五路環(huán)形交叉口導(dǎo)向系統(tǒng)改善方法研究*

陳 鑫 杜志剛 王首碩 余昕宇

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

五路環(huán)形交叉口通常是為了減少車輛行駛沖突而不得不設(shè)置的一種復(fù)雜環(huán)形交叉口，它在一定程度上能提高路口通行效率和通行安全.但作為一種復(fù)雜的不對稱型多路交叉口，往往存在交通指示信息不足或過載、不連續(xù)、判斷度不高和不易被發(fā)現(xiàn)等問題，不利于駕駛員對導(dǎo)向信息的正確理解；同時，道路交通環(huán)境單一，色彩單調(diào)，缺乏鮮明的參照系，容易導(dǎo)致駕駛員的視覺疲勞.在環(huán)形交叉口中，車輛的繞環(huán)旋轉(zhuǎn)引起周圍景觀及指路標(biāo)志隨之旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致駕駛員產(chǎn)生心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，而上述的問題又加重這種效應(yīng)，嚴(yán)重影響駕駛員的心理緊張程度和駕駛行為，從而影響交叉口的通行能力.

Hu[1]通過建立參數(shù)回歸模型來反映標(biāo)志不同顏色的逆反射系數(shù)與標(biāo)志設(shè)置位置的關(guān)系；Fitzpatrick等[2]運(yùn)用桌面模擬對高速復(fù)雜立交出入口多級預(yù)告指路標(biāo)志設(shè)置效果進(jìn)行對比研究，以為MUTCD的修訂提供科學(xué)依據(jù)；王強(qiáng)[3]根據(jù)駕駛員視認(rèn)原理，研究分析彩色標(biāo)志標(biāo)線對駕駛員的影響；唐健娟等[4]通過室內(nèi)仿真實驗對標(biāo)志信息量與認(rèn)知時間的關(guān)系進(jìn)行研究，從而確定了環(huán)形交叉口標(biāo)志的極限信息量；孫德強(qiáng)等[5]提出多顏色組合式指路標(biāo)志，并通過仿真試驗驗證；呂丹[6]主要研究了標(biāo)志信息量閾值，推導(dǎo)出關(guān)于標(biāo)志設(shè)置位置和文字高度等參數(shù)的模型.

上述國內(nèi)外環(huán)形交叉口路面標(biāo)志信息的研究主要集中在環(huán)形交叉口標(biāo)志信息量、標(biāo)志設(shè)置位置和標(biāo)志版面設(shè)計等，沒有將環(huán)形交叉口的信息誘導(dǎo)看作一個系統(tǒng)，也沒有探究環(huán)形交叉口存在視覺干擾過多、導(dǎo)向參照系不顯著和“心理旋轉(zhuǎn)”效應(yīng)等問題，而且現(xiàn)存的研究成果中幾乎沒有將心理旋轉(zhuǎn)和色彩心理理論結(jié)合運(yùn)用在環(huán)形交叉口導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)計中，因此，本文擬通過重構(gòu)環(huán)形交叉口的信息誘導(dǎo)系統(tǒng)，以期為改善環(huán)形交叉口導(dǎo)向系統(tǒng)現(xiàn)狀提出一種新的研究思路.

1 改善原理

1.1 心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)

心理旋轉(zhuǎn)是一種想象自我或客體旋轉(zhuǎn)的空間表征動力轉(zhuǎn)換能力[7].是人在大腦中將某個物體做平面或立體旋轉(zhuǎn)的過程，需要一定的想象力和認(rèn)知加工能力，心理學(xué)方面稱為心里旋轉(zhuǎn).

林仲賢等[8]發(fā)現(xiàn)心理旋轉(zhuǎn)能力與年齡和性別相關(guān)，心理旋轉(zhuǎn)能力青年優(yōu)于老年、男性優(yōu)于女性.Deanne等[9-10]發(fā)現(xiàn)心理旋轉(zhuǎn)能力與物體旋轉(zhuǎn)的角度、實驗者的反應(yīng)時間有關(guān)，同時空間參照系對心理旋轉(zhuǎn)的影響也十分重大.

