高速公路隧道內視錯覺減速標線優化設計*

史曉花　杜志剛　鄭展驥　吳超仲

(武漢理工大學交通學院1)　武漢　430063)　(武漢理工大學智能交通系統研究中心2)　武漢　430063)

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高速公路隧道內視錯覺減速標線優化設計*

史曉花1)杜志剛1)鄭展驥1)吳超仲2)

(武漢理工大學交通學院1)武漢430063)(武漢理工大學智能交通系統研究中心2)武漢430063)

摘要：通過對隧道側墻設置高頻(8～12 Hz)低頻(0.2～4 Hz)視覺組合標線，重構駕駛員的視覺參照系，有效地提高隧道內的減速效果，并利用3ds Max軟件制作公路隧道仿真場景，采用E-prime2.0軟件對設置單一頻率和高低頻組合視覺信息進行心理物理學實驗.實驗結果表明：多頻率組合信息使駕駛員對速度的感知產生高估，其中駕駛員對速度高估程度在高頻(12 Hz)和低頻(0.2 Hz)相組合的視覺信息下最為合理，為8.21%，且駕駛員的反應時最短(2.09 s).據此建立行車安全模型，計算得出隧道內車輛安全距離最短為67 m，與傳統的行車安全距離90 m相比減小25.6%，更有利于行車安全.

關鍵詞：交通安全；公路隧道中部；視覺信息；反應時；安全距離

史曉花(1986- )：女，碩士生，主要研究領域為交通安全

*國家自然科學基金項目(批準號：51578433)、“十二五”國家科技支撐計劃項目(批準號：2014BAG01B03)資助

0引言

統計數據表明：公路隧道交通事故中，超過60%是由駕駛員超速行為引起的，事故多發生于隧道內，其中70%的超速行為是由速度錯覺引起.

Denton[1]在英國環行交叉口應用減速標線，其設置了間距逐漸減小的橫向標線使駕駛人產生速度高估進而降低車速，統計數據表明，采取該措施后平均車速降低了23%，速度差則降低了37%.陳昌武等[2]的研究表明隧道內對比度的降低和低邊緣率導致了駕駛員對車速產生低估效應，從而使隧道內車速實際值高于駕駛員的期望值.朱順應等[3]的研究表明時間頻率適當時，宜著重考慮通過橫縱比、虛實比和角度的變化增強路面邊緣率標線的減速效果.劉兵[4]的研究表明當邊緣率約為2 Hz時，駕駛員并未表現出速度高估效應；邊緣率在4～16 Hz時，實驗者對速度產生了高估，且隨著邊緣率密度的增大,高估效應逐漸遞增，但邊緣率密度在8～16 Hz時，駕駛員速度感知差異較小.

這些研究缺乏對不同頻率及其組合對于駕駛員的控速效果的定量分析，本文采用E-prime2.0軟件分別測量隧道內單一頻率和組合頻率標線的主觀等同速度和反應時，對比分析得出減速效果最優的設計方案.

1改善原理與方法

1.1改善原理

邊緣率是單位時間內穿過觀察者視野邊緣或間斷的數目.劉兵等[5]研究表明長度的減小能夠顯著增強邊緣率標線減速效果，當邊緣率標線長度分別取1.5,1和0.5 m時，平均車速與鋪設前相比分別降低5.0%,7.1%和8.8%.

邊緣率可以提高視知覺對真實速度的高估，車輛在高速行駛時，駕駛員的視野成狹窄的圓錐形，駕駛員是通過視覺的邊緣率的變化來感知車速.因此，可通過駕駛員的視覺邊緣率變化來控制車速、車輛碰撞和彌補駕駛員對車速的適應性缺陷.本文采用的是設置側墻立面標線的高頻信息和側墻輪廓標的中頻信息，豐富駕駛員的視覺信息，提高駕駛員對速度的感知能力，最終達到控速的目的.為使本文研究盡可能避免照度因素的影響，因此，本文采取100%照度標準，燈具為80 W高壓鈉燈，進行雙側對稱布燈，燈距10 m.

