杜志剛 柳青云 朱新建 陳 鑫 嚴(yán)敏婷 廖洋琨

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的雙向立交環(huán)形交叉口導(dǎo)向系統(tǒng)*

杜志剛 柳青云 朱新建 陳 鑫 嚴(yán)敏婷 廖洋琨

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

心理旋轉(zhuǎn)是一種想象自己或客體旋轉(zhuǎn)的空間表征轉(zhuǎn)換能力.駕駛員經(jīng)過道路環(huán)境單一、缺乏鮮明的視覺參照系的雙向立交環(huán)形交叉口通常會產(chǎn)生這一現(xiàn)象，并導(dǎo)致方向辨識時間增加，辨識準(zhǔn)確度下降，誘發(fā)不良駕駛行為乃至交通事故.依據(jù)色彩恒常性、形狀恒常性特色，設(shè)計路面“彩色玫瑰”圖案來刺激駕駛員的視覺感知，建立相應(yīng)的多色彩路面導(dǎo)向系統(tǒng)來增強(qiáng)駕駛員方向感，并采用逆反射材料增強(qiáng)指示信息在夜間的可見性，提高駕駛員的辨識準(zhǔn)確率，降低視認(rèn)反應(yīng)時間，緩解環(huán)形交叉口的“心理旋轉(zhuǎn)”效應(yīng)，有效地減少了駕駛員繞行和選錯路線的可能性，提高了交叉口的通過能力.

交通安全；心理旋轉(zhuǎn)；色彩心理；環(huán)形交叉口；導(dǎo)向系統(tǒng)

0 引 言

目前城市公共導(dǎo)向系統(tǒng)尤其是城市道路的雙向立交環(huán)形交叉口，駕駛員開車駛?cè)氕h(huán)形交叉口后，由于車輛本身在轉(zhuǎn)，導(dǎo)致路名信息及周邊景觀的物體映像旋轉(zhuǎn)，因此會使駕駛員存在心理旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象.而目前的環(huán)形交叉口又普遍存在交通指示信息不足或過載，交通信息不連續(xù)，視覺環(huán)境單調(diào)等問題，這些弊端又會加重駕駛員的心理旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，降低環(huán)形交叉口的通行能力，造成交通擁堵，甚至引發(fā)交通事故.

高敏等[1]根據(jù)沖突點(diǎn)的數(shù)目采用理論安全影響分析法，再根據(jù)實際交通事故數(shù)據(jù)采用前后對比法，分析現(xiàn)代環(huán)形交叉口對車輛和弱勢群體的安全影響，提出現(xiàn)代環(huán)形交叉口的適用條件，以及自行車道安全設(shè)計方法.唐健娟等[2]通過室內(nèi)仿真實驗對標(biāo)志信息量與認(rèn)知時間的關(guān)系，從而確定了環(huán)形交叉口標(biāo)志的極限信息量.陳炎等[3]通過大量的室內(nèi)模擬實驗給出了基于不同行車速度和標(biāo)志信息量的、適用于不同天氣和光線條件的公路交叉口指路標(biāo)志設(shè)置位置建議值.

這些研究并沒有很好解決環(huán)形交叉口的現(xiàn)狀問題，也缺乏駕駛員行駛在環(huán)形交叉口中的心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的研究.文中通過設(shè)計一整套完整、連續(xù)、漸變的視覺導(dǎo)向信息系統(tǒng)來減輕駕駛員的心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，改善雙向立交環(huán)形交叉口交通狀況.

1 改善原理

1.1 心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)

心理旋轉(zhuǎn)是一種旋轉(zhuǎn)二維和三維物體的心理表象能力，它多用于研究空間信息加工的速度[4].國內(nèi)外心理學(xué)家研究表明，當(dāng)文字所在平面與觀察者視線垂直時，其反應(yīng)時間最短，而文字平面相對視線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時，其反應(yīng)時間與傾斜角度呈正相關(guān)，稱為心理旋轉(zhuǎn)作用.

