面向色觉异常人群的机动车信号灯设计研究

范腾飞 蒋阳升 范文博

西南交通大学，交通运输与物流学院，成都 610063

1 研究背景

色觉异常是指无法正确感知、区分部分或全部颜色的缺陷，又称色觉辨认障碍。其中，红绿色辨认障碍较为常见，严重者称为色盲，而对颜色辨别差则称为色弱。目前，男性色觉异常在我国的发生率4.71±0.074%、女性为0.67±0.036 %[1]。按此数据估计，我国色觉异常患者约有6000 万人。根据我国《机动车驾驶证申领和使用规定》，红绿色盲者不能获取机动车驾驶执照，而对色弱者则并无明确规定[2]。是否为红绿色盲，现行的做法通常是采用俞自萍色盲检查本来判定。这一方法主观性较大，不能定量测定，可能出现漏判或误判[3]。此外，在一些中小城市，存在一些违规获取驾照现象[4]。这都导致了部分色盲者流入机动车驾驶人群。色弱者虽有可能获取机动车驾驶证，但其色彩辨认能力受实际交通环境显著影响。在路况复杂、背景光源干扰、光线强弱变化或空气透视不良等情形下，色弱驾驶者可能存在识别信号的困难。保守估计，我国色觉异常驾驶人员约占总驾驶员数的 1%，其中红绿色盲者约占0.1%。这比例在中小城市可能更高。

实际上，色觉异常驾驶者虽然有信号颜色辨识困难，但也并非完全无法获得信号信息。按照《道路交通信号灯设置与安装规范》规定，我国机动车信号灯的安装标准是红黄绿灯从左到右排列，或者按此顺序从上到下排列为垂直信号灯[5]。因此，色觉异常者可以通过亮灯信号的排列位置来获取交通信号。然而，实际情况比较复杂，许多城市的交通信号灯安装设置并不规范，有时还采取单光源来表示红黄绿交通信号。即便是标准信号设备，在一些情况下（如夜间、雨雪天、雾天或扬尘），也很难采用位置来辨别交通信号。以上困难，可能导致色觉异常驾驶人员误判交通信号，产生较大的安全隐患。

目前，国内外针对色觉异常人群的交通信号灯设计解决方案可分为3 种：（1）标准化的信号灯排列和信号显示模式，使色觉异常者通过信号灯显示位置判断信号[6]；（2）改变原有交通信号灯的形状，如加拿大的一些省份将红色信号灯改为方形，黄色信号灯改为菱形，绿色信号灯保持圆形不变；（3）改变原有信号灯的颜色，如用琥珀色代替黄色或向绿灯中加入一些蓝[7]。美国绝大多数地区使用橙红色作为“停止或等待”的信号灯颜色，浅蓝色作为“通行”的信号灯颜色。第1 种解决方案为美国交通控制设施设计手册（Manual of Uniform Traffic Control Device,MUTCD）的标准，也是世界上绝大多数国家的交通信号设计标准。其优点是简单易行，缺点是色觉异常者仅通过信号灯显示位置判断信号存在安全隐患，且不适用于单灯源信号。第2、3 种解决方案都需要进行信号设备改造。其中，第2 种方案会造成光输出的变化，影响可视距离[6]。第3 种方案需对现有信号设备进行改造，添加色比例控制要求较高，成本较高，对正常人识别信号灯也会一定造成影响。

因此，本文提出一种新的解决方案，在现有信号灯的基础上增加辅助灯，通过颜色组合、形状对比和位置设置来辅助色觉异常者辨别交通信号，提高不良可视环境下信号的可辨识度。

2 设计目标与原理

2.1 设计目标

在机动车信号灯配色及组合方式的设计上寻求一种较经济可行的解决方案，实现以下几个目标：

（1）尽量减少对正常人识别机动车信号灯的影响，避免对原有信号灯的形状或颜色进行更改。

（2）辅助色觉异常驾驶者辨识机动车信号灯。利用色盲人群可识别的颜色，结合信号组合，使色觉异常人群能够准确的判断交通信号灯。

（3）在不良可视环境下提高信号灯的可辨识度。通过增加光源、增强颜色和形状对比等多种途径，强化安全系数，消除交通隐患。

（4）节省成本。尽量减少对现有设施的物理改造，避免人力、物力、财力上的浪费，提高成本效益。

2.2 设计原理

任何人包括色觉异常者均能感知色彩亮度的变化，甚至色觉异常者要比正常人更为敏感。从色彩模型的空间立体角度分析，并基于面向色盲人群的 RBG 色彩模型[8]，本文针对机动车信号灯的配色，利用Color Schemer Studio 软件模拟色觉异常者所见光谱和设计比较不同的配色方案，求出效果最佳的一组作为辅助信号灯的配色方案。通过辅助灯与原有信号灯的组合，效果达到预期的设计目标。