在環(huán)形交叉口中，車輛的繞環(huán)旋轉(zhuǎn)引起周圍景觀及指路標(biāo)志隨之旋轉(zhuǎn)，再加上環(huán)島占地面積大帶來的更大的旋轉(zhuǎn)幅度，使得“心理旋轉(zhuǎn)”效應(yīng)更加顯著，加重駕駛員的心理緊張程度，影響駕駛員的視認(rèn)反應(yīng)時間和判斷能力.根據(jù)心理旋轉(zhuǎn)可塑理論[11]，五路環(huán)形交叉口的“心理旋轉(zhuǎn)”效應(yīng)可通過視覺參照系的重構(gòu)來緩解.

1.2 色彩心理理論

色彩給人的感官刺激最直接，比形狀和文字更快被人識別.研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個物體出現(xiàn)在駕駛員視野時，在最初的20 s，色彩和形狀視知覺時間所占百分比分別為：色彩占80%，而形體占20%.2 min后色彩占60%，形體占40%；5 min兩者所占時間百分比相同，這種狀態(tài)將會一直持續(xù)下去[12].

色彩在城市的交通安全導(dǎo)向系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，在動態(tài)環(huán)境下，帶有色彩的標(biāo)識具有更

明顯的導(dǎo)向作用.城市公共交通導(dǎo)向系統(tǒng)的設(shè)計，需要加入適當(dāng)?shù)纳剩嵘煌?biāo)志標(biāo)線的視認(rèn)性與對比度，更好的傳遞道路信息[13-14].

本文將色彩心理理論運(yùn)用到環(huán)形交叉口導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)計中，利用空間色彩和形狀信息，構(gòu)建環(huán)形視覺參照系，緩解駕駛員經(jīng)過五路環(huán)形交叉口時的“心理旋轉(zhuǎn)”效應(yīng)，改善環(huán)形交叉口導(dǎo)向系統(tǒng).

2 改善方法

針對五路環(huán)形交叉口指路系統(tǒng)的改善設(shè)計主要包括兩部分，首先是標(biāo)志的改善設(shè)計：通過多顏色與形狀相結(jié)合設(shè)計出簡單易懂的新式交通指路標(biāo)牌；其次是配套多元導(dǎo)向信息改善設(shè)計：充分利用現(xiàn)有的交通基礎(chǔ)設(shè)施，在五路環(huán)形交叉口路面、路側(cè)、中央隔離欄和環(huán)島路緣等構(gòu)筑物上設(shè)計與導(dǎo)向標(biāo)志相配套的導(dǎo)向信息鏈，將單色彩、單形狀文字型視覺參照系變?yōu)槎嗌?、多形狀環(huán)形視覺參照系，見表1～3，圖1.

表1 改善前后對比表

表2 導(dǎo)向標(biāo)志設(shè)計信息統(tǒng)計表

本設(shè)計方案通過重構(gòu)環(huán)形交叉口視覺信息導(dǎo)向系統(tǒng)，將單色彩、單形狀的文字型視覺參照系變?yōu)槎嗌?、多形狀的環(huán)形視覺參照系，緩解心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，見圖2.

3 實 驗

3.1 實驗原理

采用3ds Max構(gòu)建五路環(huán)形交叉口導(dǎo)向系統(tǒng)改善前后行車模型進(jìn)行實驗，以30 km/h的速度±2.5 km/h的作為仿真視頻的速度.向社會招募有駕駛經(jīng)驗且視力正常的被試者30人，其中21位男性，9位女性，分為20～30歲、>30～40歲和>40～50歲共三個年齡段，每個年齡段都為7男3女.

