基于駕駛員錯視覺的振動減速帶優(yōu)化設計＊

杜志剛鄭展驥 王自入

（武漢理工大學交通學院1） 武漢 430063） （武漢理工大學智能交通系統(tǒng)研究中心2） 武漢 430063）

設置振動減速帶是減少公路超速的最常見也是最為有效的方法之一.目前，減速帶一般有如下幾種形式：常見普通橡膠減速帶、道釘減速帶、熱塑振動減速帶、路面凹形槽減速帶以及最新出現(xiàn)的三維視覺減速帶.

普通的減速帶能使車輛減速到預先設定的速度，有較好的強制性，但是車輛經(jīng)過時振動程度隨車速的增加而迅速增大，嚴重影響駕駛員的舒適性，并且大型車輛經(jīng)過時引起的振動和噪聲對周邊建筑和居民也有一定的干擾.因此需要采取措施，在達到前進方向減速效果的同時，減少豎向振動的不舒適性，并減少噪聲.三維視覺減速帶是利用錯視覺使駕駛員誤認為它是個立體實物障礙（實際上是由特殊材料涂設在路面上的各種平面圖形），因而沒有普通減速帶的缺點，但是當駕駛員熟悉后就會按照自己的駕駛習慣去行駛，不受三維視覺減速帶的影響，也導致其減速效果迅速降低.

目前已應用的各種減速帶各有優(yōu)缺點，因此很有必要將振動減速帶與錯視覺減速帶的優(yōu)點結(jié)合起來，以達到主動控速與被動控速相結(jié)合，發(fā)揮減速設施的最大功效.

1 常規(guī)減速帶的比選

常見減速帶的截面形式有圓弧形和拋物線與圓弧相切形，見圖1、圖2.

圖1 圓弧形減速帶

圖2 拋物線－圓弧形減速帶

振動減速帶設計原理是：當車輛駛?cè)霚p速帶時，會產(chǎn)生一定的振動，使駕駛員能夠自覺的降低車速，達到減速的目的.同時，車輛駛離減速帶時，能給車輛一定的緩沖，減少產(chǎn)生的振動和噪音，因此在原有的減速帶截面形式下選擇一個振動最小的截面形式.

減速帶橫截面高寬比宜控制在0.06～0.1之間［1］.減速帶的寬度與控制車速成正比，高度與控制車速成反比，在低速范圍內(nèi)（小于40km／h），車輛通過寬度較?。ㄐ∮?00 mm）的減速帶時，其平順性較差.同時考慮一般減速帶的尺寸，因此為了保證在較低速度（小于40km／h）下的平順性，選擇減速帶的寬度為600mm，高度為50mm［2］.

1.1 對拋物線和圓弧相切減速帶截面形式進行建模

設拋物線與圓弧相切于點（x0，y0），車輪半徑為R，減速帶寬度為D＝2l，高度為h，取圓弧半徑為r，則有如下方程組

對汽車勻速通過減速帶時輪軸的運動進行分析.輪軸的運動軌跡分為3段，中間一段為一段圓弧，2邊均為拋物線，設右邊拋物線為：（x－l）2＝2py.

已知過點（x1，y1），且有

通過上述關系可求解拋物線的軌跡方程

因此可得汽車通過整個減速帶時的運動軌跡方程為

將其求對t的二階導數(shù)，可得對應上述3段時間的輪軸加速度

1.2 對截面形式為圓弧形的減速帶進行建模

當輪胎從圓弧上面滾過時，輪軸的運動軌跡為——以圓弧的圓心為圓心，以r1＋R 為半徑的圓弧，軌跡方程為 x2＋（y＋r－h(huán)）＝（r1＋R）2.

參數(shù)方程為

式中：

將參數(shù)方程對t求其二階導數(shù)可得輪軸的加速度

1.3 用MATLAB畫出速度函數(shù)圖象并分析

取R＝32cm，r1＝55cm，l＝30cm，v＝40 km／h＝1111cm／s，代入方程組（5）、（7）計算并用MATLAB繪出圖3和圖4.

