基于驾驶员瞳孔面积变化率的公路视错觉减速标线横向宽度研究

尚 婷，唐伯明，段萌萌

(1.重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074；2. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

基于驾驶员瞳孔面积变化率的公路视错觉减速标线横向宽度研究

尚 婷1，唐伯明2，段萌萌2

(1.重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074；2. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

为研究公路视错觉减速标线的横向宽度对驾驶人瞳孔变化的影响，以梳齿形减速标线为例，横向宽度选择20～50 cm，通过对15名驾驶人进行室内仿真试验，采用瞳孔面积变化率作为评价公路视错觉减速标线的横向宽度安全舒适性的指标，建立了两者的回归模型。结果表明：运行速度为80 km/h的路段，随着标线横向宽度增大，驾驶人紧张程度愈加严重，瞳孔面积变化率绝对值越大。以瞳孔面积变化率20%作为表征驾驶人驾驶紧张程度和安全舒适性的阈值，将其代入逻辑回归模型进行计算，得出减速标线横向宽度以44 cm为宜。在此条件下，以40～120 km/h的速度行驶进行第2组试验，随着运行速度增加，驾驶员视野变窄且视力下降，此时驾驶人的紧张感变强，瞳孔面积变化率增大。

交通运输工程；瞳孔面积变化率；视错觉减速标线；横向宽度

0 引 言

在交通事故高发的今天，超速是最主要的致因之一。研究表明：车祸致伤机率与车速平方成正比，死亡几率与车速四次方成正比[1]。因此，车速快慢对交通事故严重程度有直接的影响。目前广泛应用的强制性减速带能够有效降低车速，但存在车辆机件磨损、行车舒适性差、噪音污染严重、后期养护不便等缺陷；而视错觉减速标线则能弥补上述不足。视错觉减速标线是利用视错觉原理设置的一种标线，即通过人视错觉及心理上的自然反应提示驾驶员在道路危险地点前主动采取减速措施，以保障行车安全。

从20世纪80年代开始，国外的学者就对视错觉减速标线展开了研究。E．CASTET等[2]进行的模拟实验表明：运动线段的速度感知与线段的角度有关，垂直线段和倾斜线段的速度感知不同。D．B．ABDOULAYE[3]在美国Bellevue、Silver Lake和Meriden等路段施划视错觉减速标线，5个月后进行减速效果对比试验，通过t-test、F-test、Z-test等统计学方法分别对平均车速、方差和车辆超速比例进行分析得知，Bellevue没有减速效果甚至85%位车速还增加了0.2%，Meriden降速8.2%，其85%位车速同Silver Lake一样降速明显，达到8.9%。美国联邦公路局[4]在爱荷华州Roland进行的研究显示，县道E-18在试验前平均车速为40 km/h，椽形减速标线施划1,3,9,12个月之后的车速数据表明：85%位车速降低了6 km/h。由文献[5]可知：实验路段位于苏格兰中洛锡安郡的Newbridge roundabou交叉路口，分别对标线施划之前的3周和之后的3周进行了前后速度数据的统计和分析，结果显示减速效果明显，分别在85%位车速和平均速度降低了30%和23%。

目前国内对于视错觉减速标线的研究起步较晚。以视错觉减速标线中典型的梳齿形减速标线为例(图1)，其横向宽度会使驾驶员产生车道变窄的错觉，从而引发紧张情绪而采取减速措施。现有的规范没有明确规定该参数的取值，研究中[6-11]大多是根据JTG B01—2003《公路工程技术标准》对行车道宽度和设计车辆外廓尺寸的规定，确定单个减速标线的横向宽度。这种方式很难准确地分析对驾驶员的影响。因此，笔者选取梳齿形减速标线为对象，通过虚拟仿真试验，采用眼动仪对驾驶员眼动特征进行测量，建立表征驾驶员心理紧张的生理量化指标，探求驾驶员心理、生理反应与驾驶行为的关系。以优化视错觉减速标线横向宽度设计参数，提升其应用效果。