王鵬等[5]研究指出，心理旋轉(zhuǎn)是一種想象自我或者客體旋轉(zhuǎn)的空間表征動力轉(zhuǎn)換能力.當(dāng)人們處于一個復(fù)雜的空間環(huán)境中，就會有空間上的認(rèn)知難度，難以判斷正確的方向.人們通過外部的合理信息指導(dǎo)，可以在一定程度上來減弱心理旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象.

王鵬等[6]研究指出，心理旋轉(zhuǎn)能力存在明顯的個體差異性，主要體現(xiàn)在性別差異上，男性的心理旋轉(zhuǎn)能力優(yōu)于女性的心理旋轉(zhuǎn)能力；心理旋轉(zhuǎn)具有很高的可塑性，通過有效地訓(xùn)練可以提高人類的空間的智能.

1.2 顏色、形狀恒常性

色彩是眼睛對不同波長的光所產(chǎn)生的視覺，人們根據(jù)不同的色彩把各種事物區(qū)別開來，并從中獲取有關(guān)這些物體的形狀、位置等諸多方面的信息，這是一種生理作用.但是這種生理作用進(jìn)一步?jīng)_擊到人們的心理，從而產(chǎn)生了色彩心理效應(yīng).

顏色恒常性(color constancy)是當(dāng)照射物體表面的顏色光發(fā)生變化時，人們對該物體表面顏色的知覺仍然保持不變.

形狀恒常性是指人在觀察熟悉物體時，當(dāng)其觀察角度發(fā)生變化而導(dǎo)致視網(wǎng)膜上的映像發(fā)生改變時，其原本的形狀知覺保持相對不變的知覺特征.

據(jù)報道，在國外，將危險地段的路面涂上鮮艷的顏色，可使特別危險路段交通肇事減少85%～90%.

李振福[7]指出在交通環(huán)境色彩千篇一律的情況下，容易導(dǎo)致駕駛員精神萎靡甚至入睡.城市道路單一的灰、黑色混凝土路面正是導(dǎo)致駕駛員昏昏欲睡，從而造成交通事故的重要原因.

徐成建等[8]指出美國曾利用淺色石塊鋪砌路邊，利用色彩心理使駕駛員能夠準(zhǔn)確的判斷道路的寬度和方向，使交通事故總數(shù)下降了19%,其中夜間死亡事故下降了37%.

文中基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，利用顏色恒常性、形狀恒常性，在環(huán)形交叉口內(nèi)設(shè)計一整套完整、連續(xù)、漸變的視覺導(dǎo)向信息系統(tǒng)，并以多色彩進(jìn)行輔助設(shè)計，進(jìn)而改善環(huán)形交叉口現(xiàn)狀.

2 改善方法

改善方法是針對雙向立交環(huán)形交叉口這種類型的復(fù)雜環(huán)形交叉口的視覺環(huán)境和事故原因(“心理旋轉(zhuǎn)”效應(yīng))，對雙向立交環(huán)形交叉口交通工程設(shè)施進(jìn)行改善設(shè)計[9].改善方法主要是以設(shè)計指路標(biāo)牌、指示標(biāo)志和彩色路緣，環(huán)島中心路面設(shè)置“彩色玫瑰”圖案，并采用不同色彩組合的改善設(shè)計方法，形成完整、連續(xù)、漸變的視覺導(dǎo)向信息系統(tǒng)[10].具體見表1、圖1.

表1 雙向立交環(huán)形交叉口交通景觀改善設(shè)計表

圖1 彩色玫瑰

本設(shè)計方案使得復(fù)雜、多維的交叉口交通景觀，變?yōu)槎S，形成一系列完整、連續(xù)、鮮明的參考系，確保駕駛員在大型復(fù)雜環(huán)形交叉口能夠選擇正確的行駛路線.整體方案設(shè)計圖見圖2.

3 實 驗

3.1 實驗對象

圖2 雙向立交環(huán)形交叉口整體方案設(shè)計圖

實驗的被試者共30人，根據(jù)我國駕駛員的男女性別比例約為7∶3，故確定實驗被試者為21男9女，其中20～30歲的有20人(14男6女)，>30～40歲的有10人(7男3女)，30位被試者都有駕駛經(jīng)驗且矯正視力正常.

