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基于驾驶任务分析的10车道高速公路指路标志优化方法

罗强,  莫君豪,  郭香妍,  赵丁,  陈信强

罗强, 莫君豪, 郭香妍, 赵丁, 陈信强. 基于驾驶任务分析的10车道高速公路指路标志优化方法[J]. 交通信息与安全, 2026, 44(4): 138-149. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.013
引用本文: 罗强, 莫君豪, 郭香妍, 赵丁, 陈信强. 基于驾驶任务分析的10车道高速公路指路标志优化方法[J]. 交通信息与安全, 2026, 44(4): 138-149. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.013
LUO Qiang, MO Junhao, GUO Xiangyan, ZHAO Ding, CHEN Xinqiang. Optimization Method of Guide Signs for Ten-lane Freeway Off-ramps based on Driving Task Analysis[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2026, 44(4): 138-149. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.013
Citation: LUO Qiang, MO Junhao, GUO Xiangyan, ZHAO Ding, CHEN Xinqiang. Optimization Method of Guide Signs for Ten-lane Freeway Off-ramps based on Driving Task Analysis[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2026, 44(4): 138-149. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.013

基于驾驶任务分析的10车道高速公路指路标志优化方法

doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.013
基金项目: 

国家社会科学基金项目 25BGL225

详细信息
    作者简介:

    罗强(1986—),博士. 研究方向: 交通安全、驾驶行为分析等. E-mail: luoq_yan@gzhu.edu.cn

    通讯作者:

    陈信强(1987—),博士,教授. 研究方向: 交通安全、交通大数据分析等. E-mail:chenxinqiang@stu.shmtu.edu.cn

  • 中图分类号: U491.5+4

Optimization Method of Guide Signs for Ten-lane Freeway Off-ramps based on Driving Task Analysis

  • 摘要: 双向10车道高速公路出口区域连续换道需求增加,指路标志布设与驾驶任务节奏适配不足,易造成驾驶负荷集中。基于驾驶任务分析构建指路标志优化方法,将车辆由主线驶离至匝道的连续驾驶过程划分为主线驾驶、首次分流、二次分流、减速调节和匝道调速5个功能区段,分解视觉扫描、车道控制、标志识别、换道和速度控制5类子任务并量化任务负荷;任务负荷分析显示,首次分流段与二次分流段负荷得分分别为40和43,是驶离过程中的主要负荷峰值区;建立“任务负荷-时间-距离”映射关系,将驾驶负荷转化为标志布设的空间需求,实现由驾驶行为解析向标志布设参数推导的转换,形成“认知前置、操作错峰”的6级指路标志布设方案。以实际高速公路改扩建工程为原型构建Unity驾驶模拟场景,组织32名被试完成5种指路标志方案共160组有效实验,融合驾驶人信息负荷与车辆控制负荷,采用熵权法确定权重并经尺度校准,构建驾驶人工作负荷综合评价模型。结果显示,优化方案E的DWL为0.331±0.096,较实际工程方案A(1.267±0.182)降低73.9%,且显著低于其他对比方案(p < 0.05),优化方案能够有效降低驾驶人综合工作负荷并改善车辆操控稳定性。依据驾驶任务负荷特征进行分区分析并优化标志空间布设,可增强指路信息与驾驶任务节奏的匹配性,定量优化超宽幅高速公路出口指路标志。

     

  • 图  1  驾驶区段划分示意图

    Figure  1.  Schematic illustration of driving segment division

    图  2  高速公路10车道出口匝道模型

    Figure  2.  Ten-lane expressway exit ramp model

    图  3  指路标志方案示意图

    Figure  3.  Guide sign scheme schematic diagram

    图  4  控制负荷计算指标得分

    Figure  4.  Control load calculation indicator score

    表  1  驾驶区段划分及速度特征

    Table  1.   Driving segment division and speed characteristics

    驾驶区段 驾驶核心目标 速度变化特征
    主线驾驶段 保持车速与车道, 观察环境与初步指引 100~120 km/h, 匀速, 波动小
    首次分流段 安全向右变道至第2车道, 为后续变道做准备 100~120 km/h, 变道时可能轻微减速
    二次分流段 继续向右变道至最外侧车道, 完成进入匝道准备 匀减速, 逐步降至80~100 km/h
    减速调节段 平稳降速至匝道安全范围, 安全切入匝道 匀减速, 逐步降至60~80 km/h
    匝道调速段 根据市道线形精准控制车速, 保持稳定行驶 60 km/h以下, 适应几何设计与限速
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    表  2  驾驶子任务负荷赋值说明