1 驾驶员紧张情绪与瞳孔面积变化

驾驶人在行车过程中需要及时感知各种交通信息，在各种感觉器官中，视觉占80%，视觉系统是获取外界信息的最重要通道[12-14]。瞳孔变化与光线强弱及物体距离远近有关之外，还与知觉、记忆、思维、语言加工、动机、情绪等诸多高级心理活动相联系[15]，瞳孔的放大往往意味着认知活动中更大的加工负荷或心理努力。瞳孔的大小及反应受交感神经与副交感神经支配，此两种神经相互协调、相互作用，以控制瞳孔的变化。当机体处于紧张活动状态时，交感神经活动起着主要作用，能够使心搏加强和加速、瞳孔散大、疲乏的肌肉工作能力增加等。反之，在身体放松时副交感神经处于积极状态，起到减慢心跳、瞳孔缩小、降低血压的作用[16-18]。因此，瞳孔的变化能反映驾驶人在驾驶过程中遇到的不安或舒适的心理、生理状态。由于瞳孔大小存在个体差异，而瞳孔面积变化率更能客观地反映驾驶人驾车状态，且对试验环境要求不高。因此，笔者选择该指标作为驾驶人紧张程度的评价指标，分析视错觉减速标线路段驾驶人瞳孔面积变化率是否与标线横向宽度具有相关性，并试图解析其机理。

2 试验方案设计

为降低交通环境对驾驶员的影响，减少实际道路试验的工作量，运用3D-MAX软件进行建模和渲染，制作车道宽度为3.75 m，全长为500 m的多个仿真直线路段视频。第1组试验以80 km/h速度行驶，视线高度为1.5 m，再将中间300 m路段添加不同横向宽度的梳齿形减速标线。利用Dikablis Professtional Glasses眼镜式眼动仪(数据采集频率为60 Hz，眼部摄像头分辨率为648×488 pixels，场景摄像头角度为40～90°)，实施采集受试者在人机试验室观看视频资料时瞳孔面积变化数据；根据第一组试验的结果，选择最佳的横向标线宽度，以40～120 km/h速度行驶进行第2组试验。

梳齿形视错觉减速标线施划在行车道两侧，呈对称分布，其参数包括横向宽度w、标线线宽h以及相邻标线间距L(图2)。其横向宽度的确定，除了以驾驶员产生车道变窄的错觉从而引发紧张情绪而采取减速措施为目的，还要综合考虑减少车辆碾压频率、保证恶劣天气下的行车安全、便于施工和养护等因素。根据已有研究成果[2-5]，确定单个梳齿形减速标线的横向宽度分别取值20～50 cm，h=30 cm，L=5.5 m。

考虑到个体差异的不同，挑选不同年龄、不同驾龄、不同性别的15 名驾驶员为试验对象，试验驾驶人的信息见表1。试验前，告之各位驾驶试验所用仪器设备的基本知识，以消除驾驶员的紧张情绪。试验前一天晚上保证充足的睡眠，避免剧烈运动，避免吸烟和饮用酒、茶、咖啡等任何可能影响试验结果的食物和药物。

图2 梳齿形减速标线几何参数示意Fig.2 Geometric parameters of comb shaped optical illusion deceleration marking

测试之前进行初探性试验，检测仪器的有效性。视频的播放与眼镜式眼动仪记录同时开始。记录试验过程中特殊位置(视错觉标线起终点)和异常情况，为后阶段的数据处理提供便利。试验要求眼镜式眼动仪与手工记录的时间准确一致，以保证各种信息的数据同步。

3 试验结果分析

3.1 实验数据处理与分析

由于在视频制作过程中避免超车、变道等影响，因此，根据概率统计理论和一般常识排除一些异常数据。用眼动仪自带数据分析程序对试验原始数据进行直观的观察(鉴于篇幅所限，部分有代表性的数据见表2)，再利用SPSS软件对数据作进一步的分析。图3是以80 km/h运行速度、标线横向宽度分别为30，40，50 cm时的瞳孔面积变化率。

