基于心理旋转效应的双向立交环形交叉口导向系统*

杜志刚 柳青云 朱新建 陈 鑫 严敏婷 廖洋琨

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

基于心理旋转效应的双向立交环形交叉口导向系统*

杜志刚 柳青云 朱新建 陈 鑫 严敏婷 廖洋琨

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

心理旋转是一种想象自己或客体旋转的空间表征转换能力.驾驶员经过道路环境单一、缺乏鲜明的视觉参照系的双向立交环形交叉口通常会产生这一现象，并导致方向辨识时间增加，辨识准确度下降，诱发不良驾驶行为乃至交通事故.依据色彩恒常性、形状恒常性特色，设计路面“彩色玫瑰”图案来刺激驾驶员的视觉感知，建立相应的多色彩路面导向系统来增强驾驶员方向感，并采用逆反射材料增强指示信息在夜间的可见性，提高驾驶员的辨识准确率，降低视认反应时间，缓解环形交叉口的“心理旋转”效应，有效地减少了驾驶员绕行和选错路线的可能性，提高了交叉口的通过能力.

交通安全；心理旋转；色彩心理；环形交叉口；导向系统

0 引 言

目前城市公共导向系统尤其是城市道路的双向立交环形交叉口，驾驶员开车驶入环形交叉口后，由于车辆本身在转，导致路名信息及周边景观的物体映像旋转，因此会使驾驶员存在心理旋转现象.而目前的环形交叉口又普遍存在交通指示信息不足或过载，交通信息不连续，视觉环境单调等问题，这些弊端又会加重驾驶员的心理旋转现象，降低环形交叉口的通行能力，造成交通拥堵，甚至引发交通事故.

高敏等[1]根据冲突点的数目采用理论安全影响分析法，再根据实际交通事故数据采用前后对比法，分析现代环形交叉口对车辆和弱势群体的安全影响，提出现代环形交叉口的适用条件，以及自行车道安全设计方法.唐健娟等[2]通过室内仿真实验对标志信息量与认知时间的关系，从而确定了环形交叉口标志的极限信息量.陈炎等[3]通过大量的室内模拟实验给出了基于不同行车速度和标志信息量的、适用于不同天气和光线条件的公路交叉口指路标志设置位置建议值.

这些研究并没有很好解决环形交叉口的现状问题，也缺乏驾驶员行驶在环形交叉口中的心理旋转效应的研究.文中通过设计一整套完整、连续、渐变的视觉导向信息系统来减轻驾驶员的心理旋转效应，改善双向立交环形交叉口交通状况.

1 改善原理

1.1 心理旋转效应

心理旋转是一种旋转二维和三维物体的心理表象能力，它多用于研究空间信息加工的速度[4].国内外心理学家研究表明，当文字所在平面与观察者视线垂直时，其反应时间最短，而文字平面相对视线进行旋转时，其反应时间与倾斜角度呈正相关，称为心理旋转作用.

王鹏等[5]研究指出，心理旋转是一种想象自我或者客体旋转的空间表征动力转换能力.当人们处于一个复杂的空间环境中，就会有空间上的认知难度，难以判断正确的方向.人们通过外部的合理信息指导，可以在一定程度上来减弱心理旋转现象.

王鹏等[6]研究指出，心理旋转能力存在明显的个体差异性，主要体现在性别差异上，男性的心理旋转能力优于女性的心理旋转能力；心理旋转具有很高的可塑性，通过有效地训练可以提高人类的空间的智能.

1.2 颜色、形状恒常性

色彩是眼睛对不同波长的光所产生的视觉，人们根据不同的色彩把各种事物区别开来，并从中获取有关这些物体的形状、位置等诸多方面的信息，这是一种生理作用.但是这种生理作用进一步冲击到人们的心理，从而产生了色彩心理效应.

颜色恒常性(color constancy)是当照射物体表面的颜色光发生变化时，人们对该物体表面颜色的知觉仍然保持不变.

形状恒常性是指人在观察熟悉物体时，当其观察角度发生变化而导致视网膜上的映像发生改变时，其原本的形状知觉保持相对不变的知觉特征.

据报道，在国外，将危险地段的路面涂上鲜艳的颜色，可使特别危险路段交通肇事减少85%～90%.

