基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺環(huán)境優(yōu)化研究框架

杜志剛， 韓 磊， 梅家林， 賀世明， 楊永正

（1.武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063； 2.交通信息與安全教育部工程研究中心，湖北 武漢 430063）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展和工程技術(shù)水平的不斷提高，我國(guó)公路隧道建設(shè)規(guī)模和數(shù)量也迅猛發(fā)展。根據(jù)中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部《2022年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，截至2022年末，全國(guó)公路總里程535.48萬公里，比上年末增加7.41萬公里，全國(guó)公路隧道24 850處、2 678.43萬延米，較上年增加1 582處、208.54萬延米［1］，我國(guó)已成為世界上公路隧道規(guī)模最大、數(shù)量最多、發(fā)展速度最快的國(guó)家。在公路隧道建設(shè)時(shí)，直線公路隧道有時(shí)難以滿足路線控制點(diǎn)之間的高差以及地質(zhì)條件復(fù)雜地帶的線形控制，而面對(duì)高差大和地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn)，修建小半徑公路長(zhǎng)隧道能夠很好地滿足山區(qū)公路的需求，其中當(dāng)小于設(shè)計(jì)速度對(duì)應(yīng)的圓曲線最小半徑極限值的4倍時(shí)即被視為小半徑曲線［2］。近年來，我國(guó)小半徑公路長(zhǎng)隧道的建設(shè)和應(yīng)用發(fā)展迅速，典型小半徑公路長(zhǎng)隧道工程有雅西高速干海子和鐵寨子雙螺旋隧道、延崇高速金家莊隧道，以及世界最長(zhǎng)螺旋隧道——新晉高速韓口隧道等，如圖1所示。

圖1 典型小半徑公路長(zhǎng)隧道Fig. 1 Typical small radius highway long tunnels

道路交通系統(tǒng)是一個(gè)由人、車、路、環(huán)境等多因素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，各因素間信息的傳遞、處理、控制與反饋機(jī)制，決定了交通系統(tǒng)中的每個(gè)環(huán)節(jié)都有可能對(duì)交通安全產(chǎn)生不利影響。根據(jù)系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，交通事故的發(fā)生是“人-車-路-環(huán)境”道路交通系統(tǒng)中多因素相互作用顯效導(dǎo)致該動(dòng)態(tài)系統(tǒng)失衡的結(jié)果，而針對(duì)公路隧道的交通安全問題，國(guó)內(nèi)外諸多專家學(xué)者也從“人-車-路-環(huán)境”系統(tǒng)的各因素方面做了大量卓有成效的研究工作，大多集中于事故統(tǒng)計(jì)［3］、事故預(yù)測(cè)［4］、照明環(huán)境［5］、交安設(shè)施［6］等方面。但是目前對(duì)于小半徑公路長(zhǎng)隧道交通安全改善的相關(guān)研究相對(duì)較少。張?zhí)鞓罚?］以干海子螺旋隧道為例，研究了小半徑曲線隧道的線形與照明對(duì)交通行車安全的影響；周海宇［8］分析了小半徑曲線隧道的交通特性、事故特性并提出了相關(guān)的安全保障技術(shù)；Bassan［9］從視距和彎道工程設(shè)計(jì)指標(biāo)等方面對(duì)比分析了高速公路隧道與開闊的高速公路在彎道路段做安全設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有不同側(cè)重點(diǎn)；杜志剛等［10］分析了高速公路隧道不同半徑彎道路段的輪廓帶設(shè)置數(shù)量對(duì)駕駛?cè)饲矢兄芰Φ挠绊懸?guī)律；楊理波等［11］分析高速公路隧道小半徑圓曲線路段輪廓帶線形誘導(dǎo)的有效性，發(fā)現(xiàn)設(shè)置3個(gè)輪廓帶能夠使駕駛?cè)搜杆賹?duì)隧道小半徑彎道路段的線形作出更準(zhǔn)確的判斷；牟星宇等［12］通過仿真實(shí)驗(yàn)分析了高速公路隧道彎道路段不同半徑條件下線形誘導(dǎo)標(biāo)和輪廓帶設(shè)置情況對(duì)駕駛?cè)藦澋厘e(cuò)覺感知的影響?？梢姡壳皩?duì)于小半徑公路長(zhǎng)隧道的駕駛風(fēng)險(xiǎn)與交通安全改善研究還處于起步階段，亟需相關(guān)理論與技術(shù)手段的支撐。

