趙建有，徐 舸，韓萬里，謝偉國，李 斌

(1.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.河南省收費(fèi)還貸高速公路管理有限公司航空港分公司，河南 鄭州 450000；3.長安大學(xué) 運(yùn)輸工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

為禁止超過限定高度機(jī)動(dòng)車通過特定路段、區(qū)域、建筑物或構(gòu)造物，減輕路橋荷載，方便交通管理[1-2]，在部分城市快速路和高架路采取設(shè)置限高門架等措施。

近年，機(jī)動(dòng)車數(shù)量逐年增長，高級公路、城市快速路等交通設(shè)施大規(guī)模建設(shè)，道路立體交叉增多，以防護(hù)設(shè)施為目的的限高門架數(shù)量增加，因機(jī)動(dòng)車碰撞限高門架引發(fā)交通事故，嚴(yán)重威脅司乘人員生命安全。2017年11月交通部正式發(fā)布《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG D81—2017)，進(jìn)一步規(guī)范道路限高門架設(shè)置。道路限高門架交通事故致因總結(jié)為4個(gè)方面[3-4]：限高門架結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度過高(限高門架材料以Q235、Q345鋼結(jié)構(gòu)為主)，車輛碰撞造成重大損失或人員傷亡；限高門架高度設(shè)計(jì)不合理；橫梁跨越多條車道時(shí)，碰撞將阻礙車輛通行；限高門架寬、材質(zhì)等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。據(jù)相關(guān)研究，大型商用車輛與小型車輛駕駛員視認(rèn)效率和停車安全視距不同[5]，標(biāo)志設(shè)置應(yīng)將該差異問題考慮在內(nèi)。因此，本文基于限高門架事故特征，對城市道路限高門架警告標(biāo)志進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，從工效學(xué)和人因工程學(xué)角度分析事故特征及影響因素，研究城市道路限高門架警告標(biāo)志設(shè)置問題，并針對性提出預(yù)防措施。

1 數(shù)據(jù)來源及分析

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文共收集2008—2018年交通事故68起，事故地點(diǎn)及事故數(shù)量見表1。選取事故發(fā)生地點(diǎn)、時(shí)間、事故車型、人員傷亡情況、限高門架高度及事故原因等數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)有效數(shù)據(jù)共52起，無效數(shù)據(jù)16起。

表1 事故地點(diǎn)及事故數(shù)量

1.2 描述性統(tǒng)計(jì)分析

通過對52起限高門架碰撞事故分析可知，事故共造成18人死亡，92人受傷；事故多發(fā)生在限速40～60 km/h公路，門架高度2.2～4.5 m(M=3.03 m，SD=0.309)，肇事車為高度2.5～4.5 m大型車輛(M=3.50 m，SD=0.50),樣本特征見表2。在52起事故中，92.3%限高門架警告標(biāo)志未前置設(shè)置，其中73.1%駕駛員表示當(dāng)注意到標(biāo)志時(shí)，已來不及采取剎車制動(dòng)。將事故原因歸納為3種：標(biāo)志直接設(shè)置在限高門架上方，駕駛員標(biāo)志視認(rèn)能力下降；限高門警告標(biāo)志前置距離不足或未前置，導(dǎo)致停車安全距離不足；低能見度條件下，安全視距不足。

表2 樣本特征

2 限高門架碰撞事故致因分析

2.1 事故影響因素

本文采用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)事故致因與限高門架高度是否存在顯著差異。結(jié)果表明：不同事故致因與對應(yīng)限高門架高度有顯著差異(p=0.027)。基于二元logistic回歸分析與事故致因相關(guān)因素，假設(shè)因變量為“事故原因”(估計(jì)錯(cuò)誤=1，來不及制動(dòng)=2)；自變量為限高門架高度、車型(重型貨車=1，輕型貨車=2，客車=3)、有無前置警告標(biāo)志(有=1，無=2)及視線條件(正常視距=1，不良視距下=2)。使用“向前-LR”法篩選變量，構(gòu)建SPSS模型并得到事故原因與限高門架關(guān)系正確率74.5%。事故影響因素見表3。

表3 事故影響因素

關(guān)系模型表明限高門架高度與事故原因呈顯著負(fù)相關(guān)，即限高門架高度越小，事故原因越偏向“來不及制動(dòng)”。限高門架高度每減少1個(gè)單位，因“來不及制動(dòng)”造成事故可能性增加27%。大型車輛駕駛員眼睛位置與觀測角與一般車輛駕駛員不同，導(dǎo)致駕駛員交通標(biāo)志觀測角和光線入射角不同，影響視認(rèn)距離、視認(rèn)效率和停車安全距離[5]。

