基于短時記憶的高速公路施工區可變信息標志布設

李文虎，王志華，王 振，陸雨函，李勇強

(1.青海省交通工程技術服務中心，青海 西寧 810008；2. 蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019)

0 引言

高速公路是連接城市與城市、城市與城鎮、城鎮與城鎮居民出行的重要載體。城鎮居民出行需求的爆炸式增長導致高速公路交通擁堵、居民出行體驗較差、安全事故頻發等現象。為給出行者提供良好的出行環境，提升出行服務體驗，高速公路管理部門一方面通過高速公路養護保證路況、路側環境始終處于良好狀態，另一方面通過改擴建工程為居民出行提供更好、更優、更充足的道路資源。無論是高速公路改擴建工程還是養護工程，在實施的過程中都會對已有的交通運行產生影響。為滿足居民出行需求，一般選擇“邊通車邊施工”的組織模式進行高速公路改擴建工程和養護工程施工。

駕駛人在經過施工路段時，希望及時獲取施工和交通組織信息，以便及時采取相應的措施減少交通擁堵和交通事故發生的概率。研究與調查表明，駕駛人在駕車過程中比較希望提前獲取的路況信息主要包括12類(見圖1)，其中道路的施工信息是駕駛人比較關注的路況信息。通過對高速公路改擴建工程和養護作業區安全施工統計分析，施工作業區安全事故中因機動車闖入造成的交通事故占施工作業區安全事故的70%，主要原因由是駕駛人未提前獲取施工信息與施工組區交通組織信息發布不及時造成的。因此，對改擴建工程和養護工程而言，及時有效地發布施工信息和交通組織信息不僅是交通管理的重要內容，而且對施工作業區安全管控具有重要支撐。

由于駕駛人在接受施工信息過程中存在短時記憶與認知負荷問題，導致其對傳統固定模式的信息發布指示牌難以辨別，基于可變信息標志(Variable Message Sign，VMS)的信息發布策略被逐漸應用于高速公路改擴建工程和養護工程實施過程中，并且在實際工程中收到了良好效果。但是針對高速公路改擴建工程和養護工程而言，駕駛人對路面和環境特征的認知過程與對VMS標志發布的施工信息、交通組織信息的認知過程具有明顯的差異。前者是當駕駛人在面對路面和環境發生變化時，從獲取信息到應急處置結束的過程，多屬于應急處置，后者是根據施工信息與交通組織信息提前向駕駛人發布信息，屬于預警、事前提醒范疇。在實際工程應用中，基于VMS的信息發布策略可根據高速公路的運行環境、施工狀態等劃分為正常與異常2種控制策略。正?？刂撇呗灾饕侵父咚俟犯臄U建工程和養護工程實施過程中發布施工信息，如“前方施工，減速慢行”、“前方車道封閉”、“禁止通行”等。異?？刂撇呗灾饕侵冈谑┕み^程中發布除施工信息以外的異常信息，如惡劣天氣、交通事故、突發事件等[1]。因此，基于VMS的信息發布系統不僅可為駕駛員提供施工信息，而且可以提供包括天氣、交通管制、交通誘導等其他信息發布與誘導服務?；赩MS的信息發布措施不僅是一種交通管控策略，而且是一種基于信息實時發布的智能交通誘導措施。

盡管相關的應用實踐已經證明了基于VMS信息發布策略的價值，但由于缺乏統一的VMS布設標準和布設規范，導致基于VMS的施工作業區信息發布策略的實際效果不一。為充分發揮基于VMS的信息發布策略的應用價值，需要依據施工作業區的長度和駕駛人的認知過程布設VMS。本研究以駕駛員短時記憶理論、駕駛員認知負荷理論為依托，重點對VMS標志發布施工信息與交通組織信息進行研究，充分考慮駕駛員的信息接受程度與遺忘曲線，建立基于短時記憶的施工作業區VMS布設模型，并通過案例分析立柱式與懸臂式VMS標志距離施工作業區的前置安全長度，以期及時發布信息并提醒駕駛員采取措施，減少機動車闖入施工作業區的交通事故發生概率。

