杜志剛， 韓 磊， 梅家林， 賀世明， 楊永正

（1.武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063； 2.交通信息與安全教育部工程研究中心，湖北 武漢 430063）

隨著社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展和工程技術(shù)水平的不斷提高，我國公路隧道建設(shè)規(guī)模和數(shù)量也迅猛發(fā)展。根據(jù)中華人民共和國交通運輸部《2022年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，截至2022年末，全國公路總里程535.48萬公里，比上年末增加7.41萬公里，全國公路隧道24 850處、2 678.43萬延米，較上年增加1 582處、208.54萬延米［1］，我國已成為世界上公路隧道規(guī)模最大、數(shù)量最多、發(fā)展速度最快的國家。在公路隧道建設(shè)時，直線公路隧道有時難以滿足路線控制點之間的高差以及地質(zhì)條件復(fù)雜地帶的線形控制，而面對高差大和地質(zhì)條件復(fù)雜的特點，修建小半徑公路長隧道能夠很好地滿足山區(qū)公路的需求，其中當(dāng)小于設(shè)計速度對應(yīng)的圓曲線最小半徑極限值的4倍時即被視為小半徑曲線［2］。近年來，我國小半徑公路長隧道的建設(shè)和應(yīng)用發(fā)展迅速，典型小半徑公路長隧道工程有雅西高速干海子和鐵寨子雙螺旋隧道、延崇高速金家莊隧道，以及世界最長螺旋隧道——新晉高速韓口隧道等，如圖1所示。

圖1 典型小半徑公路長隧道Fig. 1 Typical small radius highway long tunnels

道路交通系統(tǒng)是一個由人、車、路、環(huán)境等多因素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，各因素間信息的傳遞、處理、控制與反饋機制，決定了交通系統(tǒng)中的每個環(huán)節(jié)都有可能對交通安全產(chǎn)生不利影響。根據(jù)系統(tǒng)論的觀點，交通事故的發(fā)生是“人-車-路-環(huán)境”道路交通系統(tǒng)中多因素相互作用顯效導(dǎo)致該動態(tài)系統(tǒng)失衡的結(jié)果，而針對公路隧道的交通安全問題，國內(nèi)外諸多專家學(xué)者也從“人-車-路-環(huán)境”系統(tǒng)的各因素方面做了大量卓有成效的研究工作，大多集中于事故統(tǒng)計［3］、事故預(yù)測［4］、照明環(huán)境［5］、交安設(shè)施［6］等方面。但是目前對于小半徑公路長隧道交通安全改善的相關(guān)研究相對較少。張?zhí)鞓罚?］以干海子螺旋隧道為例，研究了小半徑曲線隧道的線形與照明對交通行車安全的影響；周海宇［8］分析了小半徑曲線隧道的交通特性、事故特性并提出了相關(guān)的安全保障技術(shù)；Bassan［9］從視距和彎道工程設(shè)計指標(biāo)等方面對比分析了高速公路隧道與開闊的高速公路在彎道路段做安全設(shè)計時應(yīng)有不同側(cè)重點；杜志剛等［10］分析了高速公路隧道不同半徑彎道路段的輪廓帶設(shè)置數(shù)量對駕駛?cè)饲矢兄芰Φ挠绊懸?guī)律；楊理波等［11］分析高速公路隧道小半徑圓曲線路段輪廓帶線形誘導(dǎo)的有效性，發(fā)現(xiàn)設(shè)置3個輪廓帶能夠使駕駛?cè)搜杆賹λ淼佬“霃綇澋缆范蔚木€形作出更準(zhǔn)確的判斷；牟星宇等［12］通過仿真實驗分析了高速公路隧道彎道路段不同半徑條件下線形誘導(dǎo)標(biāo)和輪廓帶設(shè)置情況對駕駛?cè)藦澋厘e覺感知的影響。可見，目前對于小半徑公路長隧道的駕駛風(fēng)險與交通安全改善研究還處于起步階段，亟需相關(guān)理論與技術(shù)手段的支撐。

駕駛?cè)诵熊嚝@取的道路行車環(huán)境信息中依靠視覺獲取的比例高達(dá)90 %以上［13］，因此，合理適宜的視覺信息是駕駛?cè)税踩透咝熊嚨闹匾Ｕ稀Ｌ貏e是在小半徑公路長隧道內(nèi)，受光環(huán)境、道路線形、車輛受力和視距受限的影響，駕駛?cè)蝿?wù)難度顯著提高，駕駛?cè)说鸟{駛工作負(fù)荷明顯增大。因此，小半徑公路長隧道內(nèi)部環(huán)境應(yīng)該為駕駛?cè)颂峁└哔|(zhì)量的、有效的、合理的視覺誘導(dǎo)信息，幫助駕駛?cè)颂崆邦A(yù)知和判斷隧道建筑輪廓和線形走向，減輕駕駛負(fù)荷，誘導(dǎo)駕駛?cè)税踩孢m的駛離。通過視線誘導(dǎo)設(shè)施優(yōu)化公路隧道內(nèi)視覺環(huán)境以求提升交通安全水平已然成為行業(yè)認(rèn)可的有效手段［14］，但是針對小半徑公路長隧道視覺環(huán)境的改善策略和理論模型還不成熟。利用視覺參照系優(yōu)化的理論與技術(shù)手段對小半徑公路長隧道視覺環(huán)境進(jìn)行改善，旨在通過低成本、長期有效、主動防控的手段，為駕駛?cè)颂峁┖愠７€(wěn)定、連續(xù)一致的視覺參照信息，符合駕駛?cè)似谕?，降低駕駛工作負(fù)荷，從而安全舒適有效誘導(dǎo)駕駛?cè)笋傠x隧道。

