史曉花，杜志剛,2，鄭展驥，吳超仲

(1.武漢理工大學(xué)　交通學(xué)院，湖北　武漢　430063;2. 西南交通大學(xué)　交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川　成都　610031；

3.武漢理工大學(xué)　智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北　武漢　430063)

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公路隧道中部視錯(cuò)覺減速標(biāo)線的優(yōu)化

史曉花1，杜志剛1,2，鄭展驥1，吳超仲3

(1.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢430063;2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031；

3.武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北武漢430063)

摘要：為了改善隧道中部的減速效果，提出了高、低頻視覺信息組合的設(shè)計(jì)方法。利用3ds Max軟件制作公路隧道仿真場景的視頻，并在隧道側(cè)墻上設(shè)置高頻8～16 Hz和低頻 0.2～4 Hz的視錯(cuò)覺組合標(biāo)線，采用E-prime2.0軟件對(duì)設(shè)置單一頻率和高、低頻組合的視覺信息進(jìn)行了心理物理學(xué)試驗(yàn)，得出不同信息下的駕駛員的速度錯(cuò)覺程度，進(jìn)而分析了視錯(cuò)覺標(biāo)線的減速效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：多頻率組合信息使駕駛員對(duì)速度的感知產(chǎn)生高估，其中設(shè)置高頻信息為12 Hz和低頻信息為0.2 Hz相組合的視覺信息使駕駛員的速度高估程度為8.21%較合理，同時(shí)駕駛員的反應(yīng)時(shí)最短為2.09 s。在此基礎(chǔ)上，通過行車安全距離模型，計(jì)算得出隧道中部在限速80 km/h下的車輛安全距離最少為67 m，與傳統(tǒng)的行車安全距離90 m相比減小25.6%，更符合實(shí)際的行車狀況。

關(guān)鍵詞：隧道工程；交通安全；視覺信息組合；公路隧道；反應(yīng)時(shí)；安全距離

0引言

公路隧道環(huán)境單調(diào)、照度低和空間封閉等特點(diǎn)，使得駕駛員對(duì)速度的感知變?nèi)?，?dǎo)致駕駛員無意識(shí)超速行為頻發(fā)，從而誘發(fā)隧道交通事故。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，公路隧道交通事故中，超過60%是由駕駛員超速行為引起的，事故多發(fā)生于隧道中部，其中70%的超速行為是由速度錯(cuò)覺引起。因此，有必要從中長隧道中部駕駛員的視錯(cuò)覺進(jìn)行研究。

在車速控制方面，較常用的有工程控制、法規(guī)控制和心理控制3種方法。常規(guī)的工程控制主要是通過振動(dòng)提醒使駕駛員減速的方法，但是振動(dòng)減速犧牲了駕駛員的心理、生理的舒適感，忽略了人的因素；法規(guī)控制在駕駛員無意識(shí)超速方面的效果不佳；心理控制主要是利用視錯(cuò)覺原理設(shè)計(jì)的視錯(cuò)覺減速標(biāo)線，基于駕駛員的心理特點(diǎn)，主動(dòng)誘導(dǎo)駕駛員降低車速，控速效果較好。Denton[1]在英國環(huán)行交叉口應(yīng)用減速標(biāo)線，設(shè)置了間距逐漸減小的橫向標(biāo)線使駕駛員產(chǎn)生速度高估進(jìn)而降低車速，采取該措施后平均車速降低了23%，速度差則降低了37%。陳昌武[2]的研究表明，隧道內(nèi)對(duì)比度的降低和低邊緣率導(dǎo)致了駕駛員對(duì)車速產(chǎn)生低估效應(yīng)，從而使隧道內(nèi)的車速實(shí)際值高于駕駛員的期望值，并提出通過在隧道內(nèi)增加視覺刺激物，增加隧道內(nèi)的視覺邊緣率，進(jìn)而提高駕駛員的速度感知。朱順應(yīng)[3]的研究表明，在時(shí)間頻率適當(dāng)時(shí)，宜著重考慮通過橫縱比、虛實(shí)比和角度的變化增強(qiáng)路面邊緣率標(biāo)線的減速效果。宋子璇[4]認(rèn)為，在隧道內(nèi)天藍(lán)色能較好緩解駕駛員的疲勞，三角形圖案銳利, 給人一種強(qiáng)烈的視覺刺激；圖形間距10～20 m范圍是較適合的間距。劉兵[5]認(rèn)為，當(dāng)邊緣率約為2 Hz時(shí)，駕駛員并未表現(xiàn)出速度高估效應(yīng)；當(dāng)邊緣率在4～16 Hz 時(shí)，試驗(yàn)者對(duì)速度產(chǎn)生了高估，且隨著邊緣率密度的增大,高估效應(yīng)逐漸遞增，但邊緣率密度在8～16 Hz時(shí)，駕駛員的速度感知差異較小。