駕駛?cè)诵熊嚝@取的道路行車環(huán)境信息中依靠視覺獲取的比例高達(dá)90 %以上［13］，因此，合理適宜的視覺信息是駕駛?cè)税踩透咝熊嚨闹匾Ｕ稀Ｌ貏e是在小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)，受光環(huán)境、道路線形、車輛受力和視距受限的影響，駕駛?cè)蝿?wù)難度顯著提高，駕駛?cè)说鸟{駛工作負(fù)荷明顯增大。因此，小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)部環(huán)境應(yīng)該為駕駛?cè)颂峁└哔|(zhì)量的、有效的、合理的視覺誘導(dǎo)信息，幫助駕駛?cè)颂崆邦A(yù)知和判斷隧道建筑輪廓和線形走向，減輕駕駛負(fù)荷，誘導(dǎo)駕駛?cè)税踩孢m的駛離。通過視線誘導(dǎo)設(shè)施優(yōu)化公路隧道內(nèi)視覺環(huán)境以求提升交通安全水平已然成為行業(yè)認(rèn)可的有效手段［14］，但是針對(duì)小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺環(huán)境的改善策略和理論模型還不成熟。利用視覺參照系優(yōu)化的理論與技術(shù)手段對(duì)小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺環(huán)境進(jìn)行改善，旨在通過低成本、長(zhǎng)期有效、主動(dòng)防控的手段，為駕駛?cè)颂峁┖愠７€(wěn)定、連續(xù)一致的視覺參照信息，符合駕駛?cè)似谕?，降低駕駛工作負(fù)荷，從而安全舒適有效誘導(dǎo)駕駛?cè)笋傠x隧道。

針對(duì)上述背景，本文從小半徑公路長(zhǎng)隧道的視覺環(huán)境問題現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合認(rèn)知心理學(xué)、交通行為學(xué)等理論提出基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺環(huán)境優(yōu)化理論和方法，并從駕駛?cè)艘蚺c駕駛?cè)蝿?wù)等層面提出面向心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)改善的小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系評(píng)價(jià)體系與研究框架。本文可為小半徑公路長(zhǎng)隧道和小半徑光學(xué)長(zhǎng)隧道的交通安全提升提供理論指導(dǎo)和工程借鑒參考。

1 小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺環(huán)境典型問題

良好的視覺環(huán)境是駕駛?cè)税踩熊嚨闹匾Ｕ希?4］。小半徑公路長(zhǎng)隧道行車時(shí)駕駛?cè)藶榘踩咝У赝瓿神{駛?cè)蝿?wù)，需要感知獲取必要的視覺線索和信息，而視覺參照系就是駕駛?cè)伺c小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺環(huán)境信息交互的關(guān)鍵。視覺參照系是指能夠?yàn)橛^察者提供視覺線索相關(guān)信息的總和，包括形狀、尺寸、顏色、亮度、位置等信息［15］。駕駛?cè)诵熊囘^程中為完成駕駛?cè)蝿?wù)需要不斷搜索和獲取與行車相關(guān)的道路行車環(huán)境信息，以確認(rèn)自身車輛位置、方向和速度等運(yùn)行狀態(tài)，這些道路行車環(huán)境信息則構(gòu)成了道路交通視覺參照系，包括交通標(biāo)志、標(biāo)線、景觀和照明等信息。根據(jù)行車環(huán)境以及駕駛?cè)诵枨蟮牟煌梢詷?gòu)建不同類型的道路交通視覺參照系，如安全型視覺參照系、舒適型視覺參照系等［16］。

小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)部典型弱視覺參照系環(huán)境特征在于：一方面，小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)部照度低、對(duì)比度低，視覺環(huán)境相對(duì)單調(diào)，該環(huán)境特征易導(dǎo)致駕駛?cè)藢?duì)位置、方向、速度和距離等信息的感知與判斷失準(zhǔn)，產(chǎn)生一定程度的視錯(cuò)覺和緊張心理，小半徑公路特長(zhǎng)隧道環(huán)境還易導(dǎo)致視覺疲勞或視覺分心的現(xiàn)象，從而誘發(fā)一系列危險(xiǎn)駕駛行為；另一方面，小半徑公路長(zhǎng)隧道視距與視區(qū)受到嚴(yán)重限制，再受到曲率與橫向力的作用影響，駕駛?cè)藢?duì)信息的搜索獲取與行車穩(wěn)定性受到影響，這也造成一定程度的駕駛風(fēng)險(xiǎn)。因此，小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)部視覺參照系的優(yōu)劣對(duì)交通安全與通行效率至關(guān)重要，但是目前小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)部視覺環(huán)境仍存在諸多問題，概括其特點(diǎn)為恒常性不足、部分與整體不一致和誘導(dǎo)信息層次不足。

1.1 誘導(dǎo)信息劇烈過度——恒常性不足

小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)部視覺參照系恒常性的體現(xiàn)是要求隧道行車環(huán)境應(yīng)為駕駛?cè)颂峁┻B續(xù)、一致的視線誘導(dǎo)信息來誘導(dǎo)其完成系列駕駛?cè)蝿?wù)，使得駕駛?cè)嗽谛“霃焦烽L(zhǎng)隧道內(nèi)部行車時(shí)的短距離、中距離和長(zhǎng)距離處均可對(duì)隧道內(nèi)相關(guān)視線誘導(dǎo)信息具有良好的可視性。通過視線誘導(dǎo)設(shè)施的合理布設(shè)，使得小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)部視覺參照系具備恒常性的特點(diǎn)，旨在為駕駛?cè)藸I(yíng)造連續(xù)穩(wěn)定的、清晰可視的視覺參照和行車環(huán)境，使得駕駛?cè)嗽谛“霃焦烽L(zhǎng)隧道行車時(shí)在遠(yuǎn)、中、近段的各位置均能夠依靠視線誘導(dǎo)信息確認(rèn)自身方位，容易感知隧道線形走向和變化，明晰建筑限界與障礙物輪廓。

