CN107230388B - 基于换道行为的主线收费站etc指示标志设置安全距离计算方法 - Google Patents

基于换道行为的主线收费站etc指示标志设置安全距离计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于换道行为的主线收费站ETC指示标志设置安全距离计算方法，包括如下步骤：1、计算驾驶员开始对ETC指示标志的内容进行读取的位置到驾驶员开始准备实施换道、减速等行动的位置之间的距离L1；2、计算驾驶员开始对ETC指示标志的内容进行读取的位置到ETC指示标志所在位置之间的距离L2；3、计算驾驶员开始准备实施换道、减速等行动的位置到驾驶员完成换道、减速等行动准备通过闸机的位置之间的距离L3；4、计算ETC指示标志前置距离L4，L4＝L1+L3‑L2；5、计算具体ETC收费车道布置方案对应的ETC指示标志设置安全距离f(N,n)max。该方法提供了一种针对ETC与MTC共存的主线收费站ETC指示标志设置安全距离计算方法。

Description

基于换道行为的主线收费站ETC指示标志设置安全距离计算 方法
技术领域
本发明属于高速公路管理技术领域，具体涉及一种ETC指示标志设置安全距离计算方法。
背景技术
目前我国高速公路收费站的收费方式为ETC(Electronic Toll Collection电子不停车收费系统)和MTC(Manual Toll Collection，人工半自动收费系统)两种方式共存。ETC与MTC收费方式的不同决定了两种不同特征的交通流互相干扰不可避免，同时由于ETC车道指示标志设置的不合理造成车辆频繁换道、紧急换道、非ETC用户误入ETC收费车道等行为，这些行为显著增加了高速公路主线收费站发生危险的几率，而一旦收费站发生交通事故就会对后续车辆产生严重影响，甚至发生大规模拥堵与追尾事故。因此合理设置ETC车道指示标志的位置能够给驾驶员充分的反应与操作时间，避免紧急换道等现象，对加强主线收费站交通安全建设具有重要意义。
国内外学者在收费站ETC指示标志设计方面展开了不同程度的研究，其中主要研究集中在指示标志的设置形式与标志内容的设计，而针对ETC指示标志设置位置的研究重点以交通流仿真为基础，以提高收费站通过效率为目标。从安全角度对收费站指示标志位置的研究大多根据经验确定，并且仅适用于普通收费站，没有考虑到ETC与MTC共存的特殊性。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于换道行为的主线收费站ETC指示标志设置安全距离计算方法，该方法针对ETC与MTC共存的主线收费站
ETC指示标志设置安全距离计算方法。
技术方案：本发明采用如下技术方案：基于换道行为的主线收费站ETC指示标志设置安全距离计算方法，包括如下步骤：
(1)计算从驾驶员开始对ETC指示标志的内容进行读取的位置到驾驶员开始准备实施换道、减速等行动的位置之间的反应距离L1；
(2)计算从驾驶员开始对ETC指示标志的内容进行读取的位置到ETC指示标志所在位置之间的识读距离L2；
(3)计算从驾驶员开始准备实施换道、减速等行动的位置到驾驶员完成换道、减速等行动准备通过闸机的位置之间的行动安全距离L3；
(4)计算ETC指示标志前置距离L4，L4＝L1+L3-L2；
(5)计算具体ETC收费车道布置方案对应的ETC指示标志设置安全距离f(N,n)max＝L4；其中N为高速公路基本路段换道次数，n为收费广场渐变段换道次数。
L1的计算如下：
其中t1为反应的总时间，单位为s；V1为汽车在高速公路基本路段的行驶速度，单位为km/h。
L2的计算如下：
其中H为标志中文字的高度，单位为cm；α为驾驶员视角；r2为转换系数，单位为度。
L3的计算如下：
(4.1)计算高速公路基本路段行动距离L3-1；
(4.2)计算收费广场渐变段行动距离L3-2；
(4.3)计算收费卡门直线段行动距离L3-3；
(4.4)计算L3：L3＝L3-1+L3-2+L3-3。
高速公路基本路段行动距离L3-1的计算包括如下步骤：
(5.1)计算高速公路基本路段行驶中等待可插入间隙的行动距离l1；
(5.2)计算高速公路基本路段行驶中判断可插入间隙的行动距离l2；
(5.3)计算高速公路基本路段行驶中调整车速的行动距离l3；
