特大公路橋梁催眠效應改善方法及評價*

楊理波 杜志剛 許 可 廖鴻斌 徐夢清 陳宇軒

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

特大公路橋梁催眠效應改善方法及評價*

楊理波 杜志剛 許 可 廖鴻斌 徐夢清 陳宇軒

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

特大公路橋梁道路環境單一，視覺參照物少，駕駛員對速度突變不敏感，易誘發公路“催眠”效應，導致交通事故發生的特點.利用駕駛員對韻律型信息的偏好，設計具有多節拍、多色彩的韻律型信息視覺環境緩解公路“催眠”效應.利用3ds max仿真軟件制作行車仿真模型，以速度突變判斷準確率和反應時間為評價指標，利用E-prime軟件進行車速感知心理物理實驗.實驗結果顯示，速度突變判斷準確率由改善前的33.46%提高到改善后的65.09%；在改善前，反應時間隨著行車時間的增加而顯著增加，改善后反應時間隨行車時間增加雖有所增加，但兩者關系不顯著，且反應時間相比于改善前降低20.81%，能有效緩解公路“催眠”效應.

特大公路橋梁；“催眠”效應；反應時間；判斷準確率；韻律型信息

0 引 言

眾多資料顯示，從心理學上的角度來說，人類需要適當的外界刺激才能維持大腦活動在較高的水平上，當駕駛員在單調環境下及長直線段行車時，駕駛員的視野開闊，視覺環境單一，缺乏復雜路況信息,以及強有力的視覺沖擊，同時交通干擾度少，行車速度穩定，行車中的噪聲和振動頻率小，使駕駛員處于一種近似安靜的狀態，長時間在這種環境中行駛，駕駛員大腦接受的刺激少，會導致駕駛員放松警惕，績效低下，容易出現反應遲鈍、知覺減弱、意識水平下降的現象，使駕駛員產生心理上的疲勞，呈現“昏昏欲睡”的狀態，產生公路“催眠”效應[1-3].特大公路橋梁(>3 000 m)是一種以具有平面直線長，平曲線半徑大，縱坡平緩，景觀單一等特點的特殊線形結構，為一種低信息攝入路段，其相對于普通景觀單一的高速公路來說，更容易導致駕駛員產生“催眠”效應.

Unal等[4]研究表明，駕駛員長時間在單調的駕駛環境中行駛會產生被動疲勞現象，在單調的環境中方向盤轉角、頻數隨駕駛時間變化較大，從而影響駕駛安全.謝曉莉等[5]研究表明，在單一的道路環境中，道路交通環境的不定性會很快降低，駕駛員會呈現出疲勞駕駛的狀況.黃永娥等[6]在對橋梁交通事故進行調查時發現，由于駕駛員駕駛速度過快、不能及時采取剎車等措施而導致的追尾、撞擊安全護欄事故在橋梁交通事故中十分突出，分別占其交通事故總數的37.77%，30.4%.同時，就其事故發生的時間段來看，14：00—16:00發生的事故最多，這一時間段駕駛員最易疲勞，注意力不集中、疲勞駕駛是造成這一時間段交通事故的主要原因.因此，有必要針對特大公路橋梁低信息攝入路段的景觀進行橋梁交通景觀改善設計.

橋梁交通景觀是指駕駛員視野中橋梁路面與附屬設施在頭腦中形成的綜合印象.賈秉璽[7]指出道路景觀的設計必須滿足駕駛員在不同速度下的視覺特性,以及要綜合考慮多層次的道路視覺環境.目前現有特大公路橋梁景觀設計與研究基本停留在美學層面，側重于考慮橋梁的整體構造與橋梁周邊環境更好的融合.因此很有必要根據事故形態(追尾、撞側墻)及事故原因(超速)，通過提升駕駛員對橋梁護欄、前方車輛的識別能力，減弱視覺疲勞的影響，緩解公路“催眠”效應，以達到特大公路橋梁景觀協調與安全的統一.

1 改善原理與方法

1.1 改善原理

曹珺[8]研究表明，在單一的道路環境中，駕駛員視野與車速成反比，很容易形成視覺隧道，在道路兩側合理運用節奏和韻律的空間序列可以緩解駕駛員的視覺疲勞.

