五路環形交叉口導向系統改善方法研究*

陳 鑫 杜志剛 王首碩 余昕宇

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

0 引 言

五路環形交叉口通常是為了減少車輛行駛沖突而不得不設置的一種復雜環形交叉口，它在一定程度上能提高路口通行效率和通行安全.但作為一種復雜的不對稱型多路交叉口，往往存在交通指示信息不足或過載、不連續、判斷度不高和不易被發現等問題，不利于駕駛員對導向信息的正確理解；同時，道路交通環境單一，色彩單調，缺乏鮮明的參照系，容易導致駕駛員的視覺疲勞.在環形交叉口中，車輛的繞環旋轉引起周圍景觀及指路標志隨之旋轉，導致駕駛員產生心理旋轉效應，而上述的問題又加重這種效應，嚴重影響駕駛員的心理緊張程度和駕駛行為，從而影響交叉口的通行能力.

Hu[1]通過建立參數回歸模型來反映標志不同顏色的逆反射系數與標志設置位置的關系；Fitzpatrick等[2]運用桌面模擬對高速復雜立交出入口多級預告指路標志設置效果進行對比研究，以為MUTCD的修訂提供科學依據；王強[3]根據駕駛員視認原理，研究分析彩色標志標線對駕駛員的影響；唐健娟等[4]通過室內仿真實驗對標志信息量與認知時間的關系進行研究，從而確定了環形交叉口標志的極限信息量；孫德強等[5]提出多顏色組合式指路標志，并通過仿真試驗驗證；呂丹[6]主要研究了標志信息量閾值，推導出關于標志設置位置和文字高度等參數的模型.

上述國內外環形交叉口路面標志信息的研究主要集中在環形交叉口標志信息量、標志設置位置和標志版面設計等，沒有將環形交叉口的信息誘導看作一個系統，也沒有探究環形交叉口存在視覺干擾過多、導向參照系不顯著和“心理旋轉”效應等問題，而且現存的研究成果中幾乎沒有將心理旋轉和色彩心理理論結合運用在環形交叉口導向系統設計中，因此，本文擬通過重構環形交叉口的信息誘導系統，以期為改善環形交叉口導向系統現狀提出一種新的研究思路.

1 改善原理

1.1 心理旋轉效應

心理旋轉是一種想象自我或客體旋轉的空間表征動力轉換能力[7].是人在大腦中將某個物體做平面或立體旋轉的過程，需要一定的想象力和認知加工能力，心理學方面稱為心里旋轉.

林仲賢等[8]發現心理旋轉能力與年齡和性別相關，心理旋轉能力青年優于老年、男性優于女性.Deanne等[9-10]發現心理旋轉能力與物體旋轉的角度、實驗者的反應時間有關，同時空間參照系對心理旋轉的影響也十分重大.

在環形交叉口中，車輛的繞環旋轉引起周圍景觀及指路標志隨之旋轉，再加上環島占地面積大帶來的更大的旋轉幅度，使得“心理旋轉”效應更加顯著，加重駕駛員的心理緊張程度，影響駕駛員的視認反應時間和判斷能力.根據心理旋轉可塑理論[11]，五路環形交叉口的“心理旋轉”效應可通過視覺參照系的重構來緩解.

1.2 色彩心理理論

色彩給人的感官刺激最直接，比形狀和文字更快被人識別.研究發現，當一個物體出現在駕駛員視野時，在最初的20 s，色彩和形狀視知覺時間所占百分比分別為：色彩占80%，而形體占20%.2 min后色彩占60%，形體占40%；5 min兩者所占時間百分比相同，這種狀態將會一直持續下去[12].

色彩在城市的交通安全導向系統中發揮著重要的作用，在動態環境下，帶有色彩的標識具有更

明顯的導向作用.城市公共交通導向系統的設計，需要加入適當的色彩，提升交通標志標線的視認性與對比度，更好的傳遞道路信息[13-14].

本文將色彩心理理論運用到環形交叉口導向系統設計中，利用空間色彩和形狀信息，構建環形視覺參照系，緩解駕駛員經過五路環形交叉口時的“心理旋轉”效應，改善環形交叉口導向系統.

2 改善方法

針對五路環形交叉口指路系統的改善設計主要包括兩部分，首先是標志的改善設計：通過多顏色與形狀相結合設計出簡單易懂的新式交通指路標牌；其次是配套多元導向信息改善設計：充分利用現有的交通基礎設施，在五路環形交叉口路面、路側、中央隔離欄和環島路緣等構筑物上設計與導向標志相配套的導向信息鏈，將單色彩、單形狀文字型視覺參照系變為多色彩、多形狀環形視覺參照系，見表1～3，圖1.

表1 改善前后對比表

表2 導向標志設計信息統計表

本設計方案通過重構環形交叉口視覺信息導向系統，將單色彩、單形狀的文字型視覺參照系變為多色彩、多形狀的環形視覺參照系，緩解心理旋轉效應，見圖2.

3 實 驗

3.1 實驗原理

采用3ds Max構建五路環形交叉口導向系統改善前后行車模型進行實驗，以30 km/h的速度±2.5 km/h的作為仿真視頻的速度.向社會招募有駕駛經驗且視力正常的被試者30人，其中21位男性，9位女性，分為20～30歲、>30～40歲和>40～50歲共三個年齡段，每個年齡段都為7男3女.