不同形狀視線誘導(dǎo)設(shè)施的可視性具有顯著差異。球形、圓柱形、半圓柱形、V形和薄片形的設(shè)施的可視性逐漸降低。而當(dāng)前小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)部視線誘導(dǎo)設(shè)施類型多為片狀逆反射型，如圖2a所示，該類型視線誘導(dǎo)設(shè)施只能在較小觀察角內(nèi)可視，超出此范圍，設(shè)施的逆反射亮度和可視性迅速降低，駕駛?cè)诵熊囘^程中對(duì)設(shè)施的視認(rèn)有暗-亮-暗的變化感，從而造成誘導(dǎo)信息的不連續(xù)和劇烈過度。但在小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)，需要視線誘導(dǎo)設(shè)施在較大范圍和長(zhǎng)距離尺度上保證逆反射亮度穩(wěn)定性和較高的可視性。采用V形或拱形誘導(dǎo)設(shè)施可使車輛行進(jìn)過程中誘導(dǎo)設(shè)施的亮度不會(huì)劇烈變化，有利于提升駕駛?cè)藢?duì)行車環(huán)境信息的準(zhǔn)確認(rèn)知。

圖2 小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺環(huán)境典型問題Fig. 2 Typical problem of visual environment of small-radius highway long tunnel

1.2 違背駕駛期望——部分與整體不一致

小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)部視覺參照系整體優(yōu)先性的體現(xiàn)是要求隧道行車環(huán)境信息的部分與整體相一致以及由部分信息能夠推斷整體信息，即視覺環(huán)境信息與小半徑公路長(zhǎng)隧道整體行車環(huán)境信息相一致，并且駕駛?cè)四軌蛲ㄟ^部分視線誘導(dǎo)信息感知判斷出整體行車環(huán)境信息。要求小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)視線誘導(dǎo)設(shè)施與隧道斷面一致，可視范圍大，長(zhǎng)距離可視不間斷，便于駕駛?cè)藴?zhǔn)確判斷隧道建筑限界和當(dāng)前車道信息。通過視線誘導(dǎo)設(shè)施的合理布設(shè)，使得小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)部視覺參照系具備整體優(yōu)先性的特點(diǎn)，旨在為駕駛?cè)藸I(yíng)造操作簡(jiǎn)易的、自解釋的視覺參照和行車環(huán)境，符合駕駛?cè)诵熊嚂r(shí)的駕駛期望，有效降低駕駛?cè)烁兄磻?yīng)時(shí)間，對(duì)行車環(huán)境變化能迅速感知與判斷，進(jìn)而減輕認(rèn)知與駕駛工作負(fù)荷。

如圖2b 所示的場(chǎng)景就是整體優(yōu)先性薄弱的典型場(chǎng)景，視線誘導(dǎo)信息均為點(diǎn)狀信息，駕駛?cè)穗y以通過目前現(xiàn)有的視線誘導(dǎo)信息對(duì)小半徑公路長(zhǎng)隧道的整體信息進(jìn)行把控推斷，多點(diǎn)誘導(dǎo)的形式對(duì)隧道輪廓與建筑限界勾勒不足，導(dǎo)致空間路權(quán)不明晰，隧道線形變化的判斷難度較大，此外高頻點(diǎn)狀信息量大，也會(huì)額外增加視覺負(fù)荷。

1.3 冗余性欠缺——誘導(dǎo)信息層次不足

小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)部視覺參照系誘導(dǎo)信息冗余性的體現(xiàn)是要求隧道行車環(huán)境應(yīng)為駕駛?cè)颂峁┒鄬哟蔚囊暰€誘導(dǎo)和參照信息，主要包括輪廓誘導(dǎo)信息與線形誘導(dǎo)信息。多層次是指小半徑公路長(zhǎng)隧道低位、中位與高位信息的組合，使得視覺參照系成為清晰顯著的三維立體參照系；冗余性是指低位、中位與高位的視線誘導(dǎo)信息協(xié)同作用，使得輪廓誘導(dǎo)性能與線形誘導(dǎo)性能互相補(bǔ)強(qiáng)，即便部分信息遮擋、缺失或失效的條件下，仍然能夠保證整個(gè)視線誘導(dǎo)系統(tǒng)功能的正常運(yùn)作。

如圖2c所示的場(chǎng)景就是整體優(yōu)先性薄弱的典型場(chǎng)景，線形誘導(dǎo)標(biāo)與輪廓標(biāo)的組合設(shè)置雖然在一定程度上提高了駕駛?cè)藢?duì)隧道線形與側(cè)壁輪廓的感知與判斷，但是對(duì)于車道分界與隧道洞頂輪廓等低位與高位信息表征缺失，信息冗余不足；另外，倘若交通流較大或大型車輛較多時(shí)，當(dāng)前視線誘導(dǎo)信息容易遮擋，致使駕駛?cè)丝蓞⒄盏淖钣幸饬x信息（most meaningful information）驟減失效，視線誘導(dǎo)系統(tǒng)信息容錯(cuò)性降低，從而導(dǎo)致駕駛?cè)说鸟{駛風(fēng)險(xiǎn)增加。