3.2 實驗方法

辨識準(zhǔn)確率指駕駛員對環(huán)形交叉口方向所做出判斷的準(zhǔn)確程度，公式為

辨識準(zhǔn)確率越高，說明視覺導(dǎo)向信息系統(tǒng)效果越好.

視認(rèn)反應(yīng)時間指刺激作用于有機(jī)體后到明顯的反應(yīng)開始時所需要的時間，即刺激與反應(yīng)之間的時間間隔.

實驗錄入的被試者的視認(rèn)反應(yīng)時間是有效視認(rèn)反應(yīng)時間，即在判斷出口方向正確的條件下的視認(rèn)反應(yīng)時間.視認(rèn)反應(yīng)時間越短，說明駕駛員對交通標(biāo)志信息掌握了解越快.

實驗將上有雙向高架的十字形復(fù)雜環(huán)形交叉口的仿真視頻放在e-prime2.0平臺上，改善前后對比仿真視頻共12組(在四路交叉口中選擇一條作為進(jìn)口道，剩余三條中的一條作為出口道，共12種選擇，工作人員隨機(jī)選擇一組視頻，告訴駕駛員其要駛往的出口名稱，讓其觀看視頻選擇出口的方向，模擬駕駛器方向盤上有3個按鈕，L表示left(左轉(zhuǎn))，S表示straight(直行)，R表示right(右轉(zhuǎn)).改善前后的環(huán)形交叉口仿真視頻各一組，每個駕駛員需要重復(fù)4次實驗，所以30名被試者共進(jìn)行30×2×4=240次實驗.

3.3 實驗流程

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)，本實驗采取3dsmax制作仿真視頻進(jìn)行模擬，設(shè)計速度為30 km/h符合城市道路限速標(biāo)準(zhǔn)，以30 km/h的速度±2.5 km/h的作為仿真視頻的速度.具體流程如下：

1) 分別將城市道路復(fù)雜環(huán)形交叉口改善前和改善后的場景用3dsmax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間相等，并投影到大屏幕上(3 m×2.4 m)，被試者距離大屏幕大約6 m(按照人機(jī)工程學(xué)確定).

2) 正式實驗前5 min讓被試者熟悉實驗過程.

3) 被試者手握轉(zhuǎn)向盤，正視前方大屏幕，根據(jù)指導(dǎo)語進(jìn)行實驗.

4) 播放改善前的視頻，從交叉口前200 m開始播放視頻，電腦記錄該起始時刻，被試者判斷出出口方向時按下模擬駕駛器轉(zhuǎn)向盤上對應(yīng)按鈕，電腦記錄該結(jié)束時刻.

5) 暫停5 min讓被試者休息.

6) 被試者休息結(jié)束后，再按流程4)播放改善后的視頻.

7) 每位被試者需觀看改善前后視頻共2組視頻，完成兩組視頻后，再休息30 s，然后重復(fù)4次實驗.

8) 用E-prime2.0軟件將實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)出.若被試者出口方向選擇正確，人工計算電腦記錄的結(jié)束時刻與起始時刻的時間間隔，作為有效視認(rèn)反應(yīng)時間；若被試者出口方向選擇不正確，則該時間間隔作廢.

9) 計算和分析各組實驗的辨識準(zhǔn)確率與有效視認(rèn)反應(yīng)時間，對每個駕駛員取平均值及標(biāo)準(zhǔn)差.

4 實驗結(jié)果與分析

實驗結(jié)果見表2～表3.

表2 視認(rèn)反應(yīng)時間數(shù)據(jù)

表3 辨識準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)

由表2視認(rèn)反應(yīng)時間數(shù)據(jù)可知，改善后視認(rèn)反應(yīng)時間比改善前視認(rèn)反應(yīng)時間明顯降低，且降低幅度較大.這表明本方案有助于降低駕駛員的視認(rèn)反應(yīng)時間.