2.2 不同車型駕駛員觀測角度差異影響

相同距離下不同車型駕駛員觀察交通標(biāo)志情況如圖1所示。當(dāng)距交通標(biāo)志100 m時(shí)，大型車駕駛員觀測角1°，小型車0.5°；當(dāng)觀測角均為0.5°時(shí)，大型車距交通標(biāo)志距離比小型車多130 m，當(dāng)大型車駕駛員交通標(biāo)志觀測角度為0.5°時(shí)，距標(biāo)志230 m，基本無法進(jìn)入字體視讀距離(人肉眼對交通標(biāo)志識(shí)認(rèn)距離一般在300 m內(nèi)，有效距離視讀一般在50～150 m內(nèi)完成)。

圖1 相同距離下不同車型駕駛員觀察交通標(biāo)志情況

因此，當(dāng)限高門架警告標(biāo)志設(shè)置不當(dāng)或未考慮駕駛員眼高視認(rèn)需求時(shí)，易被駕駛員忽略；當(dāng)標(biāo)志逆反射效率最高時(shí)，駕駛員不具備視認(rèn)能力；當(dāng)距離減小，標(biāo)志逆反射效率不能滿足駕駛員視認(rèn)需求。此外，大型車載重量大，很難在有效距離內(nèi)完成制動(dòng)停車。

2.3 限高警告標(biāo)志設(shè)置位置影響

目前，限高門架高度與警告標(biāo)志設(shè)置沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，警告標(biāo)志一般設(shè)置于門架上方，設(shè)置方式不規(guī)范，降低標(biāo)志逆反射效率。不同位置標(biāo)志牌逆反射亮度比例如圖2所示。車輛處于道路右側(cè)車道行駛，當(dāng)距離交通標(biāo)志50 m時(shí)，對車燈照射凈空位置標(biāo)志進(jìn)行逆反射亮度測試，假設(shè)道路右側(cè)標(biāo)志照射亮度為100，龍門架上方標(biāo)志僅為17。

圖2 不同位置標(biāo)志牌逆反射亮度比例

2.4 不良天氣條件對警告標(biāo)志視認(rèn)影響

霧、雨、雪等惡劣天氣及夜晚造成不良視距，大型車駕駛員對限高門架警告標(biāo)志視認(rèn)問題尤為突出，不良視距下，駕駛員對前方路面距離信息缺乏有效判斷[6]。在事故分析中，因雨、霧及夜晚逆光等不良視距引發(fā)事故占19.2%，當(dāng)視距受影響，注意到限高門架或警告標(biāo)志時(shí)已來不及制動(dòng)停車。

2.5 復(fù)雜交通環(huán)境對警告標(biāo)志視認(rèn)影響

不同交通環(huán)境下，駕駛員對相同交通標(biāo)志注意程度與反應(yīng)狀態(tài)不同。復(fù)雜交通環(huán)境會(huì)影響駕駛員信息接收與傳遞，公路兩側(cè)霓虹燈、燈光廣告等背景發(fā)光物體對警告標(biāo)志視認(rèn)干擾較大[7-8]。西安二環(huán)某道路限高門架如圖3所示，在復(fù)雜交通環(huán)境下，警告標(biāo)志很難提前引起駕駛員注意。

圖3 西安二環(huán)某道路限高門架

3 限高門架警告標(biāo)志優(yōu)化設(shè)置

交通標(biāo)志是駕駛員與交通環(huán)境主要互動(dòng)方式之一[9]，不同交通環(huán)境與道路信息能否及時(shí)、準(zhǔn)確地傳遞給駕駛員，對提高車輛運(yùn)行安全至關(guān)重要。相關(guān)研究表明，在危險(xiǎn)路段設(shè)置警告標(biāo)志可減少30%交通事故[10]。而道路交通標(biāo)志能否有效地向交通參與者傳遞信息，取決于其設(shè)置科學(xué)合理性，在交通狀況復(fù)雜路段更為明顯。對限高門架警告標(biāo)志設(shè)置，既要保證大型車輛駕駛員能夠視認(rèn)，又要留有足夠的安全停車距離。

3.1 限高門架警告標(biāo)志路側(cè)前置設(shè)置

標(biāo)志視認(rèn)可分為“發(fā)現(xiàn)、認(rèn)讀、判斷、行動(dòng)”4個(gè)階段[11]。駕駛員對限高門架警告標(biāo)志的視認(rèn)過程如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)車輛行駛到A點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)警告標(biāo)志(看不清標(biāo)志信息)，當(dāng)行駛到B點(diǎn)時(shí)可識(shí)別標(biāo)志限高值，由A行駛至B的這段距離為駕駛員覺察距離S1；當(dāng)車輛行駛到C點(diǎn)時(shí)，駕駛員將標(biāo)志內(nèi)容讀完，這段距離為讀取距離S2；此時(shí)，駕駛員采取行動(dòng)判斷(是否剎車)，一直到D點(diǎn)駕駛員判斷結(jié)束，這段距離為決策距離S3；駕駛員收到需要緊急停車信號，一直到E點(diǎn)駕駛員將腳移至制動(dòng)踏板開始行動(dòng)，這段距離為駕駛員反應(yīng)距離S4。

