凹形豎曲線下坡路段坡度錯覺形成機理及整治措施研究

齊高元 張 龍

（1中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430000；2中交二航局第四工程有限公司，蕪湖 241000）

1 坡度錯覺分析的概念和意義

視覺是人重要的感知器官之一，在人的日常生活中起著相當重要的作用。在汽車行駛方面尤顯突出，有研究表明，視覺為駕駛人提供的交通信息量達到駕駛人所獲取交通量的80%[1]。視覺對汽車安全行駛起著重要的作用。但由于駕駛人在行車過程中受到自身心理、生理以及周圍環境如道路線形、路側環境等的影響，駕駛人的視覺感知受到干擾。據統計，在交通事故中由于視錯覺引起的事故占36.8%[2]。分析視錯覺路段的成因對道路的安全有著至關重要的作用。

坡度錯覺是道路線形與路域環境引起錯覺的一種，汽車在坡道上行駛，尤其是坡度發生變化的坡道，駕駛員常常產生坡度錯覺。比如行駛在凹形豎曲線下坡路段，當駕駛員行駛到坡度變緩的路段時，由于路側景物與路面傾斜度降低所造成的影響，駕駛員會覺得下坡已完，開始上坡了，錯誤的判斷會給駕駛員心里帶來緊張與恐慌，甚至引發交通事故。

2 坡度錯覺的形成機理

駕駛人在道路上行駛，觀察的是三維立體線形，隨著BIM技術的出現，道路三維立體設計成為可能。設計人員在道路設計階段，通過三維立體設計考慮駕駛人對道路視覺的要求，以駕駛人的角度設計出滿足視覺要求的線形。具體是通過三維動畫仿真模擬駕駛人的行車環境，以駕駛人的視角探討道路線形的優良。和道路透視圖相比，三維動畫仿真是連續的視覺變化，且可以模擬沿線道路地形、地物。彌補了道路透視圖的短板。因此，三維動畫仿真時視覺分析的較好方法。

坡度錯覺的產生除與駕駛人的心理生理有關外，還和道路線性有關。在道路設計中，雖然線形設計滿足要求，但是因未考慮安全因素和視覺效果的影響，不合理的線形組合給道路埋下安全隱患。因此，探討道路線形引起的坡度錯覺形成機理可以從根本上消除坡度錯覺的存在，同時為已建道路的坡度錯覺的整治措施指明方向。有研究表明，坡度錯覺除與駕駛人的生理心理因素有關外，主要與道路的坡度、坡差等因素有關。

不同坡差的凹形豎曲線下坡路段

實驗設了幾種坡差分別代表了不同的坡差范圍，以0.5%為一個梯度，將坡差劃分為七個范圍進行分析，豎曲線半徑 3200m。從三維仿真來看，在凹形豎曲線下坡路段，坡差越大，后坡翹起的越明顯。當路段前后坡差大于2.0%時，駕駛員行駛在該路段上就有可能產生坡度錯覺，當前后坡差超過2.5%時，坡度錯覺更為明顯。

3 坡度錯覺的整治措施

3.1 傾斜護欄

前文提及在視覺層面上分析，凹形豎曲線路段的坡度錯覺產生的原因是駕駛人長時間在同一個坡度上行駛，駕駛人對坡度的感知減弱，甚至忽視了坡度的存在，導致了對于后坡的感知相應的出現傾斜，下坡路段看成上坡。對于此類坡度錯覺的整治措施，一是通過矯正駕駛人對前坡坡度的感知，表現在視覺效果圖上就是抬高前坡坡度。傾斜護欄的設置原理是利用駕駛人的長期經驗形成的對外界事物的感知來矯正駕駛人的坡度錯覺。具體來說，駕駛人的長期經驗對于護欄布置的認識是豎直向下的，當發現一個傾斜布置的護欄時，受長期經驗的影響，駕駛人潛意識的會將視角進行一個旋轉，在這個過程中，護欄將是駕駛人的參考系，駕駛人對外界的認知也相應的發生的旋轉。

