視覺偏差現(xiàn)象形成機(jī)理對(duì)線形安全設(shè)計(jì)的啟示

李尚輝，張成江

(1.福州外語外貿(mào)學(xué)院 理工學(xué)院，福建 福州 350202；2.福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350004)

駕駛員在操縱車輛的過程中80%以上的道路信息通過視覺來獲取，視覺在駕駛員的各種感覺器官中是最為重要的一種[1]。然而，受到心理、生理及外界環(huán)境的影響，在某些場(chǎng)合，駕駛員視覺獲取的道路信息與實(shí)際信息并不相符，從而造成視覺偏差，產(chǎn)生視錯(cuò)覺現(xiàn)象。數(shù)據(jù)顯示，由駕駛員視錯(cuò)覺造成的交通事故數(shù)占比高達(dá)35%以上[2-3]。常見的視錯(cuò)覺現(xiàn)象有線形錯(cuò)覺、速度錯(cuò)覺、空間錯(cuò)覺、色彩錯(cuò)覺、光線錯(cuò)覺[4-5]，如著名的美國科羅拉州大峽谷U形公路，是一條典型的由線形錯(cuò)覺而聞名的死亡公路。

近年來，線形錯(cuò)覺受到廣泛關(guān)注。Hassan Y對(duì)駕駛?cè)嗽趶澋乐械母兄霃胶驼鎸?shí)半徑進(jìn)行建模分析，研究了緩和曲線以及平曲線與豎曲線對(duì)應(yīng)的位置對(duì)錯(cuò)視覺的影響[6]；孫寶蕓認(rèn)為平曲線與凸形豎曲線組合路段，感知曲率變小，平曲線與凹形豎曲線組合時(shí)感知曲率變大[7]；楊瓊以車輛軌跡偏移和加速度來量化視錯(cuò)覺現(xiàn)象，采用正交試驗(yàn)方法研究了曲線半徑、轉(zhuǎn)角、緩和曲線長(zhǎng)、縱坡以及視距等因素與視錯(cuò)覺之間的關(guān)系，并建立相應(yīng)的回歸方程[8]。上述研究表明，當(dāng)前針對(duì)線形錯(cuò)覺主要考慮的是道路線形的絕對(duì)指標(biāo)和獨(dú)立的路域環(huán)境，而對(duì)于線形的相對(duì)指標(biāo)對(duì)駕駛員視覺偏差的影響考慮不足。雖然我國《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D20-2017)對(duì)線形的各類指標(biāo)做了明確規(guī)定，但一些滿足規(guī)范設(shè)計(jì)的線形也會(huì)引起駕駛員的認(rèn)知錯(cuò)誤，究其原因是因?yàn)榈缆肥且环N空間三維幾何的連續(xù)結(jié)構(gòu)物，單個(gè)指標(biāo)滿足要求后未全面評(píng)價(jià)道路三維幾何線形。據(jù)調(diào)研線形指標(biāo)不良的山區(qū)公路，其事故率并非始終高于線形良好路段，這很可能是因?yàn)樯絽^(qū)公路彎道、縱坡等指標(biāo)的變化具有一致性，較少發(fā)生突變現(xiàn)象，速度變化具有連續(xù)性。因此，從道路線形因素對(duì)駕駛員視覺偏差形成機(jī)理的分析仍不夠深入。為此，論文以連續(xù)彎道半徑比、豎曲線坡差來表征線形一致性，利用UC-win/road建立道路三維模型，通過駕駛仿真模塊播放動(dòng)畫，選取具有一定經(jīng)驗(yàn)的駕駛員來調(diào)查視覺感知情況，以期對(duì)道路線形的優(yōu)化提供理論參考。

1 線形一致性的表征指標(biāo)

駕駛員作為交通系統(tǒng)中的核心要素，其不當(dāng)行為是導(dǎo)致交通事故最直接也是最重要的原因，而其行為源自駕駛?cè)松顚哟蔚男睦?、生理機(jī)制及觸發(fā)該類機(jī)制的外界因素。根據(jù)人的信息處理模型[9]，在操縱車輛過程中，道路信息通過駕駛員的感覺器官傳輸至大腦(信息感知階段)，隨后在大腦中抽象加工，形成心理決策(認(rèn)知決策階段)，最后通過相應(yīng)的操作行為表現(xiàn)出來(行為反應(yīng)階段)，整個(gè)過程可表示為：感知-認(rèn)知-反應(yīng)。在該過程中，信息感知出現(xiàn)偏差、認(rèn)知決策出現(xiàn)錯(cuò)誤、行為反應(yīng)出現(xiàn)失誤均可能引發(fā)交通事故。道路線形是呈現(xiàn)在駕駛員視野中最重要的信息，線形設(shè)計(jì)除了要滿足直線長(zhǎng)度、半徑、坡度、坡長(zhǎng)等單一的指標(biāo)外，還要符合線形的一致性，因?yàn)橥ǔＧ闆r下，駕駛員期望的線形不宜與上一路段相差過大，而是更希望與前一路段保持連續(xù)。倘若前后路段半徑相差過大，將會(huì)導(dǎo)致駕駛員信息感知出現(xiàn)偏差，在駕駛員信息處理模型中感知階段發(fā)生故障，極有可能引發(fā)交通事故，這是線形不一致所造成的。

