變化趨勢并不明顯，這表明中等交通事故發(fā)生的可能性隨著限速標(biāo)志前置距離的改變而無明顯變化．

圖4 限速標(biāo)志位置對中等沖突的影響Fig.4 The location of sign effectson themedium traffic conflicts

由圖5可得：嚴(yán)重沖突次數(shù)隨著限速標(biāo)志前置距離由100m增大到400m的過程中變化較為復(fù)雜，沖突次數(shù)對于不同的限速值呈現(xiàn)出不同的變化趨勢；當(dāng)限速值較大時（40～60 km/h），沖突次數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢，而當(dāng)限速值較小時（30～40 km/h），沖突次數(shù)呈現(xiàn)先減小再上升的趨勢，變化點大約在前置距離250～300m的位置．

圖5 限速標(biāo)志位置對嚴(yán)重沖突的影響Fig.5 The location of sign effectson the serious traffic conflicts

綜上所述，考慮一般沖突、中等沖突、嚴(yán)重沖突隨限速值大小以及前置距離的變化趨勢，對占路施工區(qū)的限速值進(jìn)行分析可將限速值宜設(shè)置為40 km/h．

3.3.2 限速標(biāo)志前置距離的確定

限速值設(shè)置為40 km/h，限速標(biāo)志的前置距離取不同值，研究交通流的時空圖可得：圖6～圖9為限速值40 km/h，限速標(biāo)志前置距離取不同值時的交通流時空圖．D=100 m時，在施工區(qū)域前方發(fā)生大面積擁堵，且隨著時間的增長，擁堵區(qū)域逐漸擴(kuò)大；D=200 m時，施工區(qū)前方擁堵面積減少很快，擁堵區(qū)域擴(kuò)大趨勢得到控制；L=250 m時，施工區(qū)前方擁堵面積進(jìn)一步減少但仍然存在；D=300 m時，施工區(qū)前方擁堵面積仍然存在，與D=250m時交通流狀態(tài)差別不大．

圖6 D=100m時的交通流時空圖Fig.6 Time-spacediagram when D=100m

綜合考慮交通沖突和交通擁堵狀況，推薦在仿真實驗條件下，限速40 km/h的交通標(biāo)志設(shè)置位置為施工過渡區(qū)前方250～300m．

4 仿真結(jié)果與理論計算對比分析

由理論研究可得，交通標(biāo)志的前置距離計算公式為

根據(jù)仿真條件可得：車道數(shù)為3車道，設(shè)計速度為60 km/h，限速值為40 km/h，即n=3，V1=60 km/h，V2=40 km/h，t1=2.5 s，t2=6 s，經(jīng)計算可得，前置距離D的值大約為240m．

圖7 D=200m時的交通流時空圖Fig.7 Time-space diagram when D=200m

圖8 D=250m時的交通流時空圖Fig.8 Time-space diagram when D=250m

圖9 D=300m時的交通流時空圖Fig.9 Time-space diagram when D=300m

由仿真結(jié)果知，交通標(biāo)志前置距離為250～300m．

兩者對比可知，仿真結(jié)果比理論計算數(shù)值偏大．分析原因可知，理論計算公式是分析單一車輛的交通標(biāo)志認(rèn)知模型得出的，交通條件狀況較為理想．而仿真模擬中，不但考慮了車輛運(yùn)行中其他車輛的干擾因素，而且將不同年齡、性別、駕齡的駕駛員信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭奢斎氲慕煌▍?shù)在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行了設(shè)定．除此之外，還綜合考慮了不同的場景對交通標(biāo)志前置距離的影響．因此，交通條件變得復(fù)雜后，交通標(biāo)志的前置距離就會隨之增大．

理論公式是基于交通安全理論構(gòu)建駕駛員行駛模型和交通標(biāo)志認(rèn)知模型所得的結(jié)果，雖然條件過于理想，但是和仿真結(jié)果相比偏差不大．因此，理論計算公式在實際應(yīng)用中一定程度上是具有普遍適用性的，分析兩者結(jié)果可知，可在理論計算數(shù)值的基礎(chǔ)上增加20%左右作為限速標(biāo)志的前置距離．

5 總結(jié)

在交通語言系統(tǒng)和交通流理論基礎(chǔ)上，結(jié)合占路施工區(qū)交通特性，確定了占路施工區(qū)各功能段交通標(biāo)志的類型．基于停車視距構(gòu)建交通標(biāo)志前置距離的計算模型，通過交通標(biāo)志認(rèn)知模型的研究，對各交通參數(shù)的計算進(jìn)行了分析，確定了前置距離的計算公式．由于理論分析條件過于理想，運(yùn)用UC w in/road仿真系統(tǒng)和SOAR認(rèn)知模型，對上游過渡區(qū)限速標(biāo)志的設(shè)置進(jìn)行了仿真模擬，對不同限速值和標(biāo)志前置距離進(jìn)行交叉仿真實驗，確定了限速值和限速標(biāo)志的前置距離．與理論計算結(jié)果相比，仿真結(jié)果較大，更符合實際情況；實際應(yīng)用中可以在理論計算值的基礎(chǔ)上增加20%左右作為限速標(biāo)志的前置距離．

[1]楊曉光，邵海鵬，云美萍．交通語言系統(tǒng)結(jié)構(gòu) [J]．系統(tǒng)工程，2006，24（7）：1-7．

[2]JTGD81-2006，公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范 [S]．

[3]曲秋蒔．城市占道施工區(qū)交通組織方案優(yōu)化及仿真評價 [D]．北京：北京交通大學(xué)，2010．

[4]李喜華．城市占道施工對路段交通影響的研究 [D]．北京：北京交通大學(xué)，2011．

[5]JTGH30-2004，公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)范 [S]．

[6]楊少偉．道路勘測設(shè)計 [M]．北京：人民交通出版社，2009．

[7]任福田．交通工程總論 [M]．北京：人民交通出版社，2002．

[8]馬智亮．UC-w in Road實用教程 [M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

[9]Laird JE，NewellA，Rosenbloom PS．Soar：An architecture forgeneral intelligence[J]．Artificial Intelligence，1987，33（3）：1-64．

[責(zé)任編輯 楊 屹]

The theoreticalstudy and simulation of the traffic signs in urban road construction area

WEILianyu1,2，WEIKai1，F(xiàn)ENG Lei1，LIU Yanzhu1

（1.SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversityof Technology,Tianjin300401,China;2.CivilEngineering Technology Research Centerof HebeiProvince,Tianjin 300401,China）

Based on the theory of traffic flow and the technology of traffic simulation,thispaperstudies thesetting of the traffic signsin the road construction area taking into accountthe traffic characteristicsof thedriver,vehicles,road and environment.A fter analyzing the cognitivemodelof the traffic signs and researching the theory of traffic flow,this paper deduces the computational formulaof the parameternamely thepre-distanceof the traffic sign,which isderived under the ideal conditions.What'smore,in the application of the UCw in/road simulation system,this paper simulates the setting of the speed-limitsign in the upper transition region.On the basisof the simulation,the speed lim itvalue is determined and thepre-distanceof thespeed-lim itsign isobtained,which isa little longer than the resultof the theoreticalcalculation. Compared with the calculation resultof the pre-distance,the simulate result ismore practical.

road construction;traffic sign;simulation;the pre-distance;speed-lim it

U418.2

A

1007-2373(2016)01-0108-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.020

2014-06-17

河北省自然科學(xué)基金（E2013202228）

魏連雨（1957-），男（漢族），教授，博士生導(dǎo)師.