針對上述背景，本文從小半徑公路長隧道的視覺環(huán)境問題現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合認(rèn)知心理學(xué)、交通行為學(xué)等理論提出基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長隧道視覺環(huán)境優(yōu)化理論和方法，并從駕駛?cè)艘蚺c駕駛?cè)蝿?wù)等層面提出面向心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)改善的小半徑公路長隧道視覺參照系評價體系與研究框架。本文可為小半徑公路長隧道和小半徑光學(xué)長隧道的交通安全提升提供理論指導(dǎo)和工程借鑒參考。

1 小半徑公路長隧道視覺環(huán)境典型問題

良好的視覺環(huán)境是駕駛?cè)税踩熊嚨闹匾Ｕ希?4］。小半徑公路長隧道行車時駕駛?cè)藶榘踩咝У赝瓿神{駛?cè)蝿?wù)，需要感知獲取必要的視覺線索和信息，而視覺參照系就是駕駛?cè)伺c小半徑公路長隧道視覺環(huán)境信息交互的關(guān)鍵。視覺參照系是指能夠為觀察者提供視覺線索相關(guān)信息的總和，包括形狀、尺寸、顏色、亮度、位置等信息［15］。駕駛?cè)诵熊囘^程中為完成駕駛?cè)蝿?wù)需要不斷搜索和獲取與行車相關(guān)的道路行車環(huán)境信息，以確認(rèn)自身車輛位置、方向和速度等運行狀態(tài)，這些道路行車環(huán)境信息則構(gòu)成了道路交通視覺參照系，包括交通標(biāo)志、標(biāo)線、景觀和照明等信息。根據(jù)行車環(huán)境以及駕駛?cè)诵枨蟮牟煌梢詷?gòu)建不同類型的道路交通視覺參照系，如安全型視覺參照系、舒適型視覺參照系等［16］。

小半徑公路長隧道內(nèi)部典型弱視覺參照系環(huán)境特征在于：一方面，小半徑公路長隧道內(nèi)部照度低、對比度低，視覺環(huán)境相對單調(diào)，該環(huán)境特征易導(dǎo)致駕駛?cè)藢ξ恢?、方向、速度和距離等信息的感知與判斷失準(zhǔn)，產(chǎn)生一定程度的視錯覺和緊張心理，小半徑公路特長隧道環(huán)境還易導(dǎo)致視覺疲勞或視覺分心的現(xiàn)象，從而誘發(fā)一系列危險駕駛行為；另一方面，小半徑公路長隧道視距與視區(qū)受到嚴(yán)重限制，再受到曲率與橫向力的作用影響，駕駛?cè)藢π畔⒌乃阉鳙@取與行車穩(wěn)定性受到影響，這也造成一定程度的駕駛風(fēng)險。因此，小半徑公路長隧道內(nèi)部視覺參照系的優(yōu)劣對交通安全與通行效率至關(guān)重要，但是目前小半徑公路長隧道內(nèi)部視覺環(huán)境仍存在諸多問題，概括其特點為恒常性不足、部分與整體不一致和誘導(dǎo)信息層次不足。

1.1 誘導(dǎo)信息劇烈過度——恒常性不足

小半徑公路長隧道內(nèi)部視覺參照系恒常性的體現(xiàn)是要求隧道行車環(huán)境應(yīng)為駕駛?cè)颂峁┻B續(xù)、一致的視線誘導(dǎo)信息來誘導(dǎo)其完成系列駕駛?cè)蝿?wù)，使得駕駛?cè)嗽谛“霃焦烽L隧道內(nèi)部行車時的短距離、中距離和長距離處均可對隧道內(nèi)相關(guān)視線誘導(dǎo)信息具有良好的可視性。通過視線誘導(dǎo)設(shè)施的合理布設(shè)，使得小半徑公路長隧道內(nèi)部視覺參照系具備恒常性的特點，旨在為駕駛?cè)藸I造連續(xù)穩(wěn)定的、清晰可視的視覺參照和行車環(huán)境，使得駕駛?cè)嗽谛“霃焦烽L隧道行車時在遠(yuǎn)、中、近段的各位置均能夠依靠視線誘導(dǎo)信息確認(rèn)自身方位，容易感知隧道線形走向和變化，明晰建筑限界與障礙物輪廓。