當想增大駕駛人感知到的坡度的時候，只需給駕駛人一個小于90°的傾斜護欄。如下圖，但若傾斜過大，駕駛人一眼就能分辨出是傾斜的護欄，護欄的設置將起不到矯正坡度錯覺的作用。傾斜多少度才能讓駕駛人感知到坡度，下文我們將對傾斜的度數做定量的分析。

如下圖所示前坡坡度為5%的道路，其與水平線的夾角大約為3°，本實驗將以5°為一個標準，護欄與豎直方向傾斜角度分別為5°、10°、15°、20°、25°、30°的情況進行三維仿真，探討護欄傾斜的合理性。在對凹形豎曲線下坡方向的護欄傾斜度的合理性探討時，同時會考慮對上坡方向的影響。

不同傾斜度護欄的設置

分別對護欄不同傾斜度的三維仿真模擬后，發現隨著護欄傾斜度的增大，凹形豎曲線前坡坡度在慢慢的變大。護欄傾斜度在0°～10°時，坡度錯覺仍然存在，但前坡坡度已經在增大，后坡翹曲度在減弱。當傾斜度達到15°時，坡度錯覺基本消失。當護欄傾斜度在15°～30°時，前坡坡度在顯著增大，前后坡度差進一步加大。

3.2 道路加寬

三維仿真模仿駕駛人的視覺環境，其原理是透視圖在道路上的應用。在透視圖中，一條線的長度是和其在透視圖的位置有關的。在仿真中，道路的寬度亦是如此。由遠及近，道路寬度越來越寬。這是透視圖的特性。所以對于道路加寬的設置，不同路幅寬度，駕駛人的試點，道路的前后坡度對其都有影響。全部探討工作量大，且意義不大。筆者在此通過對一種情況的道路加寬進行分析，給出道路加寬的設置方法。分析道路加寬對于凹形書豎曲線下坡路段坡度錯覺矯正的效果。

實驗設置：選取的凹形豎曲線下坡路段為平面線形為直線，縱面線前后坡度差4%（前坡-5%，后坡-1%），路幅寬度7.5m，視點樁號為K，視高為1.5m,距道路中心1.2m。

道路加寬采用線形漸變的形式，加寬值分別為0cm、30cm、60cm、90cm。左右兩側對稱加寬。加寬范圍為豎曲線路段。漸變形式如下圖所示。漸變段長度以實驗中視覺效果圖中路側線的順式變化來調整。

道路加寬形式

凹形豎曲線下坡路段加寬值的影響

通過對路線的三維仿真得到的視覺效果圖分析，道路加寬可以矯正凹形豎曲線段的坡度錯覺。隨著加寬值的增大，坡度錯覺的影響越來越小。當加寬值為30cm時，坡度錯覺減弱，但仍有坡度錯覺的存在。當加寬值大于60cm時。坡度錯覺基本不存在，在視覺上道路為連續下坡路段。

3 結束語

1.坡差是坡度錯覺產生的原因之一，對于不同的路段，引起坡度錯覺的坡差也是不同的。凹形豎曲線上坡路段前后坡差大于3.5%時，駕駛人產生坡度錯覺；凹形豎曲線下坡路段前后坡差大于2.5%時，駕駛人產生坡度錯覺；凸形豎曲線上坡路段前后坡差大于3%時，駕駛人產生坡度錯覺；凸形豎曲線下坡路段駕駛人不會產生坡度錯覺，只是不同的坡度差，駕駛人的視距不同。

2.凹形豎曲線下坡路段的坡度錯覺可以通過設置傾斜護欄和道路加寬的方式進行矯正。傾斜護欄對坡度錯覺的矯正，經過仿真發現，當傾斜護欄的傾斜角度為15°～25°間時，傾斜護欄對凹形豎曲線下坡向坡度錯覺的矯正顯著，且對上坡向的影響較小。對于道路加寬對坡度錯覺的矯正，通過分析道路寬度為7.5m的公路，發現當道路加寬為60cm時，即矯正了坡度錯覺，漸變段長度也在合理的范圍內。