線形一致性是一個(gè)定性的概念，普遍的做法是通過前后路段速度的協(xié)調(diào)性來評(píng)價(jià)它，即通過前后路段車輛速度變化的大小來表征，如當(dāng)速度梯度小于10 km/100 m或者速度差△V85小于20 km/h，則線形一致性好[10]。此外，曲率變化率(CCR)，線形指數(shù)、展現(xiàn)系數(shù)(表示路線便捷程度)、路線交角總和率(表示路線的彎曲程度)、平曲線半徑離差(反映平曲線半徑的均勻性)和視距保證率等均可在不同場(chǎng)合來評(píng)價(jià)線形一致性，其中，線形指數(shù)包含前后單一線形指標(biāo)的相對(duì)變化量、某一線形指標(biāo)與該指標(biāo)平均數(shù)的比值等[11-12]。論文主要研究道路線形一致性對(duì)駕駛員視覺感知的影響，對(duì)于平曲線，采用前后曲線半徑比來表征線形一致性；對(duì)于豎曲線，采用坡差來表征線形一致性。

2 三維仿真試驗(yàn)

UC-win/road是FORUM8公司開發(fā)的三維道路虛擬仿真平臺(tái)，該平臺(tái)可對(duì)各種不同線形公路和不良天氣進(jìn)行量化定義，對(duì)真實(shí)道路的設(shè)計(jì)指標(biāo)、交通標(biāo)志、氣候及周邊環(huán)境再現(xiàn)模擬，還可以導(dǎo)入道路設(shè)計(jì)軟件中的樁號(hào)文件對(duì)道路進(jìn)行精準(zhǔn)定義。此外，二維、三維模型數(shù)據(jù)庫、材質(zhì)數(shù)據(jù)庫均較為豐富，除了制作靜止畫面，還可錄制動(dòng)畫，與傳統(tǒng)的動(dòng)畫程序相比，具有道路生成集成化、建模成本低、模型參數(shù)變更容易等特點(diǎn)[13]，故選用UC-win/road模擬道路三維場(chǎng)景。

2.1 道路三維建模

(1)定義平面

打開“編輯”下的“道路平面圖”選項(xiàng)即出現(xiàn)道路設(shè)計(jì)界面，在“開始定義-定義道路”上可進(jìn)行平面設(shè)計(jì)，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊或者輸入坐標(biāo)的方式選中交點(diǎn)，雙擊起點(diǎn)和終點(diǎn)確定該點(diǎn)坐標(biāo)，雙擊交點(diǎn)，可設(shè)置交點(diǎn)坐標(biāo)、曲線類型、曲線參數(shù)。對(duì)于平曲線，線形一致性表征指標(biāo)為前后曲線半徑比，論文對(duì)四種工況下的半徑比進(jìn)行建模仿真，令前段曲線為彎道1，半徑為R1；后段曲線為彎道2，半徑為R2，四種工況前后曲線半徑(R1/R2)分別為：100 m/400 m、200 m/400 m、300 m/400 m、400 m/400 m，利用UC-win/road對(duì)四種連續(xù)彎道進(jìn)行仿真模擬，其效果如圖1所示，通過對(duì)駕駛員調(diào)查訪問可得不同彎道半徑比下駕駛員的視覺感知。

圖1 不同半徑比下連續(xù)彎道仿真效果圖

(2)定義縱斷面

雙擊道路平面線形，進(jìn)入縱斷面編輯界面，雙擊縱斷面起點(diǎn)可設(shè)置起點(diǎn)高程，添加縱斷面變坡點(diǎn)，可設(shè)置變坡點(diǎn)的坡度、坡長(zhǎng)、VCL(豎曲線長(zhǎng)度)，設(shè)前坡坡度i1，后坡坡度i2。其中，i為正，表示上坡；i為負(fù)，表示下坡。對(duì)于豎曲線，線形一致性表征指標(biāo)為前后坡差△i，分別設(shè)計(jì)凸曲線上坡路段和凹曲線下坡路段五種工況下的前后坡差進(jìn)行建模仿真，其中，豎曲線半徑為2 000 m，上坡路段前后坡度(i1/i2)為：6%/1%、5%/1%、4%/1%、3%/1%、2%/1%，前后坡差△i分別為5%、4%、3%、2%、1%。下坡路段前后坡度(i1/i2)為：-6%/-1%、-5%/-1%、-4%/-1%、-3%/-1%、-2%/-1%，前后坡差分別為5%、4%、3%、2%、1%，即分別以1%為一個(gè)梯度，將坡差劃分為四個(gè)范圍，從而分析豎曲線不同坡差下駕駛員的視覺感知。利用UC-win/road分別對(duì)凸曲線上坡路段和凹曲線下坡路段五種工況下的前后坡差進(jìn)行建模仿真，其效果如圖2和圖3所示，通過對(duì)駕駛員調(diào)查可得不同坡差下駕駛員的視覺感知。