(5.4)计算高速公路基本路段行驶中车辆横移换道的行动距离l4；
(5.5)计算L3-1：L3-1＝(l1+l2+l3+l4)*N；其中N为高速公路基本路段换道次数。
l1的计算为：
其中tw为车辆等待插入间隙的时间，单位为s。
l3的计算为：
其中V1为汽车在高速公路基本路段的行驶速度，单位为km/h，t2为调整车速的时间。
l4的计算为：
其中t3为车辆横移换道的时间，d为高速公路基本路段中一个车道的宽度；J为平均横移速度。
L3-2的计算为：
其中V2为车辆在渐变段的行驶速度；t'w为渐变段车辆等待插入间隙的时间；n为收费广场渐变段换道次数； 为收费广场渐变段的渐变率。
每个车道中高速公路基本路段换道次数N和收费广场渐变段换道次数n按下式计算：
其中，M为高速公路基本路段单向车道数，I为单向总收费车道数，i为收费车道位置编号，从内侧向外侧依次为1，2，3…I。
有益效果：与现有技术相比，本发明公开的基于换道行为的主线收费站ETC指示标志设置安全距离计算方法具有以下优点：1、兼顾收费站的交通流量与车辆动力学特征，充分考虑了交通流量、驾驶员生理特性、车辆运动状态、收费站设计方案等多种因素对ETC指示标志安全距离的影响，计算结果更加接近实际情况；2、根据收费广场渐变段运行车速与渐变率等特征，提出了收费广场渐变段的行动安全距离计算方法；3、能够针对不同特征的ETC收费站分别计算其ETC指示标志设置安全距离，计算方法适用范围较为广泛。
附图说明
图1是本发明公开的安全距离计算方法的流程图；
图2 ETC用户经过收费站行为过程分析图；
图3具体收费站平面设计方案示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
如图1所示，本发明公开的基于换道行为的主线收费站ETC指示标志设置安全距离计算方法，包括如下步骤：
(1)计算从驾驶员开始对ETC指示标志的内容进行读取的位置到驾驶员开始准备实施换道、减速等行动的位置之间的反应距离L1；
(2)计算从驾驶员开始对ETC指示标志的内容进行读取的位置到ETC指示标志所在位置之间的识读距离L2；
(3)计算从驾驶员开始准备实施换道、减速等行动的位置到驾驶员完成换道、减速等行动准备通过闸机的位置之间的行动距离L3；
(4)计算ETC指示标志前置距离L4，L4＝L1+L3-L2；
(5)计算具体ETC收费车道布置方案对应的ETC指示标志设置安全距离f(N,n)max＝L4；其中N为高速公路基本路段换道次数，n为收费广场渐变段换道次数。
如图2所示，车辆在高速公路上行驶到抵达收费亭，整个行为过程可以定义为先后依次经过8个点：视认点1，为驾驶员发现ETC指示标志的位置；始读点2，为驾驶员开始对标志内容进行读取的位置；读取点3，为驾驶员读取完毕标志内容的位置；消失点4，为驾驶员开始看不到标志的位置；行动点5，为驾驶员开始准备实施换道、减速等行动的位置；标志点6，为ETC指示标志所在位置；渐变段起点7，为收费广场渐变段起始位置；完成点8，为驾驶员完成换道、减速等行动准备通过闸机的位置。
始读点2到行动点5之间的距离L1为反应距离，L1的计算如下：
其中t1为反应的总时间，单位为s；V1为汽车在高速公路基本路段的行驶速度，单位为km/h，3.6是将速度V1的单位由km/h转换为m/s的转换系数。根据张伯明的研究论文《交通标志汉字视认性的研究》反应时间t1取2.5s，即：
L1＝0.694V1。
始读点2到标志点6之间的距离L2为识读距离，根据李中原和李爽爽的研究论文《基于人因工程学的交通信息显示屏设计方案研究》，L2的计算如下：
其中H为标志中文字的高度，单位为cm，根据一般高速公路的标志规范，字体高度取50cm；α为驾驶员视角，此处根据驾驶员的视力要求1.0，α取10′；r2为转换系数，单位为度，优选值为57.3；即L2＝286.5
行动点5到完成点8之间的距离L3为行动安全距离；行动安全距离由高速公路基本路段行动距离L3-1、收费广场渐变段行动距离L3-2、收费卡门直线段行动距离L3-3三部分组成，即L3＝L3-1+L3-2+L3-3。
高速公路基本路段行动包括四个过程：等待可插入间隙，判断可插入间隙，调整车速，车辆横移换道，四个过程对应的行动距离分别为l1、l2、l3、l4，故高速公路基本路段一次完整的换道行动距离为l1+l2+l3+l4，高速公路基本路段N次换道行动距离为L3-1＝(l1+l2+l3+l4)*N。