不同形狀視線誘導(dǎo)設(shè)施的可視性具有顯著差異。球形、圓柱形、半圓柱形、V形和薄片形的設(shè)施的可視性逐漸降低。而當(dāng)前小半徑公路長隧道內(nèi)部視線誘導(dǎo)設(shè)施類型多為片狀逆反射型，如圖2a所示，該類型視線誘導(dǎo)設(shè)施只能在較小觀察角內(nèi)可視，超出此范圍，設(shè)施的逆反射亮度和可視性迅速降低，駕駛?cè)诵熊囘^程中對設(shè)施的視認(rèn)有暗-亮-暗的變化感，從而造成誘導(dǎo)信息的不連續(xù)和劇烈過度。但在小半徑公路長隧道內(nèi)，需要視線誘導(dǎo)設(shè)施在較大范圍和長距離尺度上保證逆反射亮度穩(wěn)定性和較高的可視性。采用V形或拱形誘導(dǎo)設(shè)施可使車輛行進(jìn)過程中誘導(dǎo)設(shè)施的亮度不會劇烈變化，有利于提升駕駛?cè)藢π熊嚟h(huán)境信息的準(zhǔn)確認(rèn)知。

圖2 小半徑公路長隧道視覺環(huán)境典型問題Fig. 2 Typical problem of visual environment of small-radius highway long tunnel

1.2 違背駕駛期望——部分與整體不一致

小半徑公路長隧道內(nèi)部視覺參照系整體優(yōu)先性的體現(xiàn)是要求隧道行車環(huán)境信息的部分與整體相一致以及由部分信息能夠推斷整體信息，即視覺環(huán)境信息與小半徑公路長隧道整體行車環(huán)境信息相一致，并且駕駛?cè)四軌蛲ㄟ^部分視線誘導(dǎo)信息感知判斷出整體行車環(huán)境信息。要求小半徑公路長隧道內(nèi)視線誘導(dǎo)設(shè)施與隧道斷面一致，可視范圍大，長距離可視不間斷，便于駕駛?cè)藴?zhǔn)確判斷隧道建筑限界和當(dāng)前車道信息。通過視線誘導(dǎo)設(shè)施的合理布設(shè)，使得小半徑公路長隧道內(nèi)部視覺參照系具備整體優(yōu)先性的特點，旨在為駕駛?cè)藸I造操作簡易的、自解釋的視覺參照和行車環(huán)境，符合駕駛?cè)诵熊嚂r的駕駛期望，有效降低駕駛?cè)烁兄磻?yīng)時間，對行車環(huán)境變化能迅速感知與判斷，進(jìn)而減輕認(rèn)知與駕駛工作負(fù)荷。

如圖2b 所示的場景就是整體優(yōu)先性薄弱的典型場景，視線誘導(dǎo)信息均為點狀信息，駕駛?cè)穗y以通過目前現(xiàn)有的視線誘導(dǎo)信息對小半徑公路長隧道的整體信息進(jìn)行把控推斷，多點誘導(dǎo)的形式對隧道輪廓與建筑限界勾勒不足，導(dǎo)致空間路權(quán)不明晰，隧道線形變化的判斷難度較大，此外高頻點狀信息量大，也會額外增加視覺負(fù)荷。

1.3 冗余性欠缺——誘導(dǎo)信息層次不足

小半徑公路長隧道內(nèi)部視覺參照系誘導(dǎo)信息冗余性的體現(xiàn)是要求隧道行車環(huán)境應(yīng)為駕駛?cè)颂峁┒鄬哟蔚囊暰€誘導(dǎo)和參照信息，主要包括輪廓誘導(dǎo)信息與線形誘導(dǎo)信息。多層次是指小半徑公路長隧道低位、中位與高位信息的組合，使得視覺參照系成為清晰顯著的三維立體參照系；冗余性是指低位、中位與高位的視線誘導(dǎo)信息協(xié)同作用，使得輪廓誘導(dǎo)性能與線形誘導(dǎo)性能互相補強，即便部分信息遮擋、缺失或失效的條件下，仍然能夠保證整個視線誘導(dǎo)系統(tǒng)功能的正常運作。

如圖2c所示的場景就是整體優(yōu)先性薄弱的典型場景，線形誘導(dǎo)標(biāo)與輪廓標(biāo)的組合設(shè)置雖然在一定程度上提高了駕駛?cè)藢λ淼谰€形與側(cè)壁輪廓的感知與判斷，但是對于車道分界與隧道洞頂輪廓等低位與高位信息表征缺失，信息冗余不足；另外，倘若交通流較大或大型車輛較多時，當(dāng)前視線誘導(dǎo)信息容易遮擋，致使駕駛?cè)丝蓞⒄盏淖钣幸饬x信息（most meaningful information）驟減失效，視線誘導(dǎo)系統(tǒng)信息容錯性降低，從而導(dǎo)致駕駛?cè)说鸟{駛風(fēng)險增加。