李振福[7]指出在交通环境色彩千篇一律的情况下，容易导致驾驶员精神萎靡甚至入睡.城市道路单一的灰、黑色混凝土路面正是导致驾驶员昏昏欲睡，从而造成交通事故的重要原因.

徐成建等[8]指出美国曾利用浅色石块铺砌路边，利用色彩心理使驾驶员能够准确的判断道路的宽度和方向，使交通事故总数下降了19%,其中夜间死亡事故下降了37%.

文中基于心理旋转效应，利用颜色恒常性、形状恒常性，在环形交叉口内设计一整套完整、连续、渐变的视觉导向信息系统，并以多色彩进行辅助设计，进而改善环形交叉口现状.

2 改善方法

改善方法是针对双向立交环形交叉口这种类型的复杂环形交叉口的视觉环境和事故原因(“心理旋转”效应)，对双向立交环形交叉口交通工程设施进行改善设计[9].改善方法主要是以设计指路标牌、指示标志和彩色路缘，环岛中心路面设置“彩色玫瑰”图案，并采用不同色彩组合的改善设计方法，形成完整、连续、渐变的视觉导向信息系统[10].具体见表1、图1.

表1 双向立交环形交叉口交通景观改善设计表

图1 彩色玫瑰

本设计方案使得复杂、多维的交叉口交通景观，变为二维，形成一系列完整、连续、鲜明的参考系，确保驾驶员在大型复杂环形交叉口能够选择正确的行驶路线.整体方案设计图见图2.

3 实 验

3.1 实验对象

图2 双向立交环形交叉口整体方案设计图

实验的被试者共30人，根据我国驾驶员的男女性别比例约为7∶3，故确定实验被试者为21男9女，其中20～30岁的有20人(14男6女)，>30～40岁的有10人(7男3女)，30位被试者都有驾驶经验且矫正视力正常.

3.2 实验方法

辨识准确率指驾驶员对环形交叉口方向所做出判断的准确程度，公式为

辨识准确率越高，说明视觉导向信息系统效果越好.

视认反应时间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.

实验录入的被试者的视认反应时间是有效视认反应时间，即在判断出口方向正确的条件下的视认反应时间.视认反应时间越短，说明驾驶员对交通标志信息掌握了解越快.

实验将上有双向高架的十字形复杂环形交叉口的仿真视频放在e-prime2.0平台上，改善前后对比仿真视频共12组(在四路交叉口中选择一条作为进口道，剩余三条中的一条作为出口道，共12种选择，工作人员随机选择一组视频，告诉驾驶员其要驶往的出口名称，让其观看视频选择出口的方向，模拟驾驶器方向盘上有3个按钮，L表示left(左转)，S表示straight(直行)，R表示right(右转).改善前后的环形交叉口仿真视频各一组，每个驾驶员需要重复4次实验，所以30名被试者共进行30×2×4=240次实验.

3.3 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，设计速度为30 km/h符合城市道路限速标准，以30 km/h的速度±2.5 km/h的作为仿真视频的速度.具体流程如下：

1) 分别将城市道路复杂环形交叉口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)，被试者距离大屏幕大约6 m(按照人机工程学确定).

2) 正式实验前5 min让被试者熟悉实验过程.

3) 被试者手握转向盘，正视前方大屏幕，根据指导语进行实验.

4) 播放改善前的视频，从交叉口前200 m开始播放视频，电脑记录该起始时刻，被试者判断出出口方向时按下模拟驾驶器转向盘上对应按钮，电脑记录该结束时刻.

5) 暂停5 min让被试者休息.

6) 被试者休息结束后，再按流程4)播放改善后的视频.

7) 每位被试者需观看改善前后视频共2组视频，完成两组视频后，再休息30 s，然后重复4次实验.

8) 用E-prime2.0软件将实验数据导出.若被试者出口方向选择正确，人工计算电脑记录的结束时刻与起始时刻的时间间隔，作为有效视认反应时间；若被试者出口方向选择不正确，则该时间间隔作废.

9) 计算和分析各组实验的辨识准确率与有效视认反应时间，对每个驾驶员取平均值及标准差.

4 实验结果与分析

实验结果见表2～表3.

