基于視錯覺的隧道入口減速景觀設(shè)計

陳柳曉,劉唐志,段萌萌

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400074； 2. 重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

隧道數(shù)量逐年遞增，隨之而來的便是隧道交通事故。與地面公路相比，隧道公路存在許多特殊之處：① 隧道環(huán)境相對復(fù)雜，光線變化較為頻繁，容易造成駕駛員行駛負(fù)擔(dān)；② 大多數(shù)隧道設(shè)置于山區(qū)自然環(huán)境中，不利天氣狀況較多，隧道內(nèi)外環(huán)境差異懸殊；③ 隧道內(nèi)空間狹小，一旦發(fā)生交通事故或火災(zāi)，不利于緊急救援和疏通；④ 光照不足，隧道內(nèi)外敏感度變化大，特別是晚上駕駛員由隧道內(nèi)駛出時不能馬上適應(yīng)黑暗環(huán)境。⑤ 隧道出入口交通事故發(fā)生的概率是普通公路的2倍，且多由超速行駛引發(fā)[1]。因此，隧道環(huán)境內(nèi)一旦發(fā)生交通事故，其后果往往更為嚴(yán)重。

為探索降低隧道事故發(fā)生率方法，基于路域空間和色彩視錯覺理論，探究了立體空間形式不同顏色減速景觀的減速效果。在隧道入口一定距離內(nèi)設(shè)計3種色彩不同的(綠、黃、紅)景觀植物，將仿真模擬和實車試驗兩種實驗方式相結(jié)合，評選出減速效果最佳的方案作為設(shè)計結(jié)果，可為隧道環(huán)境的行車安全提供更多參考方案。

1 視錯覺

由于經(jīng)驗的主觀引導(dǎo)或者參照系的不當(dāng)選取，人們在觀察物體時會出現(xiàn)判斷錯誤的情況，這種錯覺和感知稱為視錯覺[2]。視錯覺特性不易消退，直接誘導(dǎo)人們行為，即使引起注意也難以避免。當(dāng)駕駛者眼睛觀察物體外觀形態(tài)的同時，腦子也在對其做出判別，當(dāng)眼睛還沒觀察清楚，腦子已經(jīng)做出反應(yīng)，而這種反應(yīng)往往會產(chǎn)生錯誤。視錯覺產(chǎn)生的主要原因有：①來自觀察對象刺激的物理性錯視；②來自感官器官上的生理性錯視；③來自知覺中樞上的心理錯視[3]。所以若能通過改變道路周邊環(huán)境和優(yōu)化道路線型，減少駕駛者失誤，將大大減少交通事故發(fā)生。

路域空間視錯覺即是將平面減速標(biāo)線以立體形式展現(xiàn)[4]。其原理類似于平面減速標(biāo)線，利用視錯覺使駕駛員視覺及心理上的反應(yīng)，以采取減速措施保證行車安全[5,6]。通過在道路兩旁設(shè)置間隔變化的樹木，不斷縮進(jìn)兩相鄰樹木間距，使得駕駛者雖以等速行駛，但由于樹木閃爍頻率逐漸加快，造成一種加速的錯覺，這時駕駛者為了應(yīng)對這種“加速”而會采取相應(yīng)的減速措施[7]。路域空間體現(xiàn)了道路環(huán)境中豎向空間形式，給駕駛者以更為明確的立體感[8]。

色彩視錯覺本質(zhì)是通過色彩視覺特性所產(chǎn)生的錯覺。人們在觀察物體最初，80%的注意力是在物體色彩上[9]。人眼通過對不同顏色的感知，產(chǎn)生對應(yīng)的生理反應(yīng)和心理反應(yīng)[10]。色彩在道路安全中的應(yīng)用具有重要意義，不同顏色的道路景觀會產(chǎn)生不同的視覺效果。隧道環(huán)境前后多采用綠色景觀，容易造成因單一色彩導(dǎo)致地駕駛者視覺疲勞。充分利用色彩視覺特性，對安全駕駛有一定的積極作用。擬采用在隧道入口前一定范圍內(nèi)種植顏色更為鮮明的植物，與周圍環(huán)境形成對比，刺激駕駛者的神經(jīng)系統(tǒng)以提高視覺認(rèn)知效果。

2 仿真模擬實驗

2.1 UC-win/Road和Tobii Studio眼動儀軟件

UC-win/Road是一款三維仿真軟件。以簡單的PC操作，實現(xiàn)三維虛擬仿真，并能在運(yùn)動的三維空間中完成實時操作，并可以通過不同角度觀察仿真場景。該軟件廣泛應(yīng)用于道路規(guī)劃設(shè)計、民間開放項目和各項公共事業(yè)中。

