基于驾驶员错视觉的振动减速带优化设计＊

杜志刚郑展骥 王自入

（武汉理工大学交通学院1） 武汉 430063） （武汉理工大学智能交通系统研究中心2） 武汉 430063）

设置振动减速带是减少公路超速的最常见也是最为有效的方法之一.目前，减速带一般有如下几种形式：常见普通橡胶减速带、道钉减速带、热塑振动减速带、路面凹形槽减速带以及最新出现的三维视觉减速带.

普通的减速带能使车辆减速到预先设定的速度，有较好的强制性，但是车辆经过时振动程度随车速的增加而迅速增大，严重影响驾驶员的舒适性，并且大型车辆经过时引起的振动和噪声对周边建筑和居民也有一定的干扰.因此需要采取措施，在达到前进方向减速效果的同时，减少竖向振动的不舒适性，并减少噪声.三维视觉减速带是利用错视觉使驾驶员误认为它是个立体实物障碍（实际上是由特殊材料涂设在路面上的各种平面图形），因而没有普通减速带的缺点，但是当驾驶员熟悉后就会按照自己的驾驶习惯去行驶，不受三维视觉减速带的影响，也导致其减速效果迅速降低.

目前已应用的各种减速带各有优缺点，因此很有必要将振动减速带与错视觉减速带的优点结合起来，以达到主动控速与被动控速相结合，发挥减速设施的最大功效.

1 常规减速带的比选

常见减速带的截面形式有圆弧形和抛物线与圆弧相切形，见图1、图2.

图1 圆弧形减速带

图2 抛物线－圆弧形减速带

振动减速带设计原理是：当车辆驶入减速带时，会产生一定的振动，使驾驶员能够自觉的降低车速，达到减速的目的.同时，车辆驶离减速带时，能给车辆一定的缓冲，减少产生的振动和噪音，因此在原有的减速带截面形式下选择一个振动最小的截面形式.

减速带横截面高宽比宜控制在0.06～0.1之间［1］.减速带的宽度与控制车速成正比，高度与控制车速成反比，在低速范围内（小于40km／h），车辆通过宽度较小（小于400 mm）的减速带时，其平顺性较差.同时考虑一般减速带的尺寸，因此为了保证在较低速度（小于40km／h）下的平顺性，选择减速带的宽度为600mm，高度为50mm［2］.

1.1 对抛物线和圆弧相切减速带截面形式进行建模

设抛物线与圆弧相切于点（x0，y0），车轮半径为R，减速带宽度为D＝2l，高度为h，取圆弧半径为r，则有如下方程组

对汽车匀速通过减速带时轮轴的运动进行分析.轮轴的运动轨迹分为3段，中间一段为一段圆弧，2边均为抛物线，设右边抛物线为：（x－l）2＝2py.

已知过点（x1，y1），且有

通过上述关系可求解抛物线的轨迹方程

因此可得汽车通过整个减速带时的运动轨迹方程为

将其求对t的二阶导数，可得对应上述3段时间的轮轴加速度

1.2 对截面形式为圆弧形的减速带进行建模

当轮胎从圆弧上面滚过时，轮轴的运动轨迹为——以圆弧的圆心为圆心，以r1＋R 为半径的圆弧，轨迹方程为 x2＋（y＋r－h）＝（r1＋R）2.

参数方程为

式中：

将参数方程对t求其二阶导数可得轮轴的加速度

1.3 用MATLAB画出速度函数图象并分析

取R＝32cm，r1＝55cm，l＝30cm，v＝40 km／h＝1111cm／s，代入方程组（5）、（7）计算并用MATLAB绘出图3和图4.

