基于駕駛員瞳孔面積變化率的公路視錯覺減速標線橫向?qū)挾妊芯?/h1>
2016-05-25 00:37:00唐伯明段萌萌
重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 2016年1期
尚 婷，唐伯明，段萌萌
(1.重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)
基于駕駛員瞳孔面積變化率的公路視錯覺減速標線橫向?qū)挾妊芯?/p>
尚 婷1，唐伯明2，段萌萌2
(1.重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)
為研究公路視錯覺減速標線的橫向?qū)挾葘︸{駛?cè)送鬃兓挠绊?，以梳齒形減速標線為例，橫向?qū)挾冗x擇20～50 cm，通過對15名駕駛?cè)诉M行室內(nèi)仿真試驗，采用瞳孔面積變化率作為評價公路視錯覺減速標線的橫向?qū)挾劝踩孢m性的指標，建立了兩者的回歸模型。結(jié)果表明：運行速度為80 km/h的路段，隨著標線橫向?qū)挾仍龃?，駕駛?cè)司o張程度愈加嚴重，瞳孔面積變化率絕對值越大。以瞳孔面積變化率20%作為表征駕駛?cè)笋{駛緊張程度和安全舒適性的閾值，將其代入邏輯回歸模型進行計算，得出減速標線橫向?qū)挾纫?4 cm為宜。在此條件下，以40～120 km/h的速度行駛進行第2組試驗，隨著運行速度增加，駕駛員視野變窄且視力下降，此時駕駛?cè)说木o張感變強，瞳孔面積變化率增大。
交通運輸工程；瞳孔面積變化率；視錯覺減速標線；橫向?qū)挾?/p>
0 引 言
在交通事故高發(fā)的今天，超速是最主要的致因之一。研究表明：車禍致傷機率與車速平方成正比，死亡幾率與車速四次方成正比[1]。因此，車速快慢對交通事故嚴重程度有直接的影響。目前廣泛應(yīng)用的強制性減速帶能夠有效降低車速，但存在車輛機件磨損、行車舒適性差、噪音污染嚴重、后期養(yǎng)護不便等缺陷；而視錯覺減速標線則能彌補上述不足。視錯覺減速標線是利用視錯覺原理設(shè)置的一種標線，即通過人視錯覺及心理上的自然反應(yīng)提示駕駛員在道路危險地點前主動采取減速措施，以保障行車安全。
從20世紀80年代開始，國外的學(xué)者就對視錯覺減速標線展開了研究。E．CASTET等[2]進行的模擬實驗表明：運動線段的速度感知與線段的角度有關(guān)，垂直線段和傾斜線段的速度感知不同。D．B．ABDOULAYE[3]在美國Bellevue、Silver Lake和Meriden等路段施劃視錯覺減速標線，5個月后進行減速效果對比試驗，通過t-test、F-test、Z-test等統(tǒng)計學(xué)方法分別對平均車速、方差和車輛超速比例進行分析得知，Bellevue沒有減速效果甚至85%位車速還增加了0.2%，Meriden降速8.2%，其85%位車速同Silver Lake一樣降速明顯，達到8.9%。美國聯(lián)邦公路局[4]在愛荷華州Roland進行的研究顯示，縣道E-18在試驗前平均車速為40 km/h，椽形減速標線施劃1,3,9,12個月之后的車速數(shù)據(jù)表明：85%位車速降低了6 km/h。由文獻[5]可知：實驗路段位于蘇格蘭中洛錫安郡的Newbridge roundabou交叉路口，分別對標線施劃之前的3周和之后的3周進行了前后速度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，結(jié)果顯示減速效果明顯，分別在85%位車速和平均速度降低了30%和23%。
目前國內(nèi)對于視錯覺減速標線的研究起步較晚。以視錯覺減速標線中典型的梳齒形減速標線為例(圖1)，其橫向?qū)挾葧柜{駛員產(chǎn)生車道變窄的錯覺，從而引發(fā)緊張情緒而采取減速措施?，F(xiàn)有的規(guī)范沒有明確規(guī)定該參數(shù)的取值，研究中[6-11]大多是根據(jù)JTG B01—2003《公路工程技術(shù)標準》對行車道寬度和設(shè)計車輛外廓尺寸的規(guī)定，確定單個減速標線的橫向?qū)挾?。這種方式很難準確地分析對駕駛員的影響。因此，筆者選取梳齒形減速標線為對象，通過虛擬仿真試驗，采用眼動儀對駕駛員眼動特征進行測量，建立表征駕駛員心理緊張的生理量化指標，探求駕駛員心理、生理反應(yīng)與駕駛行為的關(guān)系。以優(yōu)化視錯覺減速標線橫向?qū)挾仍O(shè)計參數(shù)，提升其應(yīng)用效果。
1 駕駛員緊張情緒與瞳孔面積變化