1 國內外相關研究

1.1 駕駛人短時記憶

記憶是人腦在接收外界刺激或信息后，感知、存儲、分析、反應等一系列行為的集成[2]。對于駕駛人而言，按照記憶在人腦中儲存的時間長短可分為感覺記憶、短時記憶與長時記憶。在駕駛過程中，駕駛人接受外界的提示信息一般屬于短時記憶，即記憶時間不超過1 min，如果指示牌的信息不再重復出現，短時記憶信息就會按照遺忘曲線逐步消失。Pammer等[3]、Jia等[4]、Du等[5]、Wang等[6]基于駕駛人的短時記憶問題分別從駕駛人情景感知能力、膚色、面部表情、心率、聲音等維度構建了卷積神經網絡的駕駛行為識別模型及基于長短期記憶網絡的制動意圖識別模型，論證了短時記憶對駕駛人駕駛意圖的影響。研究表明，隨著時間的延長，駕駛人所能記住的指示牌信息逐步減少，記憶與時間的關系[7]如圖2所示。駕駛人在獲取指示牌信息后會形成短時記憶，但是隨著時間的延長，記憶力會驟然下降，直至達到感覺記憶。因此，為及時有效地向駕駛人傳遞施工信息，高速公路改擴建工程和養護工程在施工路段需要重復設置指示牌。

圖2 記憶力變化模型Fig.2 Memory change model

1.2 駕駛人認知負荷

駕駛人在駕駛過程中獲取指示牌信息時存在一個認知的過程，如果指示牌的信息量過多，駕駛人則無法對指示信息形成完整的認度，而執行指示牌信息時，加載在駕駛人思想上的負荷就屬于認識負荷[8]。沈家安[9]通過對駕駛人任務型駕駛與非任務型駕駛行為差異性的研究，認為認知負荷是導致駕駛人注意力分散的主要原因；He等[10]通過對駕駛人情緒變化的研究認為駕駛人在駕駛過程中啟動車載娛樂系統是導致駕駛人認知負荷的重要原因之一；陳肖欣[11]通過對城市道路交通量與標志信息量、信息密度之間關系的研究認為同等標志信息量下，交通量越大，則駕駛人的認知負荷越高；Liu等[12]研發了一種近紅外光譜，可以對有或無外界干擾信息的情況下對駕駛人的認知負荷進行分類，試驗表明無外界干擾信息的情況下，光譜對駕駛人的認知負荷分類準確率更高。因此，在高速公路改擴建工程和養護工程實施過程中，VMS的設計需要充分考慮駕駛人的認知負荷。

1.3 基于短時記憶的VMS認知研究

在高速公路改擴建工程和養護工程施工作業過程中，為使基于VMS的信息發布策略充分發揮作用，國內外學者通過相關研究取得了可觀的成效。Wu等[13]、Matowicki等[14]、杜建瑋[15]結合駕駛人對VMS認知時間、認知效果、駕駛速度及執行效果等因素，認為VMS中的信息不大于5條時，駕駛人的視認效果最好，信息量大于90 bit時，會導致駕駛人產生認知負荷，致使VMS信息過載；Reinolsmann等[16]基于沙漠公路的沙塵暴天氣能見度低的特征，構建VMS的低能見度提前預警機制，認為提前500 m 和300 m預設VMS能夠有效降低駕駛人因速度不適應造成的安全事故；Huang等[17]、Ghulam等[18]通過對超過1 000名駕駛人的訪談認為VMS備受駕駛人的青睞，并可以使駕駛人的行駛速度降低13%～17%；Gan等[19]、Zhong等[20]、Jindahra等[21]、Antoniou等[22]、曹亞康[23]認為駕駛經驗、對路網的熟悉程度、出行距離、路網環境等因素影響駕駛人對VMS信息的選擇，一般來說駕駛經驗越豐富、對路網越熟悉、出行距離越短、路網環境越單一，駕駛人越容易接受VMS信息。

