城市水下特長隧道中部坡道錯覺改善研究*

倪玉丹 杜志剛

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

0 引 言

受地質條件的影響，城市水下特長隧道縱斷面一般設計為“U”形、“V”形或“W”形[1]，從隧道縱斷面線性可以看出，城市水下特長隧道變坡點較多，長坡線形特征明顯，研究發現城市隧道縱坡坡度變化比速度更易引起駕駛員的緊張情緒，縱坡路段事故率高達50%[2-3].城市水下特長隧道變坡點附近駕駛員除進行常規駕駛任務外，還需要進行后坡朝向判斷進而做出駕駛決策，駕駛負荷急劇增加，連續上下坡路段變坡點附近還可能存在坡道錯覺的視錯覺現象，行車安全存在潛在風險.

國外研究主要集中在通過數學模型研究坡道安全，Miaou[4]通過實地調查數據建立了縱坡坡度與事故數的函數關系表達式，結果指出縱坡坡度減小1%，事故數將減少8%；Silyanov[5]建立了事故率與坡度的直接關系，發現6%的坡度為事故率變化的突變點，當坡度小于6%時事故率增長率較小，坡度大于6%時事故率急劇增加；在坡度判斷的改善研究方面，Oliver等[6]對影響坡度判斷的因素進行了研究，并指出斜坡表面紋理對坡度判斷具有重要影響.Shunsuke等[7]提出在道路兩側設置傾斜立柱矯正坡度感，降低行車速度.而國內主要集中在長下坡路段線性研究，王開陽[8]對國內外高速公路連續下坡路段主動與被動安全對策進行了闡述，提出基于安全等級的長大下坡安全管理辦法.張娟等[9]研究發現駕駛員對下坡的敏感度較低，連續下坡為陡坡加緩坡加陡坡的形式時安全性較低.

目前坡道安全研究主要集中在單一坡道的行車特性及安全改善方面，而未缺少連續坡道變坡點處坡道錯覺對行車安全的影響，本文研究連續坡道變坡點處坡道錯覺形成機理，并基于此提出坡道錯覺改善方法.在城市水下特長隧道連續下坡、連續上坡、上坡接下坡和下坡接上坡這幾種變坡點中，連續上坡和連續下坡危險度最高，駕駛人會對后坡的坡道朝向產生與實際坡道不同的感知，進而錯誤地提速或降速，造成變坡點附近追尾、撞擊等事故.同時連續下坡路段由于“熱衰退”現象，車輛控制難度加大，其危險度更高于連續上坡路段，因此本文以危險度最高的連續下坡為研究對象，分析坡道錯覺影響因素，進而提出相應改善意見.

1 坡道錯覺形成機理分析

1.1 坡道錯覺概念

坡道錯覺即駕駛人在行車過程中由于所處行車環境使坡度感知能力下降，產生與實際坡度不同的感知，見圖1.對于前陡后緩的連續下坡不良組合路段，駕駛人長時間在相同坡度上行駛，坡度感知發生偏差，形成后坡為上坡的坡道錯覺.

圖1 坡道錯覺

依據調查數據分析表明，對于下坡路段，車輛行駛到坡底位置時，一般速度會超過限速值約30%，超速車輛數約占一半，駕駛人對于車輛的控制難度加大.而城市水下特長隧道縱坡參數變化眾多，駕駛人在變坡點附近，由于隧道內空間狹小，側壁景觀單調甚至缺失，缺少合適的視覺參照信息對路面坡度進行準確的判斷，駕駛負荷進一步加劇，極易錯誤的判斷坡度情況，做出錯誤的駕駛操作，不利于隧道行車安全.

1.2 坡道錯覺產生原因

1.2.1隧道內部環境對坡道錯覺的影響

除駕駛員本身的視覺特效和心理特性外，隧道內的道路環境是誘發坡道錯覺的主要原因.人對空間中物體位置方位的感知是通過外部環境所組成的視覺參照系來判斷的.城市水下特長隧道內部環境與開放性道路有明顯差異，其內部視覺環境單一，駕駛員的參照物主要為隧道路面及洞頂燈帶等構成的縱向信息，依據其走向判斷自身所處空間狀態.而隧道內部缺乏橫向的視覺參照，駕駛人視線和坡道長期保持平行，參照物由水平面變為傾斜地面，由于知覺恒常性，其視覺參照系逐漸發生改變，駕駛員對外界的認知發生誤判，從而感知到后坡由下坡變為上坡，見圖2.