駕駛?cè)嗽谛熊囘^程中需要及時感知各種交通信息，在各種感覺器官中，視覺占80%，視覺系統(tǒng)是獲取外界信息的最重要通道[12-14]。瞳孔變化與光線強弱及物體距離遠近有關(guān)之外，還與知覺、記憶、思維、語言加工、動機、情緒等諸多高級心理活動相聯(lián)系[15]，瞳孔的放大往往意味著認知活動中更大的加工負荷或心理努力。瞳孔的大小及反應(yīng)受交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)支配，此兩種神經(jīng)相互協(xié)調(diào)、相互作用，以控制瞳孔的變化。當機體處于緊張活動狀態(tài)時，交感神經(jīng)活動起著主要作用，能夠使心搏加強和加速、瞳孔散大、疲乏的肌肉工作能力增加等。反之，在身體放松時副交感神經(jīng)處于積極狀態(tài)，起到減慢心跳、瞳孔縮小、降低血壓的作用[16-18]。因此，瞳孔的變化能反映駕駛?cè)嗽隈{駛過程中遇到的不安或舒適的心理、生理狀態(tài)。由于瞳孔大小存在個體差異，而瞳孔面積變化率更能客觀地反映駕駛?cè)笋{車狀態(tài)，且對試驗環(huán)境要求不高。因此，筆者選擇該指標作為駕駛?cè)司o張程度的評價指標，分析視錯覺減速標線路段駕駛?cè)送酌娣e變化率是否與標線橫向?qū)挾染哂邢嚓P(guān)性，并試圖解析其機理。
2 試驗方案設(shè)計
為降低交通環(huán)境對駕駛員的影響，減少實際道路試驗的工作量，運用3D-MAX軟件進行建模和渲染，制作車道寬度為3.75 m，全長為500 m的多個仿真直線路段視頻。第1組試驗以80 km/h速度行駛，視線高度為1.5 m，再將中間300 m路段添加不同橫向?qū)挾鹊氖猃X形減速標線。利用Dikablis Professtional Glasses眼鏡式眼動儀(數(shù)據(jù)采集頻率為60 Hz，眼部攝像頭分辨率為648×488 pixels，場景攝像頭角度為40～90°)，實施采集受試者在人機試驗室觀看視頻資料時瞳孔面積變化數(shù)據(jù)；根據(jù)第一組試驗的結(jié)果，選擇最佳的橫向標線寬度，以40～120 km/h速度行駛進行第2組試驗。
梳齒形視錯覺減速標線施劃在行車道兩側(cè)，呈對稱分布，其參數(shù)包括橫向?qū)挾葁、標線線寬h以及相鄰標線間距L(圖2)。其橫向?qū)挾鹊拇_定，除了以駕駛員產(chǎn)生車道變窄的錯覺從而引發(fā)緊張情緒而采取減速措施為目的，還要綜合考慮減少車輛碾壓頻率、保證惡劣天氣下的行車安全、便于施工和養(yǎng)護等因素。根據(jù)已有研究成果[2-5]，確定單個梳齒形減速標線的橫向?qū)挾确謩e取值20～50 cm，h=30 cm，L=5.5 m。
考慮到個體差異的不同，挑選不同年齡、不同駕齡、不同性別的15 名駕駛員為試驗對象，試驗駕駛?cè)说男畔⒁姳?。試驗前，告之各位駕駛試驗所用儀器設(shè)備的基本知識，以消除駕駛員的緊張情緒。試驗前一天晚上保證充足的睡眠，避免劇烈運動，避免吸煙和飲用酒、茶、咖啡等任何可能影響試驗結(jié)果的食物和藥物。
圖2 梳齒形減速標線幾何參數(shù)示意Fig.2 Geometric parameters of comb shaped optical illusion deceleration marking
測試之前進行初探性試驗，檢測儀器的有效性。視頻的播放與眼鏡式眼動儀記錄同時開始。記錄試驗過程中特殊位置(視錯覺標線起終點)和異常情況，為后階段的數(shù)據(jù)處理提供便利。試驗要求眼鏡式眼動儀與手工記錄的時間準確一致，以保證各種信息的數(shù)據(jù)同步。
3 試驗結(jié)果分析
3.1 實驗數(shù)據(jù)處理與分析
由于在視頻制作過程中避免超車、變道等影響，因此，根據(jù)概率統(tǒng)計理論和一般常識排除一些異常數(shù)據(jù)。用眼動儀自帶數(shù)據(jù)分析程序?qū)υ囼炘紨?shù)據(jù)進行直觀的觀察(鑒于篇幅所限，部分有代表性的數(shù)據(jù)見表2)，再利用SPSS軟件對數(shù)據(jù)作進一步的分析。圖3是以80 km/h運行速度、標線橫向?qū)挾确謩e為30，40，50 cm時的瞳孔面積變化率。
表1 室內(nèi)模擬試驗部分駕駛員基本信息
表2 部分試驗樣本數(shù)據(jù)
在自由流交通環(huán)境、線形和路面良好的條件下，駕駛?cè)嗽谶M入公路梳齒形減速標線路段的過程中，當受到標線不同橫向?qū)挾鹊拇碳r，其瞳孔面積會發(fā)生不同的變化。圖3為駕駛?cè)艘?0 km/h運行速度在自由流狀態(tài)駛?cè)牍芬曞e覺減速標線時的瞳孔面積變化率情況。
當駕駛?cè)嗽谝曨l剛開始尚未施劃梳齒形減速標線的路段時，除了有個別異常點是駕駛?cè)藭簳r的不適應(yīng)造成，瞳孔面積變化率保持在小范圍內(nèi)波動，基本保持穩(wěn)定；在梳齒形標線接近段，駕駛?cè)酥荒芸吹角胺接邪咨珯M向標線，導(dǎo)致其無法獲取前方道路的準確信息；當駕駛?cè)笋側(cè)胍曞e覺減速標線段，由于駕駛?cè)嗽谝曈X上不能迅速適應(yīng)，會誤產(chǎn)生行車道變窄的錯覺，這時駕駛?cè)吮憩F(xiàn)出緊張狀態(tài)，瞳孔面積變化率波動明顯；當駕駛?cè)笋傠x梳齒形標線段后，緊張感逐漸消退，瞳孔面積變化趨于平靜。在同樣的線形和運行速度條件下，梳齒形減速標線橫向?qū)挾仍酱?，這種適應(yīng)問題就會越嚴重，駕駛?cè)司o張程度愈加嚴重，瞳孔面積變化率絕對值越大，變化幅度甚至超過20%。
