視覺質量影響行車安全

文官陽

視覺質量影響行車安全

文官陽

一、影響行車安全的因素——人因技術領域的基本概念

駕駛機動車，是人類操控機械在地面進行移動的過程。從移動速度看，這是迄今為止人類在地面作為個體單獨進行操作所能實現的最快的運動形式之一，僅僅有個別的極限運動可以略與之比擬。在這種高速的運動之下，人類的感知能力、反應能力和操控能力，都要面臨駕駛任務需求的巨大挑戰，當人類的能力面對這種挑戰敗下陣來時，就會導致車輛失控，進而可能導致車輛碰撞事故，引發傷亡！所以，車輛移動速度越高，駕駛任務難度越大，對人的能力要求就越高，這就是為什么需要“速度”管理，也是人們對行車安全認知的最直接起點。

但是，如果我們的注意力僅僅放在速度的研究上，就會很難解釋，為什么都是同樣的速度，有些路段就不會出事故，而有些路段，卻不斷地出事故！甚至在同樣一條道路上，同樣的車速，為什么白天從來沒有事故，晚上卻接連出事？這種現象，被很多人簡單地解釋為交通事故的隨機性，而不再追究事故的深層次原因。那么，到底這里面還有沒有客觀規律可以追尋呢？有沒有技術手段可以應對這種隨機性的難題呢？我們的回答是“有的”！這就是交通工程的安全價值所在，就是交通控制技術的來龍去脈！

人因的概念

要解開這個謎題需要涉及到一個專門的技術領域，英文叫Human Factor，國內的翻譯并不統一，有一些專家學者稱之為“人類因素”。但細究起來，根據其內涵的領域和要實現的目的做出判斷，這個詞在中文的稱謂并沒有直接的、可以對應的漢語詞匯，我們應該再造一個詞，比如 “人因”，以區分它可能帶給大家的困惑。馬克思講過，語言來自勞動，生產力水平決定了語言的發展水平，人因，其實就是人類在操控機器過程中，對求索人類控制機械能力極限范圍的一種新生的語言概念！在這方面的研究，我國起步比較晚，詞匯的豐富性發展，是個必然要經歷的過程。

Human Factor一詞，最早出現在上世紀三十年代，它是指在操作車輛或者機械時，因為人的自然屬性而導致的技術故障或者機械失敗。“人因”一詞不是指人類的行為或者人類的表現，而是專屬的，簡稱HF，換言之，人因，就是對人類在操作機械時導致損害事件的發生有貢獻的那些人的因素。

參照物的概念

從“人因”的角度出發，我們繼續展開的話題，就有了一個更深入的問題，人類是如何感知到速度的高低呢？

人類能夠感受到在移動的最基本途徑是通過視覺！因為人類要用眼睛搜索參照坐標，才能判斷自己的位置。比如，我們很多人都有過這樣的經歷，坐在車上時，透過車窗盯著旁邊的車輛觀察，突然覺得自己的車在后退，然后趕緊看看周邊其他的物體，才發現原來是那輛車在向前開動而自己是原地不動的。這個過程其實就是人類判斷自己是否在移動的基本過程。這里有一個基本的要素，就是“周邊的物體”，從交通控制技術講，它們有一個很重要的詞來描述，英文叫CUE， 中文可以翻譯為“參照物”，參照物的質量，直接影響到行車安全。我們平時經常看到的標志、標線和輪廓標等，其實都是人工設置的行車參照物。車速越高，司機搜索和采集處理參照物信息的任務需求就越高。

視區是什么

在機動車駕駛過程中，司機都能看到什么呢？這里，就又有了一個技術概念，叫視區，英文是Field of View。 視區是指在人眼外有某種固定邊框的限制下所能看到的區域，比如人們透過眼鏡能看到范圍，就是眼睛的視區！這種范圍，與眼球的移動沒有關系。司機的視區，就是通過車窗能觀察到的范圍。提到視區，我們很容易想到一個詞——視野Visual Field，是指人裸眼在固定狀態下能看到的角度數。人眼向前觀察平面視野幾乎達到180°，垂直視野能達到135°，遠大于視區。簡單區分，就是視野表示的是人眼的能力，而視區是人眼在車里的觀察范圍，視野是人的基本條件，而視區，會隨著車輛的條件和運行狀態而改變，相對于人眼的視野，視區要小很多，白天如此，夜晚，視區還要受到車燈的能力的影響，車速越高，視區越窄。

人們為什么愛開快車

就行車而言，人類的視區變化比任何其他運動都更頻繁。頻繁變化的視區，直接引發的是人的眼球的快速移動，進而刺激視神經躁動并誘發人的腦神經的活躍，人類為了能感知所看到的物體，進行認知、判斷和反應（英文簡稱PRT），就必須加快處理眼睛和身體所感受到的各種變化，此時，神奇的人體系統就會釋放出更多的腎上腺素，以應對快速上升的任務需求，這就是我們有時會聽到的“荷爾蒙”的加速釋放！荷爾蒙的增加與聚集，會讓人產生一種欣快感，人類的神經系統在愉快的狀態下會因歡喜而放松，于是，車速在不知不覺中，逐漸沖向了人類承載能力的極限！這就是為什么人們開車容易超速而不是失速的內在原因。

