高速公路隧道内视错觉减速标线优化设计*

史晓花　杜志刚　郑展骥　吴超仲

(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)



高速公路隧道内视错觉减速标线优化设计*

史晓花1)杜志刚1)郑展骥1)吴超仲2)

(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)

摘要：通过对隧道侧墙设置高频(8～12 Hz)低频(0.2～4 Hz)视觉组合标线，重构驾驶员的视觉参照系，有效地提高隧道内的减速效果，并利用3ds Max软件制作公路隧道仿真场景，采用E-prime2.0软件对设置单一频率和高低频组合视觉信息进行心理物理学实验.实验结果表明：多频率组合信息使驾驶员对速度的感知产生高估，其中驾驶员对速度高估程度在高频(12 Hz)和低频(0.2 Hz)相组合的视觉信息下最为合理，为8.21%，且驾驶员的反应时最短(2.09 s).据此建立行车安全模型，计算得出隧道内车辆安全距离最短为67 m，与传统的行车安全距离90 m相比减小25.6%，更有利于行车安全.

关键词：交通安全；公路隧道中部；视觉信息；反应时；安全距离

史晓花(1986- )：女，硕士生，主要研究领域为交通安全

*国家自然科学基金项目(批准号：51578433)、“十二五”国家科技支撑计划项目(批准号：2014BAG01B03)资助

0引言

统计数据表明：公路隧道交通事故中，超过60%是由驾驶员超速行为引起的，事故多发生于隧道内，其中70%的超速行为是由速度错觉引起.

Denton[1]在英国环行交叉口应用减速标线，其设置了间距逐渐减小的横向标线使驾驶人产生速度高估进而降低车速，统计数据表明，采取该措施后平均车速降低了23%，速度差则降低了37%.陈昌武等[2]的研究表明隧道内对比度的降低和低边缘率导致了驾驶员对车速产生低估效应，从而使隧道内车速实际值高于驾驶员的期望值.朱顺应等[3]的研究表明时间频率适当时，宜着重考虑通过横纵比、虚实比和角度的变化增强路面边缘率标线的减速效果.刘兵[4]的研究表明当边缘率约为2 Hz时，驾驶员并未表现出速度高估效应；边缘率在4～16 Hz时，实验者对速度产生了高估，且随着边缘率密度的增大,高估效应逐渐递增，但边缘率密度在8～16 Hz时，驾驶员速度感知差异较小.

这些研究缺乏对不同频率及其组合对于驾驶员的控速效果的定量分析，本文采用E-prime2.0软件分别测量隧道内单一频率和组合频率标线的主观等同速度和反应时，对比分析得出减速效果最优的设计方案.

1改善原理与方法

1.1改善原理

边缘率是单位时间内穿过观察者视野边缘或间断的数目.刘兵等[5]研究表明长度的减小能够显著增强边缘率标线减速效果，当边缘率标线长度分别取1.5,1和0.5 m时，平均车速与铺设前相比分别降低5.0%,7.1%和8.8%.

边缘率可以提高视知觉对真实速度的高估，车辆在高速行驶时，驾驶员的视野成狭窄的圆锥形，驾驶员是通过视觉的边缘率的变化来感知车速.因此，可通过驾驶员的视觉边缘率变化来控制车速、车辆碰撞和弥补驾驶员对车速的适应性缺陷.本文采用的是设置侧墙立面标线的高频信息和侧墙轮廓标的中频信息，丰富驾驶员的视觉信息，提高驾驶员对速度的感知能力，最终达到控速的目的.为使本文研究尽可能避免照度因素的影响，因此，本文采取100%照度标准，灯具为80 W高压钠灯，进行双侧对称布灯，灯距10 m.

1.2设计方法

本文采用3dsMax2012软件设计行车视频，制作出高速公路隧道内改善前后视频，模拟高速公路隧道行车场景.通过心理物理软件E-prime2.0对实验进行验证并收集数据，采用反应时指标来度量本文改善方法对驾驶员速度感知的影响.

实验场景分为标准实验场景和对比实验场景.依据文献[6]的规定，高速公路隧道应设计为上、下分离式独立双洞，对比实验场景为隧道中部行车模型，具体工程尺寸见表1.

表1　公路隧道建筑限界横断面组成最小宽度

本文采用8 Hz、12 Hz的频率作为高频信息，采用0.2 Hz、0.4 Hz、0.6 Hz的频率作为低频信息，高频和低频时的标线间隔为

(1)

设计车速v取80 km/h，因此，侧墙立面标记线的间隔分别为2.78,1.85 m，侧墙轮廓标的间隔分别为111.11,55.56,37.04 m.

本文采用高频与中频相结合的设计方案对隧道中部已有设施进行设计，具体设计见表2.

表2　隧道中部改善设计表

具体设计图见图1～2.

图1　平面图

图2　侧面图

为了得出单一频率以及组合频率对驾驶员的速度感知影响，本文首先将单一频率设计5组实验，即低频(0.2，0.4，0.6 Hz)信息和高频(8，12 Hz)信息的对比实验场景分别与标准实验场景作对比，将组合频率设计6组实验，具体如表3，通过心理物理学软件E-prime2.0进行试验.