圖3 不同標線橫向?qū)挾葧r的瞳孔面積變化率Fig.3 Changing rate of pupil area with different transverse widths of marking
根據(jù)上述分析，當公路兩側(cè)設(shè)置梳齒形減速標線時會造成駕駛?cè)诵睦砭o張，瞳孔面積變化率增大。
3.2 建立數(shù)學(xué)模型
3.2.1 標線橫向?qū)挾扰c瞳孔面積變化率的關(guān)系
通過對駕駛?cè)嗽谑猃X形減速標線的駕駛特征分析，瞳孔面積變化率的變化與標線的橫向?qū)挾瓤赡艽嬖诓煌潭鹊南嚓P(guān)關(guān)系。為了排除駕駛員剛看到標線的暫時不適應(yīng)情緒，以及駛離標線后非緊張反應(yīng)，選擇添加減速標線的中段作為代表性斷面的樣本數(shù)據(jù)，利用回歸分析理論和方法[19-20]，建立標線橫向?qū)挾群屯酌娣e變化率的回歸模型。
根據(jù)回歸線得出標線橫向?qū)挾萕與駕駛員瞳孔面積變化率U的回歸模型為：
U=-0.004W2+0.794W-6.959
(1)
式(1)回歸模型的擬合優(yōu)度檢驗R2=0.674，回歸模型對樣本數(shù)據(jù)的代表程度較強，具有一定的統(tǒng)計學(xué)意義，可以用該回歸模型描述標線橫向?qū)挾扰c駕駛員瞳孔面積變化之間的關(guān)系。
圖4為標線橫向?qū)挾扰c瞳孔面積變化率的關(guān)系。根據(jù)圖4可知：當駕駛員以80 km/h的速度進入梳齒形標線路段時，標線的橫向?qū)挾仍酱螅{駛?cè)烁桩a(chǎn)生車道變窄的錯覺，這時駕駛?cè)说木o張感變強，瞳孔面積變化率增大。這與“人在緊張時瞳孔會擴大，疲勞時會縮小”的理論基礎(chǔ)相一致。因此，標線橫向?qū)挾扰c瞳孔面積變化率成二次線形關(guān)系。模型適用范圍：W∈[20，50]。
圖4 標線橫向?qū)挾扰c瞳孔面積變化率的關(guān)系Fig.4 Relationship between transverse widths of marking and changing rate of pupil area
根據(jù)駕駛?cè)嗽谑猃X形標線段瞳孔面積變化率關(guān)系，以瞳孔面積變化率20%作為表征駕駛?cè)笋{駛緊張程度和安全舒適性的閾值[21]，并將其代入式(1)中，當運行速度為80 km/h，可計算得到標線橫向?qū)挾葹?3.46 cm時，在達到減速效果最佳的同時保障駕駛安全性。為了便于施工，建議取值為44 cm。
3.2.2 運行速度與瞳孔面積變化率的關(guān)系
根據(jù)上述第1組試驗得出的減速標線橫向?qū)挾冉ㄗh值，選擇44 cm作為最佳橫向標線寬度，分別以40～120 km/h的速度行駛進行第2組試驗。為了保證試驗的一致性，選擇同樣的視頻場景作為試驗樣本，試探尋在不同速度下駕駛員的瞳孔面積變化規(guī)律(試驗數(shù)據(jù)如表3)，并利用回歸分析理論和方法，建立運行速度與瞳孔面積變化率的回歸模型。
根據(jù)回歸線得出運行速度V與駕駛員瞳孔面積變化率U的回歸模型為：
U=-0.001V2+0.286V-1.851
(2)
式(2)回歸模型的擬合優(yōu)度檢驗R2=0.641，回歸模型對樣本數(shù)據(jù)的代表程度較強，表明兩者具有較好的正相關(guān)關(guān)系。圖5為運行速度與瞳孔面積變化率的關(guān)系，根據(jù)圖5可知，當標線橫向?qū)挾葹?4 cm時，由于運行速度增加，駕駛員視野變窄且視力下降，會更多注視路面標線。此時駕駛?cè)说木o張感變強，瞳孔面積變化率增大。因此，運行速度與瞳孔面積變化率成線形關(guān)系。
表3 部分試驗樣本數(shù)據(jù)
圖5 運行速度與瞳孔面積變化率的關(guān)系Fig.5 Relationship between vehicle speed and changing rate of pupil area
4 結(jié) 論
筆者從醫(yī)學(xué)、心生理學(xué)、工學(xué)交叉學(xué)科的角度，在測定梳齒形減速標線寬度和駕駛員生理指標及相關(guān)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，得到主要結(jié)論如下：
1)當駕駛?cè)嗽谶M入施劃有梳齒形減速標線路段時，瞳孔面積變化率與標線橫向?qū)挾群蛙囁僦g呈邏輯關(guān)系，建立了駕駛?cè)送酌娣e變化率與標線寬度以及車速之間的定量關(guān)系模型。
2)利用研究得到的量化模型，當運行速度為80 km/h時，確定瞳孔面積變化率20%為自由流條件下減速標線平直路段駕駛員心理緊張的安全閾值，對應(yīng)的減速標線橫向?qū)挾葹?3.46 cm。
