减速标线视觉减速有效性实验研究

赵晓华， 单静涛， 丁 罕， 荣 建

(1.北京工业大学 城市交通学院， 北京 100124; 2.柏城工程技术有限公司， 北京 100027)



减速标线视觉减速有效性实验研究

赵晓华1， 单静涛2， 丁 罕1， 荣 建1

(1.北京工业大学 城市交通学院， 北京 100124; 2.柏城工程技术有限公司， 北京 100027)

依托驾驶模拟实验，在虚拟场景中设计纵向减速标线和无震动感横向减速标线，采集车辆运行状态、驾驶员注视行为和操控行为数据并进行处理和分析，验证减速标线的视觉减速有效性. 分析结果表明，纵向减速标线和无震动感横向减速标线对驾驶员的视觉特征均具有一定的影响；纵向减速标线和无震动感横向减速标线对车辆运行状态没有显著影响，但对驾驶员从减速意识到减速决策的转化具有显著的促进作用，尤其无震动感横向减速标线对驾驶员减速意识的影响大于纵向减速标线. 结果表明，在道路纵坡为1.7%的双向八车道城市快速路虚拟场景中，纵向减速标线和无震动感横向减速标线具有一定的视觉减速有效性.

交通工程; 速度控制设施; 驾驶模拟实验; 减速标线; 视觉减速有效性

0 引言

减速标线作为一种警示性控速设施在我国城市道路中得到广泛的应用. 国家标准《道路交通标志和标线》(GB5768.3—2009)规定，减速标线包括车行道横向减速标线和车行道纵向减速标线(图1(a)(b))[1],用于警告驾驶员减速慢行，其减速原理是使驾驶员产生车道变窄或车辆行驶速度变快的视觉效果，诱使驾驶员控制或降低实际行驶速度[2]. 但在实际应用中，横向减速标线会使驾驶员产生一定的震动感，即在横向减速标线作用下驾驶员的减速行为可能是视觉效应和震动效应混合作用的结果. 美国《交通控制设施手册》(MUTCD2009)对减速标线(speed reduction markings)做了比较详细的说明. 根据MUTCD2009的规定，布设减速标线时，各标线间的间距明显缩短，以使驾驶员产生车速增加的视错觉(图1(c))[3]. 事实上，减速标线是否对驾驶员视觉特性存在一定的影响、是否具有视觉减速的有效性，目前缺乏相应的理论研究和实际工作经验的支持. 鉴于此，论文旨在对减速标线的视觉减速有效性进行评价.

目前，针对减速标线的有效性问题，国内外学者做了大量研究. Eric. Meyer[4]针对应用于公路施工区的视觉速度标线(optical speed bars)进行了研究；Timothy. J. Gates等[5]针对高速公路平曲线处减速标线的有效性开展了研究；Bryan J. Katz等[6-7]同样针对减速标线的设计和有效性评价进行了探索性研究. 国内，姜军等[8]对典型车速控制措施(限速标志、振动减速标线和减速丘)的有效性和适应性进行了分析；王超等[9]针对振动减速带的速度控制效果进行了研究；鲍兴建等[10]评价了高速公路减速标线的应用效果；高伟江等[11]在介绍减速标线的概念、分类、设置方法的基础上，指出了影响减速标线视认性的驾驶员视觉行为特性，提出了一种在实景条件下设置虚拟交通标线的模拟实验方法，研究了减速标线视觉效果的有效性.

图1 减速标线

尽管国外有大量针对减速标线的研究文献，但其对减速标线的定义、设计原则和设置方法与国内存在很大差异，故缺乏借鉴意义. 国内研究总体来看偏重于设计层面，缺乏专门针对减速标线视觉减速有效性的研究. 另外，针对目前有效性方面的研究大多从车辆运行速度的角度进行评价，并且实验方法大多是在实际道路中采集数据，难以排除复杂的道路条件、交通环境对驾驶员速度选择的影响. 因此，本文将依托驾驶模拟技术，采用模拟实验研究方法，在虚拟场景中设计纵向减速标线和无震动感横向减速标线，以确保驾驶员仅通过视觉感知减速标线，并采集车辆运行状态、驾驶员注视行为和操控行为数据，评价减速标线的视觉减速有效性.