因此，本文采用E-prime2.0軟件分別測量隧道內(nèi)單一頻率和組合頻率標(biāo)線的主觀等同速度和反應(yīng)時(shí)，對(duì)比分析得出減速效果最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，為隧道內(nèi)視錯(cuò)覺減速標(biāo)線的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1改善原理與方法

1.1改善原理

邊緣率是單位時(shí)間內(nèi)穿過觀察者視野邊緣或間斷的數(shù)目。劉兵[6]的研究表明，長度的減小能夠顯著增強(qiáng)邊緣率標(biāo)線的減速效果，當(dāng)邊緣率標(biāo)線長度分別取1.5，1，0.5 m時(shí)，平均車速與鋪設(shè)前相比分別降低5.0%，7.1%，8.8%。

邊緣率可以提高視知覺對(duì)真實(shí)速度的高估，車輛在高速行駛時(shí)，駕駛員的視野成狹窄的圓錐形，駕駛員通過視覺邊緣率的變化來感知車速。因此，可通過駕駛員的視覺邊緣率變化來控制車速、車輛碰撞和彌補(bǔ)駕駛員對(duì)車速的適應(yīng)性缺陷。目前邊緣率在車速控制方面應(yīng)用非常廣泛，公路及城市道路中廣泛應(yīng)用基于邊緣率的車速控制方法，如路側(cè)減速變線、輪廓標(biāo)、路側(cè)行道樹等。本文采用的是設(shè)置側(cè)墻立面標(biāo)線的高頻信息和側(cè)墻輪廓標(biāo)的中頻信息，以豐富駕駛員的視覺信息，提高駕駛員對(duì)速度的感知能力，最終達(dá)到控速的效果。

生理學(xué)的研究表明，人的眼睛對(duì)色彩的飽和度感覺不同。眼睛對(duì)紅、黃、藍(lán)光刺激強(qiáng)烈，對(duì)綠色光刺激最弱、飽和度低。人眼的明暗層次感隨著光線變暗而急劇變得遲鈍起來。當(dāng)光線弱時(shí)，人眼不太能分得清明暗層次，同樣在強(qiáng)光下，眼睛對(duì)明暗層次也變得遲鈍。據(jù)國外科研機(jī)構(gòu)測定，紅色在680 nm 波長時(shí)，其在白色光照中的明度要比藍(lán)色為480 nm波長時(shí)的明度高出近10倍。因此，本文主要采用紅色和黃色為主色進(jìn)行設(shè)計(jì)?！豆匪淼劳L(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 026.1—1999)[7]和《公路隧道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D71—2004)[8]的頒布和應(yīng)用使我國公路隧道的機(jī)電設(shè)施配置達(dá)到了很高的水平，從而導(dǎo)致隧道實(shí)際運(yùn)營過程中普遍存在“配得起，用不起”的問題，高配低用的現(xiàn)象較為常見，即在實(shí)際運(yùn)營過程中，通常只開啟部分照明甚至全部關(guān)閉照明，與公路段相比隧道中部照度低。為使研究盡可能避免照度因素的影響，本文采取100%照度標(biāo)準(zhǔn)，燈具為80 W高壓鈉燈，進(jìn)行雙側(cè)對(duì)稱布燈，燈距10 m。

