0 引言

高速公路互通立交区域由于交通流相互交织，交通环境复杂，车辆加减速换道等造成驾驶难度较大，驾驶人需要付出更多的注意力以及操控力，因此，从人-车-路-环境之间的相互关系来说，驾驶人与环境之间的协调对于该区域交通安全至关重要。

已有研究表明，高速公路匝道区域交通安全主要受到主线线形、出口匝道位置和形式、标志标线位置和形式、交通流组织、驾驶人行为等多种因素影响。我国以往针对互通立交区指路标志的效用评价往往采用定性化主观评价方法，一些定量化的研究所采用的评价指标也偏于单一，无法全面反映指路标志对于互通立交区域车辆驾驶人驾驶行为与交通流的综合影响。

本研究基于驾驶模拟试验，构建综合驾驶人微观驾驶行为评价指标、交通流宏观评价指标的互通立交区指路标志效用评价多目标函数，提出了对互通立交区指路标志效用的定量化评价方法，并结合具体案例进行了应用与分析。

1 国内外相关研究综述

交通标志设置有效性是交通标志与驾驶人相互作用的结果体现，从驾驶人角度，运用人机工效学原理研究交通标志设置有效性一直是研究的热点和难点。

国外方面，关于交通标志设置有效性的研究大多集中在对警告标志和限速标志设置有效性研究方面。对于警告标志，相关研究成果表明：警告交通标志的设置有效性受多种因素的影响，这些因素包括：标志设置位置、标志的版面设计^[1]、采用的图案颜色^[2]、社会影响因素^[3]、标志对事故后果的描述能力、驾驶人遵守标志所需付出的代价^[4]等。对于限速标志，Zwahlen, H T(1987)在40名驾驶人实车试验基础上，研究了两类转弯路口(向左转、向右转)处的限速标志对驾驶人驾驶行为的影响^[5]。Al-Kaisy等人从遮挡时间出发研究得出影响标志遮挡的主要因素是小车视认距离及平均速度、大小车之间的相对速度及它们之间的相对位置、大车车头时距的分布等^[6]。

国内方面，针对交通标志设置有效性的研究主要是从交通标志本身的颜色、形状、尺寸、图案符号和信息数量等角度进行的。部分研究成果已纳入相关标准规范^[7-12]。

李峰研究了我国高等级公路交通标志的字符和汉字尺寸、数量，以及设置位置等多个影响标志设置效果的因素。

华南理工大学交通学院的徐建闽研究了高速公路交通标志内容设置的若干问题，并提出了规范高速公路交通标志内容设计的多项意见和建议^[13]。

吉林大学的隽志才将交通标志信息的传递过程用信息理论进行了阐述，并在此基础上建立了交通标志的信息传输模型。隽志才等通过运用信息熵的方法，将驾驶人接受的标志信息进行了量化，并结合实际项目调研数据，运用该方法评价了现有路网交通标志信息传递的有效性^[14]。

东南大学的李文权等对高速公路路侧交通标志的视认效果进行了试验分析，研究了驾驶员视线被遮挡而无法及时获得路侧交通标志信息应采取的措施，并提出了路侧交通标志设置的具体步骤^[15]。

孙乔宝以云南安楚高速公路为依托，分析和探讨了6车道高速公路路侧标志遮挡问题^[16]。

交通运输部的冯移冬等，对高速公路路侧交通标志的可视性进行了系统分析，研究了驾驶人视线被遮挡而无法及时获得路侧交通标志信息的情况，并提出了基于时间的路侧标志遮挡概率计算模型^[17]。

刘小明等针对组合交通标志信息量阈值缺乏量化依据的问题，设计了包含指路标志与车道行驶方向标志的组合标志，测定了被试者视认组合标志的正确率及反应时间，得到组合标志的信息量阈值，并通过试验对模拟结果进行了验证^[18]。

2 综合考虑驾驶人驾驶行为稳定性与交通流运行状态稳定性的指路标志效用评价模型 2.1 基本假设

根据互通立交区交通流运行特性，指路标志的设置会对驾驶人驾驶行为本身造成影响。科学设置的指路标志可以引导驾驶人在充足的时间内，有效的完成减速、换道、驶出高速公路的过程。同时，由于有效的预告与充足的换道时间，驾驶人心理上的紧张感会相对较小，其加减速对交通流的影响也会较小。

本模型仅针对标志设置的效用进行评判，并不涉及标志信息的有效性。因此，假设指路标志的信息选取是科学的，驾驶人能够在标志版面中即时找到相应的目的地信息。

2.2 模型的建立

目标函数

本研究所建立综合驾驶人微观行为与宏观交通流变化指标的互通立交区指路标志效用评价模型，其模型的基本型如式(1)所示：

(1)

