考虑环境照度变化的城市道路指路标志前置距离确定方法与流程

本发明属于交通安全技术领域，涉及环境照度对驾驶人视觉机能的影响，为一种考虑环境照度变化的城市道路指路标志前置距离确定方法。

背景技术：

指路标志是城市道路上重要的交通标志，它以文字和符号向交通参与者传递与道路相关的指示或引导信息。指路标志的前置距离是影响其有效性的重要指标，若其前置距离过短，可能导致驾驶人无法在标志实施点前方完成变道、减速等操作，从而弱化标志作用效果，影响城市交通管理水平和服务质量。

目前，关于城市交通标志最小前置距离的研究，主要是根据标志视认距离、标志前置距离和车辆从标志发现点至行动结束点的行驶距离三者的关系，但这些研究在确定标志认读时间方面存在差异。例如，陆建等在论文“普通公路路侧限速标志设置位置的确定方法”(长安大学学报，2011年)中仅指出认读标志的时间一般取2.0-3.0秒，但并未做深入分析。姜军等在论文“基于驾驶人视认特性的城市道路指路标志设置”(东南大学学报，2010年)中，通过实验提出职业驾驶人与非职业驾驶人在顺光和逆光环境中对于不同路名数目指路标志的认读时间，并根据实验数据确定指路标志的前置距离。尽管姜军等考虑了环境照度对驾驶人标志认读时间的影响，但是照度环境设置比较笼统，仅分为顺光和夜间两种情况，未探究黄昏等低照度环境中驾驶人的认读时间特性，并且无法确定实验分组以外的标志认读时间，导致前置距离确定方法缺乏普适性。然而，冯忠祥等在论文“动态低照度环境中公路合理行车速度确定方法”(中国公路学报，2015年)中，通过实验探究了驾驶人在动态低照度环境中对不同颜色目标物“E”的识认时间，结果发现目标物颜色、环境照度和车辆行驶速度会影响驾驶人对目标物“E”的识认时间(包括标志认读时间)。由于“E”形图案与指路标志在尺寸、形状等方面存在差异，因此，其确定的识认时间模型不能用于确定指路标志前置距离。

基于上述原因，本发明设计实验探究环境照度、行驶速度对指路标志识认时间的耦合影响，建立关于环境照度和行驶速度的标志识认时间模型，并将识认时间模型用于确定指路标志前置距离，从而提高低照度环境中的行车安全。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：在现有确定城市道路指路标志前置距离的方法中，对标志认读时间研究不足，忽略了行驶速度和环境照度对驾驶人识认时间的耦合影响；因此，本发明根据在动态低照度环境中确定的指路标志识认时间模型，提出一种考虑环境照度变化的城市道路指路标志前置距离确定方法。

本发明的技术方案是：

一种考虑环境照度变化的城市道路指路标志前置距离确定方法，包括以下步骤：

(1)设计实验，探究动态低照度坏境下驾驶人的视觉机能规律；

实验选取典型的包含4个路名的指路标志作为识别对象，以驾驶人的识认时间(即从驾驶人发现标志到认读完标志所用时间)为视觉机能衡量指标，探究环境照度与速度变化对指路标志识认时间的耦合影响。其中，环境照度测量范围是0.1-600lx，车辆到达标志发现点的行驶速度设置6个等级(30km/h,40km/h,50km/h,60km/h,70km/h，80km/h)。通过实验获取不同行驶速度与环境照度对应的指路标志识认时间t，时间单位是s；

(2)根据实验数据，建立照度和速度耦合影响的识认时间模型；

根据(1)中获取的数据，利用Matlab探究指路标志识认时间随环境照度和行驶速度的变化规律，并进一步利用三维曲面分析法建立照度和速度耦合影响的驾驶人识认时间模型t＝f((v/3.6),i)，其中v代表车辆到达标志发现点时的速度，单位是km/h；i代表环境照度，单位是lx；

(3)建立驾驶人标志视认距离模型；

经典的标志视认过程分为发现、认读、判断和行动四个阶段，此标志视认过程被许多学者采用。例如，刘浩学在论文“公路交叉口交通标志设置的工效学分析”(交通运输工程学报，2001年)、陆建等在论文“普通公路路侧限速标志设置位置的确定方法”(长安大学学报，2011年)都采用该标志识认过程，而本发明的相关分析也是基于经典的标志视认过程。

标志视认距离S是指从标志发现点至标志设置点之间的距离。从驾驶人发现标志开始，随着车辆的继续行进，驾驶人视线与路侧标志的夹角α逐渐增大，当α增至与驾驶人的视角阈值θ相等时，标志将从驾驶人的视野中消失。因此，为了确保行驶的安全性，驾驶人应该在标志消失前完成标志认读工作，即标志视认距离S,消失距离m和认读距离l三者应该满足以下关系：