3 设计方案

根据色觉异常者的生理特征[1,9-11]，选取靠近色觉异常者所见光谱中所见亮点位置的RGB 值。通过Color Schemer Studio 软件模拟色觉异常者所见光谱图如图1 所示。在红色光范围中选取R=255，G=219，B=0 的颜色（A1）作为红色信号灯对应辅助灯颜色，该颜色与红绿色盲眼中的绿色较为接近，因而需要对其进行调整，调整为R=255，G=135，B=0 的颜色（A2）作为色觉异常者的停止信号颜色（见表1）。

图1 可见光谱Fig.1 Visible spectrum

表1 不同视觉异常对比Tab.1 Comparison among different color-vision deficiencies

根据色觉异常者的生理特征，通过 Color Schemer Studio 软件模拟色觉异常者所见光谱图，使用白色光作为第二种颜色。由于空气污染或天气恶劣等原因，白色光会向橙黄色偏移，与前一种R=255，G=135，B=0 的颜色（A2）相接近，同时，色觉异常者容易将绿色与白色相混淆，因此，选取R=190，G=190，B=190 的颜色（B1）作为黄色信号灯对应辅助灯颜色。该颜色R、G、B 值相等，为灰色。为区别于已选颜色及原信号灯颜色，考虑在蓝色光与绿色光之间范围内选择第三种颜色。通过Color Schemer Studio 软件模拟色觉异常者所见光谱图，选取R=0，G=140，B=255 的颜色（C1）作为第三种辅助灯颜色。该颜色具有较高的亮度，并将该颜色作为色觉异常者的通行信号颜色（见表1）。在Color Schemer Studio 中对选出的三种颜色与原有信号灯颜色进行模拟对比分析，确定方案在正常人及色觉异常者的视觉感受中不会相互影响。方案选用更节能、寿命更长的LED 光源，但鉴于LED光源难以实现灰色（B1）[12-14]，方案决定取消黄色信号灯对应的辅助灯。初步选定两种辅助灯的颜色（A2 和C1）与原有信号灯进行组合。

图2 信号灯组合状态Fig.2 Combination of the signal lights

为了更易区分，辅助灯选用矩形设计以增加与现有交通信号灯的对比效果。辅助信号灯的同步显示可通过接入现有控制电路来实现[15]。图 2 基于GB14887 的设计标准[16]，给出直径300 mm 的机动车交通信号灯横排、竖排及单灯源信号灯的组合设计方案。其他形式的交通信号灯可根据情况调整安装位置或形式。其中，建议辅助灯尺寸为 300 mm×100 mm，与信号灯圆心距离为250 mm～350 mm 为宜。图3 仍以直径300 mm 横排交通信号灯为例，它给出信号的显示方式示意。当红色信号灯亮起时，下方的长方形信号灯同时亮起。其他两种状况与此类似。

图3 信号灯显示模式Fig.3 Display modes of the signal lights

4 模拟实验与成本比较

4.1 模拟实验

为了验证方案效果，在3ds Max 软件中建立机动车信号灯模型并赋予相应材质及颜色，模仿自然状态下道路交通场景（见图4），渲染效果图并使用Vischeck 软件将得到的效果图进行验证。

图4 场景模拟Fig.4 Scene simulation

经过验证发现，在绿色盲模式下，R=255，G=135，B=0 的颜色（A2）较暗，调整为R=255，G=160，B=0 的颜色（A3）。重新验证，得到了较好的改善效果。随后，选择50 名视觉正常的成人进行模拟信号灯的识别测试。模拟城市交叉口，观察点距离交叉口信号灯 30 m 处的场景（显示比例1:50）。测试者双眼距离屏幕60 cm，屏幕上显示单个信号灯的直径为 6 mm，信号灯相位随机显示。测试时，为避免测试者生理和心理疲劳，每隔 5 s测试一次，每完成50 次休息5～10 min，每人共测试200 次。测试结果统计见表2。

