高速公路隧道內(nèi)視錯(cuò)覺減速標(biāo)線優(yōu)化設(shè)計(jì)*

史曉花　杜志剛　鄭展驥　吳超仲

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

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高速公路隧道內(nèi)視錯(cuò)覺減速標(biāo)線優(yōu)化設(shè)計(jì)*

史曉花1)杜志剛1)鄭展驥1)吳超仲2)

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

摘要：通過(guò)對(duì)隧道側(cè)墻設(shè)置高頻(8～12 Hz)低頻(0.2～4 Hz)視覺組合標(biāo)線，重構(gòu)駕駛員的視覺參照系，有效地提高隧道內(nèi)的減速效果，并利用3ds Max軟件制作公路隧道仿真場(chǎng)景，采用E-prime2.0軟件對(duì)設(shè)置單一頻率和高低頻組合視覺信息進(jìn)行心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：多頻率組合信息使駕駛員對(duì)速度的感知產(chǎn)生高估，其中駕駛員對(duì)速度高估程度在高頻(12 Hz)和低頻(0.2 Hz)相組合的視覺信息下最為合理，為8.21%，且駕駛員的反應(yīng)時(shí)最短(2.09 s).據(jù)此建立行車安全模型，計(jì)算得出隧道內(nèi)車輛安全距離最短為67 m，與傳統(tǒng)的行車安全距離90 m相比減小25.6%，更有利于行車安全.

關(guān)鍵詞：交通安全；公路隧道中部；視覺信息；反應(yīng)時(shí)；安全距離

史曉花(1986- )：女，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榻煌ò踩?/p>

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：51578433)、“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：2014BAG01B03)資助

0引言

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：公路隧道交通事故中，超過(guò)60%是由駕駛員超速行為引起的，事故多發(fā)生于隧道內(nèi)，其中70%的超速行為是由速度錯(cuò)覺引起.

Denton[1]在英國(guó)環(huán)行交叉口應(yīng)用減速標(biāo)線，其設(shè)置了間距逐漸減小的橫向標(biāo)線使駕駛?cè)水a(chǎn)生速度高估進(jìn)而降低車速，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，采取該措施后平均車速降低了23%，速度差則降低了37%.陳昌武等[2]的研究表明隧道內(nèi)對(duì)比度的降低和低邊緣率導(dǎo)致了駕駛員對(duì)車速產(chǎn)生低估效應(yīng)，從而使隧道內(nèi)車速實(shí)際值高于駕駛員的期望值.朱順應(yīng)等[3]的研究表明時(shí)間頻率適當(dāng)時(shí)，宜著重考慮通過(guò)橫縱比、虛實(shí)比和角度的變化增強(qiáng)路面邊緣率標(biāo)線的減速效果.劉兵[4]的研究表明當(dāng)邊緣率約為2 Hz時(shí)，駕駛員并未表現(xiàn)出速度高估效應(yīng)；邊緣率在4～16 Hz時(shí)，實(shí)驗(yàn)者對(duì)速度產(chǎn)生了高估，且隨著邊緣率密度的增大,高估效應(yīng)逐漸遞增，但邊緣率密度在8～16 Hz時(shí)，駕駛員速度感知差異較小.

這些研究缺乏對(duì)不同頻率及其組合對(duì)于駕駛員的控速效果的定量分析，本文采用E-prime2.0軟件分別測(cè)量隧道內(nèi)單一頻率和組合頻率標(biāo)線的主觀等同速度和反應(yīng)時(shí)，對(duì)比分析得出減速效果最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案.

1改善原理與方法

1.1改善原理

邊緣率是單位時(shí)間內(nèi)穿過(guò)觀察者視野邊緣或間斷的數(shù)目.劉兵等[5]研究表明長(zhǎng)度的減小能夠顯著增強(qiáng)邊緣率標(biāo)線減速效果，當(dāng)邊緣率標(biāo)線長(zhǎng)度分別取1.5,1和0.5 m時(shí)，平均車速與鋪設(shè)前相比分別降低5.0%,7.1%和8.8%.

邊緣率可以提高視知覺對(duì)真實(shí)速度的高估，車輛在高速行駛時(shí)，駕駛員的視野成狹窄的圓錐形，駕駛員是通過(guò)視覺的邊緣率的變化來(lái)感知車速.因此，可通過(guò)駕駛員的視覺邊緣率變化來(lái)控制車速、車輛碰撞和彌補(bǔ)駕駛員對(duì)車速的適應(yīng)性缺陷.本文采用的是設(shè)置側(cè)墻立面標(biāo)線的高頻信息和側(cè)墻輪廓標(biāo)的中頻信息，豐富駕駛員的視覺信息，提高駕駛員對(duì)速度的感知能力，最終達(dá)到控速的目的.為使本文研究盡可能避免照度因素的影響，因此，本文采取100%照度標(biāo)準(zhǔn)，燈具為80 W高壓鈉燈，進(jìn)行雙側(cè)對(duì)稱布燈，燈距10 m.