S-l≥m (1)

根据速度和时间确定认读距离l：

l＝(v/3.6)*t＝(v/3.6)*f((v/3.6),i) (2)

根据驾驶人到达标志消失点时，其视平面与标志距离的几何关系确定消失距离m：

其中H为标志中心点到驾驶人视平面的垂线，K为车辆中心线至指路标志的侧距，θ为驾驶人视角阈值，一般取15°。

将(2)(3)代入(1)式可得

因此，指路标志最小识认距离

(4)建立关于环境照度和速度的指路标志前置距离模型；

由经典标志视认过程可知，前置距离D是指从标志设置点到标志实施点之间的距离。为了保证标志设置的有效性，驾驶人应该在指路标志实施点之前完成认读、决策、反应和行动等一系列操作，即认读距离l，决策距离j，反应距离r，行动距离d与标志识认距离S和标志前置距离D应满足下列关系：

S+D≥l+j+r+d (5)

根据速度和时间可以确定认读距离l，决策距离j，反应距离r和行动距离d，具体公式如下：

l＝(v/3.6)*t＝(v/3.6)f((v/3.6),i) (6)

j＝(v/3.6)*t_j (7)

r＝(v/3.6)*t_r (8)

d＝n*(v/3.6)*t_c+(v²-(v')²)/(2*3.6²*a) (9)

其中，t_j是驾驶人判断决策时间，t_r是驾驶人反应时间,t_c是完成一次变道所用的时间,a为车辆减速度，这些参数可以通过文献获得；v是车辆发现标志时的行驶速度，v'是车辆减速完成后的速度，t是驾驶人对指路标志的识别时间，是环境照度i和车辆发现标志时行驶速度v的函数,n是车辆变道次数，这些参数可以通过实验确定。

将(6)(7)(8)(9)代入(5)式可得

D≥(v/3.6)[f((v/3.6),i)+t_j+t_r]+n*(v/3.6)*t_c+(v²-(v')²)/(2*3.6²*a)-S_min

因此，指路标志最小前置距离模型为：

D_min＝(v/3.6)[f((v/3.6),i)+t_j+t_r]+n*(v/3.6)*t_c+(v²-(v')²)/(2*3.6²*a)-S_min

(5)确定动态低照度环境下指路标志的最小前置距离值；

将7组光照值i＝0.1,100,200,300,400,500,600(lx)与6组速度值v＝30,40,50,60,70,80(km/h)两两组合，根据(4)中确定的指路标志最小前置距离模型，可以得到每组光照与速度值对应的前置距离，取所计算前置距离的最大值作为城市道路动态低能见度环境中指路标志前置距离的最小值。

本发明的有益效果在于：

本发明确定了指路标志识认时间与环境照度和行驶速度间的映射关系，进一步建立了关于环境照度和行驶速度的最小前置距离模型；通过该模型，可以确定任何照度环境(包含低照度环境)和行驶速度对应的前置距离，弥补了前人研究的不足。

本发明针对环境照度影响驾驶人的视觉机能问题，设计实车实验探究驾驶人对含有4个路名的指路标志的识认时间与环境照度和行驶速度的关系，在此基础上根据驾驶人在标志消失前完成对指路标志认读的必要条件建立一个考虑环境照度变化的城市指路标志最小前置距离模型，从而弥补了传统指路标志前置距离确定方法中在环境照度影响驾驶人视觉机能方面考虑不足的缺陷，有助于提高驾驶人在低能见度环境中行车的安全性；本发明的独创性在于如何确定考虑环境照度变化的城市道路指路标志的最小前置距离。

附图说明

图1为本发明考虑环境照度变化的城市道路指路标志前置距离确定方法的流程框图。

图2为驾驶人视认指路标志和驾驶操作过程图，根据经典标志视认过程绘制。

具体实施方式

如图1，本发明提出的考虑环境照度变化的城市道路指路标志前置距离确定方法为：

(1)设计实验，探究动态低照度坏境下驾驶人的视觉机能规律；

实验选取典型的包含4个路名的指路标志作为识别对象，以驾驶人的识认时间(即从驾驶人发现标志到认读完标志所用时间)为视觉机能衡量指标，探究环境照度与速度变化对指路标志识认时间的耦合影响。其中，环境照度测量范围是0.1-600lx，车辆到达标志发现点的行驶速度设置6个等级(30km/h,40km/h,50km/h,60km/h,70km/h，80km/h)。通过实验获取不同行驶速度与环境照度对应的指路标志识认时间t，时间单位是s。

