長(zhǎng)平直線路段邊緣率標(biāo)線視覺(jué)節(jié)奏感對(duì)減速效果的影響

張子培，朱順應(yīng)，王　紅

(1.武漢市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北　武漢　430017；2.武漢理工大學(xué)　交通學(xué)院，湖北　武漢　430063)

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長(zhǎng)平直線路段邊緣率標(biāo)線視覺(jué)節(jié)奏感對(duì)減速效果的影響

張子培1，朱順應(yīng)2，王紅2

(1.武漢市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北武漢430017；2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢430063)

摘要：為研究邊緣率標(biāo)線在高速公路長(zhǎng)平直線路段的減速效果，采用基于駕駛員視覺(jué)節(jié)奏感形成理論，設(shè)計(jì)了3組試驗(yàn)方案，并開(kāi)展了路上試驗(yàn)研究。以標(biāo)線間隔單元行車時(shí)間為變量，取值分別為4, 6, 8 s。結(jié)果表明: 3組實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)線間隔單元行車時(shí)間為4 s(方案1)時(shí)平均車速、85%位車速和標(biāo)準(zhǔn)差的降低幅度最大，依次為9.84, 12.53, 1.61 km/h; 間隔單元行車時(shí)間與短時(shí)記憶時(shí)間相近時(shí)，駕駛員在試驗(yàn)路段行車過(guò)程中的減速行為連續(xù)，減速效果穩(wěn)定; 時(shí)間頻率對(duì)駕駛員減速行為中的加速度存在顯著影響。

關(guān)鍵詞：交通工程；長(zhǎng)平直線路段；試驗(yàn)研究；邊緣率；視覺(jué)節(jié)奏感；減速；駕駛員

0引言

我國(guó)高速公路交通事故中超速行駛引發(fā)的事故占比居高不下[1]。肖潤(rùn)謀[2]研究發(fā)現(xiàn)，駕駛員在高速公路長(zhǎng)平直線路段上行駛過(guò)程中心率降低，從而導(dǎo)致注意力不集中、速度感知力下降。T. Oron-Gilad[3]通過(guò)模擬試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，駕駛員在長(zhǎng)平直線路段的心率變異易導(dǎo)致放松警惕，駕駛行為表現(xiàn)為加速，進(jìn)而超速。

邊緣率速度感知理論[4-5]表明，如果物體的紋理元素間距已知，邊緣率就能告訴觀察者速度，當(dāng)邊緣率(紋理變細(xì))增大時(shí)，觀察者就會(huì)感覺(jué)到速度更高。M. Lenoir[6]通過(guò)模擬試驗(yàn)證實(shí)了視覺(jué)紋理能引起觀察者對(duì)運(yùn)動(dòng)真實(shí)速度的高估。H. A. Rakha等[7]在紐約690號(hào)州際公路上設(shè)計(jì)并鋪設(shè)了等間距的與行車方向垂直的路面標(biāo)線，發(fā)現(xiàn)平均速度下降6 km/h，85%位車速下降8 km/h，其試驗(yàn)路段長(zhǎng)度為600 m。朱順應(yīng)等[8]提出了基于駕駛員視知覺(jué)的直線路段路面邊緣率標(biāo)線設(shè)計(jì)模型，其模型中邊緣率標(biāo)線計(jì)算鋪設(shè)長(zhǎng)度為[267,300] m。

我國(guó)現(xiàn)行的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2003)[9]對(duì)高速公路直線路段的最大長(zhǎng)度沒(méi)有作具體數(shù)值規(guī)定，實(shí)際道路設(shè)計(jì)中存在較多的長(zhǎng)平直線路段。文獻(xiàn)[7-8]中的試驗(yàn)研究和設(shè)計(jì)模型中的邊緣率標(biāo)線減速路段均較短，難以判明長(zhǎng)平直線路段上鋪設(shè)較長(zhǎng)邊緣率標(biāo)線的減速效果。若在長(zhǎng)平直線路段全線鋪設(shè)路面邊緣率標(biāo)線，可能會(huì)出現(xiàn)車速的適應(yīng)性現(xiàn)象，進(jìn)而影響路面邊緣率標(biāo)線的控速效果。