與直線行駛相比，在彎道上，視區的變化頻率會因為車輛運行軌跡的改變而出現疊加的效應，所以在進入彎道時，就更容易出現超速的現象，因為這時的視覺刺激和欣快感，都強于直線行駛。進入彎道時的視區疊加過程，非常容易讓人在愉悅和輕松之中忽視駕駛任務難度的增加幅度，自以為車輛會完全被有效控制，當人們沉浸在彎道駕駛的愉悅中時，車輛在不知不覺中逐漸加速，就會挑戰人們的有效控制的極限，這種情況一旦出現，為了降低難度，人類會下意識地通過剎車和調整行駛方向予以應對，而這時，很有可能為時已晚，特別是雨天的彎道事故，多出于此！去彎道上觀察，在彎道的上游，經常會發現緊急制動的剎車痕跡，而下游卻不多見，就是這個原因！這也是為什么要在彎道上設置彎道線形誘導標志的原因，因為司機在進入彎道時，必須提前意識到彎道的弧度，進而意識到駕駛難度需求的增加，提前降低車速。

所以，針對行車安全，要讓人類大腦減少運算錯誤，時刻提高警惕，時刻將車輛控制在人類承受能力的極限之內，就要在視覺質量上做功課，要讓人類在應對快速變化的視區時，可以及時、準確、清晰地捕捉到需要獲取的參照坐標體系，減少信息處理時間。簡單說，一套好的道路視覺系統，可以有效提高人類駕馭車輛的成功率。在交通安全領域，當道路擁有好的視覺系統時，被專業人員稱為“道路使用者友好型道路”或“自詮釋道路”。我們今天經常提到關于智能汽車和輔助駕駛的車路協同技術，其實就是“自詮釋道路”在信息技術時代可能達到的新高度，那時，將是依靠機器視覺，而不僅是人視覺。

經過常年的研究和積累，在人因領域，交通工程專業已經形成了圍繞保障視覺質量提出的三大公理，分別是：六秒公理，視區公理，邏輯公理。它們的目的都是相同的，就是避免因錯時、錯位和錯覺導致大腦出現運算錯誤！我們在下面，將著重來介紹這三大公理。

二、影響視覺管理的因素——人因領域的三大公理及反光技術

人因領域的三大公理和反光技術對視覺質量管理有重要的意義。

六秒公理

六秒公理指道路必須給人以充分的時間。一般司機平均需要4-6秒才能完全改變駕駛程序，100公里時速就是近300米。道路使用者友好型道路，會允許司機進行可靠的調整以適應新的道路情況。在道路上，任何關鍵變化點之前，至少要給司機6秒鐘的時間，比如：路口前、彎道前。在道路上，還要移除視距遮擋的障礙物，要讓路口的到來有預期。如果沿著道路，道路本身的條件無法在6秒之前就讓司機足以關注到這些情況，就要利用標志標線進行提示，或者進行更根本的工程改造。在我國，行道樹和路側綠植，在很多時候，就是典型的視距遮擋障礙物，破壞了路側視距凈空。當6秒公理不到位時，謹慎的司機，會選擇降低車速。我們日常開車，在路上遇到的莫名其妙的車流減速和追尾事故，多數就是這個原因導致的。

視區公理

視區公理是指道路必須給司機安全的視區。機動車駕駛者的視區變化比任何其他運動更頻繁。單調或者有強烈對比度的道路邊緣地帶，視覺和光線誤導以及視錯覺都會影響駕駛質量。視區可以使司機穩定也可以使司機躁動，可以使司機疲倦也可以使司機興奮。一條用戶友好的、自詮釋道路，會避免諸如路側景觀的單調問題，視覺引導線的斷裂問題，視覺引導線與道路本身線形不一致的問題，還要避免有不顧道路方向和重點，而又在吸引眼球方面有壓倒性優勢的物體的問題。這種視覺吸引物體，有個很形象的名字，叫eye-catching objects，直譯是“抓眼睛的物體”。如果我們這時需要司機去關注的人行橫道上的行人，但在視區范圍內，最抓眼球的是人行橫道附近上空的指路標志或霓虹燈廣告，那行人的安全，就會受到嚴重威脅！

邏輯公理

道路必須遵循司機的預期邏輯。司機沿著道路開車時，是帶有心理預期或者有傾向性的邏輯的，這些東西來自于司機的經驗或者是最近的觀察理解。出乎意料的、非常規因素，會打亂基于心理預期建立起來的一連串最自動化的動作，導致司機的“磕絆”。此時，會渡過致命的幾秒鐘，以便司機可以處置這種干擾。這個過程，很像一個踏步高度不一致的樓梯，人們的心理預期是用一致的抬腿高度勻速攀爬，但是突然出現的反預期踏步高度，很容易讓人踉蹌，而且爬的速度越快，踉蹌的機率越高。道路設計者要設法使道路特征符合心理預期。要設法使那些無法避免的變化能盡早、盡可能清晰地傳遞給司機，以避免司機因為突然的變化而困惑。