3)筆者僅局限于80 km/h的行駛速度下的標線寬度進行研究，以及對應(yīng)的最佳橫向?qū)挾仍诓煌俣认碌耐酌娣e變化規(guī)律，但兩者均存在局限性。對于其他設(shè)計速度或限速條件下的標線寬度及其在不同速度下的瞳孔面積變化率，有待采用同樣的理論和方法進行試驗驗證。
4)試驗選取了梳齒形減速標線橫向?qū)挾冗M行分析，對于標線的顏色、角度、間距等值有待進一步研究。室內(nèi)試驗存在一定局限性，應(yīng)在今后研究中增加室外對比試驗。此外，視錯覺減速標線的類別很多(如椽形減速標線、龍牙減速標線、3D視覺立體減速標線等)，筆者僅針對梳齒形減速標線展開，未來應(yīng)將其他種類的視錯覺減速標線納入研究范圍。
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Transverse Widths of Highway Optical Illusion Deceleration MarkingBased on Changing Rate of Drivers’ Pupil Area
SHANG Ting1, TANG Boming2, DUAN Mengmeng2
(1. School of Traffic & Transportation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,P.R.China; 2. College of Civil Engineering , Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,P.R.China)
Aiming at researching the effect of optical illusion deceleration marking transverse widths on the change of pupil of drivers, the case of comb-shaped deceleration marking was taken as an example and 15 drivers were chosen out for the indoor simulation test, which selected the transverse width was from 20 cm to 50 cm. The changing rate of pupil area was selected as the evaluation index to evaluate the driving safety and comfort of the transverse width of highway optical illusion deceleration marking and the regression models of both were established. The results show that as the transverse widths of marking increase, the drivers feel more nervous and the absolute value of pupil change rate is larger at the section of the road with the speed limit of 80 km/h. The changing rate of pupil area (20%) is used as the threshold to describe divers’ driving tension degree, safety and comfort. The changing rate of pupil area is put in the logistic regression model for calculation and the transverse width of appropriate deceleration marking is 44 cm. Based on the above condition, the second test was carried out with the driving speed from 40 km/h to 120 km/h. And the results indicate that as the driving speed increases, the driver’s visual field is narrowed and the visual acuity is decreased, therefore, the tension of the driver is stronger and the change of pupil area is increased.