對駕駛人而言，基于VMS的信息發布策略從信息獲取到看清標志中的內容、到做出判斷、再到實際操作是一個復雜的系統過程，尤其是駕駛人在獲取VMS信息后存在一個短時記憶過程，如何保證駕駛人在短時記憶的時間內快速、安全地做出響應顯得尤為重要。對于高速公路改擴建工程和養護工程，如何科學合理地設置施工作業區長度、如何科學布設VMS使其發揮其最大作用，以此保障交通運行安全是亟待解決的問題。因此，本研究的重點以高速公路改擴建工程和養護工程施工作業區VMS布設作為研究對象，探索駕駛人短時記憶條件下高速公路施工作業區VMS布設研究，以期為高速公路施工作業區交通標志標牌布設提供參考與指導。

2 基于短時記憶的施工作業區VMS布設前置距離模型

2.1 駕駛人VMS的認知過程

為了及時向通過路段的駕駛人發布施工信息和交通誘導信息，在高速公路改擴建工程和養護工程的相關路段中會布設多種指示標志、限速標志、交通誘導標志等，駕駛人在經過該路段時會接收大量的外界信息并結合記憶曲線對其做出響應。由于駕駛人對VMS發布的信息存在一個短時記憶認知的過程，使之對VMS信息存在相應的感知、處理、判斷、響應過程[24-26]，如圖3所示。

圖3 VMS信息認知過程Fig.3 Cognitive process of VMS information

經過施工區時，駕駛人接收到施工區設置的VMS信息后將會形成短時記憶。在記憶力的驅使下，駕駛人會改變原有的駕駛行為，按照VMS信息的要求轉換駕駛速度、變換車道。駕駛人對VMS信息從看到、看清、分析、處理、響應是一個完整的認知過程[27]。如圖4所示，車輛在進入施工區時，駕駛人由遠及近對VMS信息的認度逐漸提升，從A點開始看到F點設置的VMS提示牌輪廓，到B點時看到提示牌的內容，到C點時完全接收提示牌信息形成短時記憶，到D點時提示牌信息開始逐漸消失，到E點時駕駛人按照提示牌信息作出響應，到G點時完成提示牌要求的動作。

由圖4可見，從看清提示牌信息的起點B至完全看不到提示牌信息的終點F之間的長度稱為駕駛人的視認距離；從看清提示牌信息的起點B至解讀完提示牌的內容之間的長度稱為駕駛員的認讀距離；從駕駛員看完提示牌信息C點到看不到提示牌信息的終點F之間的長度稱為反應校驗距離；從提示牌信息開始消失點的D點到看不到提示牌信息的終點F之間的長度稱為消失距離；從VMS標志點F點到完成相關操作點G之間的距離稱為安全前置距離[27]。

2.2 基于短時記憶的VMS布設前置距離計算模型

短時記憶模型主要是指視覺短時記憶(Visual Short-term Memory，VSTM)模型，即大腦從接收到外界環境刺激后形成感覺記憶、記憶單元，并對感覺記憶中獲取有用信息后所形成的記憶模型。當短時記憶不停地復述后，就會在大腦中形成長時記憶，稱之為視覺長時記憶(Visual Long-term Memory，VLTM)模型[28]。長短時記憶模型自19世紀90年代被提出以來，率先被應用于心理學研究并被稱之為初級記憶(VSTM)與次級記憶(VLTM)，重點研究人類在接收到外界信息后所做出的反應，記憶模型邏輯關系如圖5所示。

圖5 長短時記憶模型邏輯關系Fig.5 Logical relationships in long-term and short-term memory model

本研究根據駕駛人VMS的認知過程建立了基于短時記憶的VMS布設前置距離計算模型。駕駛人按照施工區的要求行駛，完成車輛減速、變換車道，則需要滿足：

(1)

(2)

式中，M為指示牌提示信息的消失距離；H為VMS的安裝高度，即指示標志頂部距離地面的高速度；H0為駕駛人坐在駕駛座上平視正前方時視線距地面的高度，取1.2 m；α為駕駛人處于D點時的視線仰角，一般取7°或15°。