綜合上述分析，對目前小半徑公路長隧道內(nèi)部視覺參照系的典型問題及其具體表現(xiàn)，由此帶來的駕駛風(fēng)險和相應(yīng)的調(diào)控思路如表1所示。

表1 小半徑公路長隧道視覺參照系典型問題剖析Tab. 1 Analysis of typical problems of visual reference system in small radius highway long tunnel

2 心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)及改善原理

2.1 心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)

在認(rèn)知心理學(xué)中，心理旋轉(zhuǎn)（mental rotation）是一種想象自己或客體旋轉(zhuǎn)的空間表征轉(zhuǎn)換能力，它是表象轉(zhuǎn)換加工的一個重要組成部分。作為人類空間能力的一個基本方面及空間認(rèn)知的一種基本操作，心理旋轉(zhuǎn)是人類形象思維加工的一種重要手段，是評價個人空間信息認(rèn)知和加工能力的重要指標(biāo)之一［17］。任何一種空間表征都需要依照參照系來定義客體內(nèi)部或者客體之間的關(guān)系，也需要運動各種參照系對這些表征進(jìn)行不同的心理轉(zhuǎn)換?？臻g參照系可以分為自我中心參照系和客體中心參照系（環(huán)境中心參照系），當(dāng)參照系之間不一致時，常常需要進(jìn)行參照系轉(zhuǎn)換，而參照系轉(zhuǎn)換需要耗費認(rèn)知心理資源，導(dǎo)致認(rèn)知負(fù)荷的增加，也增加了出錯的可能性。

心理旋轉(zhuǎn)與很多領(lǐng)域的操作能力有較高的相關(guān)性，諸如數(shù)學(xué)、機械和交通等領(lǐng)域，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在某些交通場景中駕駛?cè)藭a(chǎn)生心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，由于參照系的不一致，導(dǎo)致駕駛?cè)诵枰粩嗟霓D(zhuǎn)換和對比大腦與現(xiàn)實中的方位，以便更好地獲取行車環(huán)境信息，從而完成駕駛?cè)蝿?wù)。此時心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)就成為一種由行車環(huán)境視覺參照系變化給駕駛?cè)藥淼呢?fù)面影響，而這種心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)能夠產(chǎn)生較高的駕駛負(fù)荷，損害駕駛績效，從而造成駕駛風(fēng)險［18］。駕駛?cè)送ㄟ^自身心理旋轉(zhuǎn)能力抵抗這種消極效應(yīng)時，由于分配較多的心理和注意資源會導(dǎo)致駕駛?cè)蝿?wù)難度增大和駕駛績效受損，因此，行車環(huán)境視覺參照系應(yīng)最大程度減弱或抵消心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，進(jìn)而保證駕駛?cè)擞凶銐虻木妥⒁赓Y源用于完成駕駛?cè)蝿?wù)。

研究發(fā)現(xiàn)，心理旋轉(zhuǎn)具有相對易變性和可塑性的認(rèn)知加工特征，這就為改善駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)提供了可能。同時，考慮駕駛?cè)诵熊囘^程中需要依照視覺參照系完成感知、決策和執(zhí)行等系列駕駛?cè)蝿?wù)，因此，在行車環(huán)境中駕駛?cè)水a(chǎn)生的心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)可以通過優(yōu)化視覺參照系進(jìn)行緩解［19］。通過合理布設(shè)相關(guān)交通工程設(shè)施特別是視線誘導(dǎo)設(shè)施來優(yōu)化視覺參照系、改善視線誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計的手段在公路隧道已經(jīng)得到了應(yīng)用和驗證［20］，取得了較好的效果反饋。小半徑公路長隧道內(nèi)部駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)概念模型如圖3所示。

圖3 小半徑公路長隧道內(nèi)部駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)概念模型Fig. 3 Conceptual model of driver’s mental rotation effect in small radius highway long tunnels

2.2 改善原理

針對小半徑公路長隧道內(nèi)駕駛?cè)艘桩a(chǎn)生心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的特點，小半徑公路長隧道內(nèi)的視覺參照系優(yōu)化則需要重點考慮駕駛?cè)艘驅(qū)用?，確保駕駛?cè)双@取良好的視覺參照，改善駕駛?cè)藢Φ缆沸熊嚟h(huán)境信息的視認(rèn)和感知能力，提升駕駛績效，達(dá)到安全舒適通行的目的。保障駕駛?cè)嗽谛“霃焦烽L隧道內(nèi)行車時，在短距離范圍內(nèi)每個斷面的視線誘導(dǎo)與行車環(huán)境保證恒常性，在中長距離范圍內(nèi)部分信息與整體信息一致、誘導(dǎo)信息連續(xù)，在整體范圍內(nèi)多層次視線誘導(dǎo)信息冗余、保障線形誘導(dǎo)與輪廓誘導(dǎo)。