l1的计算为：
其中V1为汽车在高速公路基本路段的行驶速度，单位为km/h，tw为车辆等待插入间隙的时间，单位为s。
根据李文权等人的研究论文《高速公路合流区1车道车头时距分布特征》：
其中t为临界间隙时间，一般取值为4.0s，λ为平均到达率；τ为最小车头时距，一般取值为1.2s。
根据曹荷红的研究论文《高速公路互通式立交变速车道研究》，l2＝0.879V1tw。
l3的计算为：
其中t2为调整车速的时间，单位为s，根据任福田的著作《交通工程心理学》，优选取值为2.5s，即l3＝0.694V2。
l4的计算为：
其中d为高速公路基本路段中一个车道的宽度，一般取值为3.75m；J为平均横移速度，一般取值为1m/s；即：l4＝0.278V1d。
与车辆在高速公路基本路段的行动过程类似，车辆在收费广场渐变段的行动距离也包括四个过程：等待可插入间隙，判断可插入间隙，调整车速，车辆横移换道；不同的是，如果在收费广场渐变段换道n次，其中包括的行动过程为：一次等待可插入间隙，其行动距离为一次判断可插入间隙，其行动距离为0.879V2t'w；一次调整车速，其行动距离为和n次车辆横移换道，其行动距离为：t2′为调整车速的时间，单位为s，根据任福田的著作《交通工程心理学》，优选取值为2.5s；即：L3-2的计算为：
L3-2＝0.278V2·t'w+0.879V2t'w+0.694V2+0.278V2d*ncosθ
其中V2为车辆在渐变段的行驶速度；d为高速公路基本路段中一个车道的宽度；t'w为渐变段车辆等待插入间隙的时间；n为收费广场渐变段换道次数；为收费广场渐变段的渐变率。
收费卡门直线段行动距离L3-3，根据王娇蕾的研究论文《电子不停车收费系统(ETC)的设计及应用》优选取值为80m。
标志点6到完成点8之间的距离L4为ETC指示标志前置距离，计算如下：
L4＝L1+L3-L2＝L1+L3-1+L3-2+L3-3-L2
将上述各部分的优选值代入，得到：
L4＝0.694V1+N(0.278V1tw+0.879V1tw+0.694V1+0.278V1d)
+0.278V2t′w+0.879V2t′w+0.694V2+0.278V2ndcosθ+80-286.5
＝0.694V1+N(1.157V1tw+0.694V1+0.278V1d)
+1.157V2t′w+0.694V2+0.278V2ndcosθ-206.5
根据我国目前的规范规定，渐变率的范围为1/5～1/7，本实施例中选取1/7。通常情况下，车辆在基本路段完成换道，即N≠0；故N＝0,n≠0和N＝0,n＝0这两种情况在收费站的指示标志布设中其实都不存在；当N≠0,n＝0时，基本路段正常换道，渐变段不用换道，不用换道则只需做匀减速运动即可，平均减速度取2.5m/s2，按运动学距离计算公式有：
由此得到具体ETC收费车道布置方案对应的ETC指示标志设置安全距离f(N,n)max：
其中，a为匀减速运动的平均减速度，取2.5m/s2，每个车道中高速公路基本路段换道次数N和收费广场渐变段换道次数n按下式计算：
其中，M为高速公路基本路段单向车道数，I为单向总收费车道数，i为收费车道位置编号，从内侧向外侧依次为1，2，3…I。
以某ETC主线收费站为例，高速公路基本段单向三车道，交通量为4000辆/小时，平均运行速度取80km/h；收费广场渐变段渐变率为1/7，交通量为5500辆/小时，平均运行速度取60km/h；车道宽度3.75m；共6个收费车道，ETC车道布置在最外侧。收费站平面设计如图3所示。
(1)计算反应距离L1：
(2)计算识读距离L2：
(3)计算行动安全距离L3：
(4.1)计算高速公路基本路段行动距离L3-1；
高速公路基本路段行动包括四个过程：等待可插入间隙，判断可插入间隙，调整车速，车辆横移换道，四个过程对应的行动距离分别为l1、l2、l3、l4，故高速公路基本路段一次完整的换道行动距离为l1+l2+l3+l4，高速公路基本路段N次换道行动距离为L3-1＝(l1+l2+l3+l4)*N。
根据多车道折算系数，基本路段三车道折算成2.89，则上式中的平均到达率λ为：由此计算得到：
l2＝0.879V1tw＝0.879×80×2.2＝154.704；
(4.2)计算收费广场渐变段行动距离L3-2；