表1 室内模拟试验部分驾驶员基本信息

表2 部分试验样本数据

在自由流交通环境、线形和路面良好的条件下，驾驶人在进入公路梳齿形减速标线路段的过程中，当受到标线不同横向宽度的刺激时，其瞳孔面积会发生不同的变化。图3为驾驶人以80 km/h运行速度在自由流状态驶入公路视错觉减速标线时的瞳孔面积变化率情况。

当驾驶人在视频刚开始尚未施划梳齿形减速标线的路段时，除了有个别异常点是驾驶人暂时的不适应造成，瞳孔面积变化率保持在小范围内波动，基本保持稳定；在梳齿形标线接近段，驾驶人只能看到前方有白色横向标线，导致其无法获取前方道路的准确信息；当驾驶人驶入视错觉减速标线段，由于驾驶人在视觉上不能迅速适应，会误产生行车道变窄的错觉，这时驾驶人表现出紧张状态，瞳孔面积变化率波动明显；当驾驶人驶离梳齿形标线段后，紧张感逐渐消退，瞳孔面积变化趋于平静。在同样的线形和运行速度条件下，梳齿形减速标线横向宽度越大，这种适应问题就会越严重，驾驶人紧张程度愈加严重，瞳孔面积变化率绝对值越大，变化幅度甚至超过20%。

图3 不同标线横向宽度时的瞳孔面积变化率Fig.3 Changing rate of pupil area with different transverse widths of marking

根据上述分析，当公路两侧设置梳齿形减速标线时会造成驾驶人心理紧张，瞳孔面积变化率增大。

3.2 建立数学模型

3.2.1 标线横向宽度与瞳孔面积变化率的关系

通过对驾驶人在梳齿形减速标线的驾驶特征分析，瞳孔面积变化率的变化与标线的横向宽度可能存在不同程度的相关关系。为了排除驾驶员刚看到标线的暂时不适应情绪，以及驶离标线后非紧张反应，选择添加减速标线的中段作为代表性断面的样本数据，利用回归分析理论和方法[19-20]，建立标线横向宽度和瞳孔面积变化率的回归模型。

根据回归线得出标线横向宽度W与驾驶员瞳孔面积变化率U的回归模型为：

U=-0.004W2+0.794W-6.959

(1)

式(1)回归模型的拟合优度检验R2=0.674，回归模型对样本数据的代表程度较强，具有一定的统计学意义，可以用该回归模型描述标线横向宽度与驾驶员瞳孔面积变化之间的关系。

图4为标线横向宽度与瞳孔面积变化率的关系。根据图4可知：当驾驶员以80 km/h的速度进入梳齿形标线路段时，标线的横向宽度越大，驾驶人更易产生车道变窄的错觉，这时驾驶人的紧张感变强，瞳孔面积变化率增大。这与“人在紧张时瞳孔会扩大，疲劳时会缩小”的理论基础相一致。因此，标线横向宽度与瞳孔面积变化率成二次线形关系。模型适用范围：W∈[20，50]。

图4 标线横向宽度与瞳孔面积变化率的关系Fig.4 Relationship between transverse widths of marking and changing rate of pupil area

根据驾驶人在梳齿形标线段瞳孔面积变化率关系，以瞳孔面积变化率20%作为表征驾驶人驾驶紧张程度和安全舒适性的阈值[21]，并将其代入式(1)中，当运行速度为80 km/h，可计算得到标线横向宽度为43.46 cm时，在达到减速效果最佳的同时保障驾驶安全性。为了便于施工，建议取值为44 cm。

3.2.2 运行速度与瞳孔面积变化率的关系

根据上述第1组试验得出的减速标线横向宽度建议值，选择44 cm作为最佳横向标线宽度，分别以40～120 km/h的速度行驶进行第2组试验。为了保证试验的一致性，选择同样的视频场景作为试验样本，试探寻在不同速度下驾驶员的瞳孔面积变化规律(试验数据如表3)，并利用回归分析理论和方法，建立运行速度与瞳孔面积变化率的回归模型。

