牟星宇， 楊理波， 向一鳴， 杜志剛

(1. 貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 貴州 貴陽 550000; 2. 武漢理工大學(xué)交通學(xué)院, 湖北 武漢 430063)

0 引言

目前，高速公路路網(wǎng)不斷向中西部山區(qū)延伸，受山區(qū)局部高差較大及特殊地形因素影響，部分隧道存在彎道路段。國內(nèi)交通事故分析數(shù)據(jù)指出，彎道路段的交通事故占總數(shù)的10.5%[1]；且相比于普通道路彎道路段，隧道具有環(huán)境單調(diào)、視距視區(qū)受限等特點(diǎn)，是交通事故多發(fā)區(qū)域[2]。因此，針對(duì)山區(qū)高速公路隧道彎道路段展開研究具有重要意義。

駕駛員的曲率感知能力是影響彎道路段交通安全的重要因素。周海宇[3]根據(jù)視線誘導(dǎo)原理，提出小半徑曲線隧道輪廓標(biāo)的設(shè)置方法。Hasan等[4]闡述了曲線路段中“曲率感知”的概念，并提出彎道感知半徑的計(jì)算公式。Hammond等[5]指出駕駛員的曲率感知能力受突起路標(biāo)布設(shè)間距的影響。Zwahlen等[6]的研究指出，對(duì)在夜間不熟悉線形的駕駛員來說，視線范圍內(nèi)布設(shè)4個(gè)線形誘導(dǎo)標(biāo)志，其感知曲線線形的精度最佳。Rose等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，駕駛員視野范圍內(nèi)安裝有超過2個(gè)線形誘導(dǎo)標(biāo)志時(shí)，夜間行駛可減速1.34 m/s左右。盧瑩[8]指出，在彎道路段位置處駕駛員的可見區(qū)域越小，則高估曲線半徑的程度越高。因此，通過在彎道路段合理布設(shè)交通設(shè)施，可以有效提高駕駛員的曲率感知能力。同時(shí)，隧道單調(diào)封閉的行車環(huán)境是影響隧道交通安全的重要因素，目前研究主要基于普通隧道或隧道群路段展開。Manser等[9]的研究表明，受隧道側(cè)墻效應(yīng)的影響，駕駛員對(duì)于速度的感知及后續(xù)行為會(huì)受到視覺模式的影響。楊理波等[10]的研究指出，在隧道中部通過布設(shè)組合信息可以有效控制駕駛員的速度錯(cuò)覺程度。Wan等[11]的研究指出，當(dāng)隧道中部采用中頻和高頻的標(biāo)線組合時(shí)，能有效減少駕駛員在隧道中行駛時(shí)的無意識(shí)加速行為。宋子璇等[12]通過仿真試驗(yàn)得出，隧道側(cè)壁每隔10～20 m設(shè)置矩形圖形能有效改善駕駛員在隧道內(nèi)的速度感知能力。因此，在隧道內(nèi)通過布設(shè)交通設(shè)施以及圖案可以改善隧道內(nèi)單調(diào)環(huán)境，從而提高隧道安全水平。目前反光環(huán)因具有良好的空間誘導(dǎo)效果，在許多隧道中被采用。陶盼盼[13]研究分析了不同車速反光環(huán)的合理設(shè)置間隔。杜志剛等[14]指出，合理布設(shè)反光環(huán)可以有效改善隧道環(huán)境，但未對(duì)反光環(huán)布設(shè)展開深入分析。王延鋒等[15]提出，反光環(huán)的布設(shè)可以有效緩解視覺疲勞。李柯[16]的研究表明反光環(huán)可以提升隧道輪廓的視認(rèn)性。因此，在隧道中應(yīng)用反光環(huán)可以有效提升隧道內(nèi)部行車環(huán)境；同時(shí)，對(duì)于隧道駕駛員的方向感知有一定積極影響。

通過上述文獻(xiàn)分析可以得出： 1)駕駛員在隧道曲線路段對(duì)曲率的感知能力缺少定量評(píng)價(jià)； 2)反光環(huán)與線形誘導(dǎo)標(biāo)志在隧道曲線路段的誘導(dǎo)效果孰優(yōu)孰劣未能明確。因此，本文采用室內(nèi)仿真試驗(yàn)，研究隧道彎道路段不同半徑條件下，反光環(huán)和線形誘導(dǎo)標(biāo)志及其在彎道路段可見范圍內(nèi)的布設(shè)個(gè)數(shù)對(duì)于駕駛員曲率感知能力的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集