traffic and transportation engineering; changing rate of pupil area; optical illusion deceleration marking; transverse widths
2014-06-11；
2014-11-28
國家自然科學(xué)基金項目(51278514)；重慶市教育委員會基金項目(KJ130419)
尚 婷(1983—)，女，重慶人，講師，博士研究生，主要從事道路交通安全方面的研究。E-mail：335304854@qq.com。
10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.22
U417.9
A
1674-0696(2016)01-111-06
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尚 婷，唐伯明，段萌萌
(1.重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)
基于駕駛員瞳孔面積變化率的公路視錯覺減速標線橫向?qū)挾妊芯?/p>
尚 婷1，唐伯明2，段萌萌2
(1.重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)
為研究公路視錯覺減速標線的橫向?qū)挾葘︸{駛?cè)送鬃兓挠绊?，以梳齒形減速標線為例，橫向?qū)挾冗x擇20～50 cm，通過對15名駕駛?cè)诉M行室內(nèi)仿真試驗，采用瞳孔面積變化率作為評價公路視錯覺減速標線的橫向?qū)挾劝踩孢m性的指標，建立了兩者的回歸模型。結(jié)果表明：運行速度為80 km/h的路段，隨著標線橫向?qū)挾仍龃?，駕駛?cè)司o張程度愈加嚴重，瞳孔面積變化率絕對值越大。以瞳孔面積變化率20%作為表征駕駛?cè)笋{駛緊張程度和安全舒適性的閾值，將其代入邏輯回歸模型進行計算，得出減速標線橫向?qū)挾纫?4 cm為宜。在此條件下，以40～120 km/h的速度行駛進行第2組試驗，隨著運行速度增加，駕駛員視野變窄且視力下降，此時駕駛?cè)说木o張感變強，瞳孔面積變化率增大。
交通運輸工程；瞳孔面積變化率；視錯覺減速標線；橫向?qū)挾?/p>
0 引 言
在交通事故高發(fā)的今天，超速是最主要的致因之一。研究表明：車禍致傷機率與車速平方成正比，死亡幾率與車速四次方成正比[1]。因此，車速快慢對交通事故嚴重程度有直接的影響。目前廣泛應(yīng)用的強制性減速帶能夠有效降低車速，但存在車輛機件磨損、行車舒適性差、噪音污染嚴重、后期養(yǎng)護不便等缺陷；而視錯覺減速標線則能彌補上述不足。視錯覺減速標線是利用視錯覺原理設(shè)置的一種標線，即通過人視錯覺及心理上的自然反應(yīng)提示駕駛員在道路危險地點前主動采取減速措施，以保障行車安全。
從20世紀80年代開始，國外的學(xué)者就對視錯覺減速標線展開了研究。E．CASTET等[2]進行的模擬實驗表明：運動線段的速度感知與線段的角度有關(guān)，垂直線段和傾斜線段的速度感知不同。D．B．ABDOULAYE[3]在美國Bellevue、Silver Lake和Meriden等路段施劃視錯覺減速標線，5個月后進行減速效果對比試驗，通過t-test、F-test、Z-test等統(tǒng)計學(xué)方法分別對平均車速、方差和車輛超速比例進行分析得知，Bellevue沒有減速效果甚至85%位車速還增加了0.2%，Meriden降速8.2%，其85%位車速同Silver Lake一樣降速明顯，達到8.9%。美國聯(lián)邦公路局[4]在愛荷華州Roland進行的研究顯示，縣道E-18在試驗前平均車速為40 km/h，椽形減速標線施劃1,3,9,12個月之后的車速數(shù)據(jù)表明：85%位車速降低了6 km/h。由文獻[5]可知：實驗路段位于蘇格蘭中洛錫安郡的Newbridge roundabou交叉路口，分別對標線施劃之前的3周和之后的3周進行了前后速度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，結(jié)果顯示減速效果明顯，分別在85%位車速和平均速度降低了30%和23%。
目前國內(nèi)對于視錯覺減速標線的研究起步較晚。以視錯覺減速標線中典型的梳齒形減速標線為例(圖1)，其橫向?qū)挾葧柜{駛員產(chǎn)生車道變窄的錯覺，從而引發(fā)緊張情緒而采取減速措施?，F(xiàn)有的規(guī)范沒有明確規(guī)定該參數(shù)的取值，研究中[6-11]大多是根據(jù)JTG B01—2003《公路工程技術(shù)標準》對行車道寬度和設(shè)計車輛外廓尺寸的規(guī)定，確定單個減速標線的橫向?qū)挾?。這種方式很難準確地分析對駕駛員的影響。因此，筆者選取梳齒形減速標線為對象，通過虛擬仿真試驗，采用眼動儀對駕駛員眼動特征進行測量，建立表征駕駛員心理緊張的生理量化指標，探求駕駛員心理、生理反應(yīng)與駕駛行為的關(guān)系。以優(yōu)化視錯覺減速標線橫向?qū)挾仍O(shè)計參數(shù)，提升其應(yīng)用效果。
1 駕駛員緊張情緒與瞳孔面積變化
