基于心理旋轉效應的雙向立交環形交叉口導向系統*

杜志剛 柳青云 朱新建 陳 鑫 嚴敏婷 廖洋琨

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

基于心理旋轉效應的雙向立交環形交叉口導向系統*

杜志剛 柳青云 朱新建 陳 鑫 嚴敏婷 廖洋琨

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

心理旋轉是一種想象自己或客體旋轉的空間表征轉換能力.駕駛員經過道路環境單一、缺乏鮮明的視覺參照系的雙向立交環形交叉口通常會產生這一現象，并導致方向辨識時間增加，辨識準確度下降，誘發不良駕駛行為乃至交通事故.依據色彩恒常性、形狀恒常性特色，設計路面“彩色玫瑰”圖案來刺激駕駛員的視覺感知，建立相應的多色彩路面導向系統來增強駕駛員方向感，并采用逆反射材料增強指示信息在夜間的可見性，提高駕駛員的辨識準確率，降低視認反應時間，緩解環形交叉口的“心理旋轉”效應，有效地減少了駕駛員繞行和選錯路線的可能性，提高了交叉口的通過能力.

交通安全；心理旋轉；色彩心理；環形交叉口；導向系統

0 引 言

目前城市公共導向系統尤其是城市道路的雙向立交環形交叉口，駕駛員開車駛入環形交叉口后，由于車輛本身在轉，導致路名信息及周邊景觀的物體映像旋轉，因此會使駕駛員存在心理旋轉現象.而目前的環形交叉口又普遍存在交通指示信息不足或過載，交通信息不連續，視覺環境單調等問題，這些弊端又會加重駕駛員的心理旋轉現象，降低環形交叉口的通行能力，造成交通擁堵，甚至引發交通事故.

高敏等[1]根據沖突點的數目采用理論安全影響分析法，再根據實際交通事故數據采用前后對比法，分析現代環形交叉口對車輛和弱勢群體的安全影響，提出現代環形交叉口的適用條件，以及自行車道安全設計方法.唐健娟等[2]通過室內仿真實驗對標志信息量與認知時間的關系，從而確定了環形交叉口標志的極限信息量.陳炎等[3]通過大量的室內模擬實驗給出了基于不同行車速度和標志信息量的、適用于不同天氣和光線條件的公路交叉口指路標志設置位置建議值.

這些研究并沒有很好解決環形交叉口的現狀問題，也缺乏駕駛員行駛在環形交叉口中的心理旋轉效應的研究.文中通過設計一整套完整、連續、漸變的視覺導向信息系統來減輕駕駛員的心理旋轉效應，改善雙向立交環形交叉口交通狀況.

1 改善原理

1.1 心理旋轉效應

心理旋轉是一種旋轉二維和三維物體的心理表象能力，它多用于研究空間信息加工的速度[4].國內外心理學家研究表明，當文字所在平面與觀察者視線垂直時，其反應時間最短，而文字平面相對視線進行旋轉時，其反應時間與傾斜角度呈正相關，稱為心理旋轉作用.

王鵬等[5]研究指出，心理旋轉是一種想象自我或者客體旋轉的空間表征動力轉換能力.當人們處于一個復雜的空間環境中，就會有空間上的認知難度，難以判斷正確的方向.人們通過外部的合理信息指導，可以在一定程度上來減弱心理旋轉現象.

王鵬等[6]研究指出，心理旋轉能力存在明顯的個體差異性，主要體現在性別差異上，男性的心理旋轉能力優于女性的心理旋轉能力；心理旋轉具有很高的可塑性，通過有效地訓練可以提高人類的空間的智能.

1.2 顏色、形狀恒常性

色彩是眼睛對不同波長的光所產生的視覺，人們根據不同的色彩把各種事物區別開來，并從中獲取有關這些物體的形狀、位置等諸多方面的信息，這是一種生理作用.但是這種生理作用進一步沖擊到人們的心理，從而產生了色彩心理效應.

顏色恒常性(color constancy)是當照射物體表面的顏色光發生變化時，人們對該物體表面顏色的知覺仍然保持不變.

形狀恒常性是指人在觀察熟悉物體時，當其觀察角度發生變化而導致視網膜上的映像發生改變時，其原本的形狀知覺保持相對不變的知覺特征.

據報道，在國外，將危險地段的路面涂上鮮艷的顏色，可使特別危險路段交通肇事減少85%～90%.