1.2設(shè)計(jì)方法

由于高速公路隧道實(shí)車試驗(yàn)有較高的危險(xiǎn)性，且交通流以及車輛通行速度會(huì)對(duì)施工造成較大影響，不便于實(shí)地調(diào)查與研究，本文采用3ds Max 2012軟件設(shè)計(jì)行車視頻，制作出高速公路隧道中部改善前后的視頻，模擬高速公路隧道行車場景。通過E-prime2.0軟件對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證并收集數(shù)據(jù)，采用反應(yīng)時(shí)指標(biāo)來度量本文改善方法對(duì)駕駛員速度感知的影響。

試驗(yàn)場景分為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)場景和對(duì)比試驗(yàn)場景。依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)[9]的規(guī)定，高速公路隧道應(yīng)設(shè)計(jì)為上、下分離式獨(dú)立雙洞，對(duì)比試驗(yàn)場景為隧道中部行車模型，具體工程尺寸如表1所示。

表1　公路隧道建筑限界橫斷面組成最小寬度

(1)

式中，v為設(shè)計(jì)車速，取80 km/h；f為頻率；h為側(cè)墻立面標(biāo)線的間隔。

本文采用8，12，16 Hz的頻率作為高頻信息，采用0.2，0.4，0.6 Hz的頻率作為低頻信息，再根據(jù)式(1)分別計(jì)算出高頻和低頻時(shí)的標(biāo)線間隔。因此，側(cè)墻立面標(biāo)記線的間隔分別為2.78，1.85，1.39 m，側(cè)墻輪廓標(biāo)的間隔分別為111.11，55.56，37.04 m。

本文采用高頻與中頻相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案對(duì)隧道中部已有設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)見表2。

具體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

為了得出單一頻率和組合頻率對(duì)駕駛員的速度感知影響，首先將單一頻率設(shè)計(jì)6組試驗(yàn)，即低頻(0.2，0.4，0.6 Hz)信息和高頻(8，12，16 Hz)信息的對(duì)比試驗(yàn)場景分別與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)場景作對(duì)比，將組合頻率設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)，具體如表3所示，通過心理物理學(xué)軟件E-prime2.0進(jìn)行試驗(yàn)。

表2　隧道中部設(shè)施改善設(shè)計(jì)表

圖1　高速公路隧道中部交通工程設(shè)施改善設(shè)計(jì)Fig.1　Improvement design of traffic engineering facilities in middle of highway tunnel

表3　高低頻信息組合試驗(yàn)分組

2試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)場景

試驗(yàn)在武漢理工大學(xué)ITS研究中心的駕駛模擬器座艙中進(jìn)行。汽車駕駛模擬器座艙由駕駛艙座、視景計(jì)算機(jī)、視屏(5個(gè)數(shù)字投影機(jī)后視圖提供180°前方視野)、操作傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、耳機(jī)和話筒等組成。座艙包含方向盤、離合器、腳剎、油門和手剎等與真實(shí)車輛相同的操作部件。

2.2試驗(yàn)內(nèi)容

被試者共20人，根據(jù)我國駕駛員的男女性別比例約為7:3，故確定被試者為14男6女，其中20～25歲的有10人(7男3女)，25～30 歲的有6人(4男2女)，30～ 35歲的有4人(3男1女)，其中6人有駕駛經(jīng)驗(yàn)，其余被試者無駕駛經(jīng)驗(yàn)但正常視力或矯正視力在5.0以上。