表3　高低频信息组合实验分组

2实验

2.1实验对象

实验的被试共20人，根据我国驾驶员的男女性别比例约为7∶3，故确定实验被试为14男6女，其中20～25岁的有10人(7男3女)，25～30岁的有6人(4男2女)，30到35岁的有4人(3男1女)，其中6人有驾驶经验，其余被试无驾驶经验但正常视力或矫正视力在5.0以上.

2.2实验方法

反应时指刺激作用于有机体后到明显的反应开始时所需要的时间，即刺激与反应之间的时间间隔.本实验采用被试的反应时来度量驾驶员对速度的感知，即反应时越短，驾驶员作出判断越快，对速度的感知能力越强.本实验测量在隧道内被试看到前方障碍物到作出反应之间的时间间隔，用E-prime2.0心理学软件对其进行记录.实验中速度刺激强度序列分为递增和递减两种，递增(减)场景的速度是以某一固定值将速度从极小(大)值增加(减少)到极大(小)值.为了控制因标准刺激与比较刺激先后呈现所造成的时间误差，本实验采取的平衡方法是多层次的ABBA法[8].其中:A是将视频(标准和对比)以递增的形式展示；B是将视频(标准和对比)以递减的形式展示.

本实验共有2×6=12组实验方案，其中每组实验有8～10段视频，并进行20人×12次=240人次.

2.3实验流程

考虑到仿真视频操作方便、制作简单、安全性能高、数据量大等特点，本实验采取3dsmax制作仿真视频进行模拟.由于高速公路隧道限速60～80 km/h，本实验分别以50，60，70，80 km/h的速度±2.5 km/h作为仿真视频的速度.具体流程如下.

1) 分别将高速公路隧道中部改善前和改善后的场景用3dsmax软件制成仿真视频，用Corel Video-Studio Pro-Multilingual软件将所有视频裁剪到时间相等，并投影到大屏幕上(3 m×2.4 m)，被试距离大屏幕大约为6 m(按照人机工程学确定).

2) 正式实验前5～10 min让被试熟悉实验过程；

3) 被试手握方向盘，正视前方大屏幕，根据指导语进行实验.

4) 先播放一段标准视频，紧接着播放对比视频，此时，被试需要作出时间的判断，即车辆与前方障碍物要超出安全距离时踩刹车；在播放下段标准视频之前，插入倒计时图片(3～5 s)，让被试做准备.

5) 每个速度递增或递减的视频播放结束后，呈现30 s的风景图片供被试放松.

6) 每组实验结束后，暂停3 min，让被试休息.

7) 用E-prime软件将实验数据导出，并用SPSS19.0计算和分析各组实验的反应时间.

3实验结果与分析

3.1单一频率视觉信息实验结果

目前主要采用刺激物的主观等同速度[7](stimulation of subjectively equal speed，SSES)这一指标来度量驾驶员的速度感知.SSES大于标准实验的物理速度表明对比实验环境会导致速度的低估，SSES小于标准实验的物理速度表明对比实验环境会导致车速的高估.本实验主要采用迫选法测定SSES，实验测得的结果见表4.

表4　单一频率的实验结果

注：1.速度错觉程度=(标准场景的实际车速—主观等同速度)/标准场景的实际车速；

2.“+”表示车速高估，“—”表示车速低估.

由表4可知，隧道内驾驶员的感知速度在不同低频信息下均出现了在不同程度的低估效应，其中低频信息为0.2 Hz时车速低估程度最高.隧道内驾驶员的感知速度在不同高频信息下均出现了不同程度的高估效应，其中高频信息为12 Hz时车速高估程度最高.即与改善前隧道内场景相比，改善后的场景对驾驶员的视错觉均有影响.

3.2高低频组合视觉信息实验结果

低频和高频的视觉信息组合一方面可以缓和高频视觉信息条件下的显著速度高估和低频视觉信息下的速度低估，另一方面可以缩短极限反应时，提升驾驶员对车速感知的敏感度.实验场景测出的结果见表5.

表5　组合频率的实验结果

注：“+”表示车速高估；“—”表示车速低估.

由表5可知：

1) 低频0.2～0.4 Hz和高频8～12 Hz视觉信息组合可以缩短极限反应时，提升驾驶员对车速感知的敏感度；

2) 9组实验结果对比得出，实验二(低频0.2 Hz与高频12 Hz组合)计算得出的速度错觉程度为+8.96%，即驾驶员对速度产生高估程度为8.96%，最为合理.

利用SPSS17.0对改善前的SSESv1和改善后的SSESv2进行单因素方差检验，结果见表6.

由表6可知，在显著性水平α=0.05的情况下，方差齐性检验的显著度都小于0.05，表明改善前的主观等同速度与改善后的主观等同速度两个总体方差是非齐性的，即具有显著性差异，可以认为，改善前后的实验结果不一致.

