雾天桥梁可变限速值的效用评估及优化

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220765

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2024, Vol. 52 ›› Issue (1): 127-138.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.220765

雾天桥梁可变限速值的效用评估及优化

张建华¹ 赵晓华¹欧居尚² 栾森¹ 戴义博¹

^1.北京工业大学城市建设学部，北京 100124
^2.四川警察学院智能警务四川省重点实验室，四川泸州 646000

收稿日期:2022-11-19 出版日期:2024-01-25 发布日期:2023-04-23
通信作者: 欧居尚（1973-），男，教授，主要从事交通组织与控制、交通安全与执法技术研究。 E-mail:oujushang1973@163.com
作者简介:张建华（1993-），男，博士生，主要从事交通运行安全研究。E-mail:zhangjianhua0728@outlook.com
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(52072012);智能警务四川省重点实验室开放基金资助项目(ZNJW2022KFZD001)

Evaluation of Utility and Optimal of Variable Speed Limit Value for Bridge in Foggy Condition

ZHANG Jianhua¹ ZHAO Xiaohua¹ OU Jushang² LUAN Sen¹ DAI Yibo¹

^1.Faculty of Architecture, Civil and Transportation Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
^2.Key Laboratory of Intelligent Policing, Sichuan Police College, Luzhou 646000, Sichuan, China

Received:2022-11-19 Online:2024-01-25 Published:2023-04-23
Contact: 欧居尚（1973-），男，教授，主要从事交通组织与控制、交通安全与执法技术研究。 E-mail:oujushang1973@163.com
About author:张建华（1993-），男，博士生，主要从事交通运行安全研究。E-mail:zhangjianhua0728@outlook.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52072012)

摘要/Abstract

摘要：

为改善高速公路桥梁路段雾天环境的交通安全，文中考虑可变限速标志设置对驾驶行为的影响，从服从效应角度提出其量化评估方法，以期获得最优作用效能。文中以鄂东长江大桥为原型，选取该桥梁近年最低能见度（100 m）和自由流服务水平作为测试环境，设计3种限速策略，分别为对照组S_Ⅰ（无限速策略）、实验组S_Ⅱ（90~70 km/h限速策略）、实验组S_Ⅲ（90~70~50 km/h逐级限速策略）；依托驾驶模拟器，实现不同限速条件的雾天桥梁场景微观驾驶行为数据的细粒度感知，采用重复测量方差分析方法从驾驶人响应的快速性、稳定性及准确性剖析可变限速标志的作用机理及驾驶人特征表现，并通过模糊综合评价方法评估不同限速策略的有效性。研究结果表明：雾天桥梁可变限速标志能够使驾驶人更早地采取减速措施，车辆在雾区行驶过程的稳定性更好；在雾天能见度100 m情况下，90~70~50 km/h逐级限速策略的稳态频数更大，空间稳定性更好，且速度超调量和跟随比更小，响应准确性更高。模糊综合评估结果显示，90~70~50 km/h逐级限速策略作为最优方案，能够有效地提升雾区驾驶行为的调节适应能力，降低驾驶风险，提高车辆运行的稳定性。本研究成果为雾天桥梁可变限速标志的优化设置提供了解决方案，可为雾天桥梁的主动安全防控提供有效支撑。

关键词: 交通标志, 可变限速标志, 模糊综合评价, 模拟器, 重复测量方差分析

Abstract:

To improve the traffic safety of highway bridge sections in foggy environments, this paper considered the influence of variable speed limit signs on driving behavior. To obtain the best effect, it put forward a quantitative evaluation method from the perspective of the obedience effect. Taking E’dong Yangtze River Bridge as the prototype, this paper selected the lowest visibility （100 m） and free flow service level of the bridge in recent years as the test environment. Three speed limit strategies were designed, namely, the control group S_Ⅰ (no speed limit strategy）, the experimental group S_Ⅱ (90~70 km/h speed limit strategy), and the experimental group S_Ⅲ (90~70~50 km/h step-by-step speed limit strategy）. Relying on the driving simulator, the micro-driving behavior data of foggy bridge scenes with different speed limit conditions were realized. The action mechanism of variable speed limit signs and driver characteristics were analyzed from the rapidity, stability, and accuracy of driver response by repeated measure analysis of variance, and the effectiveness of different speed limit strategies was evaluated using the fuzzy comprehensive evaluation method. The results show that the variable speed limit sign can make the driver take deceleration measures earlier, and the vehicle’s stability in the fog area is better. When the visibility is 100 m in fog, the steady-state frequency of 90~70~50 km/h step-by-step speed limiting strategy is more significant, the spatial stability is better, the speed overshoot and the following ratio are more minor, and the response accuracy is higher. The results of the fuzzy comprehensive evaluation show that the 90~70~50 km/h step-by-step speed limit strategy, as the optimal scheme, can effectively improve the adaptability of driving behavior in fog areas, reduce driving risk, and improve the stability of vehicle operation. The research results provide a solution for setting variable speed limit signs for bridges on foggy days and can provide adequate support for the active safety prevention and control of bridges on foggy days.