圖3 圓弧形時汽車通過時的豎直方向加速度

圖4 拋物線與圓弧相切形式汽車通過時的豎直方向加速度

駕駛員對豎向加速度比前進方向更為敏感，因此選取豎向加速度為研究對象，分析評價駕駛舒適性［3］.豎直方向的加速度a變化過大，駕駛員會感覺不舒服，且容易造成車禍，對道路的損壞也比較大.通過圖3和圖4比較，可以看出2個模型中的加速度變化范圍：圓弧模型a＝－1.5－（－2.6）＝1.1cm／s2大于相切拋物線模型a＝－1.5－（－1.75）＝0.25cm／s2，故選擇拋物線和圓弧相切的截面形狀.

綜上所述，減速帶截面形式為拋物線和圓弧相切的形式能夠使車輛通過時有較好的舒適性，且寬度為600mm，高度為50mm 的尺寸形式符合在車輛在較低速度下通過時有較好的平順性，在較高速度下有較大的振動的條件范圍.

2 減速帶的色彩設計

常規(guī)減速帶的設計顏色為黃黑相間，這種顏色設計在白天和晚上都能有較好的視覺效果，車輛在較遠的距離就能看見減速帶的存在.這是由于黃色的明度大且對比度比較強，將黃和黑兩者放在一起形成鮮明的對比，使得黃色更加亮，發(fā)生色膨脹.王超等人的研究表明，駕駛員坐在車里能發(fā)現(xiàn)前方50 m 的障礙物，駕駛員發(fā)現(xiàn)駝峰式減速帶后對車輛速度的影響在減速帶前30m 左右的范圍，駕駛員在發(fā)現(xiàn)減速帶后并沒有立即減速，而是到減速帶30m 左右才開始減速，特別是通過最后10m 的距離時速度的變化值最大［4］.

因此將色彩錯覺用于減速帶上，駕駛員需至少能在50m 外發(fā)現(xiàn)彩色減速帶；同時，可以借鑒黃黑搭配和色膨脹原理，使駕駛員產(chǎn)生錯覺——減速帶比實際要高或是通過時振動更強烈，以達到減速效果.綜合考慮，運用黃，藍，黑（按顏色的面積大小排列）3種顏色，下面具體分析不同顏色的作用與效果［5－6］.

運用黃色，可以產(chǎn)生2方面的效果：（1）“縮短”減速帶和駕駛員的距離.從心理學角度來講，黃色是前進色.兩個同樣距離的黃色和黑色物體，其中黃色的能使人覺得它距離人更近一些；（2）“增大”減速帶三維尺寸.黃色屬于暖色，看上去生動突出.因此，減速帶表面涂成黃色可以增加它的空間立體感，從視覺角度感覺比實際要大.

藍色在減速帶上的應用，是考慮到系統(tǒng)決定物體相對高度時，陰影能夠起到重要作用，同時藍色作為冷色系，為后退色，與黃色對比可以產(chǎn)生一種立體效果，使曲線形的減速帶產(chǎn)生一種立方體的感覺.

黑色是為了起襯托作用，能使黃色和藍色更為突出.

綜上所述，經(jīng)過多次色彩搭配比選之后，最終確定如圖5的配色方案，圖6為彩色減速帶條紋圖尺寸說明.

圖5 最終配色方案

圖6 彩色減速帶條紋圖及尺寸說明

減速帶的一個單元體的長度為60cm.根據(jù)色膨脹原理，黃色在黑色的包圍下會顯出膨脹，且黑色要有足夠的面積與黃色對比，黃色才能有較強的亮度.因此，黃色的面積要大與黑色的面積.

黑線可作為紋理，起防滑的作用，同時也為了體現(xiàn)出圖形的立體感——黃色部分為一個類似凸起的球體形狀，下半部分可以起到這樣的效果：（1）從圖7a）角度看，如同貼在地面上；（2）從圖7b）角度看，如同直立的版塊，使駕駛員產(chǎn)生錯覺——整個減速帶就像是一塊凸起的磚頭，會產(chǎn)生強烈的凹凸感.

圖7 彩色減速帶俯視圖

為了使彩色減速帶在夜晚條件下也能有較好的可見性，黑色部分可用高強反光材料，使黑色部分在白天有光時為黑色，在夜晚時為白色，在較遠距離也能看到有障礙物的存在.這樣就可以盡可能的節(jié)省特殊材料的面積，使造價更加經(jīng)濟.

