基于視距視區優化的夜間過街安全改善研究*

余昕宇 杜志剛 倪玉丹

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

0 引 言

近10年，我國城市行人事故傷亡人數在城市交通事故傷亡中的占比超過30%，每年都有上萬名行人因交通事故受傷甚至死亡.據相關文獻表明，夜間發生交通事故幾率是晝間的5～10倍，且其危害性遠遠高于白天發生的交通事故[1].夜間過街交通事故呈現傷亡慘重、破壞力強和突發概率高的特點，其根本原因是夜間光照強度顯著降低、車流量少且車速高導致駕駛員對過街行人的視認距離減小，突發狀況時駕駛員來不及采取剎車等措施.

關于夜間行車安全，國內外學者進行了諸多研究.在夜間環境對駕駛員行車安全影響方面：Suh等[2]等發現，夜間不良照明條件會使駕駛員產生車輛行駛速度不快的錯覺，誘發駕駛員提高車速甚至超速；程國柱等[3]通過對比分析駕駛員晝夜識別距離差異，得出駕駛員夜間識別距離較白天識別距離平均下降8.5%，下降最大值為30.4%；程國柱等[4]研究駕駛員夜間對過街行人的視認距離隨行駛車速及路燈平均照度的變化規律：駕駛員夜間對過街行人的視認距離隨行駛車速的提高而降低，二者呈負線性相關；隨平均照度的提高而增加，二者呈正對數相關；張衛華等[5]采用Pearson相關系數法和結構方程模型(SEM)建模方法，研究低能見度環境中危險駕駛行為與駕駛能力描述性變量間的關系，得出在低能見度環境中，危險感知能力是影響錯誤行為發生的主要因素.在夜間行車安全改善方面：程國柱等[6]基于安全行駛判別條件，給出了城市道路人行橫道處夜間限速標志前置距離的確定方法及對應不同路面類型、車速限制值和路燈平均照度的建議值；Brown等[7]通過研究認為夜視系統有助于駕駛員改善其視認距離，但與此同時也會增加駕駛員的工作負擔.

綜上，已有研究主要側重于在道路交通條件良好的環境中駕駛員空間判識規律以及單一過街安全設施、夜視系統等有效性研究，缺乏對駕駛員夜間行車的視覺任務及視覺特性的綜合考量.目前國內外對人行橫道過街安全改善方法主要有3種：①法定限速方法，法定限速具有強制性，確定某個人行橫道的最高限速值讓駕駛員低速通過該區域；②提升人行橫道照度，借助照明燈具優化過街環境；③利用反光標識等交通安全設施，提高夜間行人可視性，加強對駕駛員的警示和誘導.鑒于此，本文從夜間人行橫道事故機理出發，設計一種安全有效、全生命周期成本低的過街設施，以期為改善行人夜間過街安全提出一種新的研究思路和改善方法，降低行人夜間過街事故率和事故危險程度.

1 基于視距視區優化的夜間過街安全改善設計

1.1 夜間環境對駕駛員過街安全影響分析

區別于白天，駕駛員在夜間行車時，有不同視標障礙物識別、道路環境判斷、視神經調節等視覺任務[8].夜間行駛時，駕駛員視線受到影響，妨礙駕駛員對道路信息的及時獲取，影響其駕駛決策的準確性.因此，夜間環境對駕駛員心理、生理，以及駕駛行為均有不同程度的影響.

1) 危險感知能力差，反應時間增大.駕駛員在夜間時對遇到的各種復雜交通狀況的機敏性降低，普遍呈現失誤次數增多的趨勢.研究表明：駕駛員遇到低能見度環境時會更容易緊張，且低能見度環境中危險感知能力、低能見度事故對低能見度環境中失誤行為有間接影響.同時，隨著照度降低，駕駛員反應時間逐漸增大.

2) 夜間能見度低，視距視區不足.駕駛員在夜間行車動視力隨著車速提高而降低，一般情況下比靜視力低10%～40%，動態可視距離隨著相對速度提高而降低.同時，動視力的降低影響駕駛員對于過街行人以及對道路標志、標線的辨認.行車速度越高，駕駛員越注視遠方，視野越窄，注意力隨之引向景象中心而置兩側于不顧.

3) 視覺參照系缺失，障礙物判識困難.夜間行車，雖然有前照燈照明，過街駕駛環境和周圍夜色融合為一體，色差對照相較于白天顯著降低，車輛行駛所需參照系模糊或消失，駕駛員顏色檢測及分辨能力下降，對障礙物判識尺寸精度明顯降低，影響駕駛決策和行車安全.夜間環境對駕駛員過街安全影響見圖1.