本試驗(yàn)采用被試者的反應(yīng)時(shí)來度量駕駛員對(duì)速度的感知，即反應(yīng)時(shí)越短，駕駛員作出判斷越快，對(duì)速度的感知能力越強(qiáng)。反應(yīng)時(shí)指刺激作用于有機(jī)體后到明顯的反應(yīng)開始時(shí)所需要的時(shí)間，即刺激與反應(yīng)之間的時(shí)間間隔。本試驗(yàn)測量在隧道中部被試者看到前方障礙物到做出反應(yīng)之間的時(shí)間間隔，用E-prime2.0心理學(xué)軟件對(duì)其進(jìn)行記錄。速度刺激強(qiáng)度序列分為遞增和遞減兩種，遞增(減)場景的速度是以某固定值將速度從極小(大)值增加(減少)到極大(小)值。每段視頻隧道中部某處固定一個(gè)障礙物，被試者需要在車輛與前方障礙物之間要超出安全距離時(shí)踩剎車。為了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在每段視頻播放前插播一段標(biāo)準(zhǔn)視頻，該標(biāo)準(zhǔn)視頻演示了不同速度下被試者遇到障礙物做出的判斷，通過標(biāo)準(zhǔn)視頻，被試者大致了解在仿真情況下的行車安全距離，為接下來的試驗(yàn)做準(zhǔn)備。為了控制因標(biāo)準(zhǔn)刺激與比較刺激先后呈現(xiàn)所造成的時(shí)間誤差，本試驗(yàn)采取的平衡方法是多層次的ABBA法，其中A是將視頻(標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)比)以遞增的形式展示，B是將視頻(標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)比)以遞減的形式展示。

本試驗(yàn)共有2×6=12個(gè)試驗(yàn)方案，其中每個(gè)方案試驗(yàn)8～10 段視頻，并進(jìn)行20人×12次=240人次。

2.3試驗(yàn)流程

考慮到仿真視頻操作方便、制作簡單、安全性能高、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，本試驗(yàn)采取3ds Max軟件制作仿真視頻進(jìn)行模擬。由于高速公路隧道限速60～80 km/h，本試驗(yàn)分別以50，60，70，80 km/h的速度±2.5 km/h作為仿真視頻的速度。具體流程如下：

(1)分別將高速公路隧道中部改善前和改善后的場景用3ds Max軟件制成仿真視頻，用Corel Video-Studio Pro-Multilingual軟件將所有視頻裁剪到時(shí)間相等，并將視頻依次投影到大屏幕上，被試者距離大屏幕大約為6 m(按照人機(jī)工程學(xué)確定)，控制鍵與電腦相連，在駕駛模擬器座艙中進(jìn)行試驗(yàn)操作。

(2)正式試驗(yàn)前5～10 min讓被試者熟悉試驗(yàn)過程。

(3)被試者手握方向盤，正視前方大屏幕，根據(jù)指導(dǎo)語進(jìn)行試驗(yàn)。

(4)先播放一段標(biāo)準(zhǔn)視頻，接著播放對(duì)比視頻，此時(shí)，被試者需要做出時(shí)間的判斷，即車輛與前方障礙物之間要超出安全距離時(shí)踩剎車；在播放下段標(biāo)準(zhǔn)視頻之前，插入倒計(jì)時(shí)圖片(3～5 s)，讓被試者做準(zhǔn)備。

(5)每個(gè)速度遞增或遞減的視頻播放結(jié)束后，呈現(xiàn)30 s的風(fēng)景圖片供被試者放松。

(6)每個(gè)試驗(yàn)結(jié)束后，暫停3 min，讓被試者休息。

(7)用E-prime軟件將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并用SPSS19.0軟件計(jì)算和分析各個(gè)試驗(yàn)的反應(yīng)時(shí)間。

2.4精度檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)用3ds Max軟件制作的仿真場景與真實(shí)場景(均為高速公路隧道中部)之間的精度，對(duì)模型的精度進(jìn)行校核。校核試驗(yàn)具體流程詳見2.3節(jié)。校核試驗(yàn)場景如圖2所示。被試者包括有駕駛經(jīng)驗(yàn)者(6人)和無駕駛經(jīng)驗(yàn)者(14人)兩種，分別進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的顯著性差異進(jìn)行分析。