    Table  2.   Driving subtask load assignment description

    驾驶子任务 负荷分析说明 负荷值
    视觉扫描 贯穿全程, 尤其在识别标志、换道等关键任务尤为重要, 需大范围分配注意力, 负荷较高 3
    车道控制 基础性驾驶任务, 多数情况下持续进行车道保持;认知需求低, 操作自动化程度高 1
    标志识别 对驾驶人至关重要, 尤其在复杂匝道场景中需快速准确解读关键决策点, 认知负荷极高 4
    换道 高速分流段与匝道口执行, 时间紧迫、多任务并行, 需高效协调感知、决策与执行, 负荷极高 5
    速度控制 贯穿全程, 对车辆稳定与安全至关重要。任务持续但自动化程度较高, 负荷中等 2
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    表  3  驾驶子任务专家评分统计结果

    Table  3.   Statistical results of expert ratings for driving subtasks

    驾驶子任务 第1轮评分 第2轮评分 最终赋值
    均值 标准差 均值 标准差
    视觉扫描 2.8 0.84 3.0 0.71 3
    车道控制 1.2 0.45 1.2 0.45 1
    标志识别 4.0 0.71 3.8 0.45 4
    换道 4.6 0.89 4.6 0.55 5
    速度控制 2.2 0.84 2.4 0.49 2
    注:均值与标准差均根据5位专家评分计算, 标准差采用样本标准差。
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    表  4  各区段任务分配及负荷得分表

    Table  4.   Task allocation and load score table for each segment

    驾驶区段 视觉扫描 车道控制 标志识别 换道任务 速度控制 区段总负荷得分
    主线驾驶段 $ 3 \times 3=9 $ $ 1 \times 1=1 $ $ 1 \times 4=4 $ $ 0 \times 5=0 $ $ 1 \times 2=2 $ 16
    首次分流段 $ 6 \times 3=18 $ $ 2 \times 1=2 $ $ 2 \times 4=8 $ $ 2 \times 5=10 $ $ 1 \times 2=2 $ 40
    二次分流段 $ 6 \times 3=18 $ $ 3 \times 1=3 $ $ 2 \times 4=8 $ $ 2 \times 5=10 $ $ 2 \times 2=4 $ 43
    减速调节段 $ 3 \times 3=9 $ $ 1 \times 1=1 $ $ 1 \times 4=4 $ $ 0 \times 5=0 $ $ 4 \times 2=8 $ 22
    市道调速段 $ 3 \times 3=9 $ $ 2 \times 1=2 $ $ 0 \times 4=0 $ $ 0 \times 5=0 $ $ 3 \times 2=6 $ 17
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    表  5  不同转换系数下的理论区段长度

    Table  5.   Theoretical segment lengths under different conversion coefficients

    驾驶区段 任务得分 换算时间/s 速度/(m/s) $ k=0.7 $时长度/m $ k=0.8 $时长度/m $ k=1.0 $时长度/m
    主线驾驶段 16 12.8 30.56 342 391 489
    首次分流段 40 32.0 30.56 856 978 1222
    二次分流段 43 34.4 25.00 753 860 1075
    减速调节段 22 17.6 19.44 299 342 428
    匝道调速段 17 13.6 13.89 165 189 236
    合计 2415 2760 3450
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    表  6  指路标志设计方案

