凹形竖曲线下坡路段坡度错觉形成机理及整治措施研究

齐高元 张 龙

（1中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430000；2中交二航局第四工程有限公司，芜湖 241000）

1 坡度错觉分析的概念和意义

视觉是人重要的感知器官之一，在人的日常生活中起着相当重要的作用。在汽车行驶方面尤显突出，有研究表明，视觉为驾驶人提供的交通信息量达到驾驶人所获取交通量的80%[1]。视觉对汽车安全行驶起着重要的作用。但由于驾驶人在行车过程中受到自身心理、生理以及周围环境如道路线形、路侧环境等的影响，驾驶人的视觉感知受到干扰。据统计，在交通事故中由于视错觉引起的事故占36.8%[2]。分析视错觉路段的成因对道路的安全有着至关重要的作用。

坡度错觉是道路线形与路域环境引起错觉的一种，汽车在坡道上行驶，尤其是坡度发生变化的坡道，驾驶员常常产生坡度错觉。比如行驶在凹形竖曲线下坡路段，当驾驶员行驶到坡度变缓的路段时，由于路侧景物与路面倾斜度降低所造成的影响，驾驶员会觉得下坡已完，开始上坡了，错误的判断会给驾驶员心里带来紧张与恐慌，甚至引发交通事故。

2 坡度错觉的形成机理

驾驶人在道路上行驶，观察的是三维立体线形，随着BIM技术的出现，道路三维立体设计成为可能。设计人员在道路设计阶段，通过三维立体设计考虑驾驶人对道路视觉的要求，以驾驶人的角度设计出满足视觉要求的线形。具体是通过三维动画仿真模拟驾驶人的行车环境，以驾驶人的视角探讨道路线形的优良。和道路透视图相比，三维动画仿真是连续的视觉变化，且可以模拟沿线道路地形、地物。弥补了道路透视图的短板。因此，三维动画仿真时视觉分析的较好方法。

坡度错觉的产生除与驾驶人的心理生理有关外，还和道路线性有关。在道路设计中，虽然线形设计满足要求，但是因未考虑安全因素和视觉效果的影响，不合理的线形组合给道路埋下安全隐患。因此，探讨道路线形引起的坡度错觉形成机理可以从根本上消除坡度错觉的存在，同时为已建道路的坡度错觉的整治措施指明方向。有研究表明，坡度错觉除与驾驶人的生理心理因素有关外，主要与道路的坡度、坡差等因素有关。

不同坡差的凹形竖曲线下坡路段

实验设了几种坡差分别代表了不同的坡差范围，以0.5%为一个梯度，将坡差划分为七个范围进行分析，竖曲线半径 3200m。从三维仿真来看，在凹形竖曲线下坡路段，坡差越大，后坡翘起的越明显。当路段前后坡差大于2.0%时，驾驶员行驶在该路段上就有可能产生坡度错觉，当前后坡差超过2.5%时，坡度错觉更为明显。

3 坡度错觉的整治措施

3.1 倾斜护栏

前文提及在视觉层面上分析，凹形竖曲线路段的坡度错觉产生的原因是驾驶人长时间在同一个坡度上行驶，驾驶人对坡度的感知减弱，甚至忽视了坡度的存在，导致了对于后坡的感知相应的出现倾斜，下坡路段看成上坡。对于此类坡度错觉的整治措施，一是通过矫正驾驶人对前坡坡度的感知，表现在视觉效果图上就是抬高前坡坡度。倾斜护栏的设置原理是利用驾驶人的长期经验形成的对外界事物的感知来矫正驾驶人的坡度错觉。具体来说，驾驶人的长期经验对于护栏布置的认识是竖直向下的，当发现一个倾斜布置的护栏时，受长期经验的影响，驾驶人潜意识的会将视角进行一个旋转，在这个过程中，护栏将是驾驶人的参考系，驾驶人对外界的认知也相应的发生的旋转。

