張子培，朱順應(yīng)，王　紅

(1.武漢市交通規(guī)劃設(shè)計有限公司，湖北　武漢　430017；2.武漢理工大學(xué)　交通學(xué)院，湖北　武漢　430063)

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長平直線路段邊緣率標(biāo)線視覺節(jié)奏感對減速效果的影響

張子培1，朱順應(yīng)2，王紅2

(1.武漢市交通規(guī)劃設(shè)計有限公司，湖北武漢430017；2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢430063)

摘要：為研究邊緣率標(biāo)線在高速公路長平直線路段的減速效果，采用基于駕駛員視覺節(jié)奏感形成理論，設(shè)計了3組試驗方案，并開展了路上試驗研究。以標(biāo)線間隔單元行車時間為變量，取值分別為4, 6, 8 s。結(jié)果表明: 3組實驗中，標(biāo)線間隔單元行車時間為4 s(方案1)時平均車速、85%位車速和標(biāo)準(zhǔn)差的降低幅度最大，依次為9.84, 12.53, 1.61 km/h; 間隔單元行車時間與短時記憶時間相近時，駕駛員在試驗路段行車過程中的減速行為連續(xù)，減速效果穩(wěn)定; 時間頻率對駕駛員減速行為中的加速度存在顯著影響。

關(guān)鍵詞：交通工程；長平直線路段；試驗研究；邊緣率；視覺節(jié)奏感；減速；駕駛員

0引言

我國高速公路交通事故中超速行駛引發(fā)的事故占比居高不下[1]。肖潤謀[2]研究發(fā)現(xiàn)，駕駛員在高速公路長平直線路段上行駛過程中心率降低，從而導(dǎo)致注意力不集中、速度感知力下降。T. Oron-Gilad[3]通過模擬試驗測試發(fā)現(xiàn)，駕駛員在長平直線路段的心率變異易導(dǎo)致放松警惕，駕駛行為表現(xiàn)為加速，進(jìn)而超速。

邊緣率速度感知理論[4-5]表明，如果物體的紋理元素間距已知，邊緣率就能告訴觀察者速度，當(dāng)邊緣率(紋理變細(xì))增大時，觀察者就會感覺到速度更高。M. Lenoir[6]通過模擬試驗證實了視覺紋理能引起觀察者對運動真實速度的高估。H. A. Rakha等[7]在紐約690號州際公路上設(shè)計并鋪設(shè)了等間距的與行車方向垂直的路面標(biāo)線，發(fā)現(xiàn)平均速度下降6 km/h，85%位車速下降8 km/h，其試驗路段長度為600 m。朱順應(yīng)等[8]提出了基于駕駛員視知覺的直線路段路面邊緣率標(biāo)線設(shè)計模型，其模型中邊緣率標(biāo)線計算鋪設(shè)長度為[267,300] m。

我國現(xiàn)行的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2003)[9]對高速公路直線路段的最大長度沒有作具體數(shù)值規(guī)定，實際道路設(shè)計中存在較多的長平直線路段。文獻(xiàn)[7-8]中的試驗研究和設(shè)計模型中的邊緣率標(biāo)線減速路段均較短，難以判明長平直線路段上鋪設(shè)較長邊緣率標(biāo)線的減速效果。若在長平直線路段全線鋪設(shè)路面邊緣率標(biāo)線，可能會出現(xiàn)車速的適應(yīng)性現(xiàn)象，進(jìn)而影響路面邊緣率標(biāo)線的控速效果。

研究發(fā)現(xiàn), 如果駕駛員周圍的視覺對象存在一定的空間連續(xù)性，即駕駛員周圍的視覺對象存在視覺單元化組合，那么駕駛員對這些視覺對象進(jìn)行觀察時就能形成較為強烈的視覺節(jié)奏感[10]。韋伯-費希納定律表明,不同的視覺刺激量必須達(dá)到一定的變化幅度才能引起差別感覺[11]。若依據(jù)視覺節(jié)奏感和韋伯-費希納定律對長平直線路段的路面邊緣率標(biāo)線進(jìn)行視覺單元化組合研究，從而保證駕駛員的減速行為在長平直線路段持續(xù)存在，將是解決高速公路長平直線路段全段速度控制的有效措施。

此外，文獻(xiàn)[7-8]的研究以鋪設(shè)邊緣率標(biāo)線前、后的速度平均值分析減速效果，而道路上運行的車輛間速度存在差異，相同的邊緣率周期的標(biāo)線其時間頻率不同。