    Table  6.   Guide sign design scheme

    方案 来源依据 方案特征概述
    A(实际工程方案) 水官高速布澜路出口方向 设置3个标志断面, 共8块主体板面, 采用左右侧配套布设
    B(国标规范方案) GB 5768.2—2022《道路交通标志和标线》 设置5个标志断面, 共5块主体板面, 采用单侧连续预告
    C(国内研究优化方案) 国内其他研究文献 设置6个标志断面, 共8块主体板面, 采用左右侧配套布设, 增设车道—去向组合信息
    D(改扩建工程建议方案) 广深高速改扩建工程设计 设置6个标志断面, 共13块主体板面, 强化车道分布提示与路径预判
    E(本文优化方案) 驾驶任务分析 设置9个指路及车道引导断面, 共18块主体板面, 依据驾驶任务阶段实施分级布设
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    表  7  DIL计算指标得分平均值

    Table  7.   Average score of DIL calculation indicators

    方案 信息感知负荷 信息判断负荷 信息执行负荷
    A 3.0 3.3 4.3
    B 4.3 3.7 3.7
    C 3.3 3.3 3.0
    D 3.0 2.3 2.3
    E 2.0 2.0 1.7
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    表  8  控制负荷子指标内容

    Table  8.   Control load sub-indicator content

    控制负荷子指标 计算指标
    横向控制负荷 转向盘转动频率(steering变化大于0.03的次数/min)
    转向盘波动程度(steering的标准差)
    加减速行为频率$ (|a|>1.0 $的频次/min)
    纵向控制负荷 刹车持续时间占比(brake小于0.95的帧占比)
    油门波动程度(throttle的标准差)
    操作稳定性控制负荷 加速度波动(acceleration的标准差)
    速度波动(speed的标准差)
    急变油门行为频率(throttle差分大于0.2的比例)
    注:表中阈值主要用于剔除设备微小抖动与低幅随机波动, 识别具有实际操控意义的有效操作事件。阈值设置综合考虑了模拟器控制量输出范围、采样精度和预实验数据波动特征, 以及人工核查结果, 并在所有方案中保持一致。
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    表  9  驾驶负荷评价指标的信息熵及其权重

    Table  9.   Information entropy and weight of driving load evaluation indicators

    指标名称 所属子指标 信息熵$ E_{j} $ 冗余度$ d_{j}=1-E_{j} $ 指标权重
    信息感知负荷 DIL 0.8200 0.1800 0.0626
    信息判断负荷 DIL 0.7830 0.2170 0.0755
    信息执行负荷 DIL 0.7897 0.2103 0.0731
    转向盘转动频率 VCL 0.7076 0.2924 0.1017
    转向盘波动程度 VCL 0.7368 0.2632 0.0916
    加减速行为频率 VCL 0.7045 0.2955 0.1028
    刹车持续时间占比 VCL 0.7175 0.2825 0.0982
    油门波动程度 VCL 0.7282 0.2718 0.0945
    加速度波动 VCL 0.6993 0.3007 0.1046
    速度波动 VCL 0.7147 0.2853 0.0992
    急变油门行为频率 VCL 0.7235 0.2765 0.0962
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    表  10  各方案综合评价结果

    Table  10.   Comprehensive evaluation results of different schemes

    方案 DIL VCL(归一) DWL
    A 3.53 0.7888 1.2669
    B 3.90 0.5300 1.1174
    C 3.23 0.2743 0.7897
    D 2.53 0.0748 0.5030
    E 1.90 0.0000 0.3314
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    表  11  各方案DWL及重复测量比较结果

    Table  11.   DWL and repeated-measures comparison results of different schemes

    方案 DWL均值±标准差 95%置信区间 与方案E比较的校正后$ p $值
    A 1.267±0.182 1.201~1.333 < 0.001
    B 1.117±0.164 1.058~1.176 < 0.001
    C $ 0.790 \pm 0.143 $ 0.738~0.841 < 0.001
    D 0.503±0.118 0.460~0.546 0.002
    E 0.331±0.096 0.297~0.366 -
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  • 收稿日期:  2026-01-15
  • 网络出版日期:  2026-11-06

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