1.2設計方法

本文采用3dsMax2012軟件設計行車視頻，制作出高速公路隧道內改善前后視頻，模擬高速公路隧道行車場景.通過心理物理軟件E-prime2.0對實驗進行驗證并收集數據，采用反應時指標來度量本文改善方法對駕駛員速度感知的影響.

實驗場景分為標準實驗場景和對比實驗場景.依據文獻[6]的規定，高速公路隧道應設計為上、下分離式獨立雙洞，對比實驗場景為隧道中部行車模型，具體工程尺寸見表1.

表1　公路隧道建筑限界橫斷面組成最小寬度

本文采用8 Hz、12 Hz的頻率作為高頻信息，采用0.2 Hz、0.4 Hz、0.6 Hz的頻率作為低頻信息，高頻和低頻時的標線間隔為

(1)

設計車速v取80 km/h，因此，側墻立面標記線的間隔分別為2.78,1.85 m，側墻輪廓標的間隔分別為111.11,55.56,37.04 m.

本文采用高頻與中頻相結合的設計方案對隧道中部已有設施進行設計，具體設計見表2.

表2　隧道中部改善設計表

具體設計圖見圖1～2.

圖1　平面圖

圖2　側面圖

為了得出單一頻率以及組合頻率對駕駛員的速度感知影響，本文首先將單一頻率設計5組實驗，即低頻(0.2，0.4，0.6 Hz)信息和高頻(8，12 Hz)信息的對比實驗場景分別與標準實驗場景作對比，將組合頻率設計6組實驗，具體如表3，通過心理物理學軟件E-prime2.0進行試驗.

表3　高低頻信息組合實驗分組

2實驗

2.1實驗對象

實驗的被試共20人，根據我國駕駛員的男女性別比例約為7∶3，故確定實驗被試為14男6女，其中20～25歲的有10人(7男3女)，25～30歲的有6人(4男2女)，30到35歲的有4人(3男1女)，其中6人有駕駛經驗，其余被試無駕駛經驗但正常視力或矯正視力在5.0以上.

2.2實驗方法

反應時指刺激作用于有機體后到明顯的反應開始時所需要的時間，即刺激與反應之間的時間間隔.本實驗采用被試的反應時來度量駕駛員對速度的感知，即反應時越短，駕駛員作出判斷越快，對速度的感知能力越強.本實驗測量在隧道內被試看到前方障礙物到作出反應之間的時間間隔，用E-prime2.0心理學軟件對其進行記錄.實驗中速度刺激強度序列分為遞增和遞減兩種，遞增(減)場景的速度是以某一固定值將速度從極小(大)值增加(減少)到極大(小)值.為了控制因標準刺激與比較刺激先后呈現所造成的時間誤差，本實驗采取的平衡方法是多層次的ABBA法[8].其中:A是將視頻(標準和對比)以遞增的形式展示；B是將視頻(標準和對比)以遞減的形式展示.

本實驗共有2×6=12組實驗方案，其中每組實驗有8～10段視頻，并進行20人×12次=240人次.

2.3實驗流程

考慮到仿真視頻操作方便、制作簡單、安全性能高、數據量大等特點，本實驗采取3dsmax制作仿真視頻進行模擬.由于高速公路隧道限速60～80 km/h，本實驗分別以50，60，70，80 km/h的速度±2.5 km/h作為仿真視頻的速度.具體流程如下.

1) 分別將高速公路隧道中部改善前和改善后的場景用3dsmax軟件制成仿真視頻，用Corel Video-Studio Pro-Multilingual軟件將所有視頻裁剪到時間相等，并投影到大屏幕上(3 m×2.4 m)，被試距離大屏幕大約為6 m(按照人機工程學確定).

2) 正式實驗前5～10 min讓被試熟悉實驗過程；

3) 被試手握方向盤，正視前方大屏幕，根據指導語進行實驗.

4) 先播放一段標準視頻，緊接著播放對比視頻，此時，被試需要作出時間的判斷，即車輛與前方障礙物要超出安全距離時踩剎車；在播放下段標準視頻之前，插入倒計時圖片(3～5 s)，讓被試做準備.