綜上，駕駛員行駛在對比度低、色差不足的夜間過街路段時，由于普遍存在的能見度低、參照系缺失等問題，其危險感知能力、顏色尺寸檢測分辨能力降低，動視力下降，反應時間增大，導致駕駛員對障礙物判識困難以及視距視區不足，嚴重影響行車安全.

1.2 改善思路

低照度、單調過街環境下易造成駕駛員視距視區不足、心理緊張、反應時間增大，駕駛員可獲取的道路信息極為有限[8].研究表明，道路環境中高中低頻信息流結合可以滿足駕駛員的速度感、距離感、方向感，提升駕駛員速度距離等感知能力[9].因此，可通過豐富過街路段視覺參照系提高駕駛員危險感知能力，優化駕駛員視距視區來提升行車安全性.

由于在駛近人行橫道時無法正確判識行人位置、速度等信息，駕駛員在緊急狀態下需在變換車道、調整車速、停車等幾種駕駛行為中做出決策，比單純緊急停車需要預留更多的時間和空間.從而此處引入決策視距的概念，決策視距是指駕駛員得以安全變換車道、車速、車向或停止，完成安全駕駛所需的距離，由識別段的認知距離和接近段的行動距離組成，識別段駕駛員需完成發現目標、辨識風險任務，接近段駕駛員依次進行決策、采取和完成動作.

基于此，本文選取決策視距及停車視距作為參照點，提出駕駛員在不同位置的視覺需求：在決策視距之前讓駕駛員明確斑馬線位置，看清潛在障礙物；在停車視距之前讓駕駛員明晰斑馬線輪廓，及時發現過街行人，達到提升視距擴大視區的效果.改善前后評價信息對比見表1.

表1 改善前后評價信息對比

1.3 設計方法

行人過街安全改善設計主要是在過街路段路面、路緣以及斑馬線位置設置多頻率、多尺寸的視覺信息，利用連續性強、夜間顯著性高的反光設施將對比度低、色差不足的視覺環境轉化為視覺參照系豐富的視覺環境，安全改善設計方案效果見圖2，方案信息見表2.

圖2 平面設計圖

表2 城市過街路段安全改善設計方案信息

注：表中設施名稱編號見圖4；按照城市道路限速具體要求(40～60 km/h)確定設施實際布設間隔，雙黃線上警示柱布設長度為設計道路最高限速的停車視距.

2 試驗設計

2.1 試驗原理

受城市過街路段管理等因素的限制，利用3ds Max軟件構建仿真模型，并基于E-prime平臺組織仿真試驗.由于照度條件對駕駛員視覺特性影響較大，且駕駛員識別周邊物體主要受行車速度和目標物狀態的影響，因此試驗以過街行人最危險狀態，即低照度環境單個過街行人靜止為試驗條件，探索夜間不同行車速度條件下，過街環境改善前后駕駛員行車視距視區的變化規律.

考慮到駕駛新手及無相關夜間駕駛經驗的駕駛員很少選擇在夜間出行，為代表駕駛員夜間出行的總體特征，試驗選擇28名具備夜間駕駛經驗的被試(男21人，女7人)，駕駛員年齡在20～50 歲，各年齡段(20～30，>30～40，>40～50)人數分布均勻，正常視力在5.0以上且身體健康狀況良好.

2.2 試驗方法及試驗指標

設計改善前后試驗場景，并將行人模型分別置于當前車道和相鄰車道前方斑馬線上，駕駛員在指定的仿真視頻速度條件下對行人進行視認，采集仿真試驗中視認距離數據.采用視認距離衡量駕駛員的行車視距視區情況，視認距離是指駕駛員發現行人時刻人行橫道與車輛之間的距離.行人位于當前車道和相鄰車道條件下，駕駛員視認距離越長，說明改善設計方案提升視距、擴大視區效果越好.

3 行人視認試驗

3.1 試驗場景設計及試驗流程

設計仿真場景為設計車速為60 km/h的雙向四車道，依據城市道路照明設計標準[10]，定義過街路段環境照度為照度15 lx，仿真視頻速度變化區間為30～80 km/h，間隔為10 km/h.行人視認試驗設計4個試驗場景，記為場景1，2，3，4.場景1，2為改善前的城市過街路段，場景3，4為改善后的城市過街路段，其中場景1，3行人模型位于當前車道前方斑馬線，場景2，4行人模型位于相鄰車道前方斑馬線.