鑒于此，本文擬通過路上試驗，從駕駛員視覺節(jié)奏感來研究其對駕駛員速度行為的影響，從時間頻率的角度分析邊緣率與減速行為的關(guān)系。

1駕駛員視覺節(jié)奏感的實現(xiàn)

路面邊緣率標(biāo)線的視覺節(jié)奏感形成反映了駕駛員對于單元化組合后的邊緣率標(biāo)線視覺刺激形成的一種心理感知量。邊緣率標(biāo)線單元的空白間隔單元能降低駕駛員對邊緣率標(biāo)線感知的短期記憶，減弱邊緣率刺激。根據(jù)韋伯-費希納定律，通過逐漸增多各段標(biāo)線的邊緣率且超過一定閾值，能強化駕駛員對邊緣率變化的感知，從而增強視覺節(jié)奏感。

韋伯-費希納定律表明，不同的刺激量必須達(dá)到一定的變化幅度，才能引起差別感覺，這一比例通常簡化為一個常數(shù)，如式(1)[11]所示：

(1)

式中，Δr為路面邊緣率標(biāo)線單元刺激差別量；r為路面邊緣率標(biāo)線刺激量；K′為常數(shù)。

(2)

式中r1,r2,r3分別為路面邊緣率標(biāo)線單元的視覺刺激量。

短時記憶中信息保持的時間一般在0.5～18 s，并且在4～6 s之后正確記憶百分比下降到30%以下[12]。所以，視覺節(jié)奏感路上試驗比選研究分別選取駕駛員行車過程中的4，6，8 s行程時間作為間隔單元的時長。

2路上試驗研究

2.1試驗方案

試驗路段位于杭瑞高速公路湖北段(黃沙鋪至通山方向)，設(shè)計速度100 km/h，雙向四車道，車道寬度為3.75 m。試驗中，路面邊緣率標(biāo)線布設(shè)在行車道兩側(cè)，布設(shè)時選用黃色背膠式反光標(biāo)線，其光學(xué)特性與我國高速公路常用標(biāo)線相同。選取邊緣率值ER=12 Hz，根據(jù)試驗路段設(shè)計車速計算得出周期長度λ=2 m[8]。為了消除單個邊緣率標(biāo)線顏色對車速可能存在的影響，各個分組試驗均選用相同的黃顏色。

路面邊緣率標(biāo)線單元長度根據(jù)式(1)和式(2)計算得出，式(1)中的K′取值為0.1(>0.07)[8]，式(2)中的r1，r2，r3計算長度和鋪設(shè)方式采用文獻(xiàn)[8]提供的直線路段路面邊緣率標(biāo)線設(shè)計模型，視覺節(jié)奏感間隔單元長度d按照行程時間t和試驗路段設(shè)計車速計算得出。計算結(jié)果如表1所示。

表1　三組試驗的各項參數(shù)

2.2數(shù)據(jù)采集

采用便攜式交通流分析儀(NC-200)對標(biāo)線布設(shè)車道上車輛的車型(依據(jù)車長進(jìn)行分類)、斷面車速和車頭時距進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。便攜式交通流分析儀的布設(shè)見圖1，共7個斷面。斷面1～6的觀測數(shù)據(jù)用于非自由流車輛的剔除，其中斷面2～6的觀測數(shù)據(jù)還用于分析車輛進(jìn)入標(biāo)線鋪設(shè)路段所對應(yīng)的平均時間頻率；斷面7用于評價車速的總體降低效果。觀測過程中采用攝像機對車輛運行情況進(jìn)行錄制以提高數(shù)據(jù)有效性，錄制時間與便攜式交通流分析儀系統(tǒng)的工作時間保持一致。此外，采用人工雷達(dá)槍抽樣記錄的方法對車速數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，若出現(xiàn)顯著差異則重新觀測。

圖1　便攜式交通流分析儀布設(shè)(單位：m)Fig.1　Layout of portable traffic flow analyzers(unit: m)