李振福[7]指出在交通環境色彩千篇一律的情況下，容易導致駕駛員精神萎靡甚至入睡.城市道路單一的灰、黑色混凝土路面正是導致駕駛員昏昏欲睡，從而造成交通事故的重要原因.

徐成建等[8]指出美國曾利用淺色石塊鋪砌路邊，利用色彩心理使駕駛員能夠準確的判斷道路的寬度和方向，使交通事故總數下降了19%,其中夜間死亡事故下降了37%.

文中基于心理旋轉效應，利用顏色恒常性、形狀恒常性，在環形交叉口內設計一整套完整、連續、漸變的視覺導向信息系統，并以多色彩進行輔助設計，進而改善環形交叉口現狀.

2 改善方法

改善方法是針對雙向立交環形交叉口這種類型的復雜環形交叉口的視覺環境和事故原因(“心理旋轉”效應)，對雙向立交環形交叉口交通工程設施進行改善設計[9].改善方法主要是以設計指路標牌、指示標志和彩色路緣，環島中心路面設置“彩色玫瑰”圖案，并采用不同色彩組合的改善設計方法，形成完整、連續、漸變的視覺導向信息系統[10].具體見表1、圖1.

表1 雙向立交環形交叉口交通景觀改善設計表

圖1 彩色玫瑰

本設計方案使得復雜、多維的交叉口交通景觀，變為二維，形成一系列完整、連續、鮮明的參考系，確保駕駛員在大型復雜環形交叉口能夠選擇正確的行駛路線.整體方案設計圖見圖2.

3 實 驗

3.1 實驗對象

圖2 雙向立交環形交叉口整體方案設計圖

實驗的被試者共30人，根據我國駕駛員的男女性別比例約為7∶3，故確定實驗被試者為21男9女，其中20～30歲的有20人(14男6女)，>30～40歲的有10人(7男3女)，30位被試者都有駕駛經驗且矯正視力正常.

3.2 實驗方法

辨識準確率指駕駛員對環形交叉口方向所做出判斷的準確程度，公式為

辨識準確率越高，說明視覺導向信息系統效果越好.

視認反應時間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.

實驗錄入的被試者的視認反應時間是有效視認反應時間，即在判斷出口方向正確的條件下的視認反應時間.視認反應時間越短，說明駕駛員對交通標志信息掌握了解越快.

實驗將上有雙向高架的十字形復雜環形交叉口的仿真視頻放在e-prime2.0平臺上，改善前后對比仿真視頻共12組(在四路交叉口中選擇一條作為進口道，剩余三條中的一條作為出口道，共12種選擇，工作人員隨機選擇一組視頻，告訴駕駛員其要駛往的出口名稱，讓其觀看視頻選擇出口的方向，模擬駕駛器方向盤上有3個按鈕，L表示left(左轉)，S表示straight(直行)，R表示right(右轉).改善前后的環形交叉口仿真視頻各一組，每個駕駛員需要重復4次實驗，所以30名被試者共進行30×2×4=240次實驗.

3.3 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，設計速度為30 km/h符合城市道路限速標準，以30 km/h的速度±2.5 km/h的作為仿真視頻的速度.具體流程如下：

1) 分別將城市道路復雜環形交叉口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)，被試者距離大屏幕大約6 m(按照人機工程學確定).

2) 正式實驗前5 min讓被試者熟悉實驗過程.

3) 被試者手握轉向盤，正視前方大屏幕，根據指導語進行實驗.

4) 播放改善前的視頻，從交叉口前200 m開始播放視頻，電腦記錄該起始時刻，被試者判斷出出口方向時按下模擬駕駛器轉向盤上對應按鈕，電腦記錄該結束時刻.

5) 暫停5 min讓被試者休息.

6) 被試者休息結束后，再按流程4)播放改善后的視頻.

7) 每位被試者需觀看改善前后視頻共2組視頻，完成兩組視頻后，再休息30 s，然后重復4次實驗.

8) 用E-prime2.0軟件將實驗數據導出.若被試者出口方向選擇正確，人工計算電腦記錄的結束時刻與起始時刻的時間間隔，作為有效視認反應時間；若被試者出口方向選擇不正確，則該時間間隔作廢.

9) 計算和分析各組實驗的辨識準確率與有效視認反應時間，對每個駕駛員取平均值及標準差.