1.2設(shè)計(jì)方法

本文采用3dsMax2012軟件設(shè)計(jì)行車視頻，制作出高速公路隧道內(nèi)改善前后視頻，模擬高速公路隧道行車場(chǎng)景.通過(guò)心理物理軟件E-prime2.0對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證并收集數(shù)據(jù)，采用反應(yīng)時(shí)指標(biāo)來(lái)度量本文改善方法對(duì)駕駛員速度感知的影響.

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景分為標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和對(duì)比實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景.依據(jù)文獻(xiàn)[6]的規(guī)定，高速公路隧道應(yīng)設(shè)計(jì)為上、下分離式獨(dú)立雙洞，對(duì)比實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景為隧道中部行車模型，具體工程尺寸見表1.

表1　公路隧道建筑限界橫斷面組成最小寬度

本文采用8 Hz、12 Hz的頻率作為高頻信息，采用0.2 Hz、0.4 Hz、0.6 Hz的頻率作為低頻信息，高頻和低頻時(shí)的標(biāo)線間隔為

(1)

設(shè)計(jì)車速v取80 km/h，因此，側(cè)墻立面標(biāo)記線的間隔分別為2.78,1.85 m，側(cè)墻輪廓標(biāo)的間隔分別為111.11,55.56,37.04 m.

本文采用高頻與中頻相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案對(duì)隧道中部已有設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)見表2.

表2　隧道中部改善設(shè)計(jì)表

具體設(shè)計(jì)圖見圖1～2.

圖1　平面圖

圖2　側(cè)面圖

為了得出單一頻率以及組合頻率對(duì)駕駛員的速度感知影響，本文首先將單一頻率設(shè)計(jì)5組實(shí)驗(yàn)，即低頻(0.2，0.4，0.6 Hz)信息和高頻(8，12 Hz)信息的對(duì)比實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景分別與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景作對(duì)比，將組合頻率設(shè)計(jì)6組實(shí)驗(yàn)，具體如表3，通過(guò)心理物理學(xué)軟件E-prime2.0進(jìn)行試驗(yàn).

表3　高低頻信息組合實(shí)驗(yàn)分組

2實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)的被試共20人，根據(jù)我國(guó)駕駛員的男女性別比例約為7∶3，故確定實(shí)驗(yàn)被試為14男6女，其中20～25歲的有10人(7男3女)，25～30歲的有6人(4男2女)，30到35歲的有4人(3男1女)，其中6人有駕駛經(jīng)驗(yàn)，其余被試無(wú)駕駛經(jīng)驗(yàn)但正常視力或矯正視力在5.0以上.

2.2實(shí)驗(yàn)方法

反應(yīng)時(shí)指刺激作用于有機(jī)體后到明顯的反應(yīng)開始時(shí)所需要的時(shí)間，即刺激與反應(yīng)之間的時(shí)間間隔.本實(shí)驗(yàn)采用被試的反應(yīng)時(shí)來(lái)度量駕駛員對(duì)速度的感知，即反應(yīng)時(shí)越短，駕駛員作出判斷越快，對(duì)速度的感知能力越強(qiáng).本實(shí)驗(yàn)測(cè)量在隧道內(nèi)被試看到前方障礙物到作出反應(yīng)之間的時(shí)間間隔，用E-prime2.0心理學(xué)軟件對(duì)其進(jìn)行記錄.實(shí)驗(yàn)中速度刺激強(qiáng)度序列分為遞增和遞減兩種，遞增(減)場(chǎng)景的速度是以某一固定值將速度從極小(大)值增加(減少)到極大(小)值.為了控制因標(biāo)準(zhǔn)刺激與比較刺激先后呈現(xiàn)所造成的時(shí)間誤差，本實(shí)驗(yàn)采取的平衡方法是多層次的ABBA法[8].其中:A是將視頻(標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)比)以遞增的形式展示；B是將視頻(標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)比)以遞減的形式展示.

本實(shí)驗(yàn)共有2×6=12組實(shí)驗(yàn)方案，其中每組實(shí)驗(yàn)有8～10段視頻，并進(jìn)行20人×12次=240人次.

2.3實(shí)驗(yàn)流程

考慮到仿真視頻操作方便、制作簡(jiǎn)單、安全性能高、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)采取3dsmax制作仿真視頻進(jìn)行模擬.由于高速公路隧道限速60～80 km/h，本實(shí)驗(yàn)分別以50，60，70，80 km/h的速度±2.5 km/h作為仿真視頻的速度.具體流程如下.