因为i＝6,M＝3，得到高速公路基本路段换道次数N和收费广场渐变段换道次数n：
由此得到：
根据多车道折算系数，渐变路段六车道折算成4.45，则收费广场渐变段的平均到达率为：由此计算出t′w＝1.9s；
L3-2＝0.278V2·t'w+0.879V2t'w+0.694V2+0.278V2ndcosθ
＝0.278×60×1.9+0.879×60×1.9+0.694×60+0.278×60×n×3.75×cos8.1°
＝173.538+61.92n
(4.3)计算收费卡门直线段行动距离L3-3；
L3-3＝80m
(4)计算ETC指示标志前置距离：
L4＝L1+L3-L2＝L1+L3-1+L3-2+L3-3-L2
＝55.52+N(48.928+154.704+55.52+83.4)+173.538+61.92n+80-286.5
＝22.558+342.552N+61.92n
(5)计算具体ETC收费车道布置方案对应的ETC指示标志设置安全距离f(N,n)max：
f(N,n)max＝22.558+342.552N+61.92n
＝22.558+342.552×2+61.92×3＝893m
得到ETC指示标志设置安全距离为893米。

Claims (3)

1.基于换道行为的主线收费站ETC指示标志设置安全距离计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)计算从驾驶员开始对ETC指示标志的内容进行读取的位置到驾驶员开始准备实施换道、减速行动的位置之间的反应距离L1；
(2)计算从驾驶员开始对ETC指示标志的内容进行读取的位置到ETC指示标志所在位置之间的识读距离L2；
(3)计算从驾驶员开始准备实施换道、减速等行动的位置到驾驶员完成换道、减速行动准备通过闸机的位置之间的行动安全距离L3；
L3的计算如步骤(4.1)-(4.4)：
(4.1)计算高速公路基本路段行动距离L3-1；
高速公路基本路段行动距离L3-1的计算包括如下步骤(5.1)-(5.5)：
(5.1)计算高速公路基本路段行驶中等待可插入间隙的行动距离l1；
l1的计算为：
其中V1为汽车在高速公路基本路段的行驶速度，单位为km/h，tw为车辆等待插入间隙的时间，单位为s；
(5.2)计算高速公路基本路段行驶中判断可插入间隙的行动距离l2；l2＝0.879V1tw；
(5.3)计算高速公路基本路段行驶中调整车速的行动距离l3；
l3的计算为：
其中t2为调整车速的时间，单位为s；
(5.4)计算高速公路基本路段行驶中车辆横移换道的行动距离l4；
l4的计算为：
其中t3为车辆横移换道的时间，d为高速公路基本路段中一个车道的宽度；J为平均横移速度；
(5.5)计算L3-1：L3-1＝(l1+l2+l3+l4)*N；其中N为高速公路基本路段换道次数；
(4.2)计算收费广场渐变段行动距离L3-2；
L3-2的计算为：
(4.2.1)计算每个车道中高速公路基本路段换道次数N和收费广场渐变段换道次数n：
其中，M为高速公路基本路段单向车道数，I为单向总收费车道数，i为收费车道位置编号，从内侧向外侧依次为1，2，3…I；
(4.2.2)根据N和n的取值计算L3-2：
其中V2为车辆在渐变段的行驶速度；t'w为渐变段车辆等待插入间隙的时间；a为匀减速运动的平均减速度； 为收费广场渐变段的渐变率；
(4.3)计算收费卡门直线段行动距离L3-3；
(4.4)计算L3：L3＝L3-1+L3-2+L3-3；
(4)计算ETC指示标志前置距离L4，L4＝L1+L3-L2；
(5)计算具体ETC收费车道布置方案对应的ETC指示标志设置安全距离f(N,n)max＝L4；其中N为高速公路基本路段换道次数，n为收费广场渐变段换道次数。
2.根据权利要求1所述的基于换道行为的主线收费站ETC指示标志设置安全距离计算方法，其特征在于，L1的计算如下：
其中t1为反应的总时间，单位为s；V1为汽车在高速公路基本路段的行驶速度，单位为km/h。
3.根据权利要求1所述的基于换道行为的主线收费站ETC指示标志设置安全距离计算方法，其特征在于，L2的计算如下：
其中H为标志中文字的高度，单位为cm；α为驾驶员视角；r2为转换系数，单位为度。
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