圖2 駕駛員視覺參照系旋轉示意圖

1.2.2隧道線形對坡道錯覺的影響

道路線形引起的坡道錯覺是由于不良道路設計和不良的組合形式，城市水下特長隧道連續坡道眾多，其坡度、坡長，以及豎曲線形式的不同，也會對坡道錯覺產生影響，導致駕駛人視覺誤判.前后坡的坡度差為變坡點處主要的變化因素，研究表明，駕駛員而對于坡度差的敏感度遠高于坡度[11]，而多大的坡度差會引起坡道錯覺國內外的規范中并沒有相關規定，僅規定線形平順及縱坡值.因此，本文以連續下坡路段作為研究對象，試圖探究坡度差對坡道錯覺的影響.

2 坡度差對坡道錯覺的影響分析

2.1 實驗場景設計

根據文獻[12]可知，設計速度≤60 km/h時，行車道寬3.25 m，檢修道寬0.75 m，路緣帶寬0.25 m，隧道限高4.5 m.根文獻[13]可知，隧道中間段采用基本照明，保證亮度1.0 cd/m2以上.由于LED燈具有能耗低、高光效、長壽命、易配光、智能調控等優點，且因為城市水下特長隧道位于城市中心，為營造一個舒適、美觀、安全的行車環境及目前運營對節能較高的需求，采用LED作為隧道照明的主光源.選取前坡為5%，后坡坡度分別為0，1%，2%，2.5%，3%，4%的6組連續下坡路段，行車速度60 km/h，模型見圖3.

圖3 不同坡度差連續下坡路段試驗場景

2.2 實驗過程

挑選30名被試(21男、9女，平均年齡23.3歲，標準誤差1.72)參與實驗，所有被試校正后均視力正常.實驗場景共有6組，一組水平條件和五組坡度條件.實驗開始前為被試調試模擬器及軟件平臺，告知被試實驗流程，在計算機上通過E-prime軟件播放仿真視頻，要求被試專注目光集中在道路前方，實驗指標：①在視頻播放19.5 s(距變坡點75 m，研究表明駕駛員在隧道內光照環境為1 cd/m2、速度為60 km/h時其視認距離為75 m)時通過提示音提示被試對后坡走向(上坡、下坡或平路)做出判斷；②播放實驗視頻，要求被試在感知到后坡實際朝向時進行按鍵操作(上坡或非上坡)，E-prime軟件自行記錄反應時間.兩次實驗隨機進行，無固定順序，被試進行一次實驗后休息一輪再進行第二次實驗.

2.3 實驗結果分析

實驗結果見表1.

表1 不同坡度條件下后坡走向判斷結果

實驗結果表明，城市水下特長隧道變坡點處坡道錯覺與前后坡的坡度差有關.在前陡后緩的連續下坡組合路段，坡差為1%時坡道錯覺不明顯，但部分駕駛人認為自己行駛在平路上，說明長時間在坡道上行駛駕駛員坡度感知能力減弱，視覺感知開始發生誤判；前后坡差達到2%時坡道錯覺開始產生，即將后坡的下坡判斷為上坡；當前后坡差達到2.5%以上時坡道錯覺非常明顯，并隨著坡差的逐漸增大而加劇.

通過對比駕駛人察覺到后坡實際朝向的反應時間和距離變坡點的距離可以發現，坡度差小于1%時駕駛人對于后坡朝向的判斷平均反應時間為1.53 s,距變坡點49.5 m，能夠保證有充足的操作時間以做出正確的駕駛決策；在坡度差超過2%后駕駛員反應時間增長1.96 s，距變坡點前42.33 m處才能辨別后坡朝向，隨著坡差的逐漸減小，駕駛人對后坡朝向的反應時間逐漸減小，距變坡點的距離逐漸縮短，當前后坡差達到4%時，駕駛員到距變坡點17.33 m處才能對后坡朝向做出準確判斷，應變操作時間極其短暫，不能保證駕駛員在變坡點處做出正確的決策和操作，變坡點處行車安全存在極大隱患.

3 改善研究與實驗驗證

3.1 坡道錯覺改善設計

由于城市道路限速比公路低，照明環境相對公路隧道更好，城市隧道管理者和使用者認為城市隧道危險性遠低于公路隧道，基本不會對駕駛人產生影響.因此該路段管控措施幾乎未見，嚴重缺乏對駕駛人的行車引導和安全提醒，且在駕駛人行車過程中逐漸變化的隧道壁高度、逐漸變窄的駕駛空間以及有限的視距等，這些環境因素在一定程度上將會加劇坡度對駕駛人的影響，導致駕駛人的行為和心理特性發生很大變化.同時，由于隧道內橫向參照信息缺失，駕駛人坡度感知能力減弱，進一步增加事故發生的危險性.