由表3辨識準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)可知，隨著年齡組的上升，被試者的視認(rèn)反應(yīng)時間都有增加，其中女被試者的視認(rèn)反應(yīng)時間普遍比男被試者的長，但通過改善前后分析可知，總的來說30位被試者的視認(rèn)反應(yīng)時間顯著降低，平均降低51.91%.同時辨識準(zhǔn)確率也顯著提升了18.5%.這表明所設(shè)計的一整套完整、連續(xù)、漸變的視覺信息導(dǎo)向系統(tǒng)有助于降低駕駛員的視認(rèn)反應(yīng)時間以及提高駕駛員對指路標(biāo)牌信息的辨識準(zhǔn)確率.

4 結(jié) 論

1) 實驗者在環(huán)境單一的雙向立交環(huán)形交叉口中行車會出現(xiàn)“心理旋轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，導(dǎo)致駕駛員對周圍指路標(biāo)志信息的辨識準(zhǔn)確率下降，視認(rèn)反應(yīng)時間增加.

2) 主要依據(jù)顏色恒常性、形狀恒常性，將多色彩、不同形狀指路信息應(yīng)用到復(fù)雜的雙向立交環(huán)形交叉口的中去，設(shè)計成了一系列完整、連續(xù)、鮮明、漸變的視覺信息導(dǎo)向系統(tǒng).有助于提高駕駛員的辨識準(zhǔn)確率以及降低視認(rèn)反應(yīng)時間，緩解環(huán)形交叉口的“心理旋轉(zhuǎn)”效應(yīng).

3) 改善后視認(rèn)反應(yīng)時間降低51.91%，辨識準(zhǔn)確率也提升了18.5%.這表明本文所設(shè)計的一整套完整、連續(xù)、漸變的視覺信息導(dǎo)向系統(tǒng)有助于降低駕駛員的視認(rèn)反應(yīng)時間、提高駕駛員的辨識準(zhǔn)確率，能有效緩解環(huán)形交叉口“心理旋轉(zhuǎn)”效應(yīng).本設(shè)計應(yīng)用前景廣泛，適用于復(fù)雜的雙向立交環(huán)形交叉口和導(dǎo)向參照系不顯著的交叉口.

[1]高敏,劉志強(qiáng).現(xiàn)代環(huán)形交叉口安全性分析和安全設(shè)計[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2010(4):589-597.

[2]唐健娟，董璐.基于駕駛員信息處理模型的環(huán)形交叉口指路標(biāo)志極限信息量研究[C].第八屆國際汽車交通安全學(xué)術(shù)會議，蕪湖，2010.

[3]陳炎，胡江碧，劉小明.公路交叉口指路標(biāo)志合理信息量的實驗研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2009(1):55-58.

[4]章明.視覺認(rèn)知心理學(xué)[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，1990.

[5]王鵬，黃艷華.心理旋轉(zhuǎn)概述[J].寧波大學(xué)學(xué)報,2006,28(5):1457-1464.

[6]王鵬，游旭群，劉永芳.心理旋轉(zhuǎn)研究的新進(jìn)展[J].心理科學(xué)，2005,28(5):1164-1166.

[7]李振福.色彩心理與城市交通安全文化分析[J].安全與環(huán)境工程.2006,13(4):1245-1253.

[8]徐成建，周國華，楊文發(fā).論色彩與道路交通安全的關(guān)系[J].交通與運(yùn)輸，1995(4):35-36.

[9]孫德強(qiáng)，沈旅歐，劉偉銘.復(fù)雜立交及銜接段多顏色組合式指路標(biāo)志設(shè)計[J].中外公路,2013,33(5):1225-1234.

[10]交通部公路科學(xué)研究院.公路交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)置規(guī)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

*國家自然科學(xué)基金項目資助(51578433)

U491.23

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.010

杜志剛(1977—):男，博士，教授，主要研究領(lǐng)域為道路交通安全、道路交通規(guī)劃及設(shè)計