(2)根据实验数据，建立照度和速度耦合影响的识认时间模型；

根据(1)中获取的数据，利用Matlab探究指路标志识认时间随环境照度和行驶速度的变化规律，并进一步利用三维曲面分析法建立照度和速度耦合影响的驾驶人识认时间模型t＝f((v/3.6),i)，其中v代表车辆到达标志发现点时的速度，单位是km/h；i代表环境照度，单位是lx。

(3)建立驾驶人标志视认距离模型；

标志视认距离S是指从标志发现点至标志设置点之间的距离。从驾驶人发现标志开始，随着车辆的继续行进，驾驶人视线与路侧标志的夹角α逐渐增大，当α增至与驾驶人的视角阈值θ相等时，标志将从驾驶人的视野中消失。因此，为了确保行驶的安全性，驾驶人应该在标志消失前完成标志认读工作，即标志识认距离S,消失距离m和认读距离l三者应该满足以下关系：

S-l≥m (1)

根据速度和时间确定认读距离l：

l＝(v/3.6)*t＝(v/3.6)*f((v/3.6),i) (2)

根据驾驶人到达标志消失点时，其视平面与标志距离的几何关系确定消失距离m：

其中H为标志中心点到驾驶人视平面的垂线，K为车辆中心线至指路标志的侧距，θ为驾驶人视角阈值，一般取15°。

将(2)(3)代入(1)式可得

因此，指路标志最小识认距离

(4)建立关于环境照度和速度的指路标志前置距离模型；

前置距离D是指从标志设置点到标志实施点之间的距离。为了保证标志设置的有效性，驾驶人应该在指路标志实施点之前完成认读、决策、反应和行动等一系列操作，即认读距离l，决策距离j，反应距离r，行动距离d与标志视认距离S和标志前置距离D应满足下列关系：

S+D≥l+j+r+d (5)

根据速度和时间可以确定认读距离l，决策距离j，反应距离r和行动距离d，具体公式如下：

l＝(v/3.6)*t＝(v/3.6)f((v/3.6),i) (6)

j＝(v/3.6)*t_j (7)

r＝(v/3.6)*t_r (8)

d＝n*(v/3.6)*t_c+(v²-(v')²)/(2*3.6²*a) (9)

其中，t_j是驾驶人判断决策时间，t_r是驾驶人反应时间,t_c是完成一次变道所用的时间,a为车辆减速度，这些参数可以通过文献获得；v是车辆发现标志时的行驶速度，v'是车辆减速完成后的速度，t是驾驶人对指路标志的识别时间，是环境照度i和车辆发现标志时行驶速度v的函数,n是车辆变道次数，这些参数可以通过实验确定。

将(6)(7)(8)(9)代入(5)式可得

D≥(v/3.6)[f((v/3.6),i)+t_j+t_r]+n*(v/3.6)*t_c+(v²-(v')²)/(2*3.6²*a)-S_min

因此，指路标志的最小前置距离模型为：

D_min＝(v/3.6)[f((v/3.6),i)+t_j+t_r]+n*(v/3.6)*t_c+(v²-(v')²)/(2*3.6²*a)-S_min

(5)确定动态低照度环境下指路标志的最小前置距离值；

将7组光照值i＝0.1,100,200,300,400,500,600(lx)与6组速度值v＝30,40,50,60,70,80(km/h)两两组合，根据(4)中确定的指路标志最小前置距离模型，可以得到每组光照与速度值对应的前置距离，取所计算前置距离的最大值作为城市道路动态低能见度环境中指路标志前置距离的最小值。

下面结合附图进一步说明本发明。

如图2所示，在城市道路上以某一车速行驶的车辆，当驾驶人发现指路标志后，会经历认读、决策、反应和行动等一系列过程，驾驶人在此过程的行驶距离只有不大于标志视认距离与前置距离之和，才能保证安全。当车辆在不同环境照度中以不同速度行驶时，驾驶人的标志识别时间明显会发生变化，其所需的前置距离也相应地发生变化。

由于车辆行驶速度和环境照度并非恒定，因此，驾驶人对指路标志的识认时间也存在差异。而传统指路标志最小前置距离计算方法在标志认读时间方面考虑不足，这会导致确定的最小前置距离缺乏有效性。本发明通过实验探究环境照度和行驶速度对驾驶人视觉机能的耦合影响，建立关于环境照度和行驶速度的指路标志识认时间模型，并根据指路标志设置的有效性要求，提出一个基于上述识认时间模型的指路标志前置距离模型，通过此模型可以确定不同行驶速度与环境照度组合对应的前置距离，进而可以确定合理的最小前置距离。

由于本方法是根据不同的环境照度和行驶速度来确定城市道路指路标志的前置距离，因此本方法在城市道路交通安全管理方面具有应用价值。