1.1 試驗(yàn)指標(biāo)選取

本文采用室內(nèi)仿真試驗(yàn)研究不同場景中駕駛員的彎道錯(cuò)覺程度。室內(nèi)仿真試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)有： 1)可以通過3DS Max軟件構(gòu)建行車場景； 2)可以有效控制試驗(yàn)參數(shù)展開試驗(yàn)，且具有可重復(fù)性和高安全性。研究中選取彎道錯(cuò)覺程度對(duì)駕駛員曲率感知能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。彎道錯(cuò)覺程度的計(jì)算公式為：

式中：GW為彎道錯(cuò)覺程度，%(GW為正表示高估彎道半徑(即低估曲率)；GW為負(fù)表示低估彎道半徑(即高估曲率))；RP為彎道感知半徑；RA為彎道實(shí)際半徑。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用極限法測(cè)量駕駛員的彎道感知半徑。極限法是指在短暫的時(shí)間間隔內(nèi)改變刺激，使駕駛員找出刺激改變的閾值位置。試驗(yàn)以視頻作為刺激展現(xiàn)給駕駛員，刺激變量為標(biāo)準(zhǔn)場景中的彎道半徑，半徑變化采用遞增和遞減2種序列，對(duì)比場景中的半徑為常量。試驗(yàn)中，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)場景中的半徑按照遞增規(guī)律變化時(shí)，駕駛員感知到標(biāo)準(zhǔn)場景的半徑小于對(duì)比場景；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)場景中的半徑按照遞減規(guī)律變化時(shí)，駕駛員感知到標(biāo)準(zhǔn)場景的半徑大于對(duì)比場景；隨著標(biāo)準(zhǔn)場景的半徑遞增(或遞減)，駕駛員感知到標(biāo)準(zhǔn)場景的半徑由比對(duì)比場景小變?yōu)楸葘?duì)比場景大時(shí)(或相反時(shí))，駕駛員感知到相反的刺激，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)場景的實(shí)際半徑即為對(duì)比場景的感知半徑。試驗(yàn)中為降低被試個(gè)體因素的偶然性，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，共選取20名駕駛員作為被試進(jìn)行試驗(yàn)(男14人，女6人)。

1.3 模型精度校核

仿真行車場景相比真實(shí)行車場景(見圖1)，盡管十分相似，但仍然存在一定誤差。因此，對(duì)仿真行車場景的誤差進(jìn)行驗(yàn)證校核。試驗(yàn)中真實(shí)行車場景和仿真行車場景都為高速公路彎道路段，根據(jù)JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]的規(guī)定： 當(dāng)設(shè)計(jì)速度為80 km/h時(shí)，圓曲線最小值一般為400 m?？紤]實(shí)際采用最小值的情況較少，因此實(shí)際行車場景采用某高速公路半徑為600 m的圓曲線路段；仿真行車場景半徑為(600±350)m，采用極限法測(cè)量仿真行車場景的彎道感知半徑，分析為606.63 m，誤差為1.11%(在5%的容許誤差范圍內(nèi))。根據(jù)單樣本T檢驗(yàn)結(jié)果分析，雙尾概率P為0.091(>0.05)。因此，仿真行車場景與真實(shí)行車場景不存在顯著差異，仿真行車場景可以被設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)場景。

(a) 真實(shí)行車場景

(b) 仿真行車場景

2 曲率感知改善設(shè)計(jì)

2.1 基于曲率感知的設(shè)計(jì)方法

文獻(xiàn)[5]提出在彎道路段布設(shè)線形誘導(dǎo)標(biāo)志可有效提高駕駛員的曲率感知能力；文獻(xiàn)[14]提出反光環(huán)可以提升駕駛員方向感。但文獻(xiàn)[5]的研究對(duì)象為普通公路彎道路段，文獻(xiàn)[14]則并未對(duì)其設(shè)置方法展開深入研究。因此，本文基于室內(nèi)仿真試驗(yàn)，定量分析反光環(huán)與線形誘導(dǎo)標(biāo)志在隧道彎道路段對(duì)駕駛員曲率感知能力的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)方法如圖2和圖3所示。