圖2　模型精度校核Fig.2　Model precision checking

其中真實(shí)場景的行車速度為74 km/h，對(duì)比模型場景的行車速度區(qū)間為[50 km,80 km](最小速度單元為2.5 km/h)，校核結(jié)果如表4所示。

表4　模型精度檢驗(yàn)表

由表4可知，利用極限法測定的主觀等同速度為74.8 km/h，模型誤差約為1.08%(即感知速度比物理速度高1.08%)，小于5%，因此可以認(rèn)為3ds Max制作的公路隧道中部的仿真視頻可以用來近似模擬真實(shí)環(huán)境。并以圖2右側(cè)的仿真場景作為以下試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)視頻。

利用SPSS17.0軟件對(duì)有/無駕駛經(jīng)驗(yàn)被試者的主觀等同速度進(jìn)行獨(dú)立雙樣本的假設(shè)檢驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5　兩者主觀等同速度獨(dú)立雙樣本檢驗(yàn)結(jié)果

表5顯示，在顯著性水平α=0.05的情況下，方差齊性檢驗(yàn)的顯著度大于0.05，表明有駕駛經(jīng)驗(yàn)的被試者與無駕駛經(jīng)驗(yàn)的被試者主觀等同速度的總體方差是齊性的(即方差相等)，兩者總體在假設(shè)方差相等的條件下，顯著度都大于0.05，所以不能拒絕原假設(shè)，可認(rèn)為有駕駛經(jīng)驗(yàn)的被試者與無駕駛經(jīng)驗(yàn)的被試者的主觀等同速度沒有顯著差異，是一致的。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1單一頻率視覺信息試驗(yàn)結(jié)果

目前主要采用主觀等同速度刺激(Stimulation of Subjectively Equal Speed，SSES)法[10]來度量駕駛員的速度感知。SSES的意義為刺激物的感知速度與標(biāo)準(zhǔn)刺激物的感知速度相同時(shí)對(duì)比刺激物的物理速度，SSES大于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的物理速度表明對(duì)比試驗(yàn)環(huán)境會(huì)導(dǎo)致速度的低估，SSES小于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的物理速度表明對(duì)比試驗(yàn)環(huán)境會(huì)導(dǎo)致車速的高估。本試驗(yàn)主要采用迫選法測定SSES，步驟如圖3所示。

圖3　迫選法測定SSESFig.3　Flowchart of measuring SSES by forced choice method

單一頻率試驗(yàn)場景如圖4所示，試驗(yàn)測得的結(jié)果如表6所示。

表6　單一頻率的試驗(yàn)結(jié)果

注：1. 速度錯(cuò)覺程度=(標(biāo)準(zhǔn)場景的實(shí)際車速—主觀等同速度)/標(biāo)準(zhǔn)場景的實(shí)際車速；2. “+”表示車速高估，“-”表示車速低估。

圖4　單一頻率試驗(yàn)場景Fig.4　Experimental scene using single frequency

由表6可知，隧道內(nèi)駕駛員的感知速度在不同低頻信息下均出現(xiàn)了不同程度的低估效應(yīng)，其中低頻信息為0.2 Hz時(shí)車速低估程度最高。對(duì)車速產(chǎn)生低估效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致駕駛員的實(shí)際車速增加，進(jìn)而導(dǎo)致隧道內(nèi)超速現(xiàn)象，不利于行車安全；隧道內(nèi)駕駛員的感知速度在不同高頻信息下均出現(xiàn)了不同程度的高估效應(yīng)，其中高頻信息為16 Hz時(shí)車速高估程度最高。對(duì)車速產(chǎn)生高估效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致駕駛員的高度緊張，甚至恐慌等心理影響,即與改善前隧道內(nèi)場景相比，改善后的場景對(duì)駕駛員的視錯(cuò)覺均有影響。