本文結(jié)合認(rèn)知心理學(xué)、交通行為學(xué)等理論和相關(guān)研究基礎(chǔ)，考慮駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化原理包括視知覺恒常性、整體優(yōu)先性和多層次誘導(dǎo)。小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化原理的具體釋義和相應(yīng)要求如表2所示。

表2 優(yōu)化原理的具體釋義與要求Tab. 2 Specific interpretation and requirements of optimization principle

2.2.1 視知覺恒常性

視知覺是指眼球?qū)耐饨缃邮盏降囊曈X信息傳導(dǎo)至大腦并進(jìn)行辨識與整合的過程，也是駕駛?cè)私忉尣⒗靡曈X信息來決策和行動的能力。視知覺恒常性是指當(dāng)視知覺的條件產(chǎn)生了一定程度的改變時，駕駛?cè)藢τ谝曈X對象的映像依然保持不變，并能識別出具有一定視覺差異的同一對象。駕駛?cè)艘曋X的恒常性是其在與行車環(huán)境相互作用中建立起來的，一旦駕駛?cè)伺c行車環(huán)境的正常關(guān)系遭到破壞，視知覺恒常性也會遭到不同程度的破壞。視知覺的恒常性體現(xiàn)在視認(rèn)對象的形狀和顏色等各方面。但是個體視知覺恒常性的維持程度是有極限的，特別是駕駛?cè)嗽谛“霃焦烽L隧道弱視覺參照系條件下行車時，視知覺恒常性極易受到損害，繼而誘發(fā)空間感知里的系統(tǒng)失真，即對方向、曲率等信息感知的視錯覺，造成駕駛風(fēng)險。因此，小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化應(yīng)考慮維持駕駛?cè)艘曋X恒常性，保障駕駛?cè)嗽诙叹嚯x范圍內(nèi)每個斷面的誘導(dǎo)設(shè)施與行車環(huán)境恒常一致，調(diào)控駕駛?cè)艘曞e覺，優(yōu)化視距視區(qū)，減少反應(yīng)時間。

2.2.2 整體優(yōu)先性

駕駛?cè)双@取的視覺信息大多為復(fù)合刺激信息，即由若干相對獨立的局部信息組成的整體信息。視覺信息有著其本身的整體性質(zhì)，同時組成整體的個體也有其獨立的局部性質(zhì)，而人眼視覺系統(tǒng)對視覺信息整體性質(zhì)和局部性質(zhì)的加工順序是心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)中的熱點研究問題。格式塔心理學(xué)家們認(rèn)為整體的性質(zhì)在知覺中起主導(dǎo)作用，即整體優(yōu)先性，大量實驗研究證實了人類在視知覺任務(wù)中存在著明顯的整體優(yōu)先效應(yīng)［21］，并且在心理旋轉(zhuǎn)過程中同樣也存在整體優(yōu)先效應(yīng)。知覺的整體性強調(diào)兩方面：①當(dāng)部分信息與整體信息一致時，識別視認(rèn)更為容易和快捷；②可通過部分信息推斷出整體信息，并且即便弱信息改變，只要強信息不變，依然能夠?qū)ζ湔J(rèn)知成功［22］。另外，影響知覺整體性的重要因素就是刺激物的結(jié)構(gòu)，即刺激物的空間分布和時間分布。因此，根據(jù)視知覺整體優(yōu)先效應(yīng)，應(yīng)將小半徑公路長隧道弱視覺參照系轉(zhuǎn)換為強視覺參照系，通過合理的視線誘導(dǎo)技術(shù)優(yōu)化信息視認(rèn)效果，保持部分與整體的一致性，強化部分信息認(rèn)知功能（線型輪廓標(biāo)、側(cè)壁線形誘導(dǎo)標(biāo)等），提升駕駛?cè)藢π“霃焦烽L隧道行車環(huán)境整體信息的視認(rèn)和感知，保證行車安全性。

2.2.3 多層次誘導(dǎo)