綜合上述分析，對(duì)目前小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)部視覺參照系的典型問題及其具體表現(xiàn)，由此帶來的駕駛風(fēng)險(xiǎn)和相應(yīng)的調(diào)控思路如表1所示。

表1 小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系典型問題剖析Tab. 1 Analysis of typical problems of visual reference system in small radius highway long tunnel

2 心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)及改善原理

2.1 心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)

在認(rèn)知心理學(xué)中，心理旋轉(zhuǎn)（mental rotation）是一種想象自己或客體旋轉(zhuǎn)的空間表征轉(zhuǎn)換能力，它是表象轉(zhuǎn)換加工的一個(gè)重要組成部分。作為人類空間能力的一個(gè)基本方面及空間認(rèn)知的一種基本操作，心理旋轉(zhuǎn)是人類形象思維加工的一種重要手段，是評(píng)價(jià)個(gè)人空間信息認(rèn)知和加工能力的重要指標(biāo)之一［17］。任何一種空間表征都需要依照參照系來定義客體內(nèi)部或者客體之間的關(guān)系，也需要運(yùn)動(dòng)各種參照系對(duì)這些表征進(jìn)行不同的心理轉(zhuǎn)換?？臻g參照系可以分為自我中心參照系和客體中心參照系（環(huán)境中心參照系），當(dāng)參照系之間不一致時(shí)，常常需要進(jìn)行參照系轉(zhuǎn)換，而參照系轉(zhuǎn)換需要耗費(fèi)認(rèn)知心理資源，導(dǎo)致認(rèn)知負(fù)荷的增加，也增加了出錯(cuò)的可能性。

心理旋轉(zhuǎn)與很多領(lǐng)域的操作能力有較高的相關(guān)性，諸如數(shù)學(xué)、機(jī)械和交通等領(lǐng)域，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在某些交通場(chǎng)景中駕駛?cè)藭?huì)產(chǎn)生心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，由于參照系的不一致，導(dǎo)致駕駛?cè)诵枰粩嗟霓D(zhuǎn)換和對(duì)比大腦與現(xiàn)實(shí)中的方位，以便更好地獲取行車環(huán)境信息，從而完成駕駛?cè)蝿?wù)。此時(shí)心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)就成為一種由行車環(huán)境視覺參照系變化給駕駛?cè)藥淼呢?fù)面影響，而這種心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)能夠產(chǎn)生較高的駕駛負(fù)荷，損害駕駛績(jī)效，從而造成駕駛風(fēng)險(xiǎn)［18］。駕駛?cè)送ㄟ^自身心理旋轉(zhuǎn)能力抵抗這種消極效應(yīng)時(shí)，由于分配較多的心理和注意資源會(huì)導(dǎo)致駕駛?cè)蝿?wù)難度增大和駕駛績(jī)效受損，因此，行車環(huán)境視覺參照系應(yīng)最大程度減弱或抵消心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，進(jìn)而保證駕駛?cè)擞凶銐虻木妥⒁赓Y源用于完成駕駛?cè)蝿?wù)。

研究發(fā)現(xiàn)，心理旋轉(zhuǎn)具有相對(duì)易變性和可塑性的認(rèn)知加工特征，這就為改善駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)提供了可能。同時(shí)，考慮駕駛?cè)诵熊囘^程中需要依照視覺參照系完成感知、決策和執(zhí)行等系列駕駛?cè)蝿?wù)，因此，在行車環(huán)境中駕駛?cè)水a(chǎn)生的心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)可以通過優(yōu)化視覺參照系進(jìn)行緩解［19］。通過合理布設(shè)相關(guān)交通工程設(shè)施特別是視線誘導(dǎo)設(shè)施來優(yōu)化視覺參照系、改善視線誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的手段在公路隧道已經(jīng)得到了應(yīng)用和驗(yàn)證［20］，取得了較好的效果反饋。小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)部駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)概念模型如圖3所示。

圖3 小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)部駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)概念模型Fig. 3 Conceptual model of driver’s mental rotation effect in small radius highway long tunnels

2.2 改善原理

針對(duì)小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)駕駛?cè)艘桩a(chǎn)生心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的特點(diǎn)，小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)的視覺參照系優(yōu)化則需要重點(diǎn)考慮駕駛?cè)艘驅(qū)用?，確保駕駛?cè)双@取良好的視覺參照，改善駕駛?cè)藢?duì)道路行車環(huán)境信息的視認(rèn)和感知能力，提升駕駛績(jī)效，達(dá)到安全舒適通行的目的。保障駕駛?cè)嗽谛“霃焦烽L(zhǎng)隧道內(nèi)行車時(shí)，在短距離范圍內(nèi)每個(gè)斷面的視線誘導(dǎo)與行車環(huán)境保證恒常性，在中長(zhǎng)距離范圍內(nèi)部分信息與整體信息一致、誘導(dǎo)信息連續(xù)，在整體范圍內(nèi)多層次視線誘導(dǎo)信息冗余、保障線形誘導(dǎo)與輪廓誘導(dǎo)。