試驗流程為：①試驗開始前，向被試者說明試驗流程，為了盡量使被試按照個人駕駛習慣，不告知其試驗目的，并隨機選擇某一試驗場景，將該場景播放1 min視頻供被試觀看；②播放結束后，給予被試10 s準備時間后開始試驗；③試驗正式開始，播放仿真視頻，起點為斑馬線前300 m，按照預定的速度v勻速行駛，當被試視認出行人時，被試需立即按下計時器(該時刻記為t1)，此時被試仍保持速度v勻速行駛，最后車輛勻速行駛到人行橫道處模擬器記錄時刻(該時刻記為t2)；④計算視認距離S=v(t2-t1)；⑤每完成一個試驗場景，給予被試30 s休息時間；⑥被試者需要分別進行3組試驗，間隔2 min后繼續重復試驗2次；⑦分析試驗數據，取3組試驗均值進行分析整理.

3.2 試驗結果分析

結合張楠楠[11]基于駕駛員視認時間及照度模型得出的不同照度范圍和限速條件下推薦的停車視距，低照度(光照強度為5～25 lx)、道路限速60 km/h情況下停車視距為111.380 m.采集并分析行人視認仿真試驗數據，不同行車速度下改善前后視認距離見表3，視認距離分布見圖3.

由表3及圖3可知，得出主要結論如下：

表3 視認距離

注：視認距離提升程度為改善前后視認距離的差值與改善前視認距離之間的比值.

圖3 視認距離分布

1) 行車視距影響分析 對比分析場景1和場景3的視認距離：場景1和場景3駕駛員視認距離均隨速度增大呈現遞減的趨勢；場景1相比于場景3，駕駛員視認距離受速度變化影響更大，改善前，在試驗行車場景速度為40～80 km/h條件下駕駛員視認距離小于試驗場景的停車視距(111.380 m)，改善后，不同行車速度條件下駕駛員視認距離均得到不同程度的提升，速度值愈大視距提升效果愈顯著，其中行車速度為80 km/h時，駕駛員視認距離提升程度為120.51%，并且改善后不同行車速度條件下駕駛員視認距離均大于停車視距.將改善方案對視認距離進行單因素方差分析，其中，行車速度為自變量，視認距離為因變量，以0.05作為顯著性水平，分析結果見表4.

表4 改善方案對視認距離(場景1，3)的單因素方差分析

結果表明，采用改善設計方案后，駕駛員在不同行車速度條件下視認當前車道前方行人的距離發生顯著性變化，行車視距得到有效提升.

2) 行車視區影響分析 對比分析場景2和場景4的視認距離，行車速度愈高，駕駛員視認出相鄰車道前方斑馬線行人的視認距離愈短，說明改善前后駕駛員視區均隨行車速度增大而不斷變窄，注視點逐漸引向景象中心.場景2相比于場景4，改善后，在試驗行車場景速度為30～80 km/h條件下駕駛員視認距離均得到提升，速度值愈大視距提升效果愈顯著，其中行車速度為80 km/h時，駕駛員視認距離提升程度為127.49%.將改善方案對視認距離進行單因素方差分析，其中，行車速度為自變量，視認距離為因變量，以0.05作為顯著性水平，分析結果見表5.

表5 改善方案對視認距離(場景2，4)的單因素方差分析

結果表明，采用改善設計方案后，駕駛員在不同行車速度條件下視認相鄰車道前方行人的距離發生顯著性變化，行車視區進一步擴大.

4 結 語

1) 駕駛員在行車時有不同視標障礙物識別、道路環境判斷、視神經調節等視覺任務，夜間條件下，由于環境照度低、色差對照減少的現實因素，駕駛員在心理上會更加緊張，在生理上出現反應時間增大、危險感知能力降低的現象.同時，夜間過街路段單調的視覺環境，缺乏足夠的視覺參照系，易導致駕駛員產生視距視區不足、障礙物判識困難的問題.

2) 本文提出的改善設計方案通過豐富過街路段參照系可有效提升行車視距：改善前，在試驗行車場景速度為30～80 km/h條件下，駕駛員視認距離基本小于試驗場景的停車視距，改善后，駕駛員視認距離得到不同程度提升，速度值愈大視認距離提升效果愈顯著，且改善后駕駛員視認距離均大于試驗場景的推薦停車視距.

3) 駕駛員在夜間行車時存在視區隨行車速度增大而不斷變窄、注視點前移和引向景象中心的現象.采用改善設計方案后，在試驗行車場景速度為30～80 km/h條件下，駕駛員可在更遠的距離視認出位于景象周邊(相鄰車道前方斑馬線)的行人，行車視距擴大，夜間過街安全性進一步提升.