基于速度错觉的城市跨江桥梁交通景观改善方法

郑展骥，杜志刚，冯超

(1.武汉理工大学交通学院，湖北武汉 430063;2.湖北省林业勘察设计院，湖北武汉 430070)

基于速度错觉的城市跨江桥梁交通景观改善方法

郑展骥1，杜志刚1，冯超2

(1.武汉理工大学交通学院，湖北武汉 430063;2.湖北省林业勘察设计院，湖北武汉 430070)

针对城市跨江桥梁追尾及撞路缘石的事故形态，基于边缘率，色彩对速度错觉作用原理，提出了利用桥梁路面、路缘石、护栏、灯柱等，构建城市跨江桥梁多频、多色彩交通景观的新方法，从而改善驾驶员速度知觉水平。采用极限法与两项迫选法相结合，利用3ds Max仿真软件对城市桥梁进行模拟实验。实验结果表明:在速度为50～90km/h之间，采用多频多色彩交通景观的改善方法后，白天改善前的速度低估10.83±2.74%，改善后的速度高估9.16±2.78%;夜间改善前速度低估12.09±2.02%，改善后速度高估13.80±1.67%;随着标准场景速度的增大，速度高估趋势增大。采用多频多色彩的交通景观改善方法，将使城市桥梁上由改善前速度低估变为改善后速度适当高估，有助于实现交通安全与交通景观的和谐统一。

交通景观;速度错觉;多频率;多色彩;城市跨江桥梁

驾驶员主要通过视觉获取交通环境信息，然后对其危险性进行判断、决策、操作。美国有关权威报告指出，90%事故是由人的错误引起的;在我国至少有80%以上事故与机动车驾驶人有关。研究表明，在人的因素中，感知错误占48.1%，判断错误占36.0%，反应错误占7.9%［1］。陈宽民［2］在对城市道路交通事故分布的研究中发现城市道路交通事故时间分布呈现三个高峰，其中晚上20:00～22:00的事故占10.91%，其主要原因为夜间车辆较少导致车速过快，夜间照明设施不全使驾驶员视线不清，或驾驶员疲劳、疏忽等;马明［3］研究交通事故在不同类型道路的分布发现，快速路、主干路和次干路的单位里程事故率相当，而快速路交通事故的严重程度要大于其他类型道路交通事故;黄冰娥［4］对城市桥梁事故的统计表明，追尾及碰撞路侧护栏为主要事故形态，占到总事故的60%以上;武汉市公安交管部门曾就全市的交通事故多发路段进行统计，其中2013年5月长江一桥的发生事故数为102起，为当月事故多发路段之一，占当月事故多发路段事故数的4.97%，且多为追尾事故。

桥梁交通景观是指驾驶员视野中桥梁路面与附属设施在头脑中形成的综合印象。贾秉玺［5］指出我国的道路景观设计主要满足基本的绿化功能;道路景观的设计必须满足驾驶员在不同速度下的视觉特性以及要综合考虑多层次的道路视觉环境。樊兴华［6］研究指出城市桥梁色彩设计应考虑与周围环境协调，与其本身的形态、规模相协调，与桥梁构件的配色要和谐统一。综上所述，现有城市跨江桥梁景观设计与研究基本停留在美学层面，缺乏从道路景观自身的构成特征对驾驶人的视觉感知影响的研究。

城市跨江桥梁短则数百米，长则数千米，多数作为城市快速路或主干路，限速一般为60～80 km/h。桥上环境封闭，线形条件好，但是交通景观普遍不良，环境单调，参照物少;驾驶员在桥上行车时容易缺乏方向感、速度感，当桥上交通量较小时，容易因为速度错觉造成超速，当桥上交通量较大时，车距较小，容易因为速度错觉而造成车距误判。现状主要是采用车速监控设施以控速，但是一方面不易为外来驾驶员发现，难以起到作用，同时对于本地驾驶员，也容易在经过摄录点后报复性加速，反而更容易诱发交通事故，因此有必要采用更合理的控速设施。根据事故形态(追尾、撞侧墙)及事故原因(超速，车距误判)，通过提升不同亮度环境下驾驶员对栏杆、前方车辆的车距保持能力，减弱速度错觉的影响，以达到城市跨江桥梁景观协调与安全的统一。