圖4 標(biāo)志視認(rèn)過程、最小安全距離及駕駛員操作過程

根據(jù)大型車輛駕駛員動(dòng)態(tài)視覺特性，當(dāng)駕駛員視線與路側(cè)標(biāo)志夾角α超過視角閾值θ時(shí)(一般取值15°)，標(biāo)志從駕駛員視野中消失，消失點(diǎn)F到標(biāo)志G的距離稱為消失距離m；從E點(diǎn)行動(dòng)開始到行動(dòng)結(jié)束H點(diǎn)，制動(dòng)停車的這段距離為行動(dòng)距離L；從A點(diǎn)到標(biāo)志G稱為視認(rèn)距離S。通過分析大型車輛駕駛員對限高門架警告標(biāo)志視認(rèn)過程可知，駕駛員必須在限高門架警告標(biāo)志消失前認(rèn)讀完限高值信息才能減速停車，需同時(shí)滿足式(1)～(2)：

S+D≥S1+S2+S3+S4+L

(1)

L≥m

(2)

根據(jù)《城市道路工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51286—2018)，交通標(biāo)志設(shè)置既要實(shí)現(xiàn)自身功能，又不能影響道路通行安全條件[12]。結(jié)合《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)[13]，將式(1)～(2)整理可得限高門架警告標(biāo)志前置距離條件，如式(3)～(4)所示：

(3)

(4)

式中：D為前置距離，m；d為駕駛員視線到標(biāo)志側(cè)距，m，一般取9 m[14]；V0為車輛最高行駛速度或道路限速值，m/s；t1為駕駛員觀察標(biāo)志時(shí)間，s；t2為駕駛員讀取標(biāo)志時(shí)間，s；t3為駕駛員決策時(shí)間，s；t4為駕駛員反應(yīng)時(shí)間，s。

制動(dòng)停車行動(dòng)距離L分為3部分，相關(guān)規(guī)范假定在制動(dòng)時(shí)得到最大制動(dòng)力，而實(shí)際為逐漸上升達(dá)到最大制動(dòng)力[15]，所以，制動(dòng)停車行動(dòng)距離L包括：制動(dòng)間隙消除階段L1、制動(dòng)力逐漸上升階段L2及平穩(wěn)制動(dòng)階段L3。根據(jù)車輛工程學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，制?dòng)力逐漸上升階段，減速度服從線性變化。平穩(wěn)制動(dòng)階段，制動(dòng)力達(dá)到最大值后，以最大減速度持續(xù)制動(dòng)直至停車。L2，L3，L如式(5)～(7)所示：

(5)

(6)

(7)

式中：f1為縱向摩阻系數(shù)，根據(jù)《城市道路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 193—2012)[16]取0.4；g為重力加速度，9.8 m/s2；tL1為間隙消除時(shí)間，s，一般取0.05；tL2為不同類型制動(dòng)器所需時(shí)間，s，《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》(GB 7258—2017)[17]規(guī)定，汽車列車和鉸接客車、鉸接式無軌電車制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間應(yīng)≤0.80 s。

實(shí)際情況下要考慮大型車輛駕駛員視認(rèn)角度，尤其在動(dòng)態(tài)行車時(shí)，有較短視線定視持續(xù)時(shí)間，只有當(dāng)觀察視線與標(biāo)志構(gòu)成的視角閾限足夠大，且在定視情況下駕駛員才能辯識(shí)交通標(biāo)志，標(biāo)志視認(rèn)距離S如式(8)所示：

(8)

式中：ΔH為標(biāo)志中心與駕駛員視線平面高差，m；β為最大視界范圍，(°)，一般β最大值為15°；t為視認(rèn)標(biāo)志時(shí)間，s，由t1、t2、t3和t4組成。

要確保在有限時(shí)間完成認(rèn)讀、決策、反應(yīng)及安全制動(dòng)停車，標(biāo)志最小安全前置距離Dmin如式(9)所示：

(9)