Key words: traffic sign, variable speed limit sign, fuzzy comprehensive evaluation, simulator, repeated measures analysis of variance

中图分类号:

U491.6

张建华, 赵晓华, 欧居尚, 等. 雾天桥梁可变限速值的效用评估及优化[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(1): 127-138.

ZHANG Jianhua, ZHAO Xiaohua, OU Jushang, et al.. Evaluation of Utility and Optimal of Variable Speed Limit Value for Bridge in Foggy Condition[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2024, 52(1): 127-138.

图/表 14

图1

图2

表1

图3

图4

表2

表3

图5

图6

表4

不同限速策略下评价指标的显著性分析"

评价层	指标	均值			标准差			P
评价层	指标	S_Ⅰ	S_Ⅱ	S_Ⅲ	S_Ⅰ	S_Ⅱ	S_Ⅲ	P
快速性	$a l$	-0.323	-0.926	-1.268	0.400	0.473	0.618	0.000^2）
快速性	$t p$	27.032	37.353	32.395	10.854	12.509	10.296	0.001^1）
稳定性	$v S D$	-0.088	-0.068	-0.082	0.100	0.041	0.080	0.531
稳定性	$N s$	84.060	163.650	297.580	90.990	190.380	211.366	0.000^2）
准确性	$σ v$	34.981	25.751	14.423	15.385	8.393	10.913	0.000^2）
准确性	$p f$	0.262	0.265	0.193	0.022	0.017	0.021	0.002^1）

表4

图7

表5

可变限速评价指标等级取值区间"

指标	现状值	取值范围
指标	现状值	等级1	等级2	等级3	等级4	等级5
$a l$	-1.268	-3.75~-2.10	-2.1~-1.35	-1.35~-0.76	-0.76~-0.20	-0.20~0.45
$t p$	32.395	10.95~17.88	17.88~25.91	25.91~37.91	37.91~53.84	53.84~68.05
$v S D$	6.597	1.38~4.94	4.94~8.56	8.56~12.35	12.35~17.71	17.71~22.81
$N s$	297.580	781.84~936.00	533.34~781.84	304.46~533.34	120.31~304.46	0.00~120.31
$σ v$	14.423	8.15~18.78	18.78~30.07	30.07~40.72	40.72~53.22	53.22~68.88
$p f$	0.193	0.02~0.13	0.13~0.22	0.22~0.33	0.33~0.50	0.50~0.73

表5

表6

评价指标隶属度矩阵计算结果"

指标	评价指标各等级隶属度
指标	等级1	等级2	等级3	等级4	等级5
$a l$	-0.326	-0.046	0.139	-0.228	-0.383
$t p$	-0.404	-0.232	0.460	-0.205	-0.500
$v S D$	-0.241	0.458	-0.273	-0.524	-0.681
$N s$	-0.619	-0.442	-0.023	0.037	-0.373
$σ v$	0.410	-0.410	-0.714	-0.807	-0.861
$p f$	-0.267	0.300	-0.135	-0.442	-0.640

表6

表7

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系统评价	系统控制指标	映射关系	驾驶操作指标
响应快速性	上升时间	达到稳态的形式和快慢程度	限速区平均加速度
响应快速性	峰值时间	达到稳态的形式和快慢程度	峰值时间
响应稳定性	误差带	整体和过程的稳定程度	雾区平均加速度
响应稳定性	误差带	整体和过程的稳定程度	雾区稳态频数
响应准确性	超调量	响应的临界误差和稳态误差	雾区速度超调量
响应准确性	稳态误差	响应的临界误差和稳态误差	雾区速度跟随比

区域	指标	均值			标准差			P
区域	指标	S_Ⅰ	S_Ⅱ	S_Ⅲ	S_Ⅰ	S_Ⅱ	S_Ⅲ	P
清晰区	平均速度	87.842	82.880	88.110	8.378	13.617	13.620	0.061
	速度标准差	1.109	2.390	3.369	0.982	1.241	1.902	0.000^2）
	平均加速度	-0.091	-0.245	-0.235	0.150	0.147	0.145	0.000^2）
限速区	平均速度		73.033	76.787		10.961	15.595	0.042^1）
	速度标准差		3.474	6.928		1.594	3.674	0.146
	平均加速度		-0.326	-0.434		0.233	0.232	0.029^1）
雾区	平均速度	80.822	54.426	47.124	10.258	7.782	15.912	0.000^1）
	速度标准差	5.830	6.465	6.864	4.362	3.190	5.456	0.652
	平均加速度	-0.168	-0.146	-0.170	0.138	0.095	0.170	0.704

策略	策略各等级隶属度					评分
策略	等级1	等级2	等级3	等级4	等级5	评分
S_Ⅰ	0.021	0.098	0.261	0.224	0.395	61.172
S_Ⅱ	0.045	0.199	0.356	0.285	0.114	67.698
S_Ⅲ	0.164	0.257	0.343	0.191	0.044	72.996

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策略	限速/（km·h^-1）	A₁	A₂	A₃
S_Ⅰ	100	无	无	无
S_Ⅱ	70	无
S_Ⅲ	50