本文結(jié)合認(rèn)知心理學(xué)、交通行為學(xué)等理論和相關(guān)研究基礎(chǔ)，考慮駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化原理包括視知覺恒常性、整體優(yōu)先性和多層次誘導(dǎo)。小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化原理的具體釋義和相應(yīng)要求如表2所示。

表2 優(yōu)化原理的具體釋義與要求Tab. 2 Specific interpretation and requirements of optimization principle

2.2.1 視知覺恒常性

視知覺是指眼球?qū)耐饨缃邮盏降囊曈X信息傳導(dǎo)至大腦并進(jìn)行辨識(shí)與整合的過程，也是駕駛?cè)私忉尣⒗靡曈X信息來決策和行動(dòng)的能力。視知覺恒常性是指當(dāng)視知覺的條件產(chǎn)生了一定程度的改變時(shí)，駕駛?cè)藢?duì)于視覺對(duì)象的映像依然保持不變，并能識(shí)別出具有一定視覺差異的同一對(duì)象。駕駛?cè)艘曋X的恒常性是其在與行車環(huán)境相互作用中建立起來的，一旦駕駛?cè)伺c行車環(huán)境的正常關(guān)系遭到破壞，視知覺恒常性也會(huì)遭到不同程度的破壞。視知覺的恒常性體現(xiàn)在視認(rèn)對(duì)象的形狀和顏色等各方面。但是個(gè)體視知覺恒常性的維持程度是有極限的，特別是駕駛?cè)嗽谛“霃焦烽L(zhǎng)隧道弱視覺參照系條件下行車時(shí)，視知覺恒常性極易受到損害，繼而誘發(fā)空間感知里的系統(tǒng)失真，即對(duì)方向、曲率等信息感知的視錯(cuò)覺，造成駕駛風(fēng)險(xiǎn)。因此，小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化應(yīng)考慮維持駕駛?cè)艘曋X恒常性，保障駕駛?cè)嗽诙叹嚯x范圍內(nèi)每個(gè)斷面的誘導(dǎo)設(shè)施與行車環(huán)境恒常一致，調(diào)控駕駛?cè)艘曞e(cuò)覺，優(yōu)化視距視區(qū)，減少反應(yīng)時(shí)間。

2.2.2 整體優(yōu)先性

駕駛?cè)双@取的視覺信息大多為復(fù)合刺激信息，即由若干相對(duì)獨(dú)立的局部信息組成的整體信息。視覺信息有著其本身的整體性質(zhì)，同時(shí)組成整體的個(gè)體也有其獨(dú)立的局部性質(zhì)，而人眼視覺系統(tǒng)對(duì)視覺信息整體性質(zhì)和局部性質(zhì)的加工順序是心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)中的熱點(diǎn)研究問題。格式塔心理學(xué)家們認(rèn)為整體的性質(zhì)在知覺中起主導(dǎo)作用，即整體優(yōu)先性，大量實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了人類在視知覺任務(wù)中存在著明顯的整體優(yōu)先效應(yīng)［21］，并且在心理旋轉(zhuǎn)過程中同樣也存在整體優(yōu)先效應(yīng)。知覺的整體性強(qiáng)調(diào)兩方面：①當(dāng)部分信息與整體信息一致時(shí)，識(shí)別視認(rèn)更為容易和快捷；②可通過部分信息推斷出整體信息，并且即便弱信息改變，只要強(qiáng)信息不變，依然能夠?qū)ζ湔J(rèn)知成功［22］。另外，影響知覺整體性的重要因素就是刺激物的結(jié)構(gòu)，即刺激物的空間分布和時(shí)間分布。因此，根據(jù)視知覺整體優(yōu)先效應(yīng)，應(yīng)將小半徑公路長(zhǎng)隧道弱視覺參照系轉(zhuǎn)換為強(qiáng)視覺參照系，通過合理的視線誘導(dǎo)技術(shù)優(yōu)化信息視認(rèn)效果，保持部分與整體的一致性，強(qiáng)化部分信息認(rèn)知功能（線型輪廓標(biāo)、側(cè)壁線形誘導(dǎo)標(biāo)等），提升駕駛?cè)藢?duì)小半徑公路長(zhǎng)隧道行車環(huán)境整體信息的視認(rèn)和感知，保證行車安全性。

2.2.3 多層次誘導(dǎo)