將在UC-win/Road軟件中建立的仿真場景導(dǎo)入Tobii Studio眼動儀軟件。采集10名被試者的眼動數(shù)據(jù)，獲得不同場景下的注視熱點(diǎn)圖。熱點(diǎn)圖通過顏色深淺反應(yīng)被試對某一區(qū)域的關(guān)注程度。紅色為視覺停留時間最多處，黃色次之，綠色最少，中間由其他顏色過度。

2.2 實驗?zāi)康?/h3>

利用仿真實驗，通過熱點(diǎn)圖中駕駛者感興趣區(qū)域大小及顏色深淺，對比3種不同顏色減速景觀方案對駕駛員注意力的影響程度；并通過調(diào)查問卷方式定性評價3種方案的視覺效果和行駛舒適性。

2.3 實驗設(shè)計

通過UC-win/Road軟件建立起3種不同的道路場景。①方案1：從隧道前100 m的道路兩旁以10 m×4+7 m×5+5 m×5的間距向隧道方向延伸種植綠色植株，作為對照組；②方案2：從隧道前100 m的道路兩旁以10 m×4+7 m×5+5 m×5的間距向隧道方向延伸種植黃色植株；③方案3：從隧道前100 m的道路兩旁以10 m×4+7 m×5+5 m×5的間距向隧道方向延伸種植紅色植株。

2.4 仿真場景設(shè)計

通過UC-win/Road軟件對一隧道入口處進(jìn)行仿真模擬，建立起3種不同景觀場景。隧道入口兩側(cè)種植高5 m、寬0.5 m的植株，各方案的植株由距隧道入口100 m處以10 m×4+7 m×5+5 m×5的間距向洞口方向延伸；被試車輛速度設(shè)為60 km/h；駕駛者視點(diǎn)高度為1.2 m。仿真場景如圖1。

2.5 實驗步驟

選取10名被試者進(jìn)行仿真模擬試驗，利用眼動儀采集所得數(shù)據(jù)。通過感覺評定法，分別對3種不同減速場景進(jìn)行評價，在被試完成所有試驗后，通過調(diào)查問卷形式記錄其駕駛感受。問卷采用分值評定駕駛舒適性：-5分表示駕駛感受最不舒適；5分表示駕駛感受最為舒適。最后對問卷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2.6 實驗結(jié)果

實驗所得的3種方案的熱點(diǎn)如圖2。

圖2 3種方案熱點(diǎn)

由3種方案的熱點(diǎn)圖及眼動數(shù)據(jù)可知：綠色基本上不會引起駕駛員的注意力，63%的被試者注意力集中在行駛方向的隧道洞口處，僅5%的被試者注意力集中在綠色景觀處；黃色相較于其他兩種顏色更易引起被試者的部分注意力，41%的被試者注意力集中在行駛方向隧道洞口處，37%的被試者注意力集中在黃色景觀處；紅色最能吸引被試者的注意力，52%的被試者注意力集中在隧道洞口前紅色景觀處。如若要使植株間距變化的減速效果得到充分發(fā)揮，采用黃色和紅色作為減速景觀效果更佳。

為進(jìn)一步評價3種減速方案駕駛舒適性，對10名被試者進(jìn)行調(diào)查問卷。10名被試者調(diào)查問卷經(jīng)評選證明全部有效。3組試驗方案調(diào)查結(jié)果如表1。

由表1可看出：3種減速景觀組合方案總得分中，方案1得分為1分，說明綠色景觀的視覺效果不顯著，推測為駕駛環(huán)境中本身存在過多綠色，從而使被試者產(chǎn)生視覺疲勞，對綠色減速景觀關(guān)注度不大，這將導(dǎo)致駕駛行為受減速景觀影響程度小，被試者不會立刻對減速景觀產(chǎn)生速度錯覺。方案3所得為負(fù)分，是3種方案中分?jǐn)?shù)最低者，被試者表示紅色景觀視覺效果過于強(qiáng)烈，在行駛過程中產(chǎn)生視覺和心理上的不適，行駛舒適性差。方案2行駛舒適性良好，黃色減速景觀對被試者視覺刺激較弱，且能引起被試者的部分注意力，從而起到警示作用，被試者表示行駛過程中心理感受較舒適，且有不自覺地減速行為。

表1 結(jié)果統(tǒng)計

3 實車試驗

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

通過實車試驗?zāi)M3種不同顏色的減速方案，通過被試者速度變化情況定量分析3種不同顏色減速景觀的減速效果。

3.2 實驗設(shè)計

為實現(xiàn)在理想車流環(huán)境下駕駛，同時避免其他因素影響，筆者選擇在試驗場道路進(jìn)行試驗。選取試驗場道路路段長160 m，第30～130 m位置為試驗段。在試驗段位置設(shè)立直徑為25 cm不同顏色(綠、黃、紅)圓柱代替景觀植株，方案1為綠色圓柱，方案2為黃色圓柱，方案3為紅色圓柱，圓柱排列方式以10 m×4+7 m×5+5 m×5的間距向行駛方向延伸，如圖3。被試車輛初始速度為60 km/h。隨機(jī)選取6名被試者進(jìn)行實驗，駕駛者情況如表2。