1 改善原理与方法

1.1 改善原理

边缘率是单位时间内穿过观察者视野边缘或间断的数目。刘兵通过心理物理实验得出当边缘率小于2 Hz或大于32 Hz时，驾驶员会出现速度低估;边缘率在4～16 Hz时，驾驶员对速度产生高估，其中边缘率为12 Hz高估达到30%以上［1］。目前边缘率在车速控制方面应用非常广泛，公路及城市道路中广泛应用基于边缘率的车速控制方法，如路侧减速变线、轮廓标、路侧行道树等。

不同照度下驾驶员的敏感色不同，低照度时对蓝色和绿色敏感，高照度时对黄色和红色敏感;赵炜华［7］与李都厚［8］分别研究了在昼间与黄昏时段驾驶员对冷暖色的判别距离，结果表明在昼间与黄昏时段驾驶员对冷色调(绿色)的判别距离均大于暖色调(红色)。不同照度下对驾驶员的速度感知的影响也不同;Buchner［9］提出，在较低的环境照度下，由于眼睛的调节作用，使得成像感觉往后;同时背景与障碍物对比差异变小，障碍物边界模糊不清，同一物体感觉尺寸变小，引起判识距离逐渐增大。程国柱［10］研究表明:白天驾驶员感知速度与实际行驶速度呈正指数相关，驾驶员夜间感知速度的准确度与白天相比下降，白天感知速度准确率为66.0%，夜间准确率为29%;夜间识别距离比白天平均下降8.5%，最大下降30.4%，下降幅度与行驶速度和公路线形条件有关。

针对以上原理，对城市跨江桥梁交通景观改善设计进行说明，如表1所示。

表1 城市跨江桥梁交通景观改善设计说明

根据边缘率理论，中频信息流、低频信息流会使驾驶员产生速度低估，高频信息流会产生速度高估，理想感知速度应该略高于实际物理速度，故本设计中，采用高频、中频、低频信息流相结合，高频频率为5～15 Hz，中频频率为0.4～2 Hz，低频频率为0.1～0.2 Hz。如图1所示。

改善方法中路侧信息以黄色和蓝色为主色，黑色和白色为对应的辅助色。这是因为黄黑搭配及蓝白搭配是交通设计中最常见的色彩搭配，且低照度时对蓝色和绿色敏感，高照度时对黄色和红色敏感;考虑红色多代表禁令，长距离的涂装红色会使驾驶员产生不安，因此没有选用红白搭配;同时为了降低彩色信息在视野中心对于驾驶员视觉冲击，因此将彩色信息设置在路侧以边缘率景观形式作用(图2～4)。

图1 理想感知速度与实际物理速度关系

图2 侧面

图3 平面

图4 效果图

1.2 设计方法

针对城市跨江桥梁的事故形态(追尾、撞安全护栏)及事故原因(超速、速度感知错误)，对城市跨江桥梁交通工程设施进行改善设计(表2)。

2 实验设计及实验方法

由于城市桥梁车速感知实验需要大量行车试验，不便于实地调查与研究，应用3ds Max 2012软件设计动画，模拟桥梁行车场景情形。通过心理学软件E-prime2.0对实验进行设计及控制，采用心理物理实验来度量本改善方法对驾驶员速度感知的影响。

2.1 志愿者

志愿者共20人，根据我国驾驶员的男女性别比例约为7:3，故选男性14人，女性6人;20～25岁12人，26～30岁5人，31～35岁3人;8人具有驾驶经验，其余志愿者均无驾驶经验但正常视力或矫正视力在5.0以上。

表2 城市跨江桥梁交通景观改善设计表

2.2 实验方法

目前主要采用刺激物的主观等同速度［1］(Stimulation of Subjectively Equal Speed，简称SSES，其值用SSES表示)作为度量驾驶员速度感知的指标。SSES的意义为对比刺激物的感知速度与标准刺激物的感知速度相同时对比刺激物的物理速度，SSES大于标准刺激物的物理速度表明对比刺激物的实验环境会导致车速被低估，反之，对比刺激物的实验环境会导致车速被高估。

