高速公路隧道内视错觉减速标线优化设计

第４０卷　第１期　武汉理工大学学报（交通科学与工程版）　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．１　２０１６年２月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｆｅｂ．２０１６　（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）　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”　武汉４３００６３）　（武汉理工大学智能交通系统研究中心　武汉４３００６３）　摘要：通过对隧道侧墙设置高频（８～１２　Ｈｚ）低频（Ｏ．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　（Ｏ．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．Ｏ９　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　１ＴＩ，与传统的行车安全距离９Ｏ　１２１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　中图法分类号：Ｕ４９１．５　ｄｏｉ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５—３８４４．２０１６．Ｏ１．０３６　０　引　言　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　统计数据表明：公路隧道交通事故中，超过　员的控速效果的定量分析，本文采用Ｅ—ｐｒｉｍｅ２．０　６０　是由驾驶员超速行为引起的，事故多发生于　软件分别测量隧道内单一频率和组合频率标线的　隧道内，其中７Ｏ　的超速行为是由速度错觉引　主观等同速度和反应时，对比分析得出减速效果　起．　最优的设计方案．　Ｄｅ０ｔｏｎｌ＿】］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　１　改善原理与方法　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　１．１改善原理　３７　．陈昌武等＿２］的研究表明隧道内对比度的降　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　］研究表明长度的减小能够　低和低边缘率导致了驾驶员对车速产生低估效　显著增强边缘率标线减速效果，当边缘率标线长　应，从而使隧道内车速实际值高于驾驶员的期望　度分别取１．５，１和０．５　１ＴＩ时，平均车速与铺设前　值．朱顺应等口　的研究表明时间频率适当时，宜着　相比分别降低５．０　，７．１　和８．８　．　重考虑通过横纵比、虚实比和角度的变化增强路　边缘率可以提高视知觉对真实速度的高估，　面边缘率标线的减速效果．刘兵＿＿４　的研究表明当　车辆在高速行驶时，驾驶员的视野成狭窄的圆锥　边缘率约为２　Ｈｚ时，驾驶员并未表现出速度高估　形，驾驶员是通过视觉的边缘率的变化来感知车　效应；边缘率在４～１６　Ｈｚ时，实验者对速度产生　速．因此，可通过驾驶员的视觉边缘率变化来控制　了高估，且随着边缘率密度的增大，高估效应逐渐　车速、车辆碰撞和弥补驾驶员对车速的适应性缺　递增，但边缘率密度在８～１６　Ｈｚ时，驾驶员速度　陷．本文采用的是设置侧墙立面标线的高频信息　收稿日期：２０１５－１２－０７　史晓花（１９８６一）：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　·　１７６　·　武汉理工大学学报（交通科学与工程版）　２０１６年第４Ｏ卷　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５０，６Ｏ，７Ｏ，８０　ｋｍ／ｈ的速　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．　度±２．５　ｋｍ／ｈ作为仿真视频的速度．具体流程如　下．　６）每组实验结束后，暂停３　ｍｉｎ，让被试休　息．　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　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　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；　目前主要采用刺激物的主观等同速度　（ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｅｑｕａｌ　ｓｐｅｅｄ，ＳＳＥＳ）　３）被试手握方向盘，正视前方大屏幕，根据　指导语进行实验．　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．　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　表４单一频率的实验结果　注：１．速度错觉程度一（标准场景的实际车速一主观等同速度）／标准场景的实际车速；　２．“＋”表示车速高估，“一”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：“十”表不车速高估；“一”表不车速低估．　由表５可知：　利用ＳＰＳＳ１７．０对改善前的ＳＳＥＳｖ　和改善　后的ＳＳＥＳｖ　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ａ一０．０５的情况　下，方差齐性检验的显著度都小于０．０５，表明改　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．　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．　第１期　史晓花，等：高速公路隧道内视错觉减速标线优化设计　表６　改善前与改善后单因素方差检验结果　对比试验　Ｆ（１，１４）　６３．８１　６　８７．１０２　１２１．１４３　显著性　０．００７　０．００６　０．００６　对比试验　改善前实验四＋改善后实验一　改善前实验五＋改善后实验二改善前实验四十改善后实验三Ｆ（１，１４）　２３．２１６　８．２１６　８２．１５７　·１７７·　显著性　０．０１３　０．０２５　０．００６　改善前实验一＋改善后实验一　改善前实验一＋改善后实验二改善前实验二＋改善后实验三　改善前实验二＋改善后实验四改善前实验三＋改善后实验五　改善前实验三＋改善后实验六　４３．５４２　５２．４１３　５０．６２８　０．００８　０．００８　０．