4 實驗結果與分析

實驗結果見表2～表3.

表2 視認反應時間數據

表3 辨識準確率數據

由表2視認反應時間數據可知，改善后視認反應時間比改善前視認反應時間明顯降低，且降低幅度較大.這表明本方案有助于降低駕駛員的視認反應時間.

由表3辨識準確率數據可知，隨著年齡組的上升，被試者的視認反應時間都有增加，其中女被試者的視認反應時間普遍比男被試者的長，但通過改善前后分析可知，總的來說30位被試者的視認反應時間顯著降低，平均降低51.91%.同時辨識準確率也顯著提升了18.5%.這表明所設計的一整套完整、連續、漸變的視覺信息導向系統有助于降低駕駛員的視認反應時間以及提高駕駛員對指路標牌信息的辨識準確率.

4 結 論

1) 實驗者在環境單一的雙向立交環形交叉口中行車會出現“心理旋轉”現象，導致駕駛員對周圍指路標志信息的辨識準確率下降，視認反應時間增加.

2) 主要依據顏色恒常性、形狀恒常性，將多色彩、不同形狀指路信息應用到復雜的雙向立交環形交叉口的中去，設計成了一系列完整、連續、鮮明、漸變的視覺信息導向系統.有助于提高駕駛員的辨識準確率以及降低視認反應時間，緩解環形交叉口的“心理旋轉”效應.

3) 改善后視認反應時間降低51.91%，辨識準確率也提升了18.5%.這表明本文所設計的一整套完整、連續、漸變的視覺信息導向系統有助于降低駕駛員的視認反應時間、提高駕駛員的辨識準確率，能有效緩解環形交叉口“心理旋轉”效應.本設計應用前景廣泛，適用于復雜的雙向立交環形交叉口和導向參照系不顯著的交叉口.

[1]高敏,劉志強.現代環形交叉口安全性分析和安全設計[J].中國安全科學學報，2010(4):589-597.

[2]唐健娟，董璐.基于駕駛員信息處理模型的環形交叉口指路標志極限信息量研究[C].第八屆國際汽車交通安全學術會議，蕪湖，2010.

[3]陳炎，胡江碧，劉小明.公路交叉口指路標志合理信息量的實驗研究[J].交通標準化，2009(1):55-58.

[4]章明.視覺認知心理學[M].上海：華東師范大學出版社，1990.

[5]王鵬，黃艷華.心理旋轉概述[J].寧波大學學報,2006,28(5):1457-1464.

[6]王鵬，游旭群，劉永芳.心理旋轉研究的新進展[J].心理科學，2005,28(5):1164-1166.

[7]李振福.色彩心理與城市交通安全文化分析[J].安全與環境工程.2006,13(4):1245-1253.

[8]徐成建，周國華，楊文發.論色彩與道路交通安全的關系[J].交通與運輸，1995(4):35-36.

[9]孫德強，沈旅歐，劉偉銘.復雜立交及銜接段多顏色組合式指路標志設計[J].中外公路,2013,33(5):1225-1234.

[10]交通部公路科學研究院.公路交通標志和標線設置規范:JTG D82-2009[S].北京：人民交通出版社，2009.

A Bi-directional Roundabout Guidance System Based on Psychological Rotation Effect

DU Zhigang LIU Qingyun ZHU Xinjian CHEN Xin YAN Minting LIAO Yangkun

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Psychological rotation is a spatial representation conversion ability to imagine one's own or object's rotation. This is usually the case when the driver passes through a complex bi-directional roundabout where the road environment is single and lacks a distinctive visual reference system. Based on the study of psychological rotation and color theory, the pattern “color rose” is designed to stimulate the visual perception of the driver, and a matching road guidance system is established to enhance the driver's sense of direction. Besides, retro-reflective materials are used to enhance the indication information at night, thus improving the recognition accuracy of the driver and reducing the response time of the visual recognition and alleviating the “psychological rotation” effect of the roundabout, which effectively reduces the driver’s possibility of bypassing and selecting the wrong route and improves the passing capacity of the roundabout.

traffic safety; psychological rotation; color psychology

2017-04-24

*國家自然科學基金項目資助(51578433)

U491.23

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.010

杜志剛(1977—):男，博士，教授，主要研究領域為道路交通安全、道路交通規劃及設計