本实验主要采用极限法与二项迫选法［12］相结合测定SSES。本实验中速度刺激强度序列分为递增和递减两种。当志愿者感受到相反刺激时，此时所得即为感知速度阈值，即主观等同速度。要求志愿者需要在同时呈现的标准刺激(强度大小不变)与对比刺激(强度递增或递减变换)中判断快慢。实验采用ABBA控制法来控制误差，为保证实验结果的可靠性，每组实验序列需重复8次，即按照ABBAABBA控制。具体控制形式见表3。

表3 ABBA法控制形式

2.3 实验流程

考虑城市跨江桥梁限速为60～80 km/h，因此以50、60、70、80、90 km/h作为标准刺激，对比刺激区间为标准刺激速度的±20 km/h，速度增减最小间隔取值为2.5 km/h。

实验主要应用E-prime2.0软件对实验进行设计(递增或递减序列)以及对数据进行采集。具体实验流程如图5所示。

图5 实验流程

2.4 实验数据处理

一个序列实验的阈值T为志愿者判断“左边”和“右边”这两个速度刺激的中点，故实验中每组标准速度的SSES为:

式中T:为一个序列的阈值;m为一个序列的重复次数，本实验为ABBA法重复2次，即每个序列重复8次;N为实验有效志愿者人数。

2.5 模型精度校核

为检验用3ds Max模拟的实验场景与真实场景中速度感知的精度，将真实场景与对比模型场景(均为城市道路普通路段)采用上述实验方法进行模型的精度校核实验，如图6、图7所示。

图6 白天模型精度校核

图7 夜晚模型精度校核

精度校核实验中真实场景速度分别为白天68 km/h，夜晚65 km/h(由行车过程中仪表盘刻度确定)，用式(1)对SSES进行计算，并且用SPSS19.0对真实场景和模拟场景的SSES进行单样本T检验，得到表4。

由表4可知，单个样本T检验在检验值为68和65，显著水平α为0.05时，白天及夜晚模拟场景的速度均值与真实场景中速度为68 km/h、65 km/h时无显著差异，反应出模拟场景可以很好地模拟真实场景情况。白天模拟场景与标准场景的速度误差为1.25%，夜晚模拟场景与标准场景的速度误差为1.43%(即白天感知速度比物理速度高1.25%，夜晚感知速度比物理速度低1.43%)，因此标准刺激的知觉速度相对于实际行驶的物理速度应该乘以1.0125及0.9857的修正系数。

2.6 场景设计

实验场景分为白天和夜间、改善前和改善后等不同环境因子，对其进行组合后，共四组实验。白天环境下实验在白天室内进行，夜间环境下实验在夜间暗室进行。所有实验场景均只考虑车辆行驶时的自由流状态，目的是为了测出交通景观对驾驶员视觉的影响，避免车辆信息的干扰。

表4 模型精度检验表

2.6.1 标准实验场景选取

城市道路中环境丰富，参照物多，由环境引起驾驶员的速度错觉相对较少，驾驶员的感知速度与实际物理速度接近;而城市跨江桥梁交通景观普遍不良，环境单调，参照物少，驾驶员在桥上行车时容易因速度错觉导致感知速度与实际物理速度有较大差异。因此，为了比较环境引起的速度错觉对SSES的影响，选用感知速度与物理速度相接近的城市道路场景作为标准场景，即以标准场景速度为标准感知速度，与对比场景的感知速度相比较。实验场景按照相关规范进行设计，照明采用截光型灯具，双向对称布置与其连接的道路照明一致，平均亮度为1.5 cd/m2［13］。

2.6.2 实验场景

(1)实验一:白天改善前，二项迫选法视频组合如图6b，图8a。

(2)实验二:白天改善后，二项迫选法视频组合如图6b，图8b。

图8 白天场景

(3)实验三:夜间改善前，二项迫选法视频组合如图7b，图9a。

(4)实验四:夜间改善后，二项迫选法视频组合如图7b，图9b。

图9 夜晚场景

3 实验结果及分析

3.1 实验结果

对实验一至实验四的数据进行处理，按式(1)对20名志愿者判断的主观等同速度取平均值，结果如图10所示。

图10 车速感知实验数据

表5 标准刺激、对比刺激实验数据比较

用SPSS19.0对实验一至实验四数据进行描述统计，得出实验中各志愿者SSES的标准偏差及速度错觉(表5)。

对数据进行描述统计分析后，发现不同物理速度下，环境亮度(白天/夜间)因素相同的情况下，改善后的交通景观比改善前的交通景观的标准偏差小，这表明改善后的交通景观能提升驾驶员的速度感知能力。

