五路环形交叉口导向系统改善方法研究*

陈 鑫 杜志刚 王首硕 余昕宇

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

0 引 言

五路环形交叉口通常是为了减少车辆行驶冲突而不得不设置的一种复杂环形交叉口，它在一定程度上能提高路口通行效率和通行安全.但作为一种复杂的不对称型多路交叉口，往往存在交通指示信息不足或过载、不连续、判断度不高和不易被发现等问题，不利于驾驶员对导向信息的正确理解；同时，道路交通环境单一，色彩单调，缺乏鲜明的参照系，容易导致驾驶员的视觉疲劳.在环形交叉口中，车辆的绕环旋转引起周围景观及指路标志随之旋转，导致驾驶员产生心理旋转效应，而上述的问题又加重这种效应，严重影响驾驶员的心理紧张程度和驾驶行为，从而影响交叉口的通行能力.

Hu[1]通过建立参数回归模型来反映标志不同颜色的逆反射系数与标志设置位置的关系；Fitzpatrick等[2]运用桌面模拟对高速复杂立交出入口多级预告指路标志设置效果进行对比研究，以为MUTCD的修订提供科学依据；王强[3]根据驾驶员视认原理，研究分析彩色标志标线对驾驶员的影响；唐健娟等[4]通过室内仿真实验对标志信息量与认知时间的关系进行研究，从而确定了环形交叉口标志的极限信息量；孙德强等[5]提出多颜色组合式指路标志，并通过仿真试验验证；吕丹[6]主要研究了标志信息量阈值，推导出关于标志设置位置和文字高度等参数的模型.

上述国内外环形交叉口路面标志信息的研究主要集中在环形交叉口标志信息量、标志设置位置和标志版面设计等，没有将环形交叉口的信息诱导看作一个系统，也没有探究环形交叉口存在视觉干扰过多、导向参照系不显著和“心理旋转”效应等问题，而且现存的研究成果中几乎没有将心理旋转和色彩心理理论结合运用在环形交叉口导向系统设计中，因此，本文拟通过重构环形交叉口的信息诱导系统，以期为改善环形交叉口导向系统现状提出一种新的研究思路.

1 改善原理

1.1 心理旋转效应

心理旋转是一种想象自我或客体旋转的空间表征动力转换能力[7].是人在大脑中将某个物体做平面或立体旋转的过程，需要一定的想象力和认知加工能力，心理学方面称为心里旋转.

林仲贤等[8]发现心理旋转能力与年龄和性别相关，心理旋转能力青年优于老年、男性优于女性.Deanne等[9-10]发现心理旋转能力与物体旋转的角度、实验者的反应时间有关，同时空间参照系对心理旋转的影响也十分重大.

在环形交叉口中，车辆的绕环旋转引起周围景观及指路标志随之旋转，再加上环岛占地面积大带来的更大的旋转幅度，使得“心理旋转”效应更加显著，加重驾驶员的心理紧张程度，影响驾驶员的视认反应时间和判断能力.根据心理旋转可塑理论[11]，五路环形交叉口的“心理旋转”效应可通过视觉参照系的重构来缓解.

1.2 色彩心理理论

色彩给人的感官刺激最直接，比形状和文字更快被人识别.研究发现，当一个物体出现在驾驶员视野时，在最初的20 s，色彩和形状视知觉时间所占百分比分别为：色彩占80%，而形体占20%.2 min后色彩占60%，形体占40%；5 min两者所占时间百分比相同，这种状态将会一直持续下去[12].

色彩在城市的交通安全导向系统中发挥着重要的作用，在动态环境下，带有色彩的标识具有更

明显的导向作用.城市公共交通导向系统的设计，需要加入适当的色彩，提升交通标志标线的视认性与对比度，更好的传递道路信息[13-14].

本文将色彩心理理论运用到环形交叉口导向系统设计中，利用空间色彩和形状信息，构建环形视觉参照系，缓解驾驶员经过五路环形交叉口时的“心理旋转”效应，改善环形交叉口导向系统.

2 改善方法

针对五路环形交叉口指路系统的改善设计主要包括两部分，首先是标志的改善设计：通过多颜色与形状相结合设计出简单易懂的新式交通指路标牌；其次是配套多元导向信息改善设计：充分利用现有的交通基础设施，在五路环形交叉口路面、路侧、中央隔离栏和环岛路缘等构筑物上设计与导向标志相配套的导向信息链，将单色彩、单形状文字型视觉参照系变为多色彩、多形状环形视觉参照系，见表1～3，图1.

表1 改善前后对比表

表2 导向标志设计信息统计表

本设计方案通过重构环形交叉口视觉信息导向系统，将单色彩、单形状的文字型视觉参照系变为多色彩、多形状的环形视觉参照系，缓解心理旋转效应，见图2.

3 实 验

3.1 实验原理

采用3ds Max构建五路环形交叉口导向系统改善前后行车模型进行实验，以30 km/h的速度±2.5 km/h的作为仿真视频的速度.向社会招募有驾驶经验且视力正常的被试者30人，其中21位男性，9位女性，分为20～30岁、>30～40岁和>40～50岁共三个年龄段，每个年龄段都为7男3女.