研究發(fā)現(xiàn), 如果駕駛員周圍的視覺(jué)對(duì)象存在一定的空間連續(xù)性，即駕駛員周圍的視覺(jué)對(duì)象存在視覺(jué)單元化組合，那么駕駛員對(duì)這些視覺(jué)對(duì)象進(jìn)行觀察時(shí)就能形成較為強(qiáng)烈的視覺(jué)節(jié)奏感[10]。韋伯-費(fèi)希納定律表明,不同的視覺(jué)刺激量必須達(dá)到一定的變化幅度才能引起差別感覺(jué)[11]。若依據(jù)視覺(jué)節(jié)奏感和韋伯-費(fèi)希納定律對(duì)長(zhǎng)平直線路段的路面邊緣率標(biāo)線進(jìn)行視覺(jué)單元化組合研究，從而保證駕駛員的減速行為在長(zhǎng)平直線路段持續(xù)存在，將是解決高速公路長(zhǎng)平直線路段全段速度控制的有效措施。

此外，文獻(xiàn)[7-8]的研究以鋪設(shè)邊緣率標(biāo)線前、后的速度平均值分析減速效果，而道路上運(yùn)行的車輛間速度存在差異，相同的邊緣率周期的標(biāo)線其時(shí)間頻率不同。

鑒于此，本文擬通過(guò)路上試驗(yàn)，從駕駛員視覺(jué)節(jié)奏感來(lái)研究其對(duì)駕駛員速度行為的影響，從時(shí)間頻率的角度分析邊緣率與減速行為的關(guān)系。

1駕駛員視覺(jué)節(jié)奏感的實(shí)現(xiàn)

路面邊緣率標(biāo)線的視覺(jué)節(jié)奏感形成反映了駕駛員對(duì)于單元化組合后的邊緣率標(biāo)線視覺(jué)刺激形成的一種心理感知量。邊緣率標(biāo)線單元的空白間隔單元能降低駕駛員對(duì)邊緣率標(biāo)線感知的短期記憶，減弱邊緣率刺激。根據(jù)韋伯-費(fèi)希納定律，通過(guò)逐漸增多各段標(biāo)線的邊緣率且超過(guò)一定閾值，能強(qiáng)化駕駛員對(duì)邊緣率變化的感知，從而增強(qiáng)視覺(jué)節(jié)奏感。

韋伯-費(fèi)希納定律表明，不同的刺激量必須達(dá)到一定的變化幅度，才能引起差別感覺(jué)，這一比例通常簡(jiǎn)化為一個(gè)常數(shù)，如式(1)[11]所示：

(1)

式中，Δr為路面邊緣率標(biāo)線單元刺激差別量；r為路面邊緣率標(biāo)線刺激量；K′為常數(shù)。

(2)

式中r1,r2,r3分別為路面邊緣率標(biāo)線單元的視覺(jué)刺激量。

短時(shí)記憶中信息保持的時(shí)間一般在0.5～18 s，并且在4～6 s之后正確記憶百分比下降到30%以下[12]。所以，視覺(jué)節(jié)奏感路上試驗(yàn)比選研究分別選取駕駛員行車過(guò)程中的4，6，8 s行程時(shí)間作為間隔單元的時(shí)長(zhǎng)。

2路上試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)方案

試驗(yàn)路段位于杭瑞高速公路湖北段(黃沙鋪至通山方向)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，雙向四車道，車道寬度為3.75 m。試驗(yàn)中，路面邊緣率標(biāo)線布設(shè)在行車道兩側(cè)，布設(shè)時(shí)選用黃色背膠式反光標(biāo)線，其光學(xué)特性與我國(guó)高速公路常用標(biāo)線相同。選取邊緣率值ER=12 Hz，根據(jù)試驗(yàn)路段設(shè)計(jì)車速計(jì)算得出周期長(zhǎng)度λ=2 m[8]。為了消除單個(gè)邊緣率標(biāo)線顏色對(duì)車速可能存在的影響，各個(gè)分組試驗(yàn)均選用相同的黃顏色。