考慮到實(shí)際隧道平面線形的復(fù)雜性，在試驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，采用單圓曲線對(duì)隧道彎道路段的可見區(qū)域進(jìn)行計(jì)算和分析。參考文獻(xiàn)[18]圓曲線路段可見區(qū)域的計(jì)算方法，可見區(qū)域的長度及該可見區(qū)域內(nèi)不同交通設(shè)施個(gè)數(shù)情況下的布設(shè)間距如表1所示。

圖2 公路隧道中部反光環(huán)改善方案(側(cè)視)

Fig. 2 Improvement plan on reflective ring in middle of highway tunnels (lateral view)

圖3 公路隧道中部線形誘導(dǎo)標(biāo)志改善方案(側(cè)視)

Fig. 3 Improvement plan on chevron alignment sign in middle of highway tunnels (lateral view)

表1不同曲線隧道中交通設(shè)施(反光環(huán)和線形誘導(dǎo)標(biāo)志)間距

Table 1 Spacing of traffic facilities (reflective ring and chevron alignment sign) in tunnels with different radius m

可見個(gè)數(shù)彎道半徑2004008001 2001 800183.59123.22179.26222.26274.92241.8061.6189.63111.13137.46327.8641.0759.7574.0991.46420.9030.8144.8255.5768.73516.7224.6535.8544.4554.98613.9320.5329.8737.0445.82

2.2 彎道感知試驗(yàn)

基于視頻仿真試驗(yàn)，針對(duì)隧道彎道路段駕駛員的彎道錯(cuò)覺效應(yīng)展開研究。仿真試驗(yàn)場景由標(biāo)準(zhǔn)場景和對(duì)比場景構(gòu)成，在試驗(yàn)中，2組視頻同時(shí)播放于仿真平臺(tái)屏幕上方。標(biāo)準(zhǔn)場景為高速公路彎道路段，根據(jù)JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]的規(guī)定設(shè)置： 設(shè)計(jì)速度為80 km/h，中央分隔帶寬3.00 m，車道寬3.75 m，左側(cè)硬路肩寬0.75 m，右側(cè)硬路肩寬3.0 m。對(duì)比場景為高速公路隧道中部行車環(huán)境，根據(jù)JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[19]的規(guī)定設(shè)置： 分離式獨(dú)立雙洞，建筑限界高5.00 m，檢修道寬0.75 m，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，車道寬3.75 m，左側(cè)向?qū)?.50 m，右側(cè)向?qū)?.75 m。隧道照明標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》[20]，具體照明參數(shù)為： 高壓鈉燈，功率100 W，雙排對(duì)稱安裝，間隔為10 m，路面平均亮度設(shè)計(jì)值為4.5 cd/m2?？紤]我國中西部高速公路大部分隧道為低照度照明，因此按標(biāo)準(zhǔn)照明50%進(jìn)行照明，即單側(cè)間隔10 m安裝燈具。標(biāo)準(zhǔn)場景為高速公路普通段行車場景，如圖1(b)所示； 對(duì)比場景是高速公路隧道曲線路段行車場景，主要為無改善場景、布設(shè)線形誘導(dǎo)標(biāo)志場景和布設(shè)反光環(huán)場景。其中無改善場景為5個(gè)，布設(shè)線形誘導(dǎo)標(biāo)志和反光環(huán)的場景分別為5(5個(gè)不同半徑)×6(6個(gè)不同可見個(gè)數(shù))=30個(gè)。部分對(duì)比場景如圖4所示。

(a) 無改善場景

(b) 可見4個(gè)線形誘導(dǎo)標(biāo)志場景

(c) 可見3個(gè)反光環(huán)場景

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過試驗(yàn)得到不同試驗(yàn)場景中的駕駛員彎道錯(cuò)覺程度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并基于SPSS和Origin軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體如表2、圖5和圖6所示。分析表2、圖5和圖6，可得出如下結(jié)論。