輪廓知覺是視覺識(shí)別的重要方面，輪廓決定了人們的知覺，是人們對(duì)物體或環(huán)境的邊界界定、形狀感知和變化確認(rèn)的基礎(chǔ)。格式塔心理學(xué)中關(guān)于良好圖形的知覺組織理論認(rèn)為，當(dāng)視野中出現(xiàn)不完整性因素時(shí)，視覺系統(tǒng)就傾向于將其完整起來，變成比較簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、正規(guī)化的圖形［23］。研究表明：在隧道內(nèi)的行車方向和隧道空間輪廓（包括線形的變化以及隧道建筑和障礙物的輪廓）的明晰程度對(duì)駕駛?cè)诵熊嚢踩珟砗艽笥绊?，尤其是在小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)，不良的弱視覺參照系會(huì)對(duì)駕駛?cè)说牡缆肪€形變化視認(rèn)感知以及隧道側(cè)壁等障礙物的輪廓空間辨識(shí)程度產(chǎn)生負(fù)面影響［24］。因此，根據(jù)視知覺心理學(xué)和駕駛?cè)艘蚬ばW(xué)相關(guān)理論和研究成果，小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化應(yīng)考慮刺激物的時(shí)空分布，利用視線誘導(dǎo)設(shè)施構(gòu)造多層次、連續(xù)的、一致的線形誘導(dǎo)和輪廓誘導(dǎo)，增強(qiáng)信息冗余（高位輪廓帶、中位線形誘導(dǎo)標(biāo)和腰帶線、低位突起路標(biāo)與線型輪廓標(biāo)等協(xié)調(diào)設(shè)置），強(qiáng)化駕駛?cè)丝臻g路權(quán)感知能力，減少視錯(cuò)覺，提升駕駛績(jī)效。小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化原理的方法與目標(biāo)效果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化原理的方法與目標(biāo)效果Fig. 4 Method and objective effect of optimization principle

3 基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化及評(píng)價(jià)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)架構(gòu)

通過對(duì)小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺環(huán)境特征的分析，剖析目前小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系典型問題，結(jié)合該行車環(huán)境中駕駛?cè)说鸟{駛?cè)蝿?wù)需求，依據(jù)認(rèn)知心理學(xué)和交通行為學(xué)等相關(guān)理論知識(shí)，提出基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)改善的小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化研究思路。通過利用視線誘導(dǎo)設(shè)施合理協(xié)同設(shè)置的視覺參照系優(yōu)化技術(shù)，有效緩解小半徑公路長(zhǎng)隧道駕駛?cè)说男睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)，提升駕駛績(jī)效，保證小半徑公路長(zhǎng)隧道通行安全與效率。基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化設(shè)計(jì)架構(gòu)Fig. 5 Optimal design framework of visual reference system for small radius highway long tunnel

3.2 優(yōu)化研究框架

小半徑公路長(zhǎng)隧道典型弱視覺參照系，容易誘發(fā)駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)，從而損害駕駛績(jī)效，危害行車安全。從駕駛?cè)艘曈X需求和車輛控制需求的角度出發(fā)，以提升小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺環(huán)境質(zhì)量、減輕駕駛負(fù)荷，規(guī)避駕駛風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)，提出小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化思路：依據(jù)視知覺恒常性、整體優(yōu)先性和多層次誘導(dǎo)等原理，構(gòu)建恒常穩(wěn)定、連續(xù)一致、簡(jiǎn)單明確、信息冗余的視覺參照系。進(jìn)而提出小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化方法：通過布設(shè)多頻率、多尺度、多形狀的視線誘導(dǎo)設(shè)施，利用局部視覺參照元素構(gòu)建與整體行車環(huán)境信息相一致的參照線索，對(duì)小半徑公路長(zhǎng)隧道的輪廓與線形進(jìn)行凸顯與警示并充分體現(xiàn)其連續(xù)性與一致性，借助高位、中位與低位誘導(dǎo)信息的協(xié)同作用構(gòu)建信息冗余的多層次視覺參照系，進(jìn)而滿足不同視覺條件與車輛類型的駕駛需求，有效緩解心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)帶來的負(fù)面影響，達(dá)到保障駕駛?cè)嗽谛“霃焦烽L(zhǎng)隧道行車安全的優(yōu)化目標(biāo)。由此提出基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化設(shè)計(jì)思路框架，如圖6所示。小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化研究框架主要包括以下幾部分：

圖6 基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化研究框架Fig. 6 Research framework of visual reference system optimization of small radius highway long tunnels based on mental rotation effect

（1）小半徑公路長(zhǎng)隧道行車環(huán)境與交通安全分析

小半徑公路長(zhǎng)隧道行車環(huán)境與交通安全之間的關(guān)系是后續(xù)深入研究小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系與心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)以及駕駛風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。首先，總結(jié)分析小半徑公路長(zhǎng)隧道的交通事故形態(tài)、原因、時(shí)空分布特征，以及該路段工程條件、光環(huán)境和視線誘導(dǎo)設(shè)施布設(shè)情況，初步確定視覺環(huán)境與交通安全的關(guān)聯(lián)性。其次，通過多處不同視覺參照系條件的小半徑公路長(zhǎng)隧道的實(shí)車駕駛試驗(yàn)，采集駕駛?cè)诵熊嚂r(shí)的視覺特性數(shù)據(jù)、駕駛行為數(shù)據(jù)等，從視知覺和駕駛行為的角度，利用主成分分析、相關(guān)性分析等方法，分析不同視覺參照系條件與駕駛行為之間的關(guān)聯(lián)性，并依據(jù)關(guān)聯(lián)性分析結(jié)果，確定小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系的調(diào)控優(yōu)化方向。

（2）小半徑公路長(zhǎng)隧道駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)下駕駛績(jī)效分析