式中，F(X)为互通立交区指路标志效用函数；f₁(X)为驾驶人操作行为微观评价函数，设a_1j=f₁(x_j); f₂(X)为交通流宏观评价函数，设a_2j=f₂(x_j)。

目标分解

目标Ⅰ：驾驶人心生理数据最稳定，即相应心理指标变化率最小。如式(2)所示：

(2)

各心、生理指标解析如下：

反应时间S₁(X₁)：

反应时间是指人从外界获得信息，做出反馈的时间。包括通过感觉器官、大脑加工、神经传入传出所需的时间以及肌肉效应器反应所需的时间。由于人的心生理因素的限制，人对刺激的反应速度是有限的，且随着人年龄及个体的不同而不同。一般情况下，普通人的反应时间约为0.2~0.5 s。而当人面对复杂的选择性操作，反应时间可达1~3 s；当人在进行复杂判断和认识时，所需的反应时间更长，平均可达到3~5 s。根据已有的认知理论，人针对具体的带有复杂判断工作的反应时间t可用下式求得：

(3)

式中，k为常数；n为等概率出现的选择对象数；(n+1)是考虑判明是否出现刺激。

本研究将反应时间定义为驾驶人发现标志、视认标志、反应操作的时间之和，如式(4)所示：

(4)

心率变异率S₂(X₂):

基于交通运输部驾驶模拟器反应平台及生物反馈仪等相应心生理数据采集设备，可采集到被试较详细的心生理数据，包括皮表温度、皮电、脑电、呼吸、心率等数据。各项生理指标的检测测量都是建立在NN间期基础上的。试验过程中采集了被试的心电(electrocardiogram, ECG)数据，结果如图 1所示。

在Equivital Manager数据处理软件中，可以通过计算ECG数据得到不同被试的心率值。考虑到不同人的心律基准值不同，因此不能直接用于分析，项目组决定利用心率波动值来反映被试心律(Heart Rate)的波动情况，即：被试某时刻实际心率值HR_i减去某一时段内心率平均值HR，得到心率在该时刻的波动值δHR

(5)

则平均的心率变异率S₂(X)为

(6)

基于以往研究成果^[18]，取得反应时间与心率变异系数对驾驶人心理稳定性的评价权重，如表 1所示。

因此，目标Ⅰ的评价模型为：

(7)

对于约束条件，首先，驾驶人在完成反应后，需要有足够的距离换道并驶出高速公路。根据以往研究成果^[18]，驾驶人需要在430 m的距离内完成对标志的视认。则约束条件1为：

(8)

式中v₁为高速公路一般段运行速度。

心率变异率以发生交通冲突或接近发生交通事故时的驾驶人心率变异率作为边界条件，根据以往研究成果^[18]，则该边界条件为78.5。因此心率变异率的约束条件为：

(9)

目标Ⅱ：互通立交区交通流运行最顺畅。在互通立交区，车辆驶出高速公路时会发生减速、寻找间隙换道、最终驶出的完整过程。在这一过程中，驾驶人的驾驶行为会影响到本车的运行状态，而本车的运行状态会对整体交通流的运行数据产生影响。通过对该过程进行分析，将车辆从本车道至驶出高速公路的加速度、车道偏移量、换道点距离作为自变量，建立目标规划模型，如式(10)所示：

(10)

驾驶表现数据主要由驾驶模拟车辆上的传感器自动采集得到，主要包括被试在驾驶车辆过程中的车辆运行速度、前轮转角、车道偏移量、油门开度以及刹车等数据。结合研究关注的要素，项目组主要选取车道保持率及车辆运行加速度作为驾驶行为表征指标，相关判别指标解析如下。

速度变化率：

车速变化量主要反应被试的车速控制能力，以往研究表明，当速度提高时，车辆运行速度差异性变大，速度保持所占用被试的脑力资源增加，即被试需要在保持速度方面付出更大的努力才能达到较好效果。在高速公路互通立交区，车辆在换道过程中的加速度变化越平滑，说明车辆运行状态越稳定，受到的冲突越少。我们将从最内侧车道到最外侧车道纵向和横向的速度平均变化作为速度变化率的表征参数，如式(11)所示：

(11)

车道保持能力(车道偏移量)：

车道偏移量是车辆在调整为正向行驶时，距离车道中线的偏移距离，以此来反映驾驶人车道保持能力。车道偏移量增加，则车道保持能力降低。在被试试验过程中，由于横向偏移的方向不同，因此车辆横向偏移量有正负区分，项目组在分析之前对数据进行了取绝对值操作。本研究分析了横向偏移的平均值及其横向偏移在不同范围内所占的比例，横向偏移(中到中)数据的25%，50%，75%分位值分别为0.48，0.95，1.56 m，为方便操作，将其进行微调，分别取0.5，1 m及1.5 m做为分界点。