当想增大驾驶人感知到的坡度的时候，只需给驾驶人一个小于90°的倾斜护栏。如下图，但若倾斜过大，驾驶人一眼就能分辨出是倾斜的护栏，护栏的设置将起不到矫正坡度错觉的作用。倾斜多少度才能让驾驶人感知到坡度，下文我们将对倾斜的度数做定量的分析。

如下图所示前坡坡度为5%的道路，其与水平线的夹角大约为3°，本实验将以5°为一个标准，护栏与竖直方向倾斜角度分别为5°、10°、15°、20°、25°、30°的情况进行三维仿真，探讨护栏倾斜的合理性。在对凹形竖曲线下坡方向的护栏倾斜度的合理性探讨时，同时会考虑对上坡方向的影响。

不同倾斜度护栏的设置

分别对护栏不同倾斜度的三维仿真模拟后，发现随着护栏倾斜度的增大，凹形竖曲线前坡坡度在慢慢的变大。护栏倾斜度在0°～10°时，坡度错觉仍然存在，但前坡坡度已经在增大，后坡翘曲度在减弱。当倾斜度达到15°时，坡度错觉基本消失。当护栏倾斜度在15°～30°时，前坡坡度在显著增大，前后坡度差进一步加大。

3.2 道路加宽

三维仿真模仿驾驶人的视觉环境，其原理是透视图在道路上的应用。在透视图中，一条线的长度是和其在透视图的位置有关的。在仿真中，道路的宽度亦是如此。由远及近，道路宽度越来越宽。这是透视图的特性。所以对于道路加宽的设置，不同路幅宽度，驾驶人的试点，道路的前后坡度对其都有影响。全部探讨工作量大，且意义不大。笔者在此通过对一种情况的道路加宽进行分析，给出道路加宽的设置方法。分析道路加宽对于凹形书竖曲线下坡路段坡度错觉矫正的效果。

实验设置：选取的凹形竖曲线下坡路段为平面线形为直线，纵面线前后坡度差4%（前坡-5%，后坡-1%），路幅宽度7.5m，视点桩号为K，视高为1.5m,距道路中心1.2m。

道路加宽采用线形渐变的形式，加宽值分别为0cm、30cm、60cm、90cm。左右两侧对称加宽。加宽范围为竖曲线路段。渐变形式如下图所示。渐变段长度以实验中视觉效果图中路侧线的顺式变化来调整。

道路加宽形式

凹形竖曲线下坡路段加宽值的影响

通过对路线的三维仿真得到的视觉效果图分析，道路加宽可以矫正凹形竖曲线段的坡度错觉。随着加宽值的增大，坡度错觉的影响越来越小。当加宽值为30cm时，坡度错觉减弱，但仍有坡度错觉的存在。当加宽值大于60cm时。坡度错觉基本不存在，在视觉上道路为连续下坡路段。

3 结束语

1.坡差是坡度错觉产生的原因之一，对于不同的路段，引起坡度错觉的坡差也是不同的。凹形竖曲线上坡路段前后坡差大于3.5%时，驾驶人产生坡度错觉；凹形竖曲线下坡路段前后坡差大于2.5%时，驾驶人产生坡度错觉；凸形竖曲线上坡路段前后坡差大于3%时，驾驶人产生坡度错觉；凸形竖曲线下坡路段驾驶人不会产生坡度错觉，只是不同的坡度差，驾驶人的视距不同。

2.凹形竖曲线下坡路段的坡度错觉可以通过设置倾斜护栏和道路加宽的方式进行矫正。倾斜护栏对坡度错觉的矫正，经过仿真发现，当倾斜护栏的倾斜角度为15°～25°间时，倾斜护栏对凹形竖曲线下坡向坡度错觉的矫正显著，且对上坡向的影响较小。对于道路加宽对坡度错觉的矫正，通过分析道路宽度为7.5m的公路，发现当道路加宽为60cm时，即矫正了坡度错觉，渐变段长度也在合理的范围内。