表3 多元导向信息设计元素统计表

图1 参照物示意图

图2 五路环形交叉口导向系统改善方案总体布局

判断准确率指驾驶员在实验中准确判断出出口方向的概率，为

(1)

视认反应时间是指标志刺激作用于驾驶员到明显的反应所需的时间.本实验视认反应时间的衡量标准为：

视认反应时间(s)=驾驶员判断出出口方向按下按钮的时刻(无论判断正确与否)—实验开始时刻在模拟实验中，判断准确率越高、视认反应时间越小，说明本文所设计的指路系统改善方法效果越好.仿真视频在E-prime平台上进行播放，主试者选择五路环形交叉口中任意一路作为进口车道，在其余四路中选择一路为出口车道，一共有20种选择路径，见图3.实验开始前，主试者任意选择一组方案作为实验组.被试者在改善前后对比实验的基础上需要重复进行三次实验，30名被试者共计做180次实验.

图3 实验场景图

3.2 实验流程

步骤1利用3ds Max软件制作改善前后对比仿真视频，将所有视频剪辑成同等时间长度，然后在大屏幕上投影，被试者与大屏幕的距离设置为6 m.

步骤2实验开始前10 min，主试者讲解实验流程，并且让被试者熟悉实验环境.

步骤3被试者按规范进行就坐，在主试者的提示下进行模拟驾驶实验.

步骤4播放改善前的视频，计时起点为环形交叉口前300 m处，被试者判断出口方向时按下仪器上对应按钮，在此同时计时停止.

步骤5暂停2 min让被试者休息，缓解实验压力.

步骤6被试者休息完后，根据步骤4进行改善后的实验.

步骤7被试者需要分别完成改善前后2组实验，间隔休息2 min后继续重复实验3次.

步骤8用E-prime软件导出实验数据，然后人工整理实验数据，剔除无效的数据，计算出可用的时间间隔作为有效视认反应时间.

步骤9分别计算和分析各组实验的判断准确率与有效视认反应时间，对实验结果取平均值并具体分析.

3.3 实验结果分析

3.3.1视认反应时间分析

实验结果见表4.

由表4可知：视认反应时间随着年龄的增加而增加，对比改善前后的数据可得，被试者的视认

表4 视认反应时间与年龄关系分析

反应时间都有大幅度的降低.且成年后，年龄越大改善幅度越大，40～50岁年龄段视认反应时间降低程度高达49.91%，其他两个年龄段分别为40.65%和42.32%.

表5为视认反应时间与性别关系分析，图4为认反应时间与性别关系图，图5为视认反应时间改善程度性别影响分析图.由表5和图4～5可知，通过男女视认反应时间实验数据对比分析，发现五路环形交叉口导向系统改善方案可以降低驾驶员视认反应时间，对女性的改善程度高于男性，女性高于男性3%左右；改善前，男性女性视认反应时间有一定差距，改善后差距大大缩小；不论改善前还是改善后同年龄段男性视认反应时间普遍低于女性，而通过导向系统的改善后可以对女性视认反应时间有很大提高，使之与男性视认反应时间到达差不多水平.

表5 视认反应时间与性别关系分析

图4 视认反应时间与性别关系

图5 视认反应时间改善程度性别影响分析

利用SPSS软件对视认反应时间数据进行单因素方差分析，所得结果见表6.

由表6可知，以0.05为显著性水平，五路环形交叉口导向系统改善方案对驾驶员视认反应时间的影响显著.

表6 改善方案对视认反应时间的方差分析

3.3.2判断准确率分析

表7为判断准确率与年龄关系分析，由表7可知，导向系统改善方案可以提高各年龄段的判断准确率，平均高达22.3%，高年龄组判断准确率提升尤为显著，高达25.5%；随着年龄的上升，判断准确率降低，20～30岁年龄组判断准确率比>40～50岁年龄组高7%.

表7 判断准确率与年龄关系分析

表8为判断准确率与性别关系分析，图6为判断准确率与性别关系图，图7为判断准确率改善程度性别影响分析图.

表8 判断准确率与性别关系分析

图6 判断准确率与性别关系

图7 判断准确率改善程度性别影响分析

由表8和图6～7可知，改善前后男性判断准确率均高于女性，且年龄增加判断准确率下降；改善前两性判断准确率差距大于改善后两者之间的差距；被试者判断准确率的改善程度女性高于男性，高达3%左右，且年龄越大判断准确率改善幅度越大.

利用SPSS软件对判断准确率数据进行单因素方差分析，所得结果见表9.

表9 改善方案对判断准确率的方差分析

由表9可知，以0.05为显著性水平，五路环形交叉口导向系统改善方案对驾驶员视认反应时间的影响显著.

4 结 论

1) 五路环形交叉口存在心理旋转效应，被试者在五路环形交叉口行驶时，会产生眩晕感、方向感减弱现象，导致驾驶员视认反应时间增长，判断准确率降低，严重影响驾驶员的心理紧张程度和驾驶行为.

2) 五路环形交叉口“心理旋转效应”与性别和年龄有重要关系，同年龄段女性“心理旋转”效应强于男性；成年后，随着年龄的增加，“心理旋转”效应会越明显.

3) 心理旋转能力是可塑的，本文所设计的多色彩多形状的环形视觉参照系改善方案，可有效缓解五路环形交叉口的“心理旋转”效应，降低视认反应时间，提高判断准确率.