表2 视认反应时间数据

表3 辨识准确率数据

由表2视认反应时间数据可知，改善后视认反应时间比改善前视认反应时间明显降低，且降低幅度较大.这表明本方案有助于降低驾驶员的视认反应时间.

由表3辨识准确率数据可知，随着年龄组的上升，被试者的视认反应时间都有增加，其中女被试者的视认反应时间普遍比男被试者的长，但通过改善前后分析可知，总的来说30位被试者的视认反应时间显著降低，平均降低51.91%.同时辨识准确率也显著提升了18.5%.这表明所设计的一整套完整、连续、渐变的视觉信息导向系统有助于降低驾驶员的视认反应时间以及提高驾驶员对指路标牌信息的辨识准确率.

4 结 论

1) 实验者在环境单一的双向立交环形交叉口中行车会出现“心理旋转”现象，导致驾驶员对周围指路标志信息的辨识准确率下降，视认反应时间增加.

2) 主要依据颜色恒常性、形状恒常性，将多色彩、不同形状指路信息应用到复杂的双向立交环形交叉口的中去，设计成了一系列完整、连续、鲜明、渐变的视觉信息导向系统.有助于提高驾驶员的辨识准确率以及降低视认反应时间，缓解环形交叉口的“心理旋转”效应.

3) 改善后视认反应时间降低51.91%，辨识准确率也提升了18.5%.这表明本文所设计的一整套完整、连续、渐变的视觉信息导向系统有助于降低驾驶员的视认反应时间、提高驾驶员的辨识准确率，能有效缓解环形交叉口“心理旋转”效应.本设计应用前景广泛，适用于复杂的双向立交环形交叉口和导向参照系不显著的交叉口.

[1]高敏,刘志强.现代环形交叉口安全性分析和安全设计[J].中国安全科学学报，2010(4):589-597.

[2]唐健娟，董璐.基于驾驶员信息处理模型的环形交叉口指路标志极限信息量研究[C].第八届国际汽车交通安全学术会议，芜湖，2010.

[3]陈炎，胡江碧，刘小明.公路交叉口指路标志合理信息量的实验研究[J].交通标准化，2009(1):55-58.

[4]章明.视觉认知心理学[M].上海：华东师范大学出版社，1990.

[5]王鹏，黄艳华.心理旋转概述[J].宁波大学学报,2006,28(5):1457-1464.

[6]王鹏，游旭群，刘永芳.心理旋转研究的新进展[J].心理科学，2005,28(5):1164-1166.

[7]李振福.色彩心理与城市交通安全文化分析[J].安全与环境工程.2006,13(4):1245-1253.

[8]徐成建，周国华，杨文发.论色彩与道路交通安全的关系[J].交通与运输，1995(4):35-36.

[9]孙德强，沈旅欧，刘伟铭.复杂立交及衔接段多颜色组合式指路标志设计[J].中外公路,2013,33(5):1225-1234.

[10]交通部公路科学研究院.公路交通标志和标线设置规范:JTG D82-2009[S].北京：人民交通出版社，2009.

A Bi-directional Roundabout Guidance System Based on Psychological Rotation Effect

DU Zhigang LIU Qingyun ZHU Xinjian CHEN Xin YAN Minting LIAO Yangkun

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Psychological rotation is a spatial representation conversion ability to imagine one's own or object's rotation. This is usually the case when the driver passes through a complex bi-directional roundabout where the road environment is single and lacks a distinctive visual reference system. Based on the study of psychological rotation and color theory, the pattern “color rose” is designed to stimulate the visual perception of the driver, and a matching road guidance system is established to enhance the driver's sense of direction. Besides, retro-reflective materials are used to enhance the indication information at night, thus improving the recognition accuracy of the driver and reducing the response time of the visual recognition and alleviating the “psychological rotation” effect of the roundabout, which effectively reduces the driver’s possibility of bypassing and selecting the wrong route and improves the passing capacity of the roundabout.

traffic safety; psychological rotation; color psychology

2017-04-24

*国家自然科学基金项目资助(51578433)

U491.23

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.010

杜志刚(1977—):男，博士，教授，主要研究领域为道路交通安全、道路交通规划及设计