圖2 不同坡差下凸曲線上坡路段仿真效果圖

圖3 不同坡差下凹曲線下坡路段仿真效果圖

(3)定義橫斷面

在編輯縱斷面界面上，點(diǎn)擊編輯道路截面進(jìn)入橫斷面設(shè)置界面。在道路橫斷面編輯界面，系統(tǒng)只給定四種橫斷面模塊，可在這四種模塊上根據(jù)需要設(shè)置指定的橫斷面形式。進(jìn)入登記道路截面，可調(diào)整車道，設(shè)置斷面元素材質(zhì)，本文主要參照二級(jí)公路斷面形式，故模型橫斷面選擇雙向兩車道公路。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)定義的平面線形和縱斷面線形，利用UC-win/road的駕駛仿真模塊播放動(dòng)畫，構(gòu)造一個(gè)真實(shí)的駕駛場(chǎng)景，選取40名具有一定駕駛經(jīng)驗(yàn)的駕駛員觀看動(dòng)畫，駕駛員年齡介于25～51歲，駕齡分布在3～26年，其中男性33人，女性7人。設(shè)置視覺感知方面的問題，對(duì)觀看動(dòng)畫的駕駛員調(diào)查訪問，根據(jù)視覺所獲取的信息對(duì)線形指標(biāo)做出判斷，分析40名駕駛員的調(diào)查結(jié)果，從而得出結(jié)論。其中，平曲線一致性主要調(diào)查四種工況下前后連續(xù)彎道的感知半徑大小，近處平曲線為彎道1，遠(yuǎn)處平曲線為彎道2，設(shè)置的問題為“您認(rèn)為彎道1的半徑()彎道2的半徑(填>、<或=)”；豎曲線一致性主要調(diào)查五種工況下駕駛員對(duì)于i2路段坡度的感知情況，設(shè)置的問題為“您認(rèn)為此處為上坡還是下坡？”。

3 結(jié)果與分析

3.1 前后曲線半徑比對(duì)駕駛員視覺偏差的影響

通過對(duì)40名駕駛員調(diào)查訪問可得彎道1與彎道2感知半徑的大小關(guān)系，具體調(diào)查結(jié)果如表1所示。

表1 不同半徑比下感知半徑大小關(guān)系數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

由表1可知：當(dāng)R1/R2為100 m/400 m時(shí)，40%的受訪者表示彎道1半徑大于彎道2半徑，27.5%的受訪者認(rèn)為兩者半徑相等，認(rèn)為彎道1半徑小于彎道2半徑的受訪者僅占32.5%，在這種情況下，僅有小部分受訪者判斷正確；當(dāng)R2半徑不變，R1半徑增至200 m時(shí)，認(rèn)為彎道1半徑大于彎道2半徑的受訪者增至65%，15%的受訪者認(rèn)為兩者相等，而判斷正確的受訪者降至20%，說明此時(shí)大部分駕駛員出現(xiàn)視覺偏差現(xiàn)象，認(rèn)為后段圓曲線半徑小于前段圓曲線半徑，假設(shè)駕駛員在此路段操縱車輛，認(rèn)為后段曲線半徑更小，在信息處理模型中，信息感知階段出現(xiàn)偏差，便會(huì)對(duì)接下來的認(rèn)知決策和行為反應(yīng)造成影響，于是在彎道2處駕駛員傾向于以更大的角度操作方向盤，在車速過大的情況下容易偏離正常行車軌跡，對(duì)交通安全造成潛在隱患；當(dāng)R1半徑分別增至300 m和400 m時(shí)，出現(xiàn)視覺偏差的受訪者略微增加，判斷正確的受訪者進(jìn)一步降低。

以上現(xiàn)象主要跟彎道的可見性相關(guān)，遠(yuǎn)處彎道的可見性差，在視野范圍內(nèi)其圓曲線長(zhǎng)度不足半圓的圓弧線，駕駛員容易低估其半徑；而近處彎道對(duì)于駕駛員來講，可見性強(qiáng)，駕駛員容易看清前方線形，往往使得駕駛員對(duì)彎道的感知半徑比實(shí)際半徑大。這種現(xiàn)象在連續(xù)S彎道尤為突出，在S形連續(xù)彎道，駕駛員視覺可見性偏差大，在連續(xù)轉(zhuǎn)彎過程中，視線不斷改變，容易產(chǎn)生視覺偏差，認(rèn)為前方彎道比實(shí)際更彎曲。日常生活中的透視原理亦是如此，同樣大小的物體，處在不同的空間位置上，人眼視覺對(duì)其的感知大小也不相同，如“近大遠(yuǎn)小”現(xiàn)象。