图3 圆弧形时汽车通过时的竖直方向加速度

图4 抛物线与圆弧相切形式汽车通过时的竖直方向加速度

驾驶员对竖向加速度比前进方向更为敏感，因此选取竖向加速度为研究对象，分析评价驾驶舒适性［3］.竖直方向的加速度a变化过大，驾驶员会感觉不舒服，且容易造成车祸，对道路的损坏也比较大.通过图3和图4比较，可以看出2个模型中的加速度变化范围：圆弧模型a＝－1.5－（－2.6）＝1.1cm／s2大于相切抛物线模型a＝－1.5－（－1.75）＝0.25cm／s2，故选择抛物线和圆弧相切的截面形状.

综上所述，减速带截面形式为抛物线和圆弧相切的形式能够使车辆通过时有较好的舒适性，且宽度为600mm，高度为50mm 的尺寸形式符合在车辆在较低速度下通过时有较好的平顺性，在较高速度下有较大的振动的条件范围.

2 减速带的色彩设计

常规减速带的设计颜色为黄黑相间，这种颜色设计在白天和晚上都能有较好的视觉效果，车辆在较远的距离就能看见减速带的存在.这是由于黄色的明度大且对比度比较强，将黄和黑两者放在一起形成鲜明的对比，使得黄色更加亮，发生色膨胀.王超等人的研究表明，驾驶员坐在车里能发现前方50 m 的障碍物，驾驶员发现驼峰式减速带后对车辆速度的影响在减速带前30m 左右的范围，驾驶员在发现减速带后并没有立即减速，而是到减速带30m 左右才开始减速，特别是通过最后10m 的距离时速度的变化值最大［4］.

因此将色彩错觉用于减速带上，驾驶员需至少能在50m 外发现彩色减速带；同时，可以借鉴黄黑搭配和色膨胀原理，使驾驶员产生错觉——减速带比实际要高或是通过时振动更强烈，以达到减速效果.综合考虑，运用黄，蓝，黑（按颜色的面积大小排列）3种颜色，下面具体分析不同颜色的作用与效果［5－6］.

运用黄色，可以产生2方面的效果：（1）“缩短”减速带和驾驶员的距离.从心理学角度来讲，黄色是前进色.两个同样距离的黄色和黑色物体，其中黄色的能使人觉得它距离人更近一些；（2）“增大”减速带三维尺寸.黄色属于暖色，看上去生动突出.因此，减速带表面涂成黄色可以增加它的空间立体感，从视觉角度感觉比实际要大.

蓝色在减速带上的应用，是考虑到系统决定物体相对高度时，阴影能够起到重要作用，同时蓝色作为冷色系，为后退色，与黄色对比可以产生一种立体效果，使曲线形的减速带产生一种立方体的感觉.

黑色是为了起衬托作用，能使黄色和蓝色更为突出.

综上所述，经过多次色彩搭配比选之后，最终确定如图5的配色方案，图6为彩色减速带条纹图尺寸说明.

图5 最终配色方案

图6 彩色减速带条纹图及尺寸说明

减速带的一个单元体的长度为60cm.根据色膨胀原理，黄色在黑色的包围下会显出膨胀，且黑色要有足够的面积与黄色对比，黄色才能有较强的亮度.因此，黄色的面积要大与黑色的面积.

黑线可作为纹理，起防滑的作用，同时也为了体现出图形的立体感——黄色部分为一个类似凸起的球体形状，下半部分可以起到这样的效果：（1）从图7a）角度看，如同贴在地面上；（2）从图7b）角度看，如同直立的版块，使驾驶员产生错觉——整个减速带就像是一块凸起的砖头，会产生强烈的凹凸感.

图7 彩色减速带俯视图

为了使彩色减速带在夜晚条件下也能有较好的可见性，黑色部分可用高强反光材料，使黑色部分在白天有光时为黑色，在夜晚时为白色，在较远距离也能看到有障碍物的存在.这样就可以尽可能的节省特殊材料的面积，使造价更加经济.

3 实验及分析

本实验的计算机模型用3DStudio Max软件建立.设置驾驶员视高为1.2m，视角为100°.