表3 多元導(dǎo)向信息設(shè)計元素統(tǒng)計表

圖1 參照物示意圖

圖2 五路環(huán)形交叉口導(dǎo)向系統(tǒng)改善方案總體布局

判斷準(zhǔn)確率指駕駛員在實驗中準(zhǔn)確判斷出出口方向的概率，為

(1)

視認(rèn)反應(yīng)時間是指標(biāo)志刺激作用于駕駛員到明顯的反應(yīng)所需的時間.本實驗視認(rèn)反應(yīng)時間的衡量標(biāo)準(zhǔn)為：

視認(rèn)反應(yīng)時間(s)=駕駛員判斷出出口方向按下按鈕的時刻(無論判斷正確與否)—實驗開始時刻在模擬實驗中，判斷準(zhǔn)確率越高、視認(rèn)反應(yīng)時間越小，說明本文所設(shè)計的指路系統(tǒng)改善方法效果越好.仿真視頻在E-prime平臺上進(jìn)行播放，主試者選擇五路環(huán)形交叉口中任意一路作為進(jìn)口車道，在其余四路中選擇一路為出口車道，一共有20種選擇路徑，見圖3.實驗開始前，主試者任意選擇一組方案作為實驗組.被試者在改善前后對比實驗的基礎(chǔ)上需要重復(fù)進(jìn)行三次實驗，30名被試者共計做180次實驗.

圖3 實驗場景圖

3.2 實驗流程

步驟1利用3ds Max軟件制作改善前后對比仿真視頻，將所有視頻剪輯成同等時間長度，然后在大屏幕上投影，被試者與大屏幕的距離設(shè)置為6 m.

步驟2實驗開始前10 min，主試者講解實驗流程，并且讓被試者熟悉實驗環(huán)境.

步驟3被試者按規(guī)范進(jìn)行就坐，在主試者的提示下進(jìn)行模擬駕駛實驗.

步驟4播放改善前的視頻，計時起點為環(huán)形交叉口前300 m處，被試者判斷出口方向時按下儀器上對應(yīng)按鈕，在此同時計時停止.

步驟5暫停2 min讓被試者休息，緩解實驗壓力.

步驟6被試者休息完后，根據(jù)步驟4進(jìn)行改善后的實驗.

步驟7被試者需要分別完成改善前后2組實驗，間隔休息2 min后繼續(xù)重復(fù)實驗3次.

步驟8用E-prime軟件導(dǎo)出實驗數(shù)據(jù)，然后人工整理實驗數(shù)據(jù)，剔除無效的數(shù)據(jù)，計算出可用的時間間隔作為有效視認(rèn)反應(yīng)時間.

步驟9分別計算和分析各組實驗的判斷準(zhǔn)確率與有效視認(rèn)反應(yīng)時間，對實驗結(jié)果取平均值并具體分析.

3.3 實驗結(jié)果分析

3.3.1視認(rèn)反應(yīng)時間分析

實驗結(jié)果見表4.

由表4可知：視認(rèn)反應(yīng)時間隨著年齡的增加而增加，對比改善前后的數(shù)據(jù)可得，被試者的視認(rèn)

表4 視認(rèn)反應(yīng)時間與年齡關(guān)系分析

反應(yīng)時間都有大幅度的降低.且成年后，年齡越大改善幅度越大，40～50歲年齡段視認(rèn)反應(yīng)時間降低程度高達(dá)49.91%，其他兩個年齡段分別為40.65%和42.32%.

表5為視認(rèn)反應(yīng)時間與性別關(guān)系分析，圖4為認(rèn)反應(yīng)時間與性別關(guān)系圖，圖5為視認(rèn)反應(yīng)時間改善程度性別影響分析圖.由表5和圖4～5可知，通過男女視認(rèn)反應(yīng)時間實驗數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)五路環(huán)形交叉口導(dǎo)向系統(tǒng)改善方案可以降低駕駛員視認(rèn)反應(yīng)時間，對女性的改善程度高于男性，女性高于男性3%左右；改善前，男性女性視認(rèn)反應(yīng)時間有一定差距，改善后差距大大縮??；不論改善前還是改善后同年齡段男性視認(rèn)反應(yīng)時間普遍低于女性，而通過導(dǎo)向系統(tǒng)的改善后可以對女性視認(rèn)反應(yīng)時間有很大提高，使之與男性視認(rèn)反應(yīng)時間到達(dá)差不多水平.