1)首先，對(duì)布設(shè)反光環(huán)的場景進(jìn)行分析可知： 在不同半徑條件下，當(dāng)隧道彎道路段可見區(qū)域內(nèi)反光環(huán)的可見個(gè)數(shù)為1～3時(shí)，駕駛員的彎道錯(cuò)覺表現(xiàn)為高估彎道半徑，但駕駛員的彎道錯(cuò)覺程度隨可見反光環(huán)個(gè)數(shù)的增多呈降低趨勢(shì)，且當(dāng)在彎道路段可見范圍內(nèi)布設(shè)3個(gè)可見反光環(huán)時(shí)，駕駛員的彎道錯(cuò)覺程度均小于5%；在不同半徑條件下，當(dāng)隧道彎道路段可見區(qū)域內(nèi)反光環(huán)的可見個(gè)數(shù)為4～6個(gè)時(shí)，駕駛員的彎道錯(cuò)覺表現(xiàn)為低估彎道半徑，且當(dāng)繼續(xù)增加反光環(huán)，其錯(cuò)覺程度變化幅度不大。

表2 不同場景中駕駛員的彎道錯(cuò)覺程度

注： “+”表示高估彎道半徑； “-”表示低估彎道半徑。

(a) 反光環(huán)

(b) 線形誘導(dǎo)標(biāo)志

Fig. 5 Relationship between degree of illusion of curved section and radius under different visible number conditions

(a) 反光環(huán)

(b) 線形誘導(dǎo)標(biāo)志

Fig. 6 Relationship between degree of illusion of curved section and number of visible facilities under different radius conditions

2)對(duì)布設(shè)線形誘導(dǎo)標(biāo)志的場景進(jìn)行分析可知： 在不同半徑條件下，駕駛員的彎道錯(cuò)覺程度隨線形誘導(dǎo)標(biāo)志可見個(gè)數(shù)的增多而呈下降趨勢(shì)；但下降趨勢(shì)受隧道彎道半徑的影響較大，且僅在半徑為200～400 m條件下，當(dāng)彎道路段可見區(qū)域內(nèi)布設(shè)4個(gè)以上的線形誘導(dǎo)標(biāo)志時(shí)，駕駛員的曲率感知能力最好(彎道錯(cuò)覺程度均小于7%)。

3.2 雙因素方差分析

為進(jìn)一步分析不同交通設(shè)施(反光環(huán)和線形誘導(dǎo)標(biāo)志)類型條件下，駕駛員彎道錯(cuò)覺程度與隧道彎道路段可見區(qū)域內(nèi)交通設(shè)施的可見個(gè)數(shù)和彎道半徑之間的相關(guān)性，基于雙因素法進(jìn)行分析。反光環(huán)的方差分析見表3，線形誘導(dǎo)標(biāo)志的方差分析見表4。

表3 方差分析表(反光環(huán))

表4 方差分析表(線形誘導(dǎo)標(biāo)志)

基于雙因素方差分析法分析不同半徑條件下，不同可見反光環(huán)個(gè)數(shù)對(duì)駕駛員彎道錯(cuò)覺程度的影響規(guī)律。由表3可知，彎道半徑的顯著性為0.994>0.05，可見個(gè)數(shù)的顯著性為0.000<0.05。由此可知，彎道半徑對(duì)駕駛員的彎道錯(cuò)覺程度不具有顯著性影響，而反光環(huán)的可見個(gè)數(shù)對(duì)駕駛員的彎道錯(cuò)覺程度具有顯著影響。彎道半徑和可見個(gè)數(shù)之間交互作用的顯著性為0.963>0.05，表明雙因素的交互作用對(duì)駕駛員的彎道錯(cuò)覺程度不具有顯著影響。同時(shí)，根據(jù)彎道半徑的多重比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同半徑之間均不存在顯著性差異(P>0.05)；根據(jù)可見個(gè)數(shù)的多重比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0個(gè)可見反光環(huán)和1個(gè)可見反光環(huán)之間不存在顯著性差異(P=0.909>0.05)，4、5、6個(gè)可見反光環(huán)之間均不存在顯著性差異(P>0.05)，而其他可見反光環(huán)數(shù)目之間存在顯著性差異(P=0.00<0.05)。