3.2高低頻組合視覺信息試驗(yàn)結(jié)果

低頻和高頻的視覺信息組合可以緩和高頻視覺信息條件下的速度高估和低頻視覺信息下的速度低估，提升駕駛員對(duì)車速感知的敏感度。

根據(jù)圖3的流程進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)場景見圖5，得出的結(jié)果如表7所示。

圖5　組合視覺信息試驗(yàn)場景Fig.5　Experimental scene of visual information combination

試驗(yàn)試驗(yàn)1試驗(yàn)2試驗(yàn)3試驗(yàn)4試驗(yàn)5SSES2/(km·h-1)77.9973.4368.0567.5466.37速度錯(cuò)覺程度/%+2.51+8.21+14.94+15.58+17.04試驗(yàn)試驗(yàn)6試驗(yàn)7試驗(yàn)8試驗(yàn)9SSES2/(km·h-1)62.3868.4363.5862.12速度錯(cuò)覺程度/%+22.03+14.46+20.53+22.35

注：“+”表示車速高估，“-”表示車速低估。

由表7可知, (1)低頻0.2～0.4 Hz和高頻8～16 Hz的視覺信息組合可以緩和高頻視覺信息條件下的顯著速度高估和低頻視覺信息下的速度低估；(2)從9組試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比得出，試驗(yàn)2(低頻0.2 Hz與高頻12 Hz組合)計(jì)算得出的速度錯(cuò)覺程度為+8.21%，即駕駛員對(duì)速度產(chǎn)生高估程度為8.21%，最為合理。

為了驗(yàn)證改善前(單一頻率視覺信息)與改善后(高低頻組合視覺信息)的試驗(yàn)結(jié)果是否具有顯著性差異，利用SPSS17.0軟件對(duì)改善前的SSES1和改善后的SSES2進(jìn)行單因素方差檢驗(yàn)，結(jié)果如表8所示。

表8　改善前與改善后單因素方差檢驗(yàn)結(jié)果

表8顯示，在顯著性水平α=0.05的情況下，方差齊性檢驗(yàn)的顯著度均小于0.05，表明改善前與改善后的主觀等同速度兩個(gè)總體方差是非齊性的，即具有顯著性差異，可以認(rèn)為，改善前后的試驗(yàn)結(jié)果不一致。

3.3行車安全距離

高速公路隧道中行駛的車輛在跟馳狀態(tài)下，當(dāng)前車緊急剎車時(shí)，后車與其的距離就會(huì)減小。因此，駕駛員可根據(jù)車間距的變化來感知前車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過對(duì)試驗(yàn)得到的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析，得到多頻組合狀態(tài)下的行車安全距離，進(jìn)而分析車輛跟馳距離變化的范圍，進(jìn)一步探討安全車距的設(shè)計(jì)值。

通過E-prime2.0軟件記錄高、低頻組合信息下駕駛員緊急制動(dòng)的反應(yīng)時(shí)間，對(duì)其求平均值并根據(jù)式(2)用origin8.0對(duì)其進(jìn)行高斯擬合，結(jié)果如圖6所示。

(2)

式中，y為極限反應(yīng)時(shí)；y0為不同試驗(yàn)條件下的反應(yīng)時(shí)；A，w為不同試驗(yàn)條件下的高斯擬合系數(shù)；xc為感知車速；x為實(shí)際車速。

將反應(yīng)時(shí)高斯擬合的相關(guān)參數(shù)匯總，如表9所示。

當(dāng)x=xc時(shí)反應(yīng)時(shí)最大，將高斯擬合得到的xc，y0，A，w代入式(2)中，計(jì)算得出y值即為極限反應(yīng)時(shí)。

由高斯擬合結(jié)果可知，在隧道內(nèi)部駕駛員的反應(yīng)時(shí)間在2～3 s之間，其中試驗(yàn)2(高頻12 Hz和低頻0.2 Hz組合視覺信息)測得的反應(yīng)時(shí)間最短。