2.3數(shù)據(jù)處理

(1)試驗路段非自由流數(shù)據(jù)的剔除

車輛在非自由流狀態(tài)下的車速除受邊緣率標(biāo)線影響之外，還受前車的影響，因此在保證數(shù)據(jù)的正確性后，將非自由流的車輛剔除。依據(jù)各觀測斷面采集的車速計算車輛的停車時距，假定車速短時不發(fā)生變化，進(jìn)而計算車輛采取舒適減速度(此處取值2.5 m/s2)[13]時各斷面試驗前85%位運行車速的停車時距。然后與NC-200采集的車頭時距數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若停車時距大于車頭時距，則判定其為非自由流車輛，7個觀測斷面中任意斷面出現(xiàn)非自由流運行狀態(tài)的車輛均予以剔除。

(2)試驗路段換道車輛的剔除

車輛在運行過程中可能產(chǎn)生換道行為，此時不同斷面上NC-200采集的車速數(shù)據(jù)將會出現(xiàn)不對應(yīng)的情況，因此在數(shù)據(jù)采集完成后采用人工判讀的方法結(jié)合影像剔除變道車輛，進(jìn)而保證各觀測斷面的車速針對同一車輛。

3試驗結(jié)果

3.1視覺節(jié)奏感對車速的影響

邊緣率標(biāo)線的整體降速效果評價選用觀測斷面6的速度數(shù)據(jù)。剔除非自由流車輛和換道車輛后，每組布設(shè)方案隨機選擇654個數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)，每組試驗的數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。

邊緣率標(biāo)線3組試驗方案的平均車速、85%位車速和標(biāo)準(zhǔn)差的影響統(tǒng)計結(jié)果見圖2。

圖2　三組試驗中各項速度指標(biāo)對比Fig.2　Comparison of speeds in 3 experiments

3組試驗方案中，試驗路段的平均車速、85%位車速和標(biāo)準(zhǔn)差均比鋪設(shè)邊緣率標(biāo)線前顯著降低，見表2。

表2　三組試驗車速指標(biāo)變化(單位：km/h)

對鋪設(shè)邊緣率標(biāo)線前后3個速度指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，均得到P<0.05(P為單因素方差顯著性檢驗分析方法中反映檢驗顯著水平的值，一般以P<0.05 為顯著)，說明邊緣率標(biāo)線鋪設(shè)方案的視覺節(jié)奏感對3個速度指標(biāo)均有顯著影響。

3.2時間頻率對加速度的影響

由于車速是動態(tài)變化的，為便于分析，選取單個車輛在斷面2、斷面4、斷面6運行時的時間頻率和加速度進(jìn)行分析，其計算公式見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

3組試驗方案的時間頻率對應(yīng)的單車加速度算術(shù)平均值如圖3所示。

圖3　時間頻率值對應(yīng)的單車加速度Fig.3　Temporal frequency vs. acceleration

從圖3可以看出：

3組試驗方案中，時間頻率值主要分布在8～18 Hz。隨著時間頻率值的增大, 車輛的減速度值逐漸增大。采用單因素方差分析，得到P<0.05，時間頻率顯著影響加速度。

隨著時間頻率值的增大，3組試驗方案中駕駛員行車過程中的減速度值均逐漸增大，即駕駛員的減速行為逐漸增強。

斷面2處，3組試驗方案中駕駛員行車過程中的減速度值無顯著差異(P<0.05)；斷面4處，方案1和方案2中駕駛員行車過程中的減速度值無顯著差異(P<0.05)，方案3比方案1、方案2駕駛員行車過程中的減速度值顯著降低(P<0.05)；斷面6處，3組試驗方案中駕駛員行車過程中的減速度值均存在顯著差異(P<0.05)，減速度值由大到小依次為方案1、方案2、方案3。

3.3視覺節(jié)奏感對斷面速度的影響

視覺節(jié)奏感對斷面速度的影響選用各個斷面平均速度值作為對比依據(jù)。3組試驗方案平均速度值的統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。

圖4　三組試驗中7個斷面平均速度Fig.4　Average speeds at 7 sections in 3 experiments

采用單因素方差分析方法對3組試驗方案中各個斷面的平均速度值進(jìn)行計算，均得到P<0.05，說明3組試驗方案中各個斷面的平均速度值均存在顯著差異。

4討論與分析

路面邊緣率標(biāo)線3組試驗方案中，駕駛員在各個斷面之間均保持減速行為和減速效果。這可能是由于路面邊緣率標(biāo)線單元之間的間隔單元暫時打破了駕駛員視覺適應(yīng)性的產(chǎn)生。