5) 每個速度遞增或遞減的視頻播放結束后，呈現30 s的風景圖片供被試放松.

6) 每組實驗結束后，暫停3 min，讓被試休息.

7) 用E-prime軟件將實驗數據導出，并用SPSS19.0計算和分析各組實驗的反應時間.

3實驗結果與分析

3.1單一頻率視覺信息實驗結果

目前主要采用刺激物的主觀等同速度[7](stimulation of subjectively equal speed，SSES)這一指標來度量駕駛員的速度感知.SSES大于標準實驗的物理速度表明對比實驗環境會導致速度的低估，SSES小于標準實驗的物理速度表明對比實驗環境會導致車速的高估.本實驗主要采用迫選法測定SSES，實驗測得的結果見表4.

表4　單一頻率的實驗結果

注：1.速度錯覺程度=(標準場景的實際車速—主觀等同速度)/標準場景的實際車速；

2.“+”表示車速高估，“—”表示車速低估.

由表4可知，隧道內駕駛員的感知速度在不同低頻信息下均出現了在不同程度的低估效應，其中低頻信息為0.2 Hz時車速低估程度最高.隧道內駕駛員的感知速度在不同高頻信息下均出現了不同程度的高估效應，其中高頻信息為12 Hz時車速高估程度最高.即與改善前隧道內場景相比，改善后的場景對駕駛員的視錯覺均有影響.

3.2高低頻組合視覺信息實驗結果

低頻和高頻的視覺信息組合一方面可以緩和高頻視覺信息條件下的顯著速度高估和低頻視覺信息下的速度低估，另一方面可以縮短極限反應時，提升駕駛員對車速感知的敏感度.實驗場景測出的結果見表5.

表5　組合頻率的實驗結果

注：“+”表示車速高估；“—”表示車速低估.

由表5可知：

1) 低頻0.2～0.4 Hz和高頻8～12 Hz視覺信息組合可以縮短極限反應時，提升駕駛員對車速感知的敏感度；

2) 9組實驗結果對比得出，實驗二(低頻0.2 Hz與高頻12 Hz組合)計算得出的速度錯覺程度為+8.96%，即駕駛員對速度產生高估程度為8.96%，最為合理.

利用SPSS17.0對改善前的SSESv1和改善后的SSESv2進行單因素方差檢驗，結果見表6.

由表6可知，在顯著性水平α=0.05的情況下，方差齊性檢驗的顯著度都小于0.05，表明改善前的主觀等同速度與改善后的主觀等同速度兩個總體方差是非齊性的，即具有顯著性差異，可以認為，改善前后的實驗結果不一致.

表6　改善前與改善后單因素方差檢驗結果

3.3行車安全距離

在高速公路隧道中行駛的車輛，在跟馳狀態下，當前車緊急剎車時，后車與其的距離就會減小.通過對實驗得到的反應時間進行分析，得到多頻組合狀態下的行車安全距離，進而分析車輛跟馳距離變化的范圍，進一步探討安全車距的設計值.

通過E-prime2.0心理物理學軟件記錄高低頻組合信息下駕駛員緊急制動的反應時間，對其求平均值并根據公式2用origin8.0對其進行高斯擬合，其中y值即為極限反應時，結果見圖3.

(2)

由高斯擬合結果可知，在隧道內部駕駛員的反應時間在2～3 s之間，其中實驗二(高頻12 Hz和低頻0.2 Hz組合視覺信息)測得的反應時間最短.

圖3　實驗高斯擬合結果

在整個制動過程中，汽車實際行駛過的距離見表7.

表7　不同階段下汽車的行駛距離

所以，后車行駛的距離為

(3)

由于t3很小，一般為0.1～0.2 s，其二次方可以忽略，所以將(5)式簡化為

(4)

圖4　前后2車行車安全距離示意圖

根據圖4很直觀得到前后車的行車安全距離的計算公式為

式中：S0為制動停車后前車車尾距后車車頭間的安全距離，一般為2～5 m，本文取4 m；V0=80 km/h；t1為駕駛員的反應時間；t2一般取0.2～0.4 s，本文取0.3 s；a1表示前車制動加速度，a2表示后車制動加速度，良好路面情況下一般取值6～8 m/s2，本文取a2=6 m/s2，a1=8 m/s2.計算結果見表8.