表5 視認(rèn)反應(yīng)時間與性別關(guān)系分析

圖4 視認(rèn)反應(yīng)時間與性別關(guān)系

圖5 視認(rèn)反應(yīng)時間改善程度性別影響分析

利用SPSS軟件對視認(rèn)反應(yīng)時間數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，所得結(jié)果見表6.

由表6可知，以0.05為顯著性水平，五路環(huán)形交叉口導(dǎo)向系統(tǒng)改善方案對駕駛員視認(rèn)反應(yīng)時間的影響顯著.

表6 改善方案對視認(rèn)反應(yīng)時間的方差分析

3.3.2判斷準(zhǔn)確率分析

表7為判斷準(zhǔn)確率與年齡關(guān)系分析，由表7可知，導(dǎo)向系統(tǒng)改善方案可以提高各年齡段的判斷準(zhǔn)確率，平均高達(dá)22.3%，高年齡組判斷準(zhǔn)確率提升尤為顯著，高達(dá)25.5%；隨著年齡的上升，判斷準(zhǔn)確率降低，20～30歲年齡組判斷準(zhǔn)確率比>40～50歲年齡組高7%.

表7 判斷準(zhǔn)確率與年齡關(guān)系分析

表8為判斷準(zhǔn)確率與性別關(guān)系分析，圖6為判斷準(zhǔn)確率與性別關(guān)系圖，圖7為判斷準(zhǔn)確率改善程度性別影響分析圖.

表8 判斷準(zhǔn)確率與性別關(guān)系分析

圖6 判斷準(zhǔn)確率與性別關(guān)系

圖7 判斷準(zhǔn)確率改善程度性別影響分析

由表8和圖6～7可知，改善前后男性判斷準(zhǔn)確率均高于女性，且年齡增加判斷準(zhǔn)確率下降；改善前兩性判斷準(zhǔn)確率差距大于改善后兩者之間的差距；被試者判斷準(zhǔn)確率的改善程度女性高于男性，高達(dá)3%左右，且年齡越大判斷準(zhǔn)確率改善幅度越大.

利用SPSS軟件對判斷準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，所得結(jié)果見表9.

表9 改善方案對判斷準(zhǔn)確率的方差分析

由表9可知，以0.05為顯著性水平，五路環(huán)形交叉口導(dǎo)向系統(tǒng)改善方案對駕駛員視認(rèn)反應(yīng)時間的影響顯著.

4 結(jié) 論

1) 五路環(huán)形交叉口存在心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，被試者在五路環(huán)形交叉口行駛時，會產(chǎn)生眩暈感、方向感減弱現(xiàn)象，導(dǎo)致駕駛員視認(rèn)反應(yīng)時間增長，判斷準(zhǔn)確率降低，嚴(yán)重影響駕駛員的心理緊張程度和駕駛行為.

2) 五路環(huán)形交叉口“心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)”與性別和年齡有重要關(guān)系，同年齡段女性“心理旋轉(zhuǎn)”效應(yīng)強(qiáng)于男性；成年后，隨著年齡的增加，“心理旋轉(zhuǎn)”效應(yīng)會越明顯.

3) 心理旋轉(zhuǎn)能力是可塑的，本文所設(shè)計的多色彩多形狀的環(huán)形視覺參照系改善方案，可有效緩解五路環(huán)形交叉口的“心理旋轉(zhuǎn)”效應(yīng)，降低視認(rèn)反應(yīng)時間，提高判斷準(zhǔn)確率.