3 實驗及分析

本實驗的計算機模型用3DStudio Max軟件建立.設置駕駛員視高為1.2m，視角為100°.

3.1 實驗一，測試駕駛員在50m 的距離處能否清晰的觀察到彩色減速帶

實驗方法是將鏡頭（人眼）推移到距離減速帶50m 處靜止觀察.

實驗結(jié)果：同樣距離下，彩色減速帶和常見的黃黑相間的減速帶的可見度相差不大.同時，彩色減速帶還能使駕駛員感覺距離減速帶更近.

3.2 實驗二，研究不同人員對彩色減速帶的描述和心理感覺

具體方法是將鏡頭推移至減速帶20m 處靜止，并做問卷進行調(diào)查.問卷可以借鑒景觀評價中的SD法［7］，即列舉幾個涉及到減速帶的形容詞，讓被訪者打分，先讓被訪者觀察常規(guī)減速帶打分，再觀察彩色減速帶打分.比較出他們對不同減速帶的心理感覺.受訪者分為4組，分別為有駕駛經(jīng)歷的男，有駕駛經(jīng)歷的女，無駕駛經(jīng)歷的男，無駕駛經(jīng)歷的女，每組5個人，要求視力良好（矯正后視力＞5.0），且均無色弱.實驗前被試均未被告知實驗目的.經(jīng)過問卷調(diào)查，統(tǒng)計分析得出圖8所示的曲線圖.

圖8 SD 法數(shù)據(jù)折線圖

通過對三維視覺減速的作用機理和上述幾組形容詞的因子分析可知，要使減速帶的視覺減速效果最好，必須使駕駛員從遠處感受到不安全感，立體感強烈，舒適感和平穩(wěn)感差，并且在遠距離彩色減速帶與普通的黃黑減速帶的可見性相差不大，即色彩鮮明感，清晰度基本一致.由上折線圖可知，彩色減速帶的“安全感”要比普通減速帶的低0.75分，“立體感”比普通減速帶高1.35分，駕駛員預期的舒適感要比普通減速帶低0.55分，預期的平穩(wěn)感要低1.8分，而色彩鮮明感，清晰度則基本一致，相差不大.

由上述分析可知，彩色減速帶能給人強烈的立體感和不安全感，從而迫使駕駛員在20 m 的范圍內(nèi)減速，從而避免了在最后10 m 車輛速度值有較大的變化.

4 結(jié)束語

彩色減速帶的作用機理是——早發(fā)現(xiàn)，駕駛員能在與發(fā)現(xiàn)常規(guī)減速帶的同樣距離處發(fā)現(xiàn)彩色減速帶；早減速，通過使用色彩搭配使彩色減速帶具有強烈錯視覺效果，讓駕駛員在20 m 的距離處提早減速；時效性好，通過建模分析和研究表明，該彩色減速帶的尺寸能使駕駛員在受錯視覺刺激后主動減速通過該裝置時減少車輛的振動，有較好的舒適性，而沒有主動減速駕駛員則會產(chǎn)生較大的振動，從而迫使車輛達到減速效果.

同三維視覺減速帶相比，彩色橡膠減速帶具主動與被動相結(jié)合，視覺與振動知覺相結(jié)合，使設施達到最大功效的優(yōu)點.另外，由于普通三維減速帶沒有反光效果，夜間或照明情況不良時，難以引起駕駛員注意，從而容易引發(fā)交通意外.而彩色減速帶利用了錯視覺原理，但是沒有完全放棄它本身的高度，因此在夜間或照明情況不良好時也能正常使用.

［1］張 煒，魏 朗，余 強.道路減速帶對車輛平順性和安全性的影響［J］.長安大學學報，2008，28（4）：95－98.

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［3］杜志剛，潘曉東，邱 超.山區(qū)公路橋頭行車安全評價指標及改善研究［J］.安徽理工大學學報：自然科學版，2007，27（2）：18－20.

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［6］蔣 巍.視覺指定錯視在視覺傳達設計中的應用［D］.西安：西安理工大學，2007.

［7］簡 興，苗永美.語義差別法（SD）在風景區(qū)自然景觀評價中的應用：以安徽省鳳陽縣禪窟寺景區(qū)為例［J］.資源開發(fā)與市場，200824（11）：988－990.