圖3 實車試驗設(shè)計Fig.3 Design of real vehicle experiment

編號性別年齡/歲職業(yè)駕齡/年1男31出租車司機(jī)112女28教師53男34教師74男40出租車司機(jī)175男39貨車司機(jī)116女28白領(lǐng)5

3.3 數(shù)據(jù)采集

利用測速儀采集行駛速度。定義x=0～160 m，其中，30～130 m位置為試驗段。試驗車輛駛?cè)朐囼灦吻?0 m處開始采集數(shù)據(jù)，直至駛出試驗段后30 m處，總長計160 m。測速儀記錄從起點(diǎn)開始每10 m間距的行駛速度。根據(jù)駕駛者視覺特性，在進(jìn)入試驗段前，試驗場景會對被試者產(chǎn)生一定的視覺影響，因此從20 m處開始注意被試者的駕駛行為。

3.4 數(shù)據(jù)分析

3.4.1 方案1數(shù)據(jù)分析

方案1中6名被試者的駕駛速度與位置關(guān)系如圖4。

由圖4可見：方案1中綠色的場景能起到一定的減速效果， 6名被試者在進(jìn)入試驗路段后行駛速度都顯著降低，平均速度下降率為31%；當(dāng)駛出試驗段后，行駛速度有所回升，增長率為16.1%；行駛最低速度發(fā)生于100～120 m處。證明了逐漸縮小景觀間距對駕駛行為有一定的減速效果。

圖4 方案1速度與位置實驗結(jié)果Fig.4 Experimental results of speed and position of plan 1

3.4.2 方案2數(shù)據(jù)分析

方案2中6名被試者的駕駛速度與位置關(guān)系如圖5。

由圖5可見：方案2中黃色的場景起到一定的減速效果，6名被試者在進(jìn)入試驗路段后行駛速度都顯著降低，平均速度下降率為34.6%；當(dāng)駛出試驗段后行駛速度呈相對穩(wěn)定，回升趨勢不明顯，增長率僅為2.1%；最低速度發(fā)生于140～160 m處。該段減速場景色彩視覺效果較為舒適，被試者行車時心情較為放松，減速自然，駛出試驗段后主動維持當(dāng)時的行駛狀態(tài)，說明方案2的減速場景在起到促進(jìn)減速的同時還具有良好的控速能力及行車舒適性。

圖5 方案2速度與位置實驗結(jié)果Fig. 5 Experimental results of speed and position of plan 2

3.4.3 方案3數(shù)據(jù)分析

方案3中6名被試者的駕駛速度與位置關(guān)系如圖6。

由圖6可見：方案3中紅色的場景起到一定的減速效果，6名被試者的減速程度不統(tǒng)一，當(dāng)駛出試驗段后行駛速度回升明顯，增長率為21.7%；最低速度發(fā)生于100～110 m處。該方案顏色視覺效果過于刺激，因此造成駕駛員心理緊張，雖減速效果明顯，但減速到一定值后駕駛員重新加速，希望盡快駛出試驗段，這對于隧道入口環(huán)境極為不利。

圖6 方案3速度與位置實驗結(jié)果Fig. 6 Experimental results of speed and position of plan 3

4 結(jié) 語

研究表明：基于路域空間視錯覺原理，在近隧道口一段距離內(nèi)種植間隔逐漸減小的植物景觀具有一定的減速功效。3種不同顏色的植物景觀對駕駛者造成的心理、生理反應(yīng)有所不同：綠色與周圍環(huán)境相融合，駕駛者長期行駛在單一環(huán)境中容易造成神經(jīng)疲勞，不利于安全駕駛；紅色景觀與周圍環(huán)境色彩對比度強(qiáng)、視覺沖擊大，雖然警示效果比較強(qiáng)，但會給駕駛者造成心理負(fù)擔(dān)，同樣不利于安全駕駛；黃色植株的警示和減速效果都相對較好，并能滿足駕駛者心理上的行車舒適性。

但本實驗存在的問題及需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容是：① 仿真實驗采用的植株顏色有一定的失真性；② 實驗設(shè)定的縮進(jìn)間距需進(jìn)一步參照路面減速標(biāo)線設(shè)計原理來設(shè)置；③ 除色彩景觀植物外，還可利用太陽能燈以提高夜間隧道出口的照明度。

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