表6　改善前与改善后单因素方差检验结果

3.3行车安全距离

在高速公路隧道中行驶的车辆，在跟驰状态下，当前车紧急刹车时，后车与其的距离就会减小.通过对实验得到的反应时间进行分析，得到多频组合状态下的行车安全距离，进而分析车辆跟驰距离变化的范围，进一步探讨安全车距的设计值.

通过E-prime2.0心理物理学软件记录高低频组合信息下驾驶员紧急制动的反应时间，对其求平均值并根据公式2用origin8.0对其进行高斯拟合，其中y值即为极限反应时，结果见图3.

(2)

由高斯拟合结果可知，在隧道内部驾驶员的反应时间在2～3 s之间，其中实验二(高频12 Hz和低频0.2 Hz组合视觉信息)测得的反应时间最短.

图3　实验高斯拟合结果

在整个制动过程中，汽车实际行驶过的距离见表7.

表7　不同阶段下汽车的行驶距离

所以，后车行驶的距离为

(3)

由于t3很小，一般为0.1～0.2 s，其二次方可以忽略，所以将(5)式简化为

(4)

图4　前后2车行车安全距离示意图

根据图4很直观得到前后车的行车安全距离的计算公式为

式中：S0为制动停车后前车车尾距后车车头间的安全距离，一般为2～5 m，本文取4 m；V0=80 km/h；t1为驾驶员的反应时间；t2一般取0.2～0.4 s，本文取0.3 s；a1表示前车制动加速度，a2表示后车制动加速度，良好路面情况下一般取值6～8 m/s2，本文取a2=6 m/s2，a1=8 m/s2.计算结果见表8.

由表8可知，在实验二(高频12 Hz和低频0.2 Hz组合视觉信息)条件下，驾驶员的反应时间t1最短，计算得出的行车安全距离为67.39 m.现有行车安全公式计算得出的车速为80 km/h时的安全距离为90 m左右，本文与其相比，在多频率组合频率下行车安全距离缩短25%，在相同的道路条件下更能保障行车安全.

表8　不同实验条件下的行车安全距离

注：S由式(5)计算得出.

4结论

1) 通过设置高低频视觉组合信息，使速度高估程度降低为8%左右，有效降低驾驶员对车速的错觉，使驾驶员对速度变化的感知更加敏感.

2) 通过设置高低频视觉组合信息，能有效地缩短驾驶员的反应时间，进而缩短行车安全距离，既有效地预防隧道内车辆追尾碰撞事故，又不会影响道路的通行能力.

3) 低频和高频视觉组合信息可以缓和高频视觉信息条件下的显著速度高估和低频视觉信息下的速度低估，其中低频0.2 Hz与高频12 Hz视觉组合信息高估程度较合理.

4) 隧道内设置多频率组合信息可以有效减小行车安全距离，在限速80 km/h车速下，行车安全距离最小为67 m，提升行车安全.

参 考 文 献

[1]DENTON G G. The influence of visual pattern on perceived speed [J].Perception, 1980,9(4):393-402.

[2]陈昌武,张万涛,刘朝芝.基于视知觉环境的隧道内超速致因分析[J].公路与汽运,2011,04:76-79.

[3]朱顺应,张子培,王红，等.路面边缘率标线减速效果的影响机理[J].中国安全科学学报,2013(6):110-115.

[4]刘兵.基于驾驶员视知觉的车速控制和车道保持机理研究[D].武汉：武汉理工大学,2008.

[5]刘兵,朱顺应,王红，等.边缘率标线长度对减速行为的影响现象和机理研究[J].中国安全科学学报,2013,23(10):114-120.

[6]重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范JTG D70-2004 [S].北京：人民交通出版社，2004.

[7]SHEN Haoming，YOSHIFUMI S，GOSUKE O.Speed-tuned mechanism and speed perception in human vision [J].Systems and Computers in Japan,2005, l36：1718-1727.

[8]郭秀艳,杨治良.实验心理学[M].北京：人民教育出版社,2004.

Study on the Optimization of Optical Illusion

Deceleration Markings in the Highway Tunnel

SHI Xiaohua1)DU Zhigang1,2)ZHENG Zhanji1)WU Chaozhong2)

(TransportationSchool,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)

(IntelligentTransportSystems，WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)2)

Abstract：By setting up illusion combination marking in high frequency (8～12HZ) and low frequency ( 0.2～4 Hz) in the tunnel side wall, to reconstruct the driver's visual reference system, it effectively improve the deceleration effect in the highway tunnel, and through using 3ds max software design driving video, completed the psychophysical experiments of speed perception about a single frequency and a series of combination of high and low frequency of visual information by E-prime 2.0 software. Conclusion: Multi frequency combined information makes speed perception overestimate of drivers, and the driver’s speed overestimation degree is 8.21% when High frequency and low frequency information are 12 HZ and 0.2 HZ respectively, which is in the reasonable scope, at the same time the driver’s shortest reaction time is 2.08s. On this basis, by the safety distance model, in the highway tunnel the safe distance is at least 67m, it decreases 25.6% compared with the traditional safety distance 90m, It is better to driving safety.

Key words：traffic safety; highway tunnel in central; visual information; reaction time; safety distance

收稿日期：2015-12-07

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.036

中图法分类号：U491.5