音樂能誘發人體產生出深層的情緒或類似情緒的主觀體驗.喚醒理論認為，音樂可以使駕駛員處于最佳喚醒水平，有利于駕駛警覺的維持.Brosky等[9]研究表明，音樂復雜性越高，情緒喚醒性越強，占用的注意資源也越多，駕駛活動受到的干擾越強.音樂本身給駕駛員在駕駛中帶來樂趣的同時也威脅著駕駛安全.孟爽等[10]研究表明，在隧道內高頻視覺信息(2～32 Hz)會使駕駛員顯著高估車速，中頻視覺信息(0.4～1 Hz)和低頻視覺信息(0.1～0.2 Hz)會使駕駛員顯著低估車速，通過合理設置多頻率視覺信息可以保障隧道內行車安全.

色彩對于人心理所產生的物理的、感情的和意象的影響，對于道路交通景觀設計色彩的選擇具有重要的參考價值.駕駛員在觀察事物時，首先引起視覺反應的是色彩，隨著時間的延續，駕駛員對事物形狀的關注比例不斷提高，在行車中，駕駛員對道路的觀察時間很短，色彩對于注意力的影響巨大[11].麻愛美[12]研究表明，色彩具有使人時間感發生混淆的影響，其中暖色調(紅色)的時間感比冷色調(藍色)慢.王岱瑩[13]研究表明，冷暖色可能通過影響個體的心理距離從而影響個體的

行為選擇與決策，其中冷色會使人心理距離感知遠，暖色使人心理距離感知近.鄭展驥等[14]研究表明，在城市跨江橋梁中，通過采用多頻多色彩的交通景觀改善方法，能夠使城市橋梁上由改善前的速度低估變為改善后的速度高估，有助于提高行駛安全.

根據上述改善原理，改善方法充分利用韻律性和節拍性能夠增加人節奏感，產生韻律的心理波動的特點，構建具有多節拍多色彩信息的視覺環境.其設計方法具體說明見表1.

表1 特大公路橋梁“催眠”效應改善設計方法說明

1.2 設計方法

特大公路橋梁交通景觀改善方法主要是在橋梁護欄和應急車道設置韻律型信息，行車道路面設置路面音符標線，應急車道路面中的平面韻律型信息標線中間設置橫向速度提示標線；改善方法中的多色彩組合主要以綠色和橙紅色、藍色和橙黃色、紫色和橙色3種組合為主，白色為輔助色，采用這種以護欄冷色為主，韻律型信息暖色為主的多色彩搭配方法，通過暖色使人的心理距離近的特點，駕駛員對使護欄上的韻律型信息的心理距離感知近，從而韻律型信息對于駕駛員的視覺刺激作用更強，護欄采用冷色，則可以給與駕駛員一種輕松愉悅的總體視覺環境，緩解暖色調的使用對駕駛員造成的視覺壓迫感.參考文獻[15]相關設計標準，具體設計見表2、圖1～2.

表2 特大公路橋梁交通景觀改善設計表

注:設計參數根據限速80 km/h的特大公路橋梁進行案例設計；設計單元、、?長度均為600 m，一個設計單元內行車方向右側平面韻律型信息標線和路側韻律型信息交替設置，其中護欄路側韻律型信息6道，每個節拍出現2次，平面韻律型信息標線6道；左側護欄路側韻律型信息與右側護欄的路側韻律型信息相一致；a為橋梁護欄的高度，b為應急車道的寬度；①為橫向速度速度提示標線設置在平面韻律型信息標線中間，間隔6.25 m設置7道橫向速度提示標線，標線高度為0～0.9bm；②為路面音符在整個設計單元內設置，路面音符標線位于行車道中間，間隔25 m，標線尺寸為2.5 m×2.5 m，位置與韻律型信息的波峰波谷對齊；路側韻律型信息的材質采用高強級反光膜，平面韻律型信息標線的材質采用全天候反光膜.