1) 分別將高速公路隧道中部改善前和改善后的場(chǎng)景用3dsmax軟件制成仿真視頻，用Corel Video-Studio Pro-Multilingual軟件將所有視頻裁剪到時(shí)間相等，并投影到大屏幕上(3 m×2.4 m)，被試距離大屏幕大約為6 m(按照人機(jī)工程學(xué)確定).

2) 正式實(shí)驗(yàn)前5～10 min讓被試熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程；

3) 被試手握方向盤，正視前方大屏幕，根據(jù)指導(dǎo)語(yǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

4) 先播放一段標(biāo)準(zhǔn)視頻，緊接著播放對(duì)比視頻，此時(shí)，被試需要作出時(shí)間的判斷，即車輛與前方障礙物要超出安全距離時(shí)踩剎車；在播放下段標(biāo)準(zhǔn)視頻之前，插入倒計(jì)時(shí)圖片(3～5 s)，讓被試做準(zhǔn)備.

5) 每個(gè)速度遞增或遞減的視頻播放結(jié)束后，呈現(xiàn)30 s的風(fēng)景圖片供被試放松.

6) 每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，暫停3 min，讓被試休息.

7) 用E-prime軟件將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并用SPSS19.0計(jì)算和分析各組實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)時(shí)間.

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1單一頻率視覺信息實(shí)驗(yàn)結(jié)果

目前主要采用刺激物的主觀等同速度[7](stimulation of subjectively equal speed，SSES)這一指標(biāo)來(lái)度量駕駛員的速度感知.SSES大于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的物理速度表明對(duì)比實(shí)驗(yàn)環(huán)境會(huì)導(dǎo)致速度的低估，SSES小于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的物理速度表明對(duì)比實(shí)驗(yàn)環(huán)境會(huì)導(dǎo)致車速的高估.本實(shí)驗(yàn)主要采用迫選法測(cè)定SSES，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果見表4.

表4　單一頻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：1.速度錯(cuò)覺程度=(標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景的實(shí)際車速—主觀等同速度)/標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景的實(shí)際車速；

2.“+”表示車速高估，“—”表示車速低估.

由表4可知，隧道內(nèi)駕駛員的感知速度在不同低頻信息下均出現(xiàn)了在不同程度的低估效應(yīng)，其中低頻信息為0.2 Hz時(shí)車速低估程度最高.隧道內(nèi)駕駛員的感知速度在不同高頻信息下均出現(xiàn)了不同程度的高估效應(yīng)，其中高頻信息為12 Hz時(shí)車速高估程度最高.即與改善前隧道內(nèi)場(chǎng)景相比，改善后的場(chǎng)景對(duì)駕駛員的視錯(cuò)覺均有影響.

3.2高低頻組合視覺信息實(shí)驗(yàn)結(jié)果

低頻和高頻的視覺信息組合一方面可以緩和高頻視覺信息條件下的顯著速度高估和低頻視覺信息下的速度低估，另一方面可以縮短極限反應(yīng)時(shí)，提升駕駛員對(duì)車速感知的敏感度.實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景測(cè)出的結(jié)果見表5.

表5　組合頻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：“+”表示車速高估；“—”表示車速低估.

由表5可知：

1) 低頻0.2～0.4 Hz和高頻8～12 Hz視覺信息組合可以縮短極限反應(yīng)時(shí)，提升駕駛員對(duì)車速感知的敏感度；

2) 9組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比得出，實(shí)驗(yàn)二(低頻0.2 Hz與高頻12 Hz組合)計(jì)算得出的速度錯(cuò)覺程度為+8.96%，即駕駛員對(duì)速度產(chǎn)生高估程度為8.96%，最為合理.

利用SPSS17.0對(duì)改善前的SSESv1和改善后的SSESv2進(jìn)行單因素方差檢驗(yàn)，結(jié)果見表6.

由表6可知，在顯著性水平α=0.05的情況下，方差齊性檢驗(yàn)的顯著度都小于0.05，表明改善前的主觀等同速度與改善后的主觀等同速度兩個(gè)總體方差是非齊性的，即具有顯著性差異，可以認(rèn)為，改善前后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致.

表6　改善前與改善后單因素方差檢驗(yàn)結(jié)果

3.3行車安全距離

在高速公路隧道中行駛的車輛，在跟馳狀態(tài)下，當(dāng)前車緊急剎車時(shí)，后車與其的距離就會(huì)減小.通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析，得到多頻組合狀態(tài)下的行車安全距離，進(jìn)而分析車輛跟馳距離變化的范圍，進(jìn)一步探討安全車距的設(shè)計(jì)值.