3.1 实验一，测试驾驶员在50m 的距离处能否清晰的观察到彩色减速带

实验方法是将镜头（人眼）推移到距离减速带50m 处静止观察.

实验结果：同样距离下，彩色减速带和常见的黄黑相间的减速带的可见度相差不大.同时，彩色减速带还能使驾驶员感觉距离减速带更近.

3.2 实验二，研究不同人员对彩色减速带的描述和心理感觉

具体方法是将镜头推移至减速带20m 处静止，并做问卷进行调查.问卷可以借鉴景观评价中的SD法［7］，即列举几个涉及到减速带的形容词，让被访者打分，先让被访者观察常规减速带打分，再观察彩色减速带打分.比较出他们对不同减速带的心理感觉.受访者分为4组，分别为有驾驶经历的男，有驾驶经历的女，无驾驶经历的男，无驾驶经历的女，每组5个人，要求视力良好（矫正后视力＞5.0），且均无色弱.实验前被试均未被告知实验目的.经过问卷调查，统计分析得出图8所示的曲线图.

图8 SD 法数据折线图

通过对三维视觉减速的作用机理和上述几组形容词的因子分析可知，要使减速带的视觉减速效果最好，必须使驾驶员从远处感受到不安全感，立体感强烈，舒适感和平稳感差，并且在远距离彩色减速带与普通的黄黑减速带的可见性相差不大，即色彩鲜明感，清晰度基本一致.由上折线图可知，彩色减速带的“安全感”要比普通减速带的低0.75分，“立体感”比普通减速带高1.35分，驾驶员预期的舒适感要比普通减速带低0.55分，预期的平稳感要低1.8分，而色彩鲜明感，清晰度则基本一致，相差不大.

由上述分析可知，彩色减速带能给人强烈的立体感和不安全感，从而迫使驾驶员在20 m 的范围内减速，从而避免了在最后10 m 车辆速度值有较大的变化.

4 结束语

彩色减速带的作用机理是——早发现，驾驶员能在与发现常规减速带的同样距离处发现彩色减速带；早减速，通过使用色彩搭配使彩色减速带具有强烈错视觉效果，让驾驶员在20 m 的距离处提早减速；时效性好，通过建模分析和研究表明，该彩色减速带的尺寸能使驾驶员在受错视觉刺激后主动减速通过该装置时减少车辆的振动，有较好的舒适性，而没有主动减速驾驶员则会产生较大的振动，从而迫使车辆达到减速效果.

同三维视觉减速带相比，彩色橡胶减速带具主动与被动相结合，视觉与振动知觉相结合，使设施达到最大功效的优点.另外，由于普通三维减速带没有反光效果，夜间或照明情况不良时，难以引起驾驶员注意，从而容易引发交通意外.而彩色减速带利用了错视觉原理，但是没有完全放弃它本身的高度，因此在夜间或照明情况不良好时也能正常使用.

［1］张 炜，魏 朗，余 强.道路减速带对车辆平顺性和安全性的影响［J］.长安大学学报，2008，28（4）：95－98.

［2］王 超，史 扬，陈永胜.公路设置驼峰减速带的实际效用研究［J］.山西建筑，2009（1）：287－288.

［3］杜志刚，潘晓东，邱 超.山区公路桥头行车安全评价指标及改善研究［J］.安徽理工大学学报：自然科学版，2007，27（2）：18－20.

［4］郭凤香，熊 坚，刘洪启，等.隧道中央隔离设施安全效果的模拟评价研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2011，35（4）：723－728.

［5］商 蕾.基于视景仿真的船舶驾驶舱人机工程设计评价研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2011，35（4）：841－845.

［6］蒋 巍.视觉指定错视在视觉传达设计中的应用［D］.西安：西安理工大学，2007.

［7］简 兴，苗永美.语义差别法（SD）在风景区自然景观评价中的应用：以安徽省凤阳县禅窟寺景区为例［J］.资源开发与市场，200824（11）：988－990.