路面邊緣率標(biāo)線單元長(zhǎng)度根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算得出，式(1)中的K′取值為0.1(>0.07)[8]，式(2)中的r1，r2，r3計(jì)算長(zhǎng)度和鋪設(shè)方式采用文獻(xiàn)[8]提供的直線路段路面邊緣率標(biāo)線設(shè)計(jì)模型，視覺(jué)節(jié)奏感間隔單元長(zhǎng)度d按照行程時(shí)間t和試驗(yàn)路段設(shè)計(jì)車速計(jì)算得出。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　三組試驗(yàn)的各項(xiàng)參數(shù)

2.2數(shù)據(jù)采集

采用便攜式交通流分析儀(NC-200)對(duì)標(biāo)線布設(shè)車道上車輛的車型(依據(jù)車長(zhǎng)進(jìn)行分類)、斷面車速和車頭時(shí)距進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。便攜式交通流分析儀的布設(shè)見(jiàn)圖1，共7個(gè)斷面。斷面1～6的觀測(cè)數(shù)據(jù)用于非自由流車輛的剔除，其中斷面2～6的觀測(cè)數(shù)據(jù)還用于分析車輛進(jìn)入標(biāo)線鋪設(shè)路段所對(duì)應(yīng)的平均時(shí)間頻率；斷面7用于評(píng)價(jià)車速的總體降低效果。觀測(cè)過(guò)程中采用攝像機(jī)對(duì)車輛運(yùn)行情況進(jìn)行錄制以提高數(shù)據(jù)有效性，錄制時(shí)間與便攜式交通流分析儀系統(tǒng)的工作時(shí)間保持一致。此外，采用人工雷達(dá)槍抽樣記錄的方法對(duì)車速數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，若出現(xiàn)顯著差異則重新觀測(cè)。

圖1　便攜式交通流分析儀布設(shè)(單位：m)Fig.1　Layout of portable traffic flow analyzers(unit: m)

2.3數(shù)據(jù)處理

(1)試驗(yàn)路段非自由流數(shù)據(jù)的剔除

車輛在非自由流狀態(tài)下的車速除受邊緣率標(biāo)線影響之外，還受前車的影響，因此在保證數(shù)據(jù)的正確性后，將非自由流的車輛剔除。依據(jù)各觀測(cè)斷面采集的車速計(jì)算車輛的停車時(shí)距，假定車速短時(shí)不發(fā)生變化，進(jìn)而計(jì)算車輛采取舒適減速度(此處取值2.5 m/s2)[13]時(shí)各斷面試驗(yàn)前85%位運(yùn)行車速的停車時(shí)距。然后與NC-200采集的車頭時(shí)距數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若停車時(shí)距大于車頭時(shí)距，則判定其為非自由流車輛，7個(gè)觀測(cè)斷面中任意斷面出現(xiàn)非自由流運(yùn)行狀態(tài)的車輛均予以剔除。

(2)試驗(yàn)路段換道車輛的剔除

車輛在運(yùn)行過(guò)程中可能產(chǎn)生換道行為，此時(shí)不同斷面上NC-200采集的車速數(shù)據(jù)將會(huì)出現(xiàn)不對(duì)應(yīng)的情況，因此在數(shù)據(jù)采集完成后采用人工判讀的方法結(jié)合影像剔除變道車輛，進(jìn)而保證各觀測(cè)斷面的車速針對(duì)同一車輛。

3試驗(yàn)結(jié)果

3.1視覺(jué)節(jié)奏感對(duì)車速的影響

邊緣率標(biāo)線的整體降速效果評(píng)價(jià)選用觀測(cè)斷面6的速度數(shù)據(jù)。剔除非自由流車輛和換道車輛后，每組布設(shè)方案隨機(jī)選擇654個(gè)數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。

邊緣率標(biāo)線3組試驗(yàn)方案的平均車速、85%位車速和標(biāo)準(zhǔn)差的影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2　三組試驗(yàn)中各項(xiàng)速度指標(biāo)對(duì)比Fig.2　Comparison of speeds in 3 experiments

3組試驗(yàn)方案中，試驗(yàn)路段的平均車速、85%位車速和標(biāo)準(zhǔn)差均比鋪設(shè)邊緣率標(biāo)線前顯著降低，見(jiàn)表2。