探究小半徑公路長(zhǎng)隧道不同視覺參照系下心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)與駕駛績(jī)效之間相互表征的充分必要性，以及在心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)作用下駕駛績(jī)效的表現(xiàn)規(guī)律是擬解決的重要問題。依據(jù)不同視覺參照系條件的小半徑公路長(zhǎng)隧道的實(shí)車駕駛試驗(yàn)采集到的駕駛?cè)艘曈X特性和駕駛績(jī)效指標(biāo)數(shù)據(jù)，利用析因分析、假設(shè)檢驗(yàn)等方法，確定由視覺參照系因素造成的心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)變化，如視覺參照系類型如何影響駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙洹⑿畔@取難易度、判別反應(yīng)時(shí)、車輛行駛速度變化以及車道穩(wěn)定維持能力等，結(jié)合駕駛?cè)嗽谠囼?yàn)前后的主觀詢問評(píng)價(jià)和心理量表打分等手段，確定駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生的條件與狀態(tài)，并采用主成分分析法篩選出能夠有效表征駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)和駕駛績(jī)效受損突變的特征向量，并通過Logistic 回歸、結(jié)構(gòu)方程模型等方法，對(duì)不同視覺參照系影響下的心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和駕駛績(jī)效進(jìn)行建模與評(píng)估。

（3）小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化思路

針對(duì)小半徑公路長(zhǎng)隧道弱視覺參照系使駕駛?cè)艘桩a(chǎn)生心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的特點(diǎn)，小半徑公路長(zhǎng)隧道的視覺參照系重構(gòu)則需要重點(diǎn)考慮駕駛?cè)艘驅(qū)用?，從視覺需求和車輛控制需求出發(fā)，確保駕駛?cè)双@取良好的視覺參照，增強(qiáng)小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)部的線形誘導(dǎo)與輪廓誘導(dǎo)能力，保證視覺參照信息與環(huán)境的恒常性、整體性與冗余性，提升駕駛?cè)藢?duì)道路行車環(huán)境信息的視認(rèn)和感知能力，達(dá)到安全、舒適、低成本、可持續(xù)的優(yōu)化目標(biāo)。

（4）小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化方法與效果驗(yàn)證

依據(jù)提出的小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系重構(gòu)思路，確定不同條件下小半徑公路長(zhǎng)隧道的差異化視覺參照系優(yōu)化方案，并對(duì)其有效性進(jìn)行驗(yàn)證是本研究的關(guān)鍵內(nèi)容。通過仿真技術(shù)軟件和平臺(tái)搭建小半徑公路長(zhǎng)隧道模擬場(chǎng)景，并進(jìn)行模擬駕駛試驗(yàn)，分析不同半徑、不同區(qū)段、不同視覺參照系的小半徑公路長(zhǎng)隧道駕駛?cè)说囊曈X特性和駕駛績(jī)效指標(biāo)變化規(guī)律，分析曲線半徑、區(qū)段位置以及視線誘導(dǎo)設(shè)施的協(xié)同組合、對(duì)稱形式、頻率呈現(xiàn)、色彩選擇等單因素和多因素耦合作用下公路隧道彎道駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)與駕駛績(jī)效作用規(guī)律，并通過層次分析法（AHP）模糊綜合評(píng)價(jià)、貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與熵權(quán)可拓物元模型等方法對(duì)改善方案進(jìn)行解釋與驗(yàn)證。

3.3 優(yōu)化案例分析

根據(jù)3.1 和3.2 節(jié)提出的基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長(zhǎng)隧道典型弱視覺參照系優(yōu)化思路與設(shè)計(jì)方法，對(duì)小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化前后的案例進(jìn)行分析，優(yōu)化前后的場(chǎng)景如圖7所示。

圖7 小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化方案前后對(duì)比示意Fig. 7 Comparison of visual reference system of small radius highway long tunnel before and after optimization

小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化方案如下：路面標(biāo)線處高頻設(shè)置反光突起路標(biāo)；檢修道路緣設(shè)置矩形線型輪廓標(biāo)，形式為左黃右白；隧道內(nèi)外側(cè)壁設(shè)置連續(xù)包邊型腰帶線，并在外側(cè)中頻設(shè)置線形誘導(dǎo)；隧道側(cè)壁與拱頂?shù)皖l設(shè)置隧道輪廓帶。小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系與典型設(shè)施的優(yōu)化前后對(duì)比示意如圖8和圖9所示。

圖8 小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化前后對(duì)比示意Fig. 8 Comparison of visual reference system for small radius highway long tunnels before and after optimization

圖9 小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系典型設(shè)施優(yōu)化前后對(duì)比示意Fig. 9 Comparison of typical facilities of visual reference system for small radius highway long tunnels before and after optimization

由圖8可知小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化前為多點(diǎn)視覺參照系，該類型視覺參照系對(duì)于小半徑公路長(zhǎng)隧道的線形和輪廓誘導(dǎo)能力不足，空間路權(quán)指示不明晰，易誘發(fā)駕駛?cè)说囊曊J(rèn)和感知錯(cuò)覺；而優(yōu)化后為多層次視覺參照系，該類型視覺參照系可以有效的勾勒小半徑公路長(zhǎng)隧道的線形和輪廓，空間路權(quán)明確，多層次的視線誘導(dǎo)信息保證了冗余性，可有效調(diào)控視錯(cuò)覺，降低駕駛負(fù)荷。