3.2 坡差對(duì)駕駛員視覺偏差的影響

通過調(diào)查駕駛員對(duì)坡度的感知情況來反映豎曲線線形一致性，具體分為凸曲線上坡和凹曲線下坡路段，40名受訪者對(duì)后坡的感知如表2所示。

表2 不同坡差下坡道感知數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

對(duì)于凸曲線上坡路段，當(dāng)坡差為1%時(shí)，95.7%的受訪者認(rèn)為后坡為上坡路段，僅有5%的受訪者表示后坡是下坡路段，出現(xiàn)視覺感知偏差現(xiàn)象不明顯，駕駛員感知坡度與實(shí)際坡度較為一致。當(dāng)坡差為2%時(shí)，認(rèn)為后坡為下坡路段的受訪者比例增至22.5%，視覺偏差現(xiàn)象逐漸凸顯，當(dāng)坡差為3%時(shí)，60%的受訪者認(rèn)為后坡為下坡路段，此時(shí)，大部分駕駛員出現(xiàn)視覺偏差現(xiàn)象，在臨近后坡路段時(shí)換擋減速，認(rèn)知決策和行為反應(yīng)偏離正常操作，造成潛在的安全隱患。當(dāng)坡差進(jìn)一步增大至4%時(shí)，出現(xiàn)視覺偏差的受訪者占比隨之增大到87.5%，當(dāng)坡差繼續(xù)增大至5%時(shí)，基本上所有受訪者認(rèn)為后坡為下坡路段，這意味著在前坡位置完全看不清后坡的線形。由此可見，隨著坡差增加，視覺偏差現(xiàn)象越來越明顯，當(dāng)坡差在2%以內(nèi)時(shí)，對(duì)駕駛員的視距影響不大，大部分駕駛員可以正確判斷下一路段為上坡，當(dāng)前后坡差由2%增加到3%時(shí)，判斷失誤的駕駛員大幅度上升。坡差超過3%時(shí)，視覺偏差已經(jīng)十分顯著，對(duì)駕駛員的信息感知模型影響較大，容易造成潛在的交通安全隱患。

對(duì)于凹曲線下坡路段，當(dāng)坡差為1%時(shí)，90%的受訪者認(rèn)為后坡為下坡路段，此時(shí)僅有10%的受訪者出現(xiàn)視覺偏差現(xiàn)象。當(dāng)坡差為2%時(shí)，55%的受訪者認(rèn)為后坡為上坡路段，此時(shí)大部分駕駛員出現(xiàn)視覺偏差，誤以為后坡為上坡路段，在臨近后坡路段時(shí)駕駛員采取加速行為，而實(shí)際路段為下坡，容易造成剎車失靈問題。當(dāng)坡差超過3%時(shí)，90%以上的受訪者均出現(xiàn)視覺偏差現(xiàn)象。由此可見，隨著坡差增大，視覺偏差現(xiàn)象越來越發(fā)明顯，當(dāng)坡差大于2%時(shí)，大部分駕駛員信息感知出現(xiàn)偏差，而凸曲線上坡路段該值為3%，可見凹曲線下坡路段信息偏差對(duì)坡差更加敏感。

4 結(jié)論

(1)連續(xù)彎道處，遠(yuǎn)處彎道的可見性差，駕駛員容易低估其半徑；而近處彎道對(duì)于駕駛員來講，可見性相對(duì)較好，駕駛員容易看清前方線形，在連續(xù)彎道半徑相差不大的情況下，近處彎道的感知半徑往往比遠(yuǎn)處彎道大，遠(yuǎn)處彎道感知半徑往往比實(shí)際半徑小，視覺偏差現(xiàn)象比較普遍。

(2)隨著坡差增大，視覺偏差現(xiàn)象越明顯，駕駛員對(duì)后坡上下坡情況誤判的可能性越高。但是并非所有的豎曲線坡差均導(dǎo)致駕駛員產(chǎn)生視覺偏差，對(duì)于凸曲線上坡路段，當(dāng)坡差超過3%時(shí)，

視覺偏差現(xiàn)象才較為顯著；對(duì)于凹曲線下坡路段，當(dāng)坡差超過2%時(shí)，視覺偏差現(xiàn)象已經(jīng)十分顯著。相比凸曲線上坡路段，凹曲線下坡路段的視覺偏差現(xiàn)象對(duì)坡差更加敏感。