表2　三組試驗(yàn)車速指標(biāo)變化(單位：km/h)

對(duì)鋪設(shè)邊緣率標(biāo)線前后3個(gè)速度指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，均得到P<0.05(P為單因素方差顯著性檢驗(yàn)分析方法中反映檢驗(yàn)顯著水平的值，一般以P<0.05 為顯著)，說(shuō)明邊緣率標(biāo)線鋪設(shè)方案的視覺(jué)節(jié)奏感對(duì)3個(gè)速度指標(biāo)均有顯著影響。

3.2時(shí)間頻率對(duì)加速度的影響

由于車速是動(dòng)態(tài)變化的，為便于分析，選取單個(gè)車輛在斷面2、斷面4、斷面6運(yùn)行時(shí)的時(shí)間頻率和加速度進(jìn)行分析，其計(jì)算公式見(jiàn)式(1)和式(2)。

(1)

(2)

3組試驗(yàn)方案的時(shí)間頻率對(duì)應(yīng)的單車加速度算術(shù)平均值如圖3所示。

圖3　時(shí)間頻率值對(duì)應(yīng)的單車加速度Fig.3　Temporal frequency vs. acceleration

從圖3可以看出：

3組試驗(yàn)方案中，時(shí)間頻率值主要分布在8～18 Hz。隨著時(shí)間頻率值的增大, 車輛的減速度值逐漸增大。采用單因素方差分析，得到P<0.05，時(shí)間頻率顯著影響加速度。

隨著時(shí)間頻率值的增大，3組試驗(yàn)方案中駕駛員行車過(guò)程中的減速度值均逐漸增大，即駕駛員的減速行為逐漸增強(qiáng)。

斷面2處，3組試驗(yàn)方案中駕駛員行車過(guò)程中的減速度值無(wú)顯著差異(P<0.05)；斷面4處，方案1和方案2中駕駛員行車過(guò)程中的減速度值無(wú)顯著差異(P<0.05)，方案3比方案1、方案2駕駛員行車過(guò)程中的減速度值顯著降低(P<0.05)；斷面6處，3組試驗(yàn)方案中駕駛員行車過(guò)程中的減速度值均存在顯著差異(P<0.05)，減速度值由大到小依次為方案1、方案2、方案3。

3.3視覺(jué)節(jié)奏感對(duì)斷面速度的影響

視覺(jué)節(jié)奏感對(duì)斷面速度的影響選用各個(gè)斷面平均速度值作為對(duì)比依據(jù)。3組試驗(yàn)方案平均速度值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4　三組試驗(yàn)中7個(gè)斷面平均速度Fig.4　Average speeds at 7 sections in 3 experiments

采用單因素方差分析方法對(duì)3組試驗(yàn)方案中各個(gè)斷面的平均速度值進(jìn)行計(jì)算，均得到P<0.05，說(shuō)明3組試驗(yàn)方案中各個(gè)斷面的平均速度值均存在顯著差異。

4討論與分析

路面邊緣率標(biāo)線3組試驗(yàn)方案中，駕駛員在各個(gè)斷面之間均保持減速行為和減速效果。這可能是由于路面邊緣率標(biāo)線單元之間的間隔單元暫時(shí)打破了駕駛員視覺(jué)適應(yīng)性的產(chǎn)生。

方案1中，駕駛員沒(méi)有受到邊緣率標(biāo)線間隔單元的影響。由于駕駛員對(duì)路面邊緣率標(biāo)線單元速度信息的短時(shí)記憶保持時(shí)間t0[12]與方案1中間隔單元的行程時(shí)間t1相近，一方面使得駕駛員仍保持了邊緣率標(biāo)線單元的減速行為，進(jìn)而導(dǎo)致斷面3, 5, 7的速度降低值相對(duì)于斷面2, 4, 6并沒(méi)有產(chǎn)生大幅降低，即駕駛員在方案1中保持了連續(xù)的減速行為(見(jiàn)圖3)和穩(wěn)定的減速效果(見(jiàn)圖4)；另一方面，駕駛員在正確記憶大幅下降之前又再次受到路面邊緣率標(biāo)線的視覺(jué)刺激，導(dǎo)致駕駛員在斷面2, 4, 6的速度降低值并沒(méi)有顯著差異(P<0.05)。方案1使得駕駛員在長(zhǎng)平直線路段行車過(guò)程中保持了減速行為的連續(xù)性和減速效果的穩(wěn)定性，由路面邊緣率標(biāo)線單元和間隔單元的組合形成了行車過(guò)程中的視覺(jué)節(jié)奏感。