(1)變換車道過渡距離。

主要是指駕駛人準確獲取VMS信息后，從原有車道變換至相鄰車道所需要的長度，計算公式如下：

(3)

式中，t2為駕駛人準確獲取VMS信息到完成車道變換所需時間，取6.2～6.9 s[29-30]。

(2)施工路段路面滾動阻力系數及車輛輪胎與路面的附著系數。

調查發現，國內高速公路一般為瀝青混凝土路面，根據《公路瀝青路面設計規范》(JTGD50—2017)，在計算VMS前置距離時需要使用車輛輪胎與路面的滾動阻力系數，瀝青路面的滾動阻力系數一般取值區間為0.01～0.018。隨著機動車輛性能的提升，無論是在干燥路面還是在潮濕路面，施工路段車輛輪胎與瀝青混凝土路面的附著系數基本不變，一般取值0.4。

(3)反應距離

主要是指駕駛人在行駛過程中看到VMS信息，經過判斷選擇、反應、動作執行，車輛所行駛的距離?？吹絍MS之后存在記憶變換過程，大致分為2個階段，處理分析時間取1.5 s，采取判斷時間取1 s[31]，計算公式如下：

(4)

式中t1為駕駛人獲取VMS信息后短時記憶變換的總時間，取值2.5 s。由式(1)～(4)計算可知，VMS的前置距離為：

t1-R。

(5)

為保證駕駛人及時獲取施工信息與交通誘導信息，VMS的設置應盡量遠離施工作業區并且要連續布設[32]。此時，只有標志設置點的距離取最小值時，才能保證VMS的安全前置距離最大，經計算可得：

(6)

(7)

針對高速公路改擴建和養護工程而言，指示標志的設置要滿足Tmin的理論計算值要求，還要預留一定的安全距離，確保VMS信息能夠被駕駛人看得到、看得清，并有足夠的時間可以做出響應。因此，VMS設置的前置距離為：

(8)

式中T安全為VMS的前置安全預留距離，一般取10 m。

3 案例分析

3.1 施工作業區VMS長度測算

本研究以青海省某雙向四車道高速公路改擴建工程為例，計算VMS距離施工作業區的前置安全長度。該路段的設計速度為120 km/h，路面縱坡為2%，在施工過程中施工區的限制速度為80 km/h。依據《道路交通標志和標線第4部分：作業區》(GB 5768.4—2017)和交通運輸部《公路養護安全作業規程》(JTG H30—2015)，高速公路養護工區可劃分為6個部分，具體如圖6所示：

圖6 高速公路施工作業區段劃分示意圖Fig.6 Schematic diagram of zoning in expressway construction area

當駕駛人車輛即將進入施工作業區之前，會先看到警告區前設置的VMS。駕駛人會根據短時記憶模型形成短時記憶并在記憶的支配下做出決策。對于高速公路施工作業區而言，根據現行規范從警告區到終止區長度分別為2 000，300，150，50，30 m。警告區主要是為駕駛人提供警示、提醒作用，位于最開端。過渡區由上游過渡區與下游過渡區組成，其中上游緩沖區的主要功能是保證車輛由警告區到緩沖區能夠安全地變換至緩沖區行車道所需的安全距離。施工區中上游過渡區的長度是一個理論計算值，為了保證行車安全需要設置一個容錯安全距離，即緩沖區，避免駕駛人操作失誤闖入施工作業區。為確保高速公路施工對交通流的影響最小，需要充分考慮施工周期、施工資源配置、施工的難度系數、交通流量等多類因素，同時也要滿足標準規范的要求。本研究建議高速公路改擴建工程施工作業區長度為4 km，養護工程作業區，尤其是臨時性養護工程作業區長度可根據實際情況來確定。終止區長度主要是車輛由下游過渡區變換至下游行車道時，加速至正常行駛速度時所需要的長度。針對高速公路施工作業區的路段劃分，借助建立的基于短時記憶的VMS前置距離計算模型，測算出不同區段的長度[33]，如表1所示。本工程施工區長度高于國標要求的最低值，主要是通過增加警告區、上游過渡區、緩沖區的長度，保證駕駛人在施工區的時候能輕松變換車道，并完成行駛速度切換，保證行車安全，減少交通事故發生的概率。