圖6　試驗(yàn)高斯擬合結(jié)果Fig.6　Gauss fitting results in experiment

試驗(yàn)試驗(yàn)1試驗(yàn)2試驗(yàn)3試驗(yàn)4試驗(yàn)5試驗(yàn)6試驗(yàn)7試驗(yàn)8試驗(yàn)9試驗(yàn)條件低頻0.2Hz+高頻8HZ低頻0.2Hz+高頻12Hz低頻0.2Hz+高頻16Hz低頻0.4Hz+高頻8Hz低頻0.4Hz+高頻12Hz低頻0.4Hz+高頻16Hz低頻0.6Hz+高頻8Hz低頻0.6Hz+高頻12Hz低頻0.6Hz+高頻16Hzxc75.09565.22676.99872.33268.62761.13172.89262.43967.774y00.1470.1651.2880.1231.4090.4260.7460.4210.616A46.31035.66225.63251.60117.35950.67618.46745.14436.312w16.99614.80918.36116.10712.54817.2429.45016.37813.628y(x=xc)2.332.092.402.692.522.782.312.632.75

在整個(gè)制動(dòng)過程中，汽車實(shí)際行駛的距離包括4個(gè)時(shí)間段，分別為駕駛員反應(yīng)階段、制動(dòng)器制動(dòng)協(xié)調(diào)階段、制動(dòng)器制動(dòng)力增長階段和制動(dòng)器持續(xù)制動(dòng)階段。

(1)駕駛員反應(yīng)階段

此階段車輛仍處于勻速運(yùn)動(dòng)，行駛時(shí)間為t1，制動(dòng)前的速度為V0,后車行駛距離為:

(3)

(2)制動(dòng)器制動(dòng)協(xié)調(diào)階段

此階段因車輛尚未產(chǎn)生制動(dòng)力，所以仍以制動(dòng)前的速度V0勻速前進(jìn)，行駛時(shí)間為t2，后車行駛距離為：

(4)

(3)制動(dòng)器制動(dòng)力增長階段

制動(dòng)力線性增長為變減速運(yùn)動(dòng),行駛時(shí)間為t3，經(jīng)積分變換后可求得該段時(shí)間內(nèi)后車行駛距離為：

(5)

(4)制動(dòng)器持續(xù)制動(dòng)階段

汽車作勻減速運(yùn)動(dòng),根據(jù)勻減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,可求得該段時(shí)間內(nèi)汽車行駛距離為：

(6)

所以，后車行駛距離為式(1)～式(4)之和，即：

(7)

由于t3很小，一般為0.1～0.2 s，其二次方可以忽略，所以將式(5)簡化為：

(8)

對(duì)于前車來說,從后車發(fā)現(xiàn)其制動(dòng)信號(hào)燈亮算起到制動(dòng)停車止，前車一直處于制動(dòng)器持續(xù)制動(dòng)階段，可求出前車行駛距離為：

(9)

(10)

式中，S0為制動(dòng)停車后前車車尾距后車車頭間的安全距離，一般為2～5 m，本文取4 m；V0=80 km/h；t1為駕駛員的反應(yīng)時(shí)間；t2一般取0.2～0.4 s，本文取0.3 s；a1為前車制動(dòng)加速度；a2為后車制動(dòng)加速度，良好路面情況下一般取值6～8 m/s2，本文取a1=8 m/s2，a2=6 m/s2。計(jì)算結(jié)果如表10所示。

圖7　前后兩車行車安全距離示意圖Fig.7　Schematic diagram of driving safety distance between 2 cars

由表10可知，在試驗(yàn)2(高頻12 Hz和低頻0.2 Hz 組合視覺信息)條件下，駕駛員的反應(yīng)時(shí)間t1最短，計(jì)算得出的行車安全距離為67.39 m?，F(xiàn)有行車安全公式計(jì)算得出的車速為80 km/h時(shí)的安全距離為90 m左右，本文與其相比，在多頻率組合下行車安全距離縮短25%，在相同的道路條件下更能保障行車安全。