當我們把這些內容總結出來后，筆者相信善于思考的人很容易就會想到我們今天的交通困境，無論是交通事故還是交通秩序，其實都是因為我們的道路上還有很多地方違背了這三大公理，我們的駕駛任務難度太大，對司機能力的要求太高，已經超過了人類的應對能力范圍。在這種情況下，人們的駕駛錯誤是必然的，毫無辦法。比如今天很多城市的交叉路口，都是典型的超視區路口，在這種路口內行車，邏輯和6秒空間都很難得到保障，交通走廊的流暢性就是這樣被廢掉的！

反光技術與視覺質量

為了進一步揭示視覺質量對行車安全的影響，和反光技術在國際交通安全領域的研究深度，再介紹一個很不起眼的領域，就是“逆反射技術”在交通安全領域的演進和作用，也希望大家可以掌握到一種可以實現自我保護的安全手段。

為了全天候和全天時的保障視覺質量，在汽車問世之初，汽車制造者，就為汽車安裝了最基本的視覺輔助裝備——車燈！百年來，汽車照燈的技術不斷演進，其光照控制力、質量和照射范圍，被做得越來越科學。與此同時，聰明的人類，還從仿生學的角度，發現將光控制技術應用在道路上，可以有效提高車燈的照射效果，我們今天隨處可見的反光材料，專業上稱為逆反射材料，就是這種技術進步的衍生品。

很多人一提到反光材料，就會認為只要有路燈或者車燈就夠了，不一定需要反光。事實上，了解了視區的概念，就會知道路燈照射到的很多事物，不一定是司機應該關注的物體，在商業區，各種霓虹燈或燈箱廣告發出來的光，對司機眼球的吸引，就是很典型的視覺干擾元素。只有車燈照射范圍內的物體，是最應該被司機看到的，但此時，車燈的光卻不一定能回到司機的視區范圍內。

光的反射方式示意（夜間，司機能看到的物體，主要依靠車燈的逆反射光和發光物體），上組圖為光反射的三種基本形式

為什么這么說呢？是因為當我們在車燈的后面，隨著車燈的照射方向向前觀察路況時，我們看到的并不是車燈的光，而是那些被照射物體返回來的光，如果物體表面的物理結構不是逆反射結構，而是鏡面反射或者漫反射，那很多光就會跑掉了。很多司機開遠光燈，其實就是因為路上的逆反射光太少了，希望提高照射前方的總光通量，來提高被反射回來的光的總量，從而改善視距。

汽車前照燈形成的逆反射光錐示意圖。回復的光由于空氣中懸浮顆粒的衍射導致擴散，有一部分將無法回到司機的位置

通過這個示意圖可以看出，反光材料是在車輛行駛的方向上，把車燈照射的光收集并投射回給司機，如果我們是用正確的反光材料制作各種行車參照物，那么這些參照物就是司機最應該關注也是最容易關注的坐標。

良好的道路視區設計被稱為“視區管理”上圖為美國某地施工區的夜間臨時設施效果

就目前已知的所有的視覺優化手段而言，反光材料的發明和普及，應該是成本最低，也是效果最好的一種安全技術途徑了。它最大的優點，就是利用了車燈的光源，而不再需要額外的能源進行照明。所以在1939年這項技術的原始版問世伊始，交通標志和標線的制作，就再也沒有離開這項技術。在近80年的時間里，世界上一批科技精英，一直在嘗試用越來越好的光控制技術和材料技術，捕捉車燈釋放的光波，盡可能地以更科學的布局形式投射回到司機眼睛里。今天，在交通標志和設施上使用的大角度反光膜，每平方厘米上有930個精心設計的光控制結構單元，已經可以使司機在使用近光燈的情況下，在800米之外就發現被標識物，在50米的近距離時，在高達十幾米的垂直高度和水平寬度15米的大觀察角度范圍里，也就是車燈光傳統布設的困難區域，仍能把燈光捕捉到并投射回給司機。

在標線領域，最新型的人造反光晶體已經可以實現與天然鉆石一樣的2.4的光折射率，即使透過雨水，也可以把車燈的光波折射回到司機的視區，而不是讓這些光四散奔逃，脫離司機的眼睛。

看到這里，大家也許更容易明白一個道理，當我們說車燈能不能照到時，并不是車燈的光到達不了這些地方，而是到達這些地方的燈光，能不能被投射回到司機的視區。

美國某地的雨夜標線效果

在夜間，如果我們每個人的身上都可以有一小塊反光材料，就可以大大提高被司機看到的機會。這種材料，如果能在機動車輛、自行車和行人身上，如果能廣泛使用，那么司機就可以很容易地在6秒之前，發現危險，并采取有效措施，很多事故，就可以因此避免。

用一個簡單的總結來形容反光材料，它是改善視覺質量的重要手段，人、車、路的廣泛而科學地使用反光材料，可以大大提升我們的道路安全通行條件以及提升行車安全。