由表8可知，在實驗二(高頻12 Hz和低頻0.2 Hz組合視覺信息)條件下，駕駛員的反應時間t1最短，計算得出的行車安全距離為67.39 m.現有行車安全公式計算得出的車速為80 km/h時的安全距離為90 m左右，本文與其相比，在多頻率組合頻率下行車安全距離縮短25%，在相同的道路條件下更能保障行車安全.

表8　不同實驗條件下的行車安全距離

注：S由式(5)計算得出.

4結論

1) 通過設置高低頻視覺組合信息，使速度高估程度降低為8%左右，有效降低駕駛員對車速的錯覺，使駕駛員對速度變化的感知更加敏感.

2) 通過設置高低頻視覺組合信息，能有效地縮短駕駛員的反應時間，進而縮短行車安全距離，既有效地預防隧道內車輛追尾碰撞事故，又不會影響道路的通行能力.

3) 低頻和高頻視覺組合信息可以緩和高頻視覺信息條件下的顯著速度高估和低頻視覺信息下的速度低估，其中低頻0.2 Hz與高頻12 Hz視覺組合信息高估程度較合理.

4) 隧道內設置多頻率組合信息可以有效減小行車安全距離，在限速80 km/h車速下，行車安全距離最小為67 m，提升行車安全.

參 考 文 獻

[1]DENTON G G. The influence of visual pattern on perceived speed [J].Perception, 1980,9(4):393-402.

[2]陳昌武,張萬濤,劉朝芝.基于視知覺環境的隧道內超速致因分析[J].公路與汽運,2011,04:76-79.

[3]朱順應,張子培,王紅，等.路面邊緣率標線減速效果的影響機理[J].中國安全科學學報,2013(6):110-115.

[4]劉兵.基于駕駛員視知覺的車速控制和車道保持機理研究[D].武漢：武漢理工大學,2008.

[5]劉兵,朱順應,王紅，等.邊緣率標線長度對減速行為的影響現象和機理研究[J].中國安全科學學報,2013,23(10):114-120.

[6]重慶交通科研設計院.公路隧道設計規范JTG D70-2004 [S].北京：人民交通出版社，2004.

[7]SHEN Haoming，YOSHIFUMI S，GOSUKE O.Speed-tuned mechanism and speed perception in human vision [J].Systems and Computers in Japan,2005, l36：1718-1727.

[8]郭秀艷,楊治良.實驗心理學[M].北京：人民教育出版社,2004.

Study on the Optimization of Optical Illusion

Deceleration Markings in the Highway Tunnel

SHI Xiaohua1)DU Zhigang1,2)ZHENG Zhanji1)WU Chaozhong2)

(TransportationSchool,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)

(IntelligentTransportSystems，WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)2)

Abstract：By setting up illusion combination marking in high frequency (8～12HZ) and low frequency ( 0.2～4 Hz) in the tunnel side wall, to reconstruct the driver's visual reference system, it effectively improve the deceleration effect in the highway tunnel, and through using 3ds max software design driving video, completed the psychophysical experiments of speed perception about a single frequency and a series of combination of high and low frequency of visual information by E-prime 2.0 software. Conclusion: Multi frequency combined information makes speed perception overestimate of drivers, and the driver’s speed overestimation degree is 8.21% when High frequency and low frequency information are 12 HZ and 0.2 HZ respectively, which is in the reasonable scope, at the same time the driver’s shortest reaction time is 2.08s. On this basis, by the safety distance model, in the highway tunnel the safe distance is at least 67m, it decreases 25.6% compared with the traditional safety distance 90m, It is better to driving safety.

Key words：traffic safety; highway tunnel in central; visual information; reaction time; safety distance

收稿日期：2015-12-07

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.036

中圖法分類號：U491.5