这里取3次变道过程中的车道偏移量平均值作为表征函数：

(12)

基于以往研究成果^[18]结合专家经验，取得加速度变化率与车道保持率对交通流稳定性的影响系数，如表 2所示。

因此，目标Ⅱ的评价模型为：

(13)

约束条件：

基于以往研究成果^[18]，速度变化率的最大值为20 km/h，以可能导致交通冲突的车道偏移量为控制性指标，则约束条件如下：

约束条件1：

(14)

约束条件2：

(15)

评价模型

基于以上研究成果，建立多目标函数评价模型如下：

总目标函数：

(16)

其中, 分目标1：

(17)

分目标2：

(18)

3 模型应用与分析

以某高速公路客货分离车道车流交织区的标志布设方案选取为例，开展驾驶模拟试验，应用本模型进行评价与比选。

共有2组设计方案，将2组对比方案分别编号，其中原设计图纸中的一般设置方案记为组A，比选设置方案记为组B。按照样本量需求合理选取被试，将所选取的被试驾驶人按年龄段和性别平均分到A、B两组进行试验。两实验组的背景场景设计相同，各组实验标志的布设情况如图 2、图 3所示。

在选定驾驶人后，将被试的出发点位设置在最右侧车道，告知各组被试驾驶人所驾驶的车辆为小客车。试验开始后，请驾驶人在加速道路上先将车辆加速到100 km/h左右，到达分流点后，根据指引标志寻找合适的车道行驶。每次换道时要打转向灯，同时鸣笛一次，换道过程中需要保证车辆的行驶安全，避免与相邻车道车辆发生碰撞。

本次驾模试验的试验地点在通州区交通运输部公路试验场，试验现场情况如图 4所示。

通过驾模试验采集驾驶人反应时间、心率变化率，模拟车辆速度变化率、车道保持数据率等数据，应用本评价模型进行分析。

采用编程的形式实现计算分析，将方案A的相关数据和方案B的相关数据带入到模型中，数据处理流程如下所示：

利用遗传算法求解该有约束的0-1规划模型。采用基于排名的轮盘式选择算子。

(1) 变量编码

采用0-1编码，假设指路标志设置的备选高速公路出口有s′个，则染色体长度为s′。其中0表示在备选出口不设置指引标志，1表示在该位置设置指引标志。

(2) 适应度函数

由于是对函数求最大化，因此取F(i)=V(i)。F(i)为第i个个体的适应度，V(i)为第i个个体的目标函数。

(3) 约束处理

使可行解获得理想的适应值, 从中选择合乎要求的个体。可行解超出约束程度为0，可行解之间适应值大的以更大概率进入下一代。

(4) 遗传操作

选择操作：

采用基于排名的轮盘式选择算子。对所有待选个体，首先将可行解按适应值由高到低排在前面，不可行解按超出约束的程度由小到大排在后面。第i个个体的生存概率C_i为：C_i=q(1－q)^i-1, q∈(0, 1)

求出每个个体的生存概率C_i后，便可计算每个个体的选择概率，然后按轮盘式进行选择产生后代。

交叉：设定交叉概率P_c，实行单点交叉操作产生新个体。

变异：按变异概率选取染色体的某个位置实行变异，该位置是0的变成1，是1的变成0。

(5) 算法流程

第1步：初始化。设定种群数目M，染色体长度l，设定迭代数g_enmax、交叉概率P_c、变异概率P_m。

第2步：变量编码。采用0-1编码，随机产生初始种群，置迭代次数g_en=1；

第3步：适应度函数。计算每个个体适应度值及超出约束的程度。

第4步：约束处理。

第5步：遗传操作。采用基于排名的遗传式选择算子，对所有个体进行排序选择操作，复制选择下一代种群；

第6步：交叉与变异，令g_en=g_en+1，从而得到新种群；

第7步：结果判断，输出最佳个体。

(6) 试验结论

通过程序对方案A和方案B的相关数据进行计算，结果显示方案B的总目标函数maxF(x)得分较高，说明方案B的标志布设方法，更有利于保持驾驶人驾驶行为稳定性与交通流运行状态稳定性，因此推荐选取方案B。

5 结论

本研究从高速公路互通立交交织区驾驶人与环境之间的协调性分析入手，基于驾驶模拟试验，构建综合驾驶人微观驾驶行为评价指标、交通流宏观评价指标的互通立交区指路标志效用评价模型，提出了对互通立交区指路标志效用的定量化评价方法。可为驾驶模拟试验的数据分析与方案比选工作提供参考。