同时参见2.5节中标准刺激的知觉速度相对于实际行驶的物理速度应该乘以1.0125及0.9857的修正系数，对表5数据修正得出表6。

表6 修正后的标准刺激、对比刺激实验数据比较

由图10与表5、表6可知，在50～90 km/h车速条件下:

(1)在改善前的城市桥梁场景上，志愿者均产生速度低估的趋势，且速度低估程度与车速成负相关，白天速度低估程度10.83%±2.74%，夜间速度低估程度为12.09%±2.02%，对行车安全极为不利，夜间驾驶员的速度错觉更为严重;

(2)在改善后的城市桥梁场景中，志愿者均产生速度高估的趋势，且速度高估程度与速度成正相关，其中白天速度高估的速度错觉为9.16% ±2.78%，夜间改善后的速度高估13.80%± 1.67%，有利于提升速度估计的准确性，提升安全性;

(3)志愿者在夜间城市桥梁场景的速度错觉程度显著比白天更大;

(4)志愿者对改善后的城市跨江桥梁的速度感显著增强，白天与夜间场景的速度错觉程度及速度估计准确率均显著比改善前低，夜间速度错觉改善效果更显著。

Fred Mannering［14］的研究表明，通过988份有效样本的数据得出，在限速为89 km/h的州际公路上，平均而言驾驶员超过限速的10.88 km/h时才感觉到危险，超速约12%;根据我国《道路交通安全法》规定，时速超过限定时速不到10%的，给予警告。因此，为了安全考虑，对车速小于100 km/h的城市桥梁，可以认为速度错觉在10%以内为安全。

用SPSS19.0对数据进行多因素方差分析，检验不同因素—环境亮度(白天/夜间)和交通景观(改善前/改善后)对不同标准速度下的SSES的相关性以及效果是否相同，得出表7。

表7 多因素方差分析—主体间效应检验

通过对主体间效应的检验发现:

(1)在只考虑环境亮度(白天/夜间)的因素下，不同的物理速度对应的SSES的显著性并不一致，环境亮度(白天/夜间)只对物理速度为50 km/h和物理速度为60 km/h时对应的SSES有显著影响，而对物理速度为70～90 km/h时对应的SSES并没有显著影响，这表明，无论是环境亮度因素为白天或是夜间，随着物理速度的增加，高估或低估越显著;

(2)在只考虑交通景观(改善前/改善后)因素下，不同的物理速度对应的SSES的显著性一致，即交通景观(改善前/改善后)对物理速度为50～90 km/h对应的SSES有显著影响，这表明交通景观因素对驾驶员的感知速度有极显著影响。

3.2 负效应分析

人的认知敏感因素为色彩、位置、大小，根据驾驶员眼动特征分析，交通量较小条件下，驾驶员注视80%以上集中于前方道路路面，改善后的城市跨江桥梁路面仅增加了中频横向视错觉标线，尺度小，且为间断线，增加视觉负荷较小;驾驶员注视点会有10%以下落在路侧景观上，而改善后的城市跨江桥梁路侧主要增加了2种色彩红/白或黄/黑或蓝/白色调的小尺度控速标线，一般不超过3种色彩，主要是起到调节速度知觉的效果;如果交通量较大，特别是跟车条件下，段冀阳［15］研究表明，驾驶员会更加注意前方车辆，控速标线作用效果显著降低。因此总体而言，本方法增加驾驶员视觉负荷有限。

4 结论

(1)提出利用桥梁路面、路侧缘石、栏杆、灯柱等，构建城市跨江桥梁多频多色彩交通景观设置新方法。

(2)多频信息:路缘石下缘及顶部设置路侧立面标线为高频信息，灯柱下缘立面标线、路面横向视错觉标线、路面突起路标为中频信息，路面横向白色折线、路侧栏杆为低频信息。

(3)多色彩信息:路侧信息以黄色和蓝色为主色，黑色和白色为对应的辅助色，其中栏杆为黄色或蓝色，120～150 m变换。

(4)本方法有效降低白天/夜间城市桥梁速度错觉程度，变速度低估为速度高估，有利于控制驾驶员在高速行驶条件下的无意识加速，同时提升速度估计准确率，是一种低成本的改善方法，达到城市跨江桥梁景观协调与安全的统一。适用于限速为60～80 km/h的城市跨江桥梁，对城市跨江桥梁交通安全设施是一种有益的补充。