通過(guò)E-prime2.0心理物理學(xué)軟件記錄高低頻組合信息下駕駛員緊急制動(dòng)的反應(yīng)時(shí)間，對(duì)其求平均值并根據(jù)公式2用origin8.0對(duì)其進(jìn)行高斯擬合，其中y值即為極限反應(yīng)時(shí)，結(jié)果見圖3.

(2)

由高斯擬合結(jié)果可知，在隧道內(nèi)部駕駛員的反應(yīng)時(shí)間在2～3 s之間，其中實(shí)驗(yàn)二(高頻12 Hz和低頻0.2 Hz組合視覺信息)測(cè)得的反應(yīng)時(shí)間最短.

圖3　實(shí)驗(yàn)高斯擬合結(jié)果

在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中，汽車實(shí)際行駛過(guò)的距離見表7.

表7　不同階段下汽車的行駛距離

所以，后車行駛的距離為

(3)

由于t3很小，一般為0.1～0.2 s，其二次方可以忽略，所以將(5)式簡(jiǎn)化為

(4)

圖4　前后2車行車安全距離示意圖

根據(jù)圖4很直觀得到前后車的行車安全距離的計(jì)算公式為

式中：S0為制動(dòng)停車后前車車尾距后車車頭間的安全距離，一般為2～5 m，本文取4 m；V0=80 km/h；t1為駕駛員的反應(yīng)時(shí)間；t2一般取0.2～0.4 s，本文取0.3 s；a1表示前車制動(dòng)加速度，a2表示后車制動(dòng)加速度，良好路面情況下一般取值6～8 m/s2，本文取a2=6 m/s2，a1=8 m/s2.計(jì)算結(jié)果見表8.

由表8可知，在實(shí)驗(yàn)二(高頻12 Hz和低頻0.2 Hz組合視覺信息)條件下，駕駛員的反應(yīng)時(shí)間t1最短，計(jì)算得出的行車安全距離為67.39 m.現(xiàn)有行車安全公式計(jì)算得出的車速為80 km/h時(shí)的安全距離為90 m左右，本文與其相比，在多頻率組合頻率下行車安全距離縮短25%，在相同的道路條件下更能保障行車安全.

表8　不同實(shí)驗(yàn)條件下的行車安全距離

注：S由式(5)計(jì)算得出.

4結(jié)論

1) 通過(guò)設(shè)置高低頻視覺組合信息，使速度高估程度降低為8%左右，有效降低駕駛員對(duì)車速的錯(cuò)覺，使駕駛員對(duì)速度變化的感知更加敏感.

2) 通過(guò)設(shè)置高低頻視覺組合信息，能有效地縮短駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而縮短行車安全距離，既有效地預(yù)防隧道內(nèi)車輛追尾碰撞事故，又不會(huì)影響道路的通行能力.

3) 低頻和高頻視覺組合信息可以緩和高頻視覺信息條件下的顯著速度高估和低頻視覺信息下的速度低估，其中低頻0.2 Hz與高頻12 Hz視覺組合信息高估程度較合理.

4) 隧道內(nèi)設(shè)置多頻率組合信息可以有效減小行車安全距離，在限速80 km/h車速下，行車安全距離最小為67 m，提升行車安全.

參 考 文 獻(xiàn)

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Study on the Optimization of Optical Illusion

Deceleration Markings in the Highway Tunnel

SHI Xiaohua1)DU Zhigang1,2)ZHENG Zhanji1)WU Chaozhong2)

(TransportationSchool,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)

(IntelligentTransportSystems，WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)2)

Abstract：By setting up illusion combination marking in high frequency (8～12HZ) and low frequency ( 0.2～4 Hz) in the tunnel side wall, to reconstruct the driver's visual reference system, it effectively improve the deceleration effect in the highway tunnel, and through using 3ds max software design driving video, completed the psychophysical experiments of speed perception about a single frequency and a series of combination of high and low frequency of visual information by E-prime 2.0 software. Conclusion: Multi frequency combined information makes speed perception overestimate of drivers, and the driver’s speed overestimation degree is 8.21% when High frequency and low frequency information are 12 HZ and 0.2 HZ respectively, which is in the reasonable scope, at the same time the driver’s shortest reaction time is 2.08s. On this basis, by the safety distance model, in the highway tunnel the safe distance is at least 67m, it decreases 25.6% compared with the traditional safety distance 90m, It is better to driving safety.

Key words：traffic safety; highway tunnel in central; visual information; reaction time; safety distance

收稿日期：2015-12-07

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.036

中圖法分類號(hào)：U491.5