００５　改善前实验五＋改善后实验四改善前实验四＋改善后实验五　改善前实验五＋改善后实验六　４６．２６５　５３．５２２　３９．１８７　０．００７　０．００６　０．０１３　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．　实际车速／（ｋｍ·ｈ。。）　ａ）实验一、二、三　通过Ｅ—ｐｒｉｍｅ２．０心理物理学软件记录高低　４　芒３　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（一　）　厘３　着ｚ　２　Ｙ—Ｙ。＋——　＿＿＝＝×ｅ一—：广　（２）　实际车速／（ｋｉｎ·１１　）　ｂ）实验四、五、六　叫×√号　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　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．　低频０．２　Ｈｚ组合视觉信息）测得的反应时间最短．　表７不同阶段下汽车的行驶距离　所以，后车行驶的距离为　ｓ后一ｓ　＋ｓ　＋ｓ。＋ｓ　一　×　＋　一　１　＋　（３）　由于ｔ。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　ｓ后一　＋　×　＋　（４）　图４前后２车行车安全距离示意图　安全距离，一般为２～５　ｉｎ，本文取４　ｍ；Ｖ。一８０　ｋｍ／ｈ；ｔ　为驾驶员的反应时间；ｔ。一般取０．２～　０．４　Ｓ，本文取０．３　Ｓ；ａ　表示前车制动加速度，ｎ　根据图４很直观得到前后车的行车安全距离　表示后车制动加速度，良好路面情况下一般取值　６～８　ｍ／ｓ。，本文取ｎ２—６　ｍ／ｓ　，ｎ１—８　ｍ／ｓ　．计算　结果见表８．　的计算公式为　ｓ—ｓ。＋　．Ｏ　＋　等　（．Ｏ。　　ａ２一　１“　）（５）　式中：Ｓ　为制动停车后前车车尾距后车车头间的　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　·　１７８　·　武汉理工大学学报（交通科学与工程版）　２０１６年第４Ｏ卷　间ｔ　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　小行车安全距离，在限速８Ｏ　ｋｍ／ｈ车速下，行车　安全距离最小为６７　ｍ，提升行车安全．　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　参考文献　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｖｉｓｕａｌ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｏｎ　［１］ＤＥＮＴＯＮ　Ｇ　Ｇ．Ｔｈｅ　Ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ，１９８０，９（４）：３９３一　ｐｅｒｃｅｉｖｅｄ　ｓｐｅｅｄ［Ｊ］．　４Ｏ２．　［２］陈昌武，张万涛，刘朝芝．基于视知觉环境的隧道内　注：Ｓ由式（５）计算得出　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　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，　果的影响机理ＥＪ］．中国安全科学学报，２０１３（６）：１１０　１１５．　Ｅ４］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．　Ｅ６］重庆交通科研设计院．公路隧道设计规范ＪＴＧ　Ｄ７０—　２００４　Ｅｓ］．北京：人民交通出版社，２００４．　［７］ＳＨＥＮ　Ｈａｏｍｉｎｇ，ＹＯＳＨＩＦＵＭＩ　Ｓ，ＧＯＳＵＫＥ　Ｏ．　Ｓｐｅｅｄ—。ｔｕｎｅｄ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｓｐｅｅｄ　ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ　ｉｎ　ｈｕ——　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　ｍａｎ　ｖｉｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ　ｉｎ　Ｊａｐａｎ，　２００５，１３６：１７１８—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　Ｈ　ｉｇｈｗａｙ　Ｔｕｎｎｅｌ　ＳＨＩ　Ｘｉａｏｈｕａ　ＤＵ　Ｚｈｉｇａｎｇ　，　ＺＨＥＮＧ　Ｚｈａｎｊ　ｉ　ＷＵ　Ｃｈａｏｚｈｏｎｇ　（Ｔｒ。　ｐｏｒｆ　￡　０，ｚ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００６３，Ｃｈｉｎａ）　（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００６３，Ｃｈｉｎａ）　’　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　３　ｄｓ　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　ｉｎｆｏｒ—　ｍａｔｉｏｎ　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　ｍｏｄｅ１．ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ｔｈｅ　ｓａｆｅ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｉｓ　ａｔ　ｌｅａｓｔ　６７ｍ，ｉｔ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　２５．６　ｔａｎｃｅ　９０ｍ，Ｉｔ　ｉｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｏ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｓａｆｅｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｆｆｉｃ　ｓａｆｅｔｙ；ｈｉｇｈｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎ　ｃｅｎｔｒａｌ；ｖｉｓｕａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ；ｓａｆｅｔｖ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｓａｆｅｔｖ　ｄｉｓ—