今后研究尚需针对纵向高频设计形式对驾驶员速度感知的影响以及驾驶员的视认反应时间进行进一步研究。

［1］刘兵.基于驾驶员视知觉的车速控制和车道保持机理研究［D］.武汉:武汉理工大学，2008.

［2］陈宽民，王玉萍.城市道路交通事故分布特点及预防对策［J］.交通运输工程学报，2003，3(l):84-87.

［3］马明.基于多元统计方法的城市道路交通事故分析研究［D］.武汉:武汉理工大学，2010.

［4］黄冰娥，彭春露，陆键.长江三角洲区域大型公路桥梁交通事故特征分析及安全对策［J］.公路，2012，(4):160-163.

［5］贾秉玺.基于视觉特性的城市道路景观设计［D］.北京:北京林业大学，2010.

［6］樊兴华，刘超群.城市桥梁色彩设计浅析［J］.低温建筑技术，2013，(7):38-39

［7］赵炜华，刘浩学，董宪元，等.昼间颜色对行驶中驾驶人距离判识的影响［J］.长安大学学报(自然科学版)，2009，29(5):90-94

［8］李都厚，刘浩学，赵炜华.黄昏时段颜色对驾驶人空间判识距离的影响规律［J］.长安大学学报(自然科学版)，2010，30(1):71-75.

［9］Buchner A，BranddtM，Bell R，et al.Car backlight position and fog density bias observer-car distance estimates and time-to-collision judgments［J］.Human Factors:The Journal of the Human Factors and Ergonomics Society，2006，48(2):300-317.

［10］程国柱，胡立伟，韩娟.高速公路驾驶员昼夜感知速度变化规律［J］.东南大学学报(自然科学版)，2012，42(3):547-550.

［11］GB 5768-2009，道路交通标志和标线［S］.

［13］CJJ45-2006，城市道路照明设计标准［S］.

［14］Mannering F.An empirical analysis of driver perceptions of the relationship between speed limitsand safety［J］.Transportation Research Part F:Traffic Psychology and Behaviour，2009，12(2):99-106.

［15］段冀阳.驾驶员的跟驰风险错觉与无意识行为模仿［D］.北京:清华大学，2012.

The Traffic Landscape Improvement Method of Urban Cross-river Bridge Based on Speed Illusion

ZHENG Zhan-ji1，DU Zhi-gang1，FENGChao2
(1.School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China; 2.Hubei Forestry Survey and Design Institute，Wuhan 430070，China)

A new landscape improvement method with multi frequency and multi-color，using the bridge pavement，marking railings and light poles，was presented to improve the driver’s speed perception based on the edge rate，multi-color effect and multi-frequency effecton the speed illusion.The psychological experiment was carried out through the use of limit method and two-alternative forced choice(2AFC)method by 3Dsmax simulation software.The experimental results showed that using themulti-frequency and multi-color improvementmethod in the speed range from 50 km/h to 90 km/h，the speed underestimate of 10.83±2.74%could be changed into the speed overestimate of 9.16±2.78%in the daytime，and the speed underestimate of 12.09±2.02%could be changed into the overestimate of 13.80±1.67%at night;speed overestimate would increase with the speed increase of the standard video.The multi-frequency and multi-color improvement methods in urban cross-river bridges could properly change the speed underestimate into speed overestimate，and achieve the harmony between traffic safety and traffic landscape.

traffic landscape;speed illusion;multi-frequency;multi-color;urban cross-river bridges

U412.37，U491.2+5

A

2095-0985(2015)02-0084-07

2014-12-09

2015-04-09

郑展骥(1990-)，男，浙江瑞安人，硕士研究生，研究方向为道路交通安全(Email:527009079@qq.com)

杜志刚(1977-)，男，湖北武汉人，副教授，博士，研究方向为道路交通安全与交通规划(Email:zhig_du7@163.com)

国家自然科学基金(51008241)