駕駛?cè)嗽谛熊囘^程中需要及時感知各種交通信息，在各種感覺器官中，視覺占80%，視覺系統(tǒng)是獲取外界信息的最重要通道[12-14]。瞳孔變化與光線強弱及物體距離遠近有關(guān)之外，還與知覺、記憶、思維、語言加工、動機、情緒等諸多高級心理活動相聯(lián)系[15]，瞳孔的放大往往意味著認知活動中更大的加工負荷或心理努力。瞳孔的大小及反應(yīng)受交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)支配，此兩種神經(jīng)相互協(xié)調(diào)、相互作用，以控制瞳孔的變化。當機體處于緊張活動狀態(tài)時，交感神經(jīng)活動起著主要作用，能夠使心搏加強和加速、瞳孔散大、疲乏的肌肉工作能力增加等。反之，在身體放松時副交感神經(jīng)處于積極狀態(tài)，起到減慢心跳、瞳孔縮小、降低血壓的作用[16-18]。因此，瞳孔的變化能反映駕駛?cè)嗽隈{駛過程中遇到的不安或舒適的心理、生理狀態(tài)。由于瞳孔大小存在個體差異，而瞳孔面積變化率更能客觀地反映駕駛?cè)笋{車狀態(tài)，且對試驗環(huán)境要求不高。因此，筆者選擇該指標作為駕駛?cè)司o張程度的評價指標，分析視錯覺減速標線路段駕駛?cè)送酌娣e變化率是否與標線橫向?qū)挾染哂邢嚓P(guān)性，并試圖解析其機理。
2 試驗方案設(shè)計
為降低交通環(huán)境對駕駛員的影響，減少實際道路試驗的工作量，運用3D-MAX軟件進行建模和渲染，制作車道寬度為3.75 m，全長為500 m的多個仿真直線路段視頻。第1組試驗以80 km/h速度行駛，視線高度為1.5 m，再將中間300 m路段添加不同橫向?qū)挾鹊氖猃X形減速標線。利用Dikablis Professtional Glasses眼鏡式眼動儀(數(shù)據(jù)采集頻率為60 Hz，眼部攝像頭分辨率為648×488 pixels，場景攝像頭角度為40～90°)，實施采集受試者在人機試驗室觀看視頻資料時瞳孔面積變化數(shù)據(jù)；根據(jù)第一組試驗的結(jié)果，選擇最佳的橫向標線寬度，以40～120 km/h速度行駛進行第2組試驗。
梳齒形視錯覺減速標線施劃在行車道兩側(cè)，呈對稱分布，其參數(shù)包括橫向?qū)挾葁、標線線寬h以及相鄰標線間距L(圖2)。其橫向?qū)挾鹊拇_定，除了以駕駛員產(chǎn)生車道變窄的錯覺從而引發(fā)緊張情緒而采取減速措施為目的，還要綜合考慮減少車輛碾壓頻率、保證惡劣天氣下的行車安全、便于施工和養(yǎng)護等因素。根據(jù)已有研究成果[2-5]，確定單個梳齒形減速標線的橫向?qū)挾确謩e取值20～50 cm，h=30 cm，L=5.5 m。
考慮到個體差異的不同，挑選不同年齡、不同駕齡、不同性別的15 名駕駛員為試驗對象，試驗駕駛?cè)说男畔⒁姳?。試驗前，告之各位駕駛試驗所用儀器設(shè)備的基本知識，以消除駕駛員的緊張情緒。試驗前一天晚上保證充足的睡眠，避免劇烈運動，避免吸煙和飲用酒、茶、咖啡等任何可能影響試驗結(jié)果的食物和藥物。
圖2 梳齒形減速標線幾何參數(shù)示意Fig.2 Geometric parameters of comb shaped optical illusion deceleration marking
測試之前進行初探性試驗，檢測儀器的有效性。視頻的播放與眼鏡式眼動儀記錄同時開始。記錄試驗過程中特殊位置(視錯覺標線起終點)和異常情況，為后階段的數(shù)據(jù)處理提供便利。試驗要求眼鏡式眼動儀與手工記錄的時間準確一致，以保證各種信息的數(shù)據(jù)同步。
3 試驗結(jié)果分析
3.1 實驗數(shù)據(jù)處理與分析
由于在視頻制作過程中避免超車、變道等影響，因此，根據(jù)概率統(tǒng)計理論和一般常識排除一些異常數(shù)據(jù)。用眼動儀自帶數(shù)據(jù)分析程序?qū)υ囼炘紨?shù)據(jù)進行直觀的觀察(鑒于篇幅所限，部分有代表性的數(shù)據(jù)見表2)，再利用SPSS軟件對數(shù)據(jù)作進一步的分析。圖3是以80 km/h運行速度、標線橫向?qū)挾确謩e為30，40，50 cm時的瞳孔面積變化率。
表1 室內(nèi)模擬試驗部分駕駛員基本信息
表2 部分試驗樣本數(shù)據(jù)
在自由流交通環(huán)境、線形和路面良好的條件下，駕駛?cè)嗽谶M入公路梳齒形減速標線路段的過程中，當受到標線不同橫向?qū)挾鹊拇碳r，其瞳孔面積會發(fā)生不同的變化。圖3為駕駛?cè)艘?0 km/h運行速度在自由流狀態(tài)駛?cè)牍芬曞e覺減速標線時的瞳孔面積變化率情況。
當駕駛?cè)嗽谝曨l剛開始尚未施劃梳齒形減速標線的路段時，除了有個別異常點是駕駛?cè)藭簳r的不適應(yīng)造成，瞳孔面積變化率保持在小范圍內(nèi)波動，基本保持穩(wěn)定；在梳齒形標線接近段，駕駛?cè)酥荒芸吹角胺接邪咨珯M向標線，導(dǎo)致其無法獲取前方道路的準確信息；當駕駛?cè)笋側(cè)胍曞e覺減速標線段，由于駕駛?cè)嗽谝曈X上不能迅速適應(yīng)，會誤產(chǎn)生行車道變窄的錯覺，這時駕駛?cè)吮憩F(xiàn)出緊張狀態(tài)，瞳孔面積變化率波動明顯；當駕駛?cè)笋傠x梳齒形標線段后，緊張感逐漸消退，瞳孔面積變化趨于平靜。在同樣的線形和運行速度條件下，梳齒形減速標線橫向?qū)挾仍酱?，這種適應(yīng)問題就會越嚴重，駕駛?cè)司o張程度愈加嚴重，瞳孔面積變化率絕對值越大，變化幅度甚至超過20%。