在未改变原有交通信号灯，不影响正常人的视觉习惯的前提下，色觉异常人群能够通过信号光源颜色组合，形状对比及位置设置三个方面判断交通信号灯，识别时间和识别正确率均有较大提升。

于是，方案确定了色觉异常者的两种交通基色（A3、C1），并分别作为红色信号灯对应的辅助灯色和绿色信号灯对应的辅助灯色。将这两种颜色的单色光辅助灯与原有信号灯进行组合得到新的交通信号灯设计方案（见表3）。

表2 测试结果Tab.2 Test results

表3 方案效果模拟Tab.3 Simulation of the proposed designs

4.2 成本比较

许多小型交叉口采用的单灯源信号灯。如果采用换装原有信号灯的方案（如前文介绍的方案2 和方案3），所耗费的资金将是采用本方案设计的3 倍左右。

方案设计的单个辅助灯发光二极管的数量约为正常单个信号灯的一半，一个灯组只需两个辅助灯，而单光源信号灯则只需安装一个辅助灯即可。以成都市为例，绕城高速公路以内的主要交通路口有800多个，每个路口的机动车信号灯平均为4.5 个，另有

5 结束语

为了辅助色觉异常人群辨识信号灯信息，本文根据我国的信号灯设计规范，设计了辅助灯源并进行了模拟实验。实验结果显示：由于色觉异常者对于颜色差别、颜色饱和度的辨别强于正常人，本设计方案对于大多数的色觉异常值是有效的、可识别度较好。此外，本设计方案不需要对现有信号设备进行更换，经济可行性较好。综合而言，本设计方案在现有技术条件下具有较好的应用前景，有助于提高道路交通安全水平。接下来，应进行小规模的现场实验，检验本方案的实际效果。在条件成熟时，可参考美国交通设施设计规范（仅要求商业司机非红黄绿色盲）[5]，补充完善我国的相关规范，使得色觉异常者（包括红绿色盲者）合法地申请驾照。

[1]俞自萍，曹 愈，曹 凯.色盲检查图[M].北京：人民卫生出版社，2006：1-24.

[2]公安部第111 号令.机动车驾驶证申领和使用规定[S].中华人民共和国公安部，2010.

[3]俞如旺，包 磊.计算机色觉检测系统的设计与实现[J].福建轻纺，2008，(10)：10-13.

[4]王莉莉.驾驶员体检中视力和辨色力存在的问题[J].右江民族医学院学报，2010，32(2)：214-215.

[5]GB 14886-2006.道路交通信号灯设置与安装规范[S].

[6]U.S.Department of Transportation Federal Highway Administrator.DOT FED MUTCD 2009 REV 1 and 2,manual on uniform traffic control devices 2009 edition[S].USA.

[7]Joint Industry and Traffic Engineering Council Committee.Vehicle traffic control signal headslight emitting diode(LED)circular signal supplement[Z].USA:Institute of Transportation Engineers,2004.

[8]谢来发.美国道路交通标志标线[S].北京：人民交通出版社，2009.

[9]王 宁，余隋怀，苟秉宸，宫兴亮.面向色盲人群的计算机辅助色彩设计技术研究[J].科学技术与工程，2007，7(12)：2880-2884.

[10]GB/T 8417-2003.灯光信号颜色[S].

[11]马洪久.色盲的成因及对色盲特征分析[J].中华现代眼耳鼻喉科杂志，2006，3(2)：122-124.

[12]张宪荣，张 萱.设计色彩学[M].北京：化学工业出版社，2003.

[13]王军华.LED 道路交通信号灯的应用及标准化[J].中国照明，2007，(5)：104-111.

[14]卢友祥.超高亮度LED 的发展与应用[J].光电技术，2006，47(3)：6-9.

[15]李春茂.单色光LED 及其应用研究[J].高科技与产业化，2009，(2)：105-107.

[16]周蔚吾.道路交通信号灯控制设置技术手册[M].北京：知识产权出版社，2008，11.