輪廓知覺是視覺識別的重要方面，輪廓決定了人們的知覺，是人們對物體或環(huán)境的邊界界定、形狀感知和變化確認(rèn)的基礎(chǔ)。格式塔心理學(xué)中關(guān)于良好圖形的知覺組織理論認(rèn)為，當(dāng)視野中出現(xiàn)不完整性因素時，視覺系統(tǒng)就傾向于將其完整起來，變成比較簡單、穩(wěn)定、正規(guī)化的圖形［23］。研究表明：在隧道內(nèi)的行車方向和隧道空間輪廓（包括線形的變化以及隧道建筑和障礙物的輪廓）的明晰程度對駕駛?cè)诵熊嚢踩珟砗艽笥绊懀绕涫窃谛“霃焦烽L隧道內(nèi)，不良的弱視覺參照系會對駕駛?cè)说牡缆肪€形變化視認(rèn)感知以及隧道側(cè)壁等障礙物的輪廓空間辨識程度產(chǎn)生負(fù)面影響［24］。因此，根據(jù)視知覺心理學(xué)和駕駛?cè)艘蚬ばW(xué)相關(guān)理論和研究成果，小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化應(yīng)考慮刺激物的時空分布，利用視線誘導(dǎo)設(shè)施構(gòu)造多層次、連續(xù)的、一致的線形誘導(dǎo)和輪廓誘導(dǎo)，增強信息冗余（高位輪廓帶、中位線形誘導(dǎo)標(biāo)和腰帶線、低位突起路標(biāo)與線型輪廓標(biāo)等協(xié)調(diào)設(shè)置），強化駕駛?cè)丝臻g路權(quán)感知能力，減少視錯覺，提升駕駛績效。小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化原理的方法與目標(biāo)效果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化原理的方法與目標(biāo)效果Fig. 4 Method and objective effect of optimization principle

3 基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化及評價

3.1 優(yōu)化設(shè)計架構(gòu)

通過對小半徑公路長隧道視覺環(huán)境特征的分析，剖析目前小半徑公路長隧道視覺參照系典型問題，結(jié)合該行車環(huán)境中駕駛?cè)说鸟{駛?cè)蝿?wù)需求，依據(jù)認(rèn)知心理學(xué)和交通行為學(xué)等相關(guān)理論知識，提出基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)改善的小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化研究思路。通過利用視線誘導(dǎo)設(shè)施合理協(xié)同設(shè)置的視覺參照系優(yōu)化技術(shù)，有效緩解小半徑公路長隧道駕駛?cè)说男睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)，提升駕駛績效，保證小半徑公路長隧道通行安全與效率?；谛睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化設(shè)計架構(gòu)如圖5所示。

圖5 小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化設(shè)計架構(gòu)Fig. 5 Optimal design framework of visual reference system for small radius highway long tunnel

3.2 優(yōu)化研究框架

小半徑公路長隧道典型弱視覺參照系，容易誘發(fā)駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)，從而損害駕駛績效，危害行車安全。從駕駛?cè)艘曈X需求和車輛控制需求的角度出發(fā)，以提升小半徑公路長隧道視覺環(huán)境質(zhì)量、減輕駕駛負(fù)荷，規(guī)避駕駛風(fēng)險為目標(biāo)，提出小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化思路：依據(jù)視知覺恒常性、整體優(yōu)先性和多層次誘導(dǎo)等原理，構(gòu)建恒常穩(wěn)定、連續(xù)一致、簡單明確、信息冗余的視覺參照系。進(jìn)而提出小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化方法：通過布設(shè)多頻率、多尺度、多形狀的視線誘導(dǎo)設(shè)施，利用局部視覺參照元素構(gòu)建與整體行車環(huán)境信息相一致的參照線索，對小半徑公路長隧道的輪廓與線形進(jìn)行凸顯與警示并充分體現(xiàn)其連續(xù)性與一致性，借助高位、中位與低位誘導(dǎo)信息的協(xié)同作用構(gòu)建信息冗余的多層次視覺參照系，進(jìn)而滿足不同視覺條件與車輛類型的駕駛需求，有效緩解心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)帶來的負(fù)面影響，達(dá)到保障駕駛?cè)嗽谛“霃焦烽L隧道行車安全的優(yōu)化目標(biāo)。由此提出基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化設(shè)計思路框架，如圖6所示。小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化研究框架主要包括以下幾部分：

圖6 基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化研究框架Fig. 6 Research framework of visual reference system optimization of small radius highway long tunnels based on mental rotation effect

（1）小半徑公路長隧道行車環(huán)境與交通安全分析

小半徑公路長隧道行車環(huán)境與交通安全之間的關(guān)系是后續(xù)深入研究小半徑公路長隧道視覺參照系與心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)以及駕駛風(fēng)險的關(guān)鍵基礎(chǔ)。首先，總結(jié)分析小半徑公路長隧道的交通事故形態(tài)、原因、時空分布特征，以及該路段工程條件、光環(huán)境和視線誘導(dǎo)設(shè)施布設(shè)情況，初步確定視覺環(huán)境與交通安全的關(guān)聯(lián)性。其次，通過多處不同視覺參照系條件的小半徑公路長隧道的實車駕駛試驗，采集駕駛?cè)诵熊嚂r的視覺特性數(shù)據(jù)、駕駛行為數(shù)據(jù)等，從視知覺和駕駛行為的角度，利用主成分分析、相關(guān)性分析等方法，分析不同視覺參照系條件與駕駛行為之間的關(guān)聯(lián)性，并依據(jù)關(guān)聯(lián)性分析結(jié)果，確定小半徑公路長隧道視覺參照系的調(diào)控優(yōu)化方向。