1 实验方法

1.1 实验设备

为了有效控制除减速标线外所有可能对驾驶员产生影响的变量，本研究采用驾驶模拟技术，实时采集车辆行驶速度、加速度以及驾驶行为数据. 驾驶模拟系统(图2)的数据采集频率为30 Hz，可同步采集驾驶员行车过程中的速度、加速度等车辆运行状态数据及离合、油门、刹车等车辆操控行为数据. 为了考察驾驶员在实验过程中的注视情况，实验采用SMI iView XTMHED头盔式眼动仪(图3)获得驾驶员注视行为数据.

图2 驾驶模拟舱

图3 眼动仪

1.2 被试

研究要求被试驾驶员年龄为20～35岁，性别不限，具有驾驶执照，并具有2～5年的实际上路经验，能熟练驾驶手动档汽车，在不戴眼镜(或配戴隐形眼镜)的情况下正常驾驶. 通过在校园和社区发布广告，招募到男性驾驶员15名，平均年龄26±1.6岁，平均驾龄4±1.4年，其中14人不戴眼镜，1人戴隐形眼镜.

1.3 场景

实验场景选取北京市南四环马家楼桥作为模拟场景，共设3组场景. 场景1没有减速标线，场景2在下桥路段设置纵向减速标线，场景3在下桥路段设置无震动感的横向减速标线，如图4所示. 为了排除干扰因素对实验过程的影响，除下桥路段的车道宽度和减速标线外，三组场景的其余所有元素完全一致. 为了尽可能使模拟场景与实际道路具有较高的相似度，实验利用GIPSI-Trac道路几何系统记录实际道路的线形参数. 3组场景全长均为3 720 m，其中下桥路段长为900 m，纵坡为1.7%，具体线形参数参见表1.

图4 实验场景

道路场景纵向减速标线无震动感横向减速标线全长桥高车道宽度长度初始宽度渐变段后宽度渐变段长长度宽度3720m86m375m100cm10cm30cm30m3m45cm

1.4 实验流程

实验要求被试进行3次测试，以减小数据的随机性，即一天的上午、下午和晚上各完成1次测试. 为了避开人的疲劳时间，上午、下午和晚上的实验时间段分别为8:30—11:00、15:00—17:30和18:30—21:00. 每次实验中，被试需完成3个场景的驾驶任务，实验场景次序由实验员随机安排，每个场景均需驾驶3次. 实验流程如下：1) 宣读指导语；2) 试驾5 min，填写驾驶员基本信息和驾前生理状态记录表；3) 佩戴并标定眼动仪；4) 开始实验并记录数据；5) 实验结束后，填写驾后生理状态记录表.

2 数据处理和分析

2.1 眼动数据

为了考察减速标线对驾驶员视觉特性的影响，需要关注3种场景中驾驶员的注视点分布情况. 将驾驶员前方注视区域划分成上、下、左、右和中间5个注视兴趣区域，得到不同场景被试注视点分布散点图，如图5所示. 另外，1、2号线对应纵向减速标线的内边缘，3、4号线分别对应内侧车道的车行道边缘线和车行道分界线. 图5可以看出，3个场景中，被试的注视点主要集中在中间区域. 其中，无减速标线场景(场景1)的注视点分布较其他2个场景更为分散，这主要是因为被试在无减速标线场景(场景1)中行驶时处于相对比较放松的状态，没有特殊需要关注的事物，注意力相对分散. 而被试在纵向减速标线场景(场景2)中行驶时，由于纵向减速标线会使被试产生车道变窄的视错觉效果，致使被试处于一种相对紧张的状态，注意力高度集中于中间区域，同时注视点会频繁活动于左右两侧的纵向减速标线区域. 实验中，为了避免交通量对驾驶员的影响，场景设置较小的交通量，因此右侧缺少其他车辆的干扰，所以本应频繁活动于左右两侧减速标线的注视点主要集中在左侧的减速标线上. 相较于其他场景，无震动感的横向减速标线场景(场景3)的注视点呈纵向分布的形态，并集中分布在车道范围内，这应该与横向减速标线横贯整条车道，且在行驶过程中纵向进入被试视野有关.

图5 被试在不同场景中的注视点分布图

另外，纵向减速标线场景和横向减速标线场景中均有一定数量的注视点集中在右下方，而右下方对应驾驶模拟舱内的速度仪表盘. 这表明被试在减速标线场景中行驶时，有一定的注意力用于关注自己的行驶速度. 总之，纵向减速标线和无震动感横向减速标线对驾驶员的视觉特征有一定的影响.