根据回归线得出运行速度V与驾驶员瞳孔面积变化率U的回归模型为：

U=-0.001V2+0.286V-1.851

(2)

式(2)回归模型的拟合优度检验R2=0.641，回归模型对样本数据的代表程度较强，表明两者具有较好的正相关关系。图5为运行速度与瞳孔面积变化率的关系，根据图5可知，当标线横向宽度为44 cm时，由于运行速度增加，驾驶员视野变窄且视力下降，会更多注视路面标线。此时驾驶人的紧张感变强，瞳孔面积变化率增大。因此，运行速度与瞳孔面积变化率成线形关系。

表3 部分试验样本数据

图5 运行速度与瞳孔面积变化率的关系Fig.5 Relationship between vehicle speed and changing rate of pupil area

4 结 论

笔者从医学、心生理学、工学交叉学科的角度，在测定梳齿形减速标线宽度和驾驶员生理指标及相关数据分析的基础上，得到主要结论如下：

1)当驾驶人在进入施划有梳齿形减速标线路段时，瞳孔面积变化率与标线横向宽度和车速之间呈逻辑关系，建立了驾驶人瞳孔面积变化率与标线宽度以及车速之间的定量关系模型。

2)利用研究得到的量化模型，当运行速度为80 km/h时，确定瞳孔面积变化率20%为自由流条件下减速标线平直路段驾驶员心理紧张的安全阈值，对应的减速标线横向宽度为43.46 cm。

3)笔者仅局限于80 km/h的行驶速度下的标线宽度进行研究，以及对应的最佳横向宽度在不同速度下的瞳孔面积变化规律，但两者均存在局限性。对于其他设计速度或限速条件下的标线宽度及其在不同速度下的瞳孔面积变化率，有待采用同样的理论和方法进行试验验证。

4)试验选取了梳齿形减速标线横向宽度进行分析，对于标线的颜色、角度、间距等值有待进一步研究。室内试验存在一定局限性，应在今后研究中增加室外对比试验。此外，视错觉减速标线的类别很多(如椽形减速标线、龙牙减速标线、3D视觉立体减速标线等)，笔者仅针对梳齿形减速标线展开，未来应将其他种类的视错觉减速标线纳入研究范围。

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Transverse Widths of Highway Optical Illusion Deceleration MarkingBased on Changing Rate of Drivers’ Pupil Area

SHANG Ting1, TANG Boming2, DUAN Mengmeng2

(1. School of Traffic & Transportation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,P.R.China; 2. College of Civil Engineering , Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,P.R.China)

Aiming at researching the effect of optical illusion deceleration marking transverse widths on the change of pupil of drivers, the case of comb-shaped deceleration marking was taken as an example and 15 drivers were chosen out for the indoor simulation test, which selected the transverse width was from 20 cm to 50 cm. The changing rate of pupil area was selected as the evaluation index to evaluate the driving safety and comfort of the transverse width of highway optical illusion deceleration marking and the regression models of both were established. The results show that as the transverse widths of marking increase, the drivers feel more nervous and the absolute value of pupil change rate is larger at the section of the road with the speed limit of 80 km/h. The changing rate of pupil area (20%) is used as the threshold to describe divers’ driving tension degree, safety and comfort. The changing rate of pupil area is put in the logistic regression model for calculation and the transverse width of appropriate deceleration marking is 44 cm. Based on the above condition, the second test was carried out with the driving speed from 40 km/h to 120 km/h. And the results indicate that as the driving speed increases, the driver’s visual field is narrowed and the visual acuity is decreased, therefore, the tension of the driver is stronger and the change of pupil area is increased.

traffic and transportation engineering; changing rate of pupil area; optical illusion deceleration marking; transverse widths

2014-06-11；

2014-11-28

国家自然科学基金项目(51278514)；重庆市教育委员会基金项目(KJ130419)

尚 婷(1983—)，女，重庆人，讲师，博士研究生，主要从事道路交通安全方面的研究。E-mail：335304854@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.22

U417.9

A

1674-0696(2016)01-111-06