圖9的a-d（對(duì)照關(guān)系，下同）和b-e展示了小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系中輪廓帶和輪廓標(biāo)兩種典型誘導(dǎo)設(shè)施優(yōu)化前后的對(duì)比示意，可以明顯看出優(yōu)化前的片狀輪廓帶與點(diǎn)狀輪廓標(biāo)對(duì)駕駛?cè)说目梢姺秶^小，行車誘導(dǎo)效果較弱；而優(yōu)化后的拱形輪廓帶和線型輪廓標(biāo)則使得駕駛?cè)说目梢姺秶鼜V，更有利于駕駛?cè)藢?duì)小半徑公路長(zhǎng)隧道行車環(huán)境的視認(rèn)和感知。圖9的c-f為小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化前后豎向斷面對(duì)比，可以直觀地發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后駕駛?cè)藢?duì)小半徑公路長(zhǎng)隧道側(cè)壁的可視范圍更廣，輪廓誘導(dǎo)能力顯著增強(qiáng)。小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化方案中設(shè)施設(shè)置形式與其作用如表3 所示，優(yōu)化前后效果評(píng)價(jià)如表4所示。

表3 視線誘導(dǎo)設(shè)施設(shè)置形式及其作用表現(xiàn)Tab. 3 Setting form and function performance of visual guiding facilities

表4 優(yōu)化前后效果評(píng)價(jià)Tab. 4 Performance evaluation before and after optimization

4 結(jié)語

小半徑公路長(zhǎng)隧道因其空間封閉、昏暗、單調(diào)的行車環(huán)境，以及長(zhǎng)距離小半徑彎坡線形導(dǎo)致駕駛?cè)艘暰嘁晠^(qū)受限，致使小半徑公路長(zhǎng)隧道內(nèi)部成為典型弱視覺參照系環(huán)境，極易誘發(fā)危險(xiǎn)駕駛行為。本文針對(duì)小半徑公路長(zhǎng)隧道弱視覺參照系易使駕駛?cè)水a(chǎn)生心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，損害駕駛績(jī)效的問題，從事故預(yù)防和駕駛績(jī)效提升的目標(biāo)提出基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺環(huán)境優(yōu)化研究框架。主要研究結(jié)論如下：

（1）小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系具有誘導(dǎo)信息過渡劇烈、違背駕駛期望和冗余性欠缺等特點(diǎn)，該典型弱視覺參照系極易誘發(fā)駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)，亟需對(duì)弱視覺參照系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以緩解心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)帶來的消極影響，提升駕駛績(jī)效，保障行車安全。

（2）根據(jù)駕駛?cè)说鸟{駛?cè)蝿?wù)需求、認(rèn)知心理學(xué)和交通行為學(xué)等理論基礎(chǔ)，結(jié)合視知覺恒常性、整體優(yōu)先性和多層次誘導(dǎo)三個(gè)理論提出小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化思路，即通過視線誘導(dǎo)設(shè)施合理協(xié)同布設(shè)，確保視覺參照系的恒常穩(wěn)定；局部視覺參照系信息與整體行車環(huán)境信息一致，且由部分能推斷整體；多層次的輪廓誘導(dǎo)與線形誘導(dǎo)，確保信息冗余，提高容錯(cuò)性，以此達(dá)到小半徑公路長(zhǎng)隧道行車安全、舒適、低成本、可持續(xù)的優(yōu)化目標(biāo)。

（3）提出小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化方法，即綜合考慮視線誘導(dǎo)信息的設(shè)置類型與空間分布特征，通過布設(shè)多頻率、多尺度、多形狀的視線誘導(dǎo)設(shè)施，利用局部視覺參照元素構(gòu)建與整體行車環(huán)境信息相連續(xù)一致的參照線索，加強(qiáng)小半徑公路長(zhǎng)隧道的輪廓誘導(dǎo)與線形誘導(dǎo)，借助高位、中位與低位誘導(dǎo)信息的協(xié)同作用構(gòu)建信息冗余的多層次視覺參照系，有效緩解心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)帶來的負(fù)面影響，降低駕駛負(fù)荷，提升行車安全水平。

（4）本文提出基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長(zhǎng)隧道視覺參照系優(yōu)化研究框架，主要是依據(jù)認(rèn)知心理學(xué)和交通行為學(xué)等理論基礎(chǔ)和國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果進(jìn)行定性分析評(píng)價(jià)與論述，從理論層面揭示并提出小半徑公路長(zhǎng)隧道心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理和調(diào)控方法，研究成果可應(yīng)用于小半徑公路長(zhǎng)隧道、小半徑光學(xué)長(zhǎng)隧道的交通安全提升。在未來研究應(yīng)開展相應(yīng)的專項(xiàng)試驗(yàn)，結(jié)合駕駛?cè)诵睦砼c行為數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析與評(píng)價(jià)。

作者貢獻(xiàn)聲明：

杜志剛：提出研究命題與論文思路。

韓磊：負(fù)責(zé)文獻(xiàn)調(diào)研與論文撰寫。

梅家林：負(fù)責(zé)論文繪圖與修訂。

賀世明：參與研究構(gòu)思設(shè)計(jì)與論文修改。

楊永正：參與論文撰寫與修訂。