（2）小半徑公路長隧道駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)下駕駛績效分析

探究小半徑公路長隧道不同視覺參照系下心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)與駕駛績效之間相互表征的充分必要性，以及在心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)作用下駕駛績效的表現(xiàn)規(guī)律是擬解決的重要問題。依據(jù)不同視覺參照系條件的小半徑公路長隧道的實車駕駛試驗采集到的駕駛?cè)艘曈X特性和駕駛績效指標(biāo)數(shù)據(jù)，利用析因分析、假設(shè)檢驗等方法，確定由視覺參照系因素造成的心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)變化，如視覺參照系類型如何影響駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙洹⑿畔@取難易度、判別反應(yīng)時、車輛行駛速度變化以及車道穩(wěn)定維持能力等，結(jié)合駕駛?cè)嗽谠囼炃昂蟮闹饔^詢問評價和心理量表打分等手段，確定駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生的條件與狀態(tài)，并采用主成分分析法篩選出能夠有效表征駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)和駕駛績效受損突變的特征向量，并通過Logistic 回歸、結(jié)構(gòu)方程模型等方法，對不同視覺參照系影響下的心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和駕駛績效進(jìn)行建模與評估。

（3）小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化思路

針對小半徑公路長隧道弱視覺參照系使駕駛?cè)艘桩a(chǎn)生心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的特點，小半徑公路長隧道的視覺參照系重構(gòu)則需要重點考慮駕駛?cè)艘驅(qū)用?，從視覺需求和車輛控制需求出發(fā)，確保駕駛?cè)双@取良好的視覺參照，增強小半徑公路長隧道內(nèi)部的線形誘導(dǎo)與輪廓誘導(dǎo)能力，保證視覺參照信息與環(huán)境的恒常性、整體性與冗余性，提升駕駛?cè)藢Φ缆沸熊嚟h(huán)境信息的視認(rèn)和感知能力，達(dá)到安全、舒適、低成本、可持續(xù)的優(yōu)化目標(biāo)。

（4）小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化方法與效果驗證

依據(jù)提出的小半徑公路長隧道視覺參照系重構(gòu)思路，確定不同條件下小半徑公路長隧道的差異化視覺參照系優(yōu)化方案，并對其有效性進(jìn)行驗證是本研究的關(guān)鍵內(nèi)容。通過仿真技術(shù)軟件和平臺搭建小半徑公路長隧道模擬場景，并進(jìn)行模擬駕駛試驗，分析不同半徑、不同區(qū)段、不同視覺參照系的小半徑公路長隧道駕駛?cè)说囊曈X特性和駕駛績效指標(biāo)變化規(guī)律，分析曲線半徑、區(qū)段位置以及視線誘導(dǎo)設(shè)施的協(xié)同組合、對稱形式、頻率呈現(xiàn)、色彩選擇等單因素和多因素耦合作用下公路隧道彎道駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)與駕駛績效作用規(guī)律，并通過層次分析法（AHP）模糊綜合評價、貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與熵權(quán)可拓物元模型等方法對改善方案進(jìn)行解釋與驗證。

3.3 優(yōu)化案例分析

根據(jù)3.1 和3.2 節(jié)提出的基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長隧道典型弱視覺參照系優(yōu)化思路與設(shè)計方法，對小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化前后的案例進(jìn)行分析，優(yōu)化前后的場景如圖7所示。

圖7 小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化方案前后對比示意Fig. 7 Comparison of visual reference system of small radius highway long tunnel before and after optimization

小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化方案如下：路面標(biāo)線處高頻設(shè)置反光突起路標(biāo)；檢修道路緣設(shè)置矩形線型輪廓標(biāo)，形式為左黃右白；隧道內(nèi)外側(cè)壁設(shè)置連續(xù)包邊型腰帶線，并在外側(cè)中頻設(shè)置線形誘導(dǎo)；隧道側(cè)壁與拱頂?shù)皖l設(shè)置隧道輪廓帶。小半徑公路長隧道視覺參照系與典型設(shè)施的優(yōu)化前后對比示意如圖8和圖9所示。

圖8 小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化前后對比示意Fig. 8 Comparison of visual reference system for small radius highway long tunnels before and after optimization

圖9 小半徑公路長隧道視覺參照系典型設(shè)施優(yōu)化前后對比示意Fig. 9 Comparison of typical facilities of visual reference system for small radius highway long tunnels before and after optimization

由圖8可知小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化前為多點視覺參照系，該類型視覺參照系對于小半徑公路長隧道的線形和輪廓誘導(dǎo)能力不足，空間路權(quán)指示不明晰，易誘發(fā)駕駛?cè)说囊曊J(rèn)和感知錯覺；而優(yōu)化后為多層次視覺參照系，該類型視覺參照系可以有效的勾勒小半徑公路長隧道的線形和輪廓，空間路權(quán)明確，多層次的視線誘導(dǎo)信息保證了冗余性，可有效調(diào)控視錯覺，降低駕駛負(fù)荷。