4結(jié)論

本文利用3ds Max軟件制作公路隧道中部的仿真

表10　不同試驗(yàn)條件下的行車安全距離

注：t1為表9計(jì)算得出的y值，S由式(10)計(jì)算得出。

視頻，對(duì)隧道內(nèi)駕駛員的視覺環(huán)境進(jìn)行了分析，并用E-prime2.0軟件做反應(yīng)時(shí)的心理物理試驗(yàn)，通過單一頻率信息和高、低頻視覺組合信息試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，得出以下結(jié)論：

(1)通過設(shè)置高、低頻視覺組合信息，使速度高估程度降低8%左右，有效降低了駕駛員對(duì)車速的錯(cuò)覺，使駕駛員對(duì)速度變化的感知更加敏感。

(2)通過設(shè)置高、低頻視覺組合信息，能有效地縮短駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而縮短行車安全距離，既可有效地預(yù)防隧道內(nèi)的車輛追尾碰撞事故，又不會(huì)影響道路通行能力。

(3)低頻和高頻視覺組合信息可以緩和高頻視覺信息條件下的顯著速度高估和低頻視覺信息下的速度低估，其中低頻0.2 Hz與高頻12 Hz視覺組合信息高估程度較合理。

(4)隧道內(nèi)設(shè)置多頻率組合信息可以有效減小行車安全距離，在80 km/h限速下，行車安全距離最小為67 m，提升了行車安全性。

綜上所述，利用視錯(cuò)覺原理設(shè)計(jì)的高、低頻視覺組合信息，基于駕駛員的心理特點(diǎn)，可降低駕駛員對(duì)速度的高估程度，主動(dòng)誘導(dǎo)駕駛員降低車速，控速效果較好，可避免駕駛員在隧道中部高速行駛條件下的無意識(shí)加速和傳統(tǒng)隧道行車環(huán)境下的速度低估，有效地縮短駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而預(yù)防隧道內(nèi)的車輛追尾碰撞事故。

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Optimization of Optical Illusion Deceleration Markings in Middle of Highway Tunnel

SHI Xiao-hua1, DU Zhi-gang1,2, ZHENG Zhan-ji1,WU Chao-zhong3

(1. School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430063, China; 2. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China;3. ITS Research Certer,Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430063,China)

Abstract：In order to improve the deceleration effect in middle of tunnel, the design method of visual information combined with high and low frequencies is proposed. With the video of highway tunnel simulation scene made by 3ds Max software, and the optical illusion combination marking in high frequency (8-16 Hz) and low frequency (0.2-4 Hz ) set up on tunnel side walls, the psychophysical experiments of the visual information about a single frequency and a series of combination of high and low frequencies is conducted by E-prime2.0 software to obtain the degree of driver’s speed illusion under different information, thus the deceleration effect of visual illusion marking is analyzed. The experimental result shows that multi-frequency combined information makes driver’s speed perception overestimation, and the driver’s rational speed overestimation degree is 8.21% when high frequency and low frequency combined visual information are 12 Hz and 0.2 Hz respectively, and the driver’s shortest reaction time is 2.08 s. On this basis, it is calculated by the safety driving distance mode that the vehicle safety distance at the speed limit of 80 km/h in the middle of highway tunnel is at least 67 m, it decreases 25.6% compared with traditional safety distance (90 m), which conforms to the actual driving condition.

Key words：tunnel engineering; traffic safety; visual information combination; highway tunnel; reaction time; safety distance

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)03-0089-08

中圖分類號(hào)：U491.5；X913.4

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.03.015

作者簡介:史曉花(1986-)，女，河北石家莊人，碩士研究生.(1023961874@qq.com)

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51578433)；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAG01B03)

收稿日期：2015-02-09