圖3 不同標線橫向?qū)挾葧r的瞳孔面積變化率Fig.3 Changing rate of pupil area with different transverse widths of marking
根據(jù)上述分析，當公路兩側(cè)設(shè)置梳齒形減速標線時會造成駕駛?cè)诵睦砭o張，瞳孔面積變化率增大。
3.2 建立數(shù)學(xué)模型
3.2.1 標線橫向?qū)挾扰c瞳孔面積變化率的關(guān)系
通過對駕駛?cè)嗽谑猃X形減速標線的駕駛特征分析，瞳孔面積變化率的變化與標線的橫向?qū)挾瓤赡艽嬖诓煌潭鹊南嚓P(guān)關(guān)系。為了排除駕駛員剛看到標線的暫時不適應(yīng)情緒，以及駛離標線后非緊張反應(yīng)，選擇添加減速標線的中段作為代表性斷面的樣本數(shù)據(jù)，利用回歸分析理論和方法[19-20]，建立標線橫向?qū)挾群屯酌娣e變化率的回歸模型。
根據(jù)回歸線得出標線橫向?qū)挾萕與駕駛員瞳孔面積變化率U的回歸模型為：
U=-0.004W2+0.794W-6.959
(1)
式(1)回歸模型的擬合優(yōu)度檢驗R2=0.674，回歸模型對樣本數(shù)據(jù)的代表程度較強，具有一定的統(tǒng)計學(xué)意義，可以用該回歸模型描述標線橫向?qū)挾扰c駕駛員瞳孔面積變化之間的關(guān)系。
圖4為標線橫向?qū)挾扰c瞳孔面積變化率的關(guān)系。根據(jù)圖4可知：當駕駛員以80 km/h的速度進入梳齒形標線路段時，標線的橫向?qū)挾仍酱螅{駛?cè)烁桩a(chǎn)生車道變窄的錯覺，這時駕駛?cè)说木o張感變強，瞳孔面積變化率增大。這與“人在緊張時瞳孔會擴大，疲勞時會縮小”的理論基礎(chǔ)相一致。因此，標線橫向?qū)挾扰c瞳孔面積變化率成二次線形關(guān)系。模型適用范圍：W∈[20，50]。
圖4 標線橫向?qū)挾扰c瞳孔面積變化率的關(guān)系Fig.4 Relationship between transverse widths of marking and changing rate of pupil area
根據(jù)駕駛?cè)嗽谑猃X形標線段瞳孔面積變化率關(guān)系，以瞳孔面積變化率20%作為表征駕駛?cè)笋{駛緊張程度和安全舒適性的閾值[21]，并將其代入式(1)中，當運行速度為80 km/h，可計算得到標線橫向?qū)挾葹?3.46 cm時，在達到減速效果最佳的同時保障駕駛安全性。為了便于施工，建議取值為44 cm。
3.2.2 運行速度與瞳孔面積變化率的關(guān)系
根據(jù)上述第1組試驗得出的減速標線橫向?qū)挾冉ㄗh值，選擇44 cm作為最佳橫向標線寬度，分別以40～120 km/h的速度行駛進行第2組試驗。為了保證試驗的一致性，選擇同樣的視頻場景作為試驗樣本，試探尋在不同速度下駕駛員的瞳孔面積變化規(guī)律(試驗數(shù)據(jù)如表3)，并利用回歸分析理論和方法，建立運行速度與瞳孔面積變化率的回歸模型。
根據(jù)回歸線得出運行速度V與駕駛員瞳孔面積變化率U的回歸模型為：
U=-0.001V2+0.286V-1.851
(2)
式(2)回歸模型的擬合優(yōu)度檢驗R2=0.641，回歸模型對樣本數(shù)據(jù)的代表程度較強，表明兩者具有較好的正相關(guān)關(guān)系。圖5為運行速度與瞳孔面積變化率的關(guān)系，根據(jù)圖5可知，當標線橫向?qū)挾葹?4 cm時，由于運行速度增加，駕駛員視野變窄且視力下降，會更多注視路面標線。此時駕駛?cè)说木o張感變強，瞳孔面積變化率增大。因此，運行速度與瞳孔面積變化率成線形關(guān)系。
表3 部分試驗樣本數(shù)據(jù)
圖5 運行速度與瞳孔面積變化率的關(guān)系Fig.5 Relationship between vehicle speed and changing rate of pupil area
4 結(jié) 論
筆者從醫(yī)學(xué)、心生理學(xué)、工學(xué)交叉學(xué)科的角度，在測定梳齒形減速標線寬度和駕駛員生理指標及相關(guān)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，得到主要結(jié)論如下：
1)當駕駛?cè)嗽谶M入施劃有梳齒形減速標線路段時，瞳孔面積變化率與標線橫向?qū)挾群蛙囁僦g呈邏輯關(guān)系，建立了駕駛?cè)送酌娣e變化率與標線寬度以及車速之間的定量關(guān)系模型。
2)利用研究得到的量化模型，當運行速度為80 km/h時，確定瞳孔面積變化率20%為自由流條件下減速標線平直路段駕駛員心理緊張的安全閾值，對應(yīng)的減速標線橫向?qū)挾葹?3.46 cm。
3)筆者僅局限于80 km/h的行駛速度下的標線寬度進行研究，以及對應(yīng)的最佳橫向?qū)挾仍诓煌俣认碌耐酌娣e變化規(guī)律，但兩者均存在局限性。對于其他設(shè)計速度或限速條件下的標線寬度及其在不同速度下的瞳孔面積變化率，有待采用同樣的理論和方法進行試驗驗證。