結合變坡點處坡道錯覺形成機理，可以在調節坡度感知的因素列表中加入橫向參照信息.駕駛員在變坡點前坡行駛時，視點上移，視覺感知上延伸了視野范圍內的后坡長度，從而對后坡坡度產生高估，橫向信息的設置可以壓縮坡長，使視覺向橫向延展，降低坡度判斷誤差，緩解坡道錯覺.改善方案見圖4，深色瀝青5 m，以50 m一道設置在變坡點前后，共設置八道.

圖4 路面條紋方案圖

隧道內視覺環境單一，缺乏視覺參照系所需的空間參照信息，坡道上駕駛員視覺參照系發生旋轉而造成坡度感知發生偏差.而隧道環境與開放式道路空間不同，可以利用隧道密閉環境，沿隧道側壁設置LED燈帶，通過隧道頂部逐漸向下延伸的空間感，強化變坡點處坡度感，矯正坡道錯覺.改善方案見圖5，LED燈帶燈體半徑為0.1 m，以50 m距離設置在變坡點前后的側壁及頂部，共設置6道.

圖5 LED燈帶方案圖

3.2 實驗驗證

3.2.1實驗場景設計

實驗設計應該以最不利條件進行方案有效性檢驗，以最大化檢驗改善方案的優化效果，故以坡道錯覺最明顯的連續下坡路段，即前坡5%、后坡1%的組合路段為例對改善方案進行實驗驗證.利用3DMAX仿真軟件以1∶1的比例搭建仿真模型，見圖6.實驗方法同前，以后坡坡度朝向判斷和反應時間為實驗指標，評價改善方案對駕駛員在變坡點坡道錯覺的改善效果.

3.2.2實驗結果分析

實驗結果見表2.

圖6 城市水下特長隧道坡道錯覺改善方案實驗場景

表2 城市水下特長隧道坡道錯覺改善方案實驗結果

對3組坡道錯覺改善方案及原始狀態結果進行對比分析發現，在前后坡差為4%的連續下坡路段：①實驗場景b)中駕駛員的后坡朝向判斷準確性為0，但坡度感知矯正程度達到16.67%，反應時間無明顯變化，說明在變坡點前后設置路面條紋橫向信息對于坡道錯覺具有一定改善效果，但效果不明顯；②實驗場景c)中駕駛員對于后坡朝向判斷準確性提升6.67%，同時坡度感知矯正60%，仍有40%駕駛人對于后坡朝向判斷存在錯覺，同時反應時間減少0.56 s，表明在后坡設置LED燈帶可一定程度上改善變坡點處坡道錯覺效應，說明LED燈帶的視覺誘導性及空間感可以強化變坡點處的坡度感；③組合方案對于變坡點坡道錯覺改善效果最佳，后坡朝向準確性達到26.67%，坡度矯正93.33%，反應時間減少1.42 s,表明空間信息加上橫向參考信息的組合方式能夠最大程度上加強駕駛員的坡度感知能力，建議對存在坡道錯覺的城市水下特長隧道變坡點可采取路面條紋與LED燈帶的組合方案進行改善設計.

4 結 論

1) 城市水下特長隧道坡道錯覺的產生與隧道內部環境有關，由于長時間在同一坡度的坡道上行駛，駕駛員視覺參照系發生旋轉而導致對后坡朝向產生誤判.

2) 城市水下特長隧道變坡點處坡道錯覺同時也與道路線形有關，主要因素為前后破的坡度差，以連續下坡路段為例，前后坡差達到2%時坡道錯覺開始產生，前后坡差2.5%以上坡道錯覺明顯.

3) 推薦在城市水下特長隧道變坡點處設置地面條紋和LED燈帶的組合方案，被試對于后坡朝向判斷準確性和坡道錯覺矯正程度均得到較大幅度的提高，同時反應時間減小，說明空間信息與橫向參考的組合信息對于坡道錯覺具有較好的改善效果.

本文對城市水下特長隧道變坡點處坡道錯覺的改善研究中的交通設施的設置間距僅選用常規的間距值，未對不同的設置間距進行研究，這也是之后研究的重點.