方案1中，駕駛員沒有受到邊緣率標(biāo)線間隔單元的影響。由于駕駛員對路面邊緣率標(biāo)線單元速度信息的短時記憶保持時間t0[12]與方案1中間隔單元的行程時間t1相近，一方面使得駕駛員仍保持了邊緣率標(biāo)線單元的減速行為，進(jìn)而導(dǎo)致斷面3, 5, 7的速度降低值相對于斷面2, 4, 6并沒有產(chǎn)生大幅降低，即駕駛員在方案1中保持了連續(xù)的減速行為(見圖3)和穩(wěn)定的減速效果(見圖4)；另一方面，駕駛員在正確記憶大幅下降之前又再次受到路面邊緣率標(biāo)線的視覺刺激，導(dǎo)致駕駛員在斷面2, 4, 6的速度降低值并沒有顯著差異(P<0.05)。方案1使得駕駛員在長平直線路段行車過程中保持了減速行為的連續(xù)性和減速效果的穩(wěn)定性，由路面邊緣率標(biāo)線單元和間隔單元的組合形成了行車過程中的視覺節(jié)奏感。

方案2與方案3中，駕駛員同樣沒有受到邊緣率標(biāo)線間隔單元的影響。由于駕駛員對路面邊緣率標(biāo)線單元速度信息的短時記憶保持時間t0小于方案2和方案3中間隔單元的行程時間t2，t3，使得駕駛員對速度信息的短時記憶在再次受到邊緣率標(biāo)線單元視覺刺激前大幅降低，導(dǎo)致駕駛員速度感知降低，減速行為減弱(方案2，圖4)或在間隔單元后半段轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀傩袨?方案3，圖4)，減速效果降低(方案2，圖3斷面4，6)或在間隔單元后半段轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀傩Ч?方案3，圖3斷面4，6)。

5結(jié)論

通過路上試驗，從駕駛員視覺節(jié)奏感入手，研究了高速公路長平直線路段減速效果增強的方法，從時間頻率的角度解析了邊緣率與減速行為之間的關(guān)系。

(1)具有視覺節(jié)奏感的路面邊緣率標(biāo)線，間隔單元行程時間為4 s(方案1)時平均車速、85%位車速和標(biāo)準(zhǔn)差的降低幅度最大，依次為9.8，12.53，1.61 km/h。

(2)間隔單元行車時間與短時記憶時間相近時，駕駛員在試驗路段行車過程中的減速行為連續(xù)，減速效果穩(wěn)定。

(3)時間頻率對加速度存在顯著影響。時間頻率為8～18 Hz時，時間頻率越大，減速效果越大。

邊緣率標(biāo)線間隔和邊緣率數(shù)量按韋伯-費希納定律遞增對減速效果的獨立影響、兩因素混合后的最佳影響、如何利用空白間隔減少持續(xù)制動降低貨車制動鼓溫度等問題，有待進(jìn)一步研究。

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Effect of Visual Rhythm Sense of Edge Rate Markings of Long-even-straight Section on Speed Reduction

ZHANG Zi-pei1, ZHU Shun-ying2, WANG Hong2

(1. Wuhan Transportation Planning & Design Co., Ltd., Wuhan Hubei 430017，China;2. School of Transportation，Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430063，China)

Abstract：For the purpose of researching the effect of edge rate markings of long-even-straight section of expressway on speed reduction, 3 experiments are designed based on the formation theory of driver’s visual rhythm sense, and the road experiments are carried out. The marked interval unit travel time is treated as a variable, whose values are 4, 6, 8 s. The result shows that (1) in the 3 experiments, the average speed, the 85% speed and the reduce amplitude of speed standard deviation are 9.84, 12.5, 1.61 km/h respectively when the interval-unit travel time is 4 s (scheme 1); (2) the speed reduction behavior is consecutive and the effect of speed reduction is stable when the interval unit travel time coincides with the time of short-term memory. (3) the acceleration in driver’s reduction behavior is significantly affected by temporal frequency

Key words：traffic engineering; long-even-straight road section; experimental research; edge rate; visual rhythm sense; velocity reduction; driver

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)03-0127-05

中圖分類號：U491.5+23

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.03.021

作者簡介：張子培(1988 -)，男，河南濮陽人，碩士. (122326261@qq.com)

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(50778142，51078299)；交通運輸部聯(lián)合科技聯(lián)合攻關(guān)項目(2010353342240)

收稿日期：2015-05-14