圖9的a-d（對照關(guān)系，下同）和b-e展示了小半徑公路長隧道視覺參照系中輪廓帶和輪廓標(biāo)兩種典型誘導(dǎo)設(shè)施優(yōu)化前后的對比示意，可以明顯看出優(yōu)化前的片狀輪廓帶與點狀輪廓標(biāo)對駕駛?cè)说目梢姺秶^小，行車誘導(dǎo)效果較弱；而優(yōu)化后的拱形輪廓帶和線型輪廓標(biāo)則使得駕駛?cè)说目梢姺秶鼜V，更有利于駕駛?cè)藢π“霃焦烽L隧道行車環(huán)境的視認(rèn)和感知。圖9的c-f為小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化前后豎向斷面對比，可以直觀地發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后駕駛?cè)藢π“霃焦烽L隧道側(cè)壁的可視范圍更廣，輪廓誘導(dǎo)能力顯著增強。小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化方案中設(shè)施設(shè)置形式與其作用如表3 所示，優(yōu)化前后效果評價如表4所示。

表3 視線誘導(dǎo)設(shè)施設(shè)置形式及其作用表現(xiàn)Tab. 3 Setting form and function performance of visual guiding facilities

表4 優(yōu)化前后效果評價Tab. 4 Performance evaluation before and after optimization

4 結(jié)語

小半徑公路長隧道因其空間封閉、昏暗、單調(diào)的行車環(huán)境，以及長距離小半徑彎坡線形導(dǎo)致駕駛?cè)艘暰嘁晠^(qū)受限，致使小半徑公路長隧道內(nèi)部成為典型弱視覺參照系環(huán)境，極易誘發(fā)危險駕駛行為。本文針對小半徑公路長隧道弱視覺參照系易使駕駛?cè)水a(chǎn)生心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，損害駕駛績效的問題，從事故預(yù)防和駕駛績效提升的目標(biāo)提出基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長隧道視覺環(huán)境優(yōu)化研究框架。主要研究結(jié)論如下：

（1）小半徑公路長隧道視覺參照系具有誘導(dǎo)信息過渡劇烈、違背駕駛期望和冗余性欠缺等特點，該典型弱視覺參照系極易誘發(fā)駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)效應(yīng)，亟需對弱視覺參照系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以緩解心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)帶來的消極影響，提升駕駛績效，保障行車安全。

（2）根據(jù)駕駛?cè)说鸟{駛?cè)蝿?wù)需求、認(rèn)知心理學(xué)和交通行為學(xué)等理論基礎(chǔ)，結(jié)合視知覺恒常性、整體優(yōu)先性和多層次誘導(dǎo)三個理論提出小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化思路，即通過視線誘導(dǎo)設(shè)施合理協(xié)同布設(shè)，確保視覺參照系的恒常穩(wěn)定；局部視覺參照系信息與整體行車環(huán)境信息一致，且由部分能推斷整體；多層次的輪廓誘導(dǎo)與線形誘導(dǎo)，確保信息冗余，提高容錯性，以此達(dá)到小半徑公路長隧道行車安全、舒適、低成本、可持續(xù)的優(yōu)化目標(biāo)。

（3）提出小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化方法，即綜合考慮視線誘導(dǎo)信息的設(shè)置類型與空間分布特征，通過布設(shè)多頻率、多尺度、多形狀的視線誘導(dǎo)設(shè)施，利用局部視覺參照元素構(gòu)建與整體行車環(huán)境信息相連續(xù)一致的參照線索，加強小半徑公路長隧道的輪廓誘導(dǎo)與線形誘導(dǎo)，借助高位、中位與低位誘導(dǎo)信息的協(xié)同作用構(gòu)建信息冗余的多層次視覺參照系，有效緩解心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)帶來的負(fù)面影響，降低駕駛負(fù)荷，提升行車安全水平。

（4）本文提出基于心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小半徑公路長隧道視覺參照系優(yōu)化研究框架，主要是依據(jù)認(rèn)知心理學(xué)和交通行為學(xué)等理論基礎(chǔ)和國內(nèi)外相關(guān)研究成果進(jìn)行定性分析評價與論述，從理論層面揭示并提出小半徑公路長隧道心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的產(chǎn)生機理和調(diào)控方法，研究成果可應(yīng)用于小半徑公路長隧道、小半徑光學(xué)長隧道的交通安全提升。在未來研究應(yīng)開展相應(yīng)的專項試驗，結(jié)合駕駛?cè)诵睦砼c行為數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析與評價。

作者貢獻(xiàn)聲明：

杜志剛：提出研究命題與論文思路。

韓磊：負(fù)責(zé)文獻(xiàn)調(diào)研與論文撰寫。

梅家林：負(fù)責(zé)論文繪圖與修訂。

賀世明：參與研究構(gòu)思設(shè)計與論文修改。

楊永正：參與論文撰寫與修訂。