表1 高速公路施工作業區不同段的長度計算值與建議取值(單位：m)Tab.1 Calculated and recommended lengths of different sections in expressway construction area (unit：m)

此外，在本案例中，考慮了VMS的安裝方式—立柱式與懸臂式。為保證駕駛人能夠看到指示標志內容，根據規范要求采用立柱式安裝方式時，標志的高×寬為1.6 m×1.6 m，采用懸臂式安裝方式時，標志的高×寬為2 m×3.5 m。

3.2 VMS前置距離

根據2.2節中的模型，采用表2中的參數計算VMS的前置距離。經過計算，立柱式與懸臂式的VMS距離施工作業區的理論最小長度分別為328 m和326 m。在工程實踐過程中應用基于駕駛人短時記憶的VMS布設模型時，為保障車輛運行安全，避免因指示牌布設不規范誘發交通事故，在理論最小距離的基礎上需要增加10 m的安全距離，即立柱式與懸臂式的VMS距離施工作業區的前置安全長度為338 m和336 m。此外，對高速公路改擴建工程施工作業區可采用便攜式立柱VMS對過往駕駛人發布相關信息，可采用UPS電源作為VMS的臨時供電。對高速公路養護施工作業區，可在預警防撞車設置VMS，供電采用預警防撞車發電機供電?，F有的相關標準規范雖然對高速公路施工作業區的長度作了規定，但是對VMS的具體布設位置(距離施工作業區的前置安全長度)尚未明確。本研究結合駕駛人對VMS的認知過程構建了基于短時記憶的施工作業區VMS布設模型，并根據高速公路施工作業區的實際情況確定VMS的布設位置。

表2 VMS前置距離的計算因子及取值Tab.2 Calculation factors and values of VMS advance distance

4 結論

本研究以駕駛人短時記憶理論和認知負荷理論為依托，充分考慮駕駛人的信息接受程度與遺忘曲線，建立基于短時記憶的施工作業區VMS布設模型，并以雙向四車道高速公路改擴建工程為例，分析并計算了立柱式與懸臂式VMS距離施工作業區的前置安全長度。

本研究的創新點主要體現在理論創新與實踐應用兩個維度，通過駕駛員短時記憶、駕駛員認知負荷、基于短時記憶的VMS認知的理論研究與青海省某雙向四車道高速公路改擴建工程VMS布設前置距離實踐應用，既豐富了短時記憶模型理論，又經過實踐檢驗，具有復制推廣應用強的典型特點。其中，在理論研究層面，本研究所提出的基于短時記憶的VMS布設前置距離計算模型填補了當前標準規范中關于施工作業區VMS布設距離的空白，為VMS在施工作業情景下的布設距離提供計算方法和依據。在實踐應用層面，本研究應用模型計算了高速公路改擴建下的施工作業區VMS布設前置距離，結合工程實際場景展示了模型的應用方法和計算結果，為其他相關工程設計提供支撐。同時，根據本研究理論確定的VMS前置距離，在青海省某雙向四車道高速公路改擴建工程中得到的應用，不僅及時有效地發布了管理者需要發布的信息，而且得到了沿途駕駛人的認可，以任務型的信息提醒駕駛人集中注意力，有效支撐了車輛安全順暢地通過施工路段，保障了駕駛人的生命與財產安全。

然而，高速公路施工作業區的交通運行安全不是單純地布設VMS就能解決的，還需綜合考慮交通流量、客貨比、交通運行速度、施工作業內容、路面質量等多方面因素，力求為駕乘人員提供相對良好的交通運行環境。在滿足短時記憶曲線的條件下，妥善布設VMS位置，提供信息發布、交通誘導服務，減少因施工作業信息發布不合理造成的交通安全事故。同時，可以考慮使用UPS電源作為高速公路改擴建工程VMS的臨時供電，并定期更換。