表3 多元導向信息設計元素統計表

圖1 參照物示意圖

圖2 五路環形交叉口導向系統改善方案總體布局

判斷準確率指駕駛員在實驗中準確判斷出出口方向的概率，為

(1)

視認反應時間是指標志刺激作用于駕駛員到明顯的反應所需的時間.本實驗視認反應時間的衡量標準為：

視認反應時間(s)=駕駛員判斷出出口方向按下按鈕的時刻(無論判斷正確與否)—實驗開始時刻在模擬實驗中，判斷準確率越高、視認反應時間越小，說明本文所設計的指路系統改善方法效果越好.仿真視頻在E-prime平臺上進行播放，主試者選擇五路環形交叉口中任意一路作為進口車道，在其余四路中選擇一路為出口車道，一共有20種選擇路徑，見圖3.實驗開始前，主試者任意選擇一組方案作為實驗組.被試者在改善前后對比實驗的基礎上需要重復進行三次實驗，30名被試者共計做180次實驗.

圖3 實驗場景圖

3.2 實驗流程

步驟1利用3ds Max軟件制作改善前后對比仿真視頻，將所有視頻剪輯成同等時間長度，然后在大屏幕上投影，被試者與大屏幕的距離設置為6 m.

步驟2實驗開始前10 min，主試者講解實驗流程，并且讓被試者熟悉實驗環境.

步驟3被試者按規范進行就坐，在主試者的提示下進行模擬駕駛實驗.

步驟4播放改善前的視頻，計時起點為環形交叉口前300 m處，被試者判斷出口方向時按下儀器上對應按鈕，在此同時計時停止.

步驟5暫停2 min讓被試者休息，緩解實驗壓力.

步驟6被試者休息完后，根據步驟4進行改善后的實驗.

步驟7被試者需要分別完成改善前后2組實驗，間隔休息2 min后繼續重復實驗3次.

步驟8用E-prime軟件導出實驗數據，然后人工整理實驗數據，剔除無效的數據，計算出可用的時間間隔作為有效視認反應時間.

步驟9分別計算和分析各組實驗的判斷準確率與有效視認反應時間，對實驗結果取平均值并具體分析.

3.3 實驗結果分析

3.3.1視認反應時間分析

實驗結果見表4.

由表4可知：視認反應時間隨著年齡的增加而增加，對比改善前后的數據可得，被試者的視認

表4 視認反應時間與年齡關系分析

反應時間都有大幅度的降低.且成年后，年齡越大改善幅度越大，40～50歲年齡段視認反應時間降低程度高達49.91%，其他兩個年齡段分別為40.65%和42.32%.

表5為視認反應時間與性別關系分析，圖4為認反應時間與性別關系圖，圖5為視認反應時間改善程度性別影響分析圖.由表5和圖4～5可知，通過男女視認反應時間實驗數據對比分析，發現五路環形交叉口導向系統改善方案可以降低駕駛員視認反應時間，對女性的改善程度高于男性，女性高于男性3%左右；改善前，男性女性視認反應時間有一定差距，改善后差距大大縮小；不論改善前還是改善后同年齡段男性視認反應時間普遍低于女性，而通過導向系統的改善后可以對女性視認反應時間有很大提高，使之與男性視認反應時間到達差不多水平.

表5 視認反應時間與性別關系分析

圖4 視認反應時間與性別關系

圖5 視認反應時間改善程度性別影響分析

利用SPSS軟件對視認反應時間數據進行單因素方差分析，所得結果見表6.

由表6可知，以0.05為顯著性水平，五路環形交叉口導向系統改善方案對駕駛員視認反應時間的影響顯著.

表6 改善方案對視認反應時間的方差分析

3.3.2判斷準確率分析

表7為判斷準確率與年齡關系分析，由表7可知，導向系統改善方案可以提高各年齡段的判斷準確率，平均高達22.3%，高年齡組判斷準確率提升尤為顯著，高達25.5%；隨著年齡的上升，判斷準確率降低，20～30歲年齡組判斷準確率比>40～50歲年齡組高7%.

表7 判斷準確率與年齡關系分析

表8為判斷準確率與性別關系分析，圖6為判斷準確率與性別關系圖，圖7為判斷準確率改善程度性別影響分析圖.

表8 判斷準確率與性別關系分析

圖6 判斷準確率與性別關系

圖7 判斷準確率改善程度性別影響分析

由表8和圖6～7可知，改善前后男性判斷準確率均高于女性，且年齡增加判斷準確率下降；改善前兩性判斷準確率差距大于改善后兩者之間的差距；被試者判斷準確率的改善程度女性高于男性，高達3%左右，且年齡越大判斷準確率改善幅度越大.

利用SPSS軟件對判斷準確率數據進行單因素方差分析，所得結果見表9.

表9 改善方案對判斷準確率的方差分析

由表9可知，以0.05為顯著性水平，五路環形交叉口導向系統改善方案對駕駛員視認反應時間的影響顯著.

4 結 論

1) 五路環形交叉口存在心理旋轉效應，被試者在五路環形交叉口行駛時，會產生眩暈感、方向感減弱現象，導致駕駛員視認反應時間增長，判斷準確率降低，嚴重影響駕駛員的心理緊張程度和駕駛行為.

2) 五路環形交叉口“心理旋轉效應”與性別和年齡有重要關系，同年齡段女性“心理旋轉”效應強于男性；成年后，隨著年齡的增加，“心理旋轉”效應會越明顯.

3) 心理旋轉能力是可塑的，本文所設計的多色彩多形狀的環形視覺參照系改善方案，可有效緩解五路環形交叉口的“心理旋轉”效應，降低視認反應時間，提高判斷準確率.