2.2 车辆运行状态数据

2.2.1 车辆行驶速度

图6 不同场景的平均相对速度变化比

参考已有研究，采用相对速度变化比作为评价减速标线有效性的指标. 该指标是车辆驶出和驶入减速标线的速度差与驶入减速标线的速度的比值，可以反映不同场景减速标线对车辆行驶速度的影响倾向和影响程度. 若该比值为负值，说明驶入速度大于驶出速度，速度整体呈下降趋势；反之，说明驶出速度大于驶入速度，速度整体呈上升趋势. 计算15名被试的平均相对速度变化比，如图6所示. 可以看出，3个场景的平均相对速度变化比均为正值，即速度整体均呈上升趋势. 其中，无减速标线场景的相对速度平均增幅为0.10；纵向减速标线场景的相对速度平均增幅为0.09，相比无减速标线场景下降10%；无震动感横向减速标线场景的相对速度平均增幅为0.06，相比无减速标线场景下降40%. 由此可见，减速标线，尤其是无震动感横向减速标线的存在，从视觉减速的效果来看，对驾驶员的行驶速度产生了一定的影响.

采用方差分析法(Analysis of Variance, ANOVA)，检验不同类型的减速标线对车辆的相对速度变化比是否存在显著性影响. 结果表明，不同的场景类型对车辆的相对速度变化比不存在显著性影响(F(2,28)=0.527;P>0.05)；通过计算检验结果的统计功效，得到ω2<0.01，即从速度层面看，纵向减速标线和无震动感横向减速标线的确没有显著的视觉减速效果.

2.2.2 加速度标准差

图7 不同场景的平均加速度标准差

由于加速度标准差反映车辆加速度的变化幅度，因此采用加速度标准差作为另一个评价减速标线对车辆运行状态影响的指标. 计算15名被试在不同场景中的平均加速度标准差，如图7所示. 可以看出，无减速标线场景中加速度标准差最小，即加速度调整幅度最小；下桥路段铺设减速标线后，加速度标准差随之增大，尤其无震动感横向减速标线场景中加速度标准差最大，即加速度调整幅度最大. 由此可见，减速标线，尤其是无震动感横向减速标线的存在会对车辆加速度产生一定的影响.

采用方差分析法(Analysis of Variance, ANOVA)，检验不同类型的减速标线对加速度标准差是否存在显著性影响. 结果表明，不同的场景类型对加速度标准差不存在显著性影响(F(2,28)=2.687;P>0.05)，即从加速度层面看，纵向减速标线和无震动感的横向减速标线没有显著的视觉减速效果. 通过计算检验结果的统计功效，得到ω2=0.04>0.01，即减速标线对加速度标准差不存在显著影响，可能是由于样本量不足或其他原因造成的.

2.3 操控行为数据

驾驶员行车的过程，就是感知、判断决策和操控3个阶段循环往复的过程[12]. 因此，除了从速度指标进行研究外，还从被试的操控层面进行研究，即通过比较不同场景中被试的减速操控次数，包括松油门次数和踩刹车次数，检验减速标线是否存在视觉减速有效性.

图8表明了在无减速标线场景、纵向减速标线场景和无震动感横向减速标线场景中，所有被试的松油次数总和与刹车次数总和. 如图8所示，在无减速标线场景和纵向减速标线场景中，驾驶员主要通过松油门而不是踩刹车来控制车速，表明驾驶员有减速的意识；相较于无减速标线场景，纵向减速标线会减少驾驶员的松油门次数并增加刹车次数，表明其会进一步对驾驶员的减速意识与决策产生影响，促使驾驶员将减速意愿转化为减速决策，并通过操控行为(即刹车)达到减速的目的；在无震动感横向减速标线场景中，驾驶员的松油门次数与刹车次数相同，尤其是刹车次数多于另外2个场景，说明相较于纵向减速标线，无震动感横向减速标线更会促进驾驶员从减速意识到减速决策的转化，更多地通过刹车行为控制车速.