4)試驗選取了梳齒形減速標線橫向?qū)挾冗M行分析，對于標線的顏色、角度、間距等值有待進一步研究。室內(nèi)試驗存在一定局限性，應(yīng)在今后研究中增加室外對比試驗。此外，視錯覺減速標線的類別很多(如椽形減速標線、龍牙減速標線、3D視覺立體減速標線等)，筆者僅針對梳齒形減速標線展開，未來應(yīng)將其他種類的視錯覺減速標線納入研究范圍。
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Transverse Widths of Highway Optical Illusion Deceleration MarkingBased on Changing Rate of Drivers’ Pupil Area
SHANG Ting1, TANG Boming2, DUAN Mengmeng2
(1. School of Traffic & Transportation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,P.R.China; 2. College of Civil Engineering , Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,P.R.China)
Aiming at researching the effect of optical illusion deceleration marking transverse widths on the change of pupil of drivers, the case of comb-shaped deceleration marking was taken as an example and 15 drivers were chosen out for the indoor simulation test, which selected the transverse width was from 20 cm to 50 cm. The changing rate of pupil area was selected as the evaluation index to evaluate the driving safety and comfort of the transverse width of highway optical illusion deceleration marking and the regression models of both were established. The results show that as the transverse widths of marking increase, the drivers feel more nervous and the absolute value of pupil change rate is larger at the section of the road with the speed limit of 80 km/h. The changing rate of pupil area (20%) is used as the threshold to describe divers’ driving tension degree, safety and comfort. The changing rate of pupil area is put in the logistic regression model for calculation and the transverse width of appropriate deceleration marking is 44 cm. Based on the above condition, the second test was carried out with the driving speed from 40 km/h to 120 km/h. And the results indicate that as the driving speed increases, the driver’s visual field is narrowed and the visual acuity is decreased, therefore, the tension of the driver is stronger and the change of pupil area is increased.
traffic and transportation engineering; changing rate of pupil area; optical illusion deceleration marking; transverse widths
2014-06-11；
2014-11-28
國家自然科學(xué)基金項目(51278514)；重慶市教育委員會基金項目(KJ130419)
尚 婷(1983—)，女，重慶人，講師，博士研究生，主要從事道路交通安全方面的研究。E-mail：335304854@qq.com。
10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.22
U417.9
A
1674-0696(2016)01-111-06
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