同時(shí)，必須滿足式(2)，且在逆光等標(biāo)志可視情況較差時(shí)，取正常與不良視距中較小值。

根據(jù)道路限高門架警告標(biāo)志最小安全前置距離計(jì)算模型，假定在某城市道路(雙車道)路側(cè)設(shè)置1處標(biāo)志，車輛制動(dòng)間隙消除時(shí)間tL1為0.05 s，車輛制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間tL2為0.80 s，g為9.8 m/s2，f1為0.40，β為15°，d為9 m。根據(jù)《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》(GB 5768—2017)[18]，路側(cè)限高門架警告標(biāo)志設(shè)置前置參考距離見表4。

表4 城市道路限高門架警告標(biāo)志前置參考距離

考慮大型車輛駕駛員識(shí)別標(biāo)志特點(diǎn)，最小安全前置距離設(shè)置須同時(shí)滿足式(2)。把相關(guān)參數(shù)帶入式(2)，計(jì)算前置距離至少為33.3 m，滿足由模型(9)計(jì)算得出限高門架警告標(biāo)志前置參考距離，驗(yàn)證構(gòu)建前置距離模型合理性。

3.2 限高門架警告標(biāo)志優(yōu)化設(shè)置其他優(yōu)化建議

1)重復(fù)設(shè)置限高門架警告標(biāo)志

道路交通系統(tǒng)路況相對復(fù)雜，道路周邊環(huán)境干擾、車流量大遮蔽多，考慮大型車輛駕駛員近距離觀察視角，需保障標(biāo)志信息送達(dá)環(huán)境。因此，需提高駕駛員發(fā)現(xiàn)標(biāo)志機(jī)會(huì)，增加標(biāo)志容錯(cuò)性。

2)道路雙側(cè)設(shè)置限高門架警告標(biāo)志

由于警告標(biāo)志設(shè)置位置固定，當(dāng)車輛處于不同車道同一斷面時(shí)，一般位于最外側(cè)車道入射角最小，最內(nèi)側(cè)車道入射角最大。入射角越小逆反射效率越高，逆反射效率越低。根據(jù)不良視距下交通標(biāo)志視認(rèn)效率分析可知，路側(cè)直立標(biāo)志相對其他位置交通標(biāo)志反射效率較高。為克服視認(rèn)效率差異，建議采用道路兩側(cè)雙標(biāo)志，既提高標(biāo)志影響力，又充分告知駕駛員前方道路信息。

3)提高限高門架警告標(biāo)志顯現(xiàn)性(增加標(biāo)志逆反射值)

限高門架警告標(biāo)志設(shè)置應(yīng)充分考慮夜晚、不良天氣及大型車輛駕駛員視角特性等因素，使標(biāo)志逆反射材料性能與字符大小滿足不良視距下大型車輛駕駛員安全視距需求。如采用大角度反光性能較好的材料(熒光黃鉆石級和熒光黃綠鉆石級反光材料)提高標(biāo)志顯著性，阻抗其他背景反光物體，改善安全視認(rèn)效率。在質(zhì)量審計(jì)時(shí)，建議在大型車輛夜間、雨、霧、雪等不良視距條件下檢查。

4)綜合限速等其他警告預(yù)防設(shè)施設(shè)置

在合理設(shè)置限高門架警告標(biāo)志情況下，還可通過添加限速等其他警告措施，如增加地面標(biāo)線、警告語、減速帶及有參照刻度的前置標(biāo)志等方法，選擇最優(yōu)警告方案。

4 結(jié)論

1)限高門架高度對事故影響顯著，當(dāng)限高門架高度減少1個(gè)單位時(shí)，因“來不及制動(dòng)”造成碰撞事故可能性增加27%，即限高門架高度越小，碰撞事故原因越偏向于“來不及制動(dòng)”；通過構(gòu)建大型駕駛員視線特征標(biāo)志前置距離模型，得出公路限高門架警告標(biāo)志前置參考距離，驗(yàn)證模型有效性，并有針對性提出限高門架警示標(biāo)志優(yōu)化設(shè)置意見。

2)充分考慮大型車輛駕駛員視角特性，重復(fù)設(shè)置限高門架警告標(biāo)志，提高駕駛員發(fā)現(xiàn)標(biāo)志機(jī)會(huì)，增加標(biāo)志容錯(cuò)性；采用道路兩側(cè)雙標(biāo)志，既提高標(biāo)志影響力，又充分告知駕駛員前方道路信息；提高限高門架警告標(biāo)志顯著性，改善安全視認(rèn)效率，在質(zhì)量審計(jì)時(shí)使用大型車輛在夜間、雨、霧、雪等不良視距條件下檢查；綜合限速等其他警告預(yù)防設(shè)施設(shè)置，增加地面標(biāo)線、警告語、減速帶及有參照刻度的前置標(biāo)志等方法，選擇最佳警告方案。