方案2與方案3中，駕駛員同樣沒(méi)有受到邊緣率標(biāo)線間隔單元的影響。由于駕駛員對(duì)路面邊緣率標(biāo)線單元速度信息的短時(shí)記憶保持時(shí)間t0小于方案2和方案3中間隔單元的行程時(shí)間t2，t3，使得駕駛員對(duì)速度信息的短時(shí)記憶在再次受到邊緣率標(biāo)線單元視覺(jué)刺激前大幅降低，導(dǎo)致駕駛員速度感知降低，減速行為減弱(方案2，圖4)或在間隔單元后半段轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀傩袨?方案3，圖4)，減速效果降低(方案2，圖3斷面4，6)或在間隔單元后半段轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀傩Ч?方案3，圖3斷面4，6)。

5結(jié)論

通過(guò)路上試驗(yàn)，從駕駛員視覺(jué)節(jié)奏感入手，研究了高速公路長(zhǎng)平直線路段減速效果增強(qiáng)的方法，從時(shí)間頻率的角度解析了邊緣率與減速行為之間的關(guān)系。

(1)具有視覺(jué)節(jié)奏感的路面邊緣率標(biāo)線，間隔單元行程時(shí)間為4 s(方案1)時(shí)平均車速、85%位車速和標(biāo)準(zhǔn)差的降低幅度最大，依次為9.8，12.53，1.61 km/h。

(2)間隔單元行車時(shí)間與短時(shí)記憶時(shí)間相近時(shí)，駕駛員在試驗(yàn)路段行車過(guò)程中的減速行為連續(xù)，減速效果穩(wěn)定。

(3)時(shí)間頻率對(duì)加速度存在顯著影響。時(shí)間頻率為8～18 Hz時(shí)，時(shí)間頻率越大，減速效果越大。

邊緣率標(biāo)線間隔和邊緣率數(shù)量按韋伯-費(fèi)希納定律遞增對(duì)減速效果的獨(dú)立影響、兩因素混合后的最佳影響、如何利用空白間隔減少持續(xù)制動(dòng)降低貨車制動(dòng)鼓溫度等問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究。

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Effect of Visual Rhythm Sense of Edge Rate Markings of Long-even-straight Section on Speed Reduction

ZHANG Zi-pei1, ZHU Shun-ying2, WANG Hong2

(1. Wuhan Transportation Planning & Design Co., Ltd., Wuhan Hubei 430017，China;2. School of Transportation，Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430063，China)

Abstract：For the purpose of researching the effect of edge rate markings of long-even-straight section of expressway on speed reduction, 3 experiments are designed based on the formation theory of driver’s visual rhythm sense, and the road experiments are carried out. The marked interval unit travel time is treated as a variable, whose values are 4, 6, 8 s. The result shows that (1) in the 3 experiments, the average speed, the 85% speed and the reduce amplitude of speed standard deviation are 9.84, 12.5, 1.61 km/h respectively when the interval-unit travel time is 4 s (scheme 1); (2) the speed reduction behavior is consecutive and the effect of speed reduction is stable when the interval unit travel time coincides with the time of short-term memory. (3) the acceleration in driver’s reduction behavior is significantly affected by temporal frequency

Key words：traffic engineering; long-even-straight road section; experimental research; edge rate; visual rhythm sense; velocity reduction; driver

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)03-0127-05

中圖分類號(hào)：U491.5+23

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.03.021

作者簡(jiǎn)介：張子培(1988 -)，男，河南濮陽(yáng)人，碩士. (122326261@qq.com)

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50778142，51078299)；交通運(yùn)輸部聯(lián)合科技聯(lián)合攻關(guān)項(xiàng)目(2010353342240)

收稿日期：2015-05-14