基于雙因素方差分析法分析不同半徑條件下不同可見線形誘導(dǎo)標(biāo)志個(gè)數(shù)對(duì)于駕駛員彎道錯(cuò)覺程度的影響規(guī)律。由表4可知，彎道半徑的顯著性為0.00<0.05，可見個(gè)數(shù)的顯著性為0.00<0.05。由此可知，彎道半徑對(duì)駕駛員的彎道錯(cuò)覺程度具有顯著性影響，線形誘導(dǎo)標(biāo)志的可見個(gè)數(shù)對(duì)駕駛員的彎道錯(cuò)覺程度也具有顯著影響。彎道半徑和可見個(gè)數(shù)之間交互作用的顯著性為0.009<0.05，表明雙因素的交互作用對(duì)駕駛員的彎道錯(cuò)覺程度具有顯著影響。同時(shí)，根據(jù)彎道半徑的多重比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除彎道半徑200 m和400 m(P=0.803>0.05)、800 m和1 200 m(P=0.501>0.05)、800 m和1 800 m(P=0.182>0.05)、1 200 m和1 800 m(P=0.508>0.05)之間不存在顯著性差異外，其他半徑之間均存在顯著性差異(P<0.05)；根據(jù)可見個(gè)數(shù)之間的多重比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除可見個(gè)數(shù)0個(gè)和1個(gè)(P=0.963>0.05)、2個(gè)和3個(gè)(P=0.152>0.05)、4個(gè)和5個(gè)(P=0.655>0.05)、4個(gè)和6個(gè)(P=0.588>0.05)、5個(gè)和6個(gè)(P=0.925>0.05)之間不存在顯著性差異外，其他可見個(gè)數(shù)之間均存在顯著性差異。

4 結(jié)論與討論

本文基于3DS Max軟件開展室內(nèi)仿真試驗(yàn)，研究不同半徑條件下，不同交通設(shè)施在隧道彎道路段可見區(qū)域內(nèi)的可見個(gè)數(shù)對(duì)駕駛員彎道錯(cuò)覺程度的影響規(guī)律，通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到如下主要結(jié)論。

1)針對(duì)隧道彎道路段駕駛員的彎道錯(cuò)覺效應(yīng)，通過布設(shè)線形誘導(dǎo)標(biāo)志或反光環(huán)均可以一定程度地緩解駕駛員的彎道錯(cuò)覺效應(yīng)。采用線形誘導(dǎo)標(biāo)志的方法，僅在200～400 m的半徑條件下，當(dāng)可見范圍內(nèi)線形誘導(dǎo)標(biāo)志的可見個(gè)數(shù)不小于3個(gè)時(shí)，具有良好的曲率感知效果(彎道錯(cuò)覺程度均小于7%)；采用反光環(huán)的方法，當(dāng)彎道路段可見反光環(huán)的個(gè)數(shù)為3個(gè)時(shí)，具有良好的誘導(dǎo)效果(不同半徑下的彎道錯(cuò)覺程度均小于5%)；因此， 在隧道彎道路段，相比于傳統(tǒng)的布設(shè)線形誘導(dǎo)標(biāo)志的方法，在可見范圍內(nèi)布設(shè)3個(gè)可見反光環(huán)更有利于提高駕駛員的曲率感知能力，提升隧道彎道路段的行車安全性。

2)基于雙因素法分析可得，在布設(shè)反光環(huán)的場景中，駕駛員的彎道錯(cuò)覺程度與彎道半徑之間不具有顯著關(guān)系，而反光環(huán)的可見個(gè)數(shù)對(duì)駕駛員的彎道錯(cuò)覺程度具有顯著影響；彎道半徑和可見個(gè)數(shù)之間的交互作用對(duì)駕駛員的彎道錯(cuò)覺程度不具有顯著影響。在布設(shè)線形誘導(dǎo)標(biāo)志的場景中，彎道半徑和線形誘導(dǎo)標(biāo)志的可見個(gè)數(shù)對(duì)駕駛員的彎道錯(cuò)覺程度均具有顯著影響；彎道半徑和可見個(gè)數(shù)之間的交互作用對(duì)駕駛員的彎道錯(cuò)覺程度具有顯著影響。

本文定量分析了不同半徑條件下，反光環(huán)和線形誘導(dǎo)標(biāo)志在彎道路段可見區(qū)域內(nèi)的不同可見個(gè)數(shù)對(duì)駕駛員曲率感知能力的影響規(guī)律。后續(xù)需進(jìn)一步定量分析不同照度水平條件下，不同交通設(shè)施色彩以及反光環(huán)與路面突起路標(biāo)、線形輪廓標(biāo)等的共同作用對(duì)駕駛員彎道錯(cuò)覺的影響規(guī)律，并進(jìn)一步在實(shí)車試驗(yàn)中予以驗(yàn)證分析。