图8 不同场景被试减速操控总次数

采用方差分析法检验不同类型的减速标线对被试的减速操控次数是否存在显著性影响. 结果表明，不同的场景类型对驾驶员的松油门次数存在显著性影响(F(2,28)=3.952;P<0.05)，进一步采用对比分析(Contrast Analysis)对3个场景的松油门次数进行两两对比，结果表明，无震动感横向减速标线对松油门次数存在显著性影响；尽管对刹车次数不存在显著性影响(F(2,28)=1.701;P>0.05)，但通过计算检验结果的统计功效，得到ω2=0.02>0.01，即减速标线对刹车次数不存在显著性影响同样可能是由于样本量不足或其他原因造成的. 总之，从操控行为层面看，纵向减速标线和无震动感横向减速标线对驾驶员的减速意愿和减速决策具有一定的影响，尤其是无震动感横向减速标线能够显著影响驾驶员从减速意愿到减速决策的转化.

3 结论与展望

论文以国家标准为基准，以减速标线为研究对象，从车辆行驶状态和驾驶员操控行为2个层面对减速标线的有效性进行评价，同时分析了减速标线对驾驶员视觉特性的影响. 得到以下结论：

1) 在道路纵坡为1.7%的双向八车道城市快速路的实验条件下，如果道路中没有减速标线或其他速度控制措施，在下桥路段，驾驶员倾向于加快车速，这将增加交通事故的发生概率. 因此，在类似的道路环境中，建议设置减速标线等速度控制措施.

2) 驾驶员在无减速标线场景中行驶时，注意力分布比较分散. 在纵向减速标线场景中，注意力高度集中于中间区域，同时有部分注视点集中在左侧的减速标线. 在无震动感横向减速标线场景中，注视点呈纵向分布，且集中分布于车行道范围内. 另外，纵向减速标线和无震动感横向减速标线场景中均有部分注视点集中在速度仪表盘附近，说明减速标线会影响驾驶员的注视行为.

3) 综合考虑车辆运行状态和驾驶员的驾驶行为，分别以相对速度变化比、加速度标准差和减速操控次数作为评价减速标线有效性的指标，发现减速标线对车辆运行状态和驾驶员操控行为具有一定的影响，特别是无震动感横向减速标线与纵向减速标线相比，对驾驶员的减速意愿和减速决策有更明显的影响. 同时，减速标线在车辆运行状态层面的视觉减速作用并不明显，这种作用可以更多地从驾驶操控行为层面得到反映.

4) 在道路纵坡为1.7%的双向八车道城市快速路的模拟实验场景中，减速标线的视觉减速效果不具有统计意义上的显著性，这意味着减速标线在这样的道路条件中确实不具有视觉减速的有效性，这可能是样本量或特定实验条件等因素导致的. 在未来的研究中，通过招募更多的被试，并设计不同道路纵坡坡度的模拟场景，以验证论文的结果和结论.

[1] 中国国家标准化管理委员会. 中华人民共和国国家标准道路交通标志和标线(GB5768—2009) [S]. 北京: 中国标准出版社, 2009.

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[12] 任福田, 刘小明, 荣建, 等. 交通工程学 [M]. 2版. 北京: 人民交通出版社, 2008.

Evaluation of the Visual Effectiveness of Speed Reduction Markings

ZHAO Xiao-hua1， SHAN Jing-tao2, DING Han1， RONG Jian1

(1.College of Metropolitan Transportation, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2.Parsons Brinckerhoff Engineering Technology Co., Ltd., Beijing 100027, China)

Through experiments in a driving simulator, eye tracking devices are used to collect vehicle operation, drivers’ fixation and driving behavior data. Data are processed and analyzed to verify the visual effectiveness of Longitudinal Speed Reduction Markings (LSRMs) and Transverse Speed Reduction Markings (TSRMs) which could not produce vibration feelings. Analysis results of eye movement data showed that there were some effects on drivers’ visual characteristics of LSRMs and TSRMs without vibration. Although LSRMs and the TSRMs without vibration did not have significant effects on vehicle operation, both could positively influence the transition from driver’s deceleration awareness to deceleration decision; specifically such an effect belonging to TSRMs without vibration is better than the effect of LSRMs. Thus, it can be concluded that, in the eight-lane urban expressway with 1.7% grade condition, SRMs have visual effectiveness to some degree.

traffic engineering; speed control devices; driving simulator experiment; speed reduction markings; visual deceleration effectiveness

10.13986/j.cnki.jote.2015.02.001

2014- 10- 31.

国家自然科学基金项目，交通标志对驾驶行为作用机理及其认知行为量化模型的研究(51108011).

赵晓华(1971—)，女，教授，博士，研究方向为交通控制. E-mail:zhaoxiaohua@bjut.edu.cn.

U 491.5

A

1008-2522(2015)02-01-05