圖1 護欄側面圖

圖2 俯視圖

2 實驗設計與數據采集

2.1 實驗原理

Dinges[16]研究指出，疲勞效應會影響駕駛員的短時記憶，增加駕駛員的反應時間，在高速行駛的情況下容易導致事故的發生.李都厚等[17]研究中指出，疲勞駕駛會影響到駕駛員的感知、知覺和判斷等方諸方面，會導致駕駛員注意力不集中，出現精神恍惚或瞬間記憶消失，使其速度感知和判斷下降.根據現有研究內容對于疲勞效應評價方法的研究，實驗設計方法中主要采用速度突變判斷準確率和反應時間兩個指標度量駕駛員在特大公路橋梁中長時間行車所引起的公路“催眠”效應的程度.

由于在特大公路橋梁實際行車環境中進行大量行車試驗具有極高的危險性，在進行具體改善方案施工時受諸多因素影響，操作難度大.因此文中利用3ds Max構建改善后特大公路橋梁行車模型，通過心理學軟件E-prime對實驗進行設計及控制，采用心理物理實驗來度量改善方法對駕駛員速度突變判斷準確率和反應時間的影響.

2.2 實驗方法

實驗人數選取30人，根據我國駕駛人的男女性別比例約為7∶3，故選男性21人，女性9人；各參與實驗的人員均具有駕駛經驗，正常視力或矯正視力在1.0以上.

本實驗驗證方法中主要采用速度突變判斷準確率和反應時間2個指標度量駕駛員在特大公路橋梁中長時間行車所引起的公路“催眠”效應的程度.其中速度突變判斷準確率為被試者在特大公路橋梁中行駛一段時間后，速度在某個時間點Ti發生突變后10 s內準確判斷速度突變增大的人數；反應時間則為速度發生突變到作出準確判斷所需時間.本實驗采用的所有視頻統一為100 s時長，為了控制實驗誤差，實驗采用隨機雙盲實驗法，通過E-prime軟件實現控制.由圖3可知，t為反應時間，其中Ti為速度突變時間點，Ts為判斷出速度改變的時間.

t=Ts-Ti

(1)

Ti=10i,i=1，2，…，9

(2)

Ts∈(Ti,Ti+1)

(3)

圖3 實驗示意圖

2.3 實驗流程

特大公路橋梁中一般限速為80～100 km/h，因此根據特大公路橋梁中的限速范圍為80 km/h～100 km/h的速度變化范圍，實驗中以80 km/h為標準速度，速度突變值選取+10,+20 km/h，即速度由原來80 km/h突變為90 km/h和100 km/h.

具體實驗步驟如下.

1) 在駕駛模擬器內,借助計算機運行E-prime軟件，按下計算機上Q鍵開始視頻仿真實驗,駕駛模擬器上視頻開始播放.

2) 每個視頻開始播放前，為被試者提供5 s倒計時的準備時間.

3) 被試者視線要求平視路面前方，當發現行車速度發生變化時需在盡量短的時間(10 s以內)作出判斷，按下相應的反應鍵.

4) 單個視頻結束后，呈現一組1 min的觀賞性圖片以供被試者休息.

6) 每組場景的實驗完成后，暫停實驗，被試者休息3 min.

7) 正式實驗開始前，提供給被試者5～10 min的時間熟悉實驗過程.

8) 由E-prime軟件輸出數據，并計算和分析各組實驗的速度突變判斷準確率和反應時間.

2.4 精度檢驗

特大公路橋梁仿真模型實驗相對于實車試驗，存在一定的失真性，因此文中將真實場景與對比模型場景(均為特大公路橋梁普通路段)采用極限法進行模型的精度校核實驗，實驗場景見圖4.其中真實場景的行車速度為85 km/h(由行車過程儀表盤刻度確定)，對比模型場景的行車速度區間為(85±20) km/h(速度間隔為2.5 km/h)，利用極限法測定的仿真場景速度為86.5 km/h，模型誤差約為-1.76%，小于5%的誤差范圍，且根據單樣本T檢驗結果分析，P=0.073>0.05，可以認為仿真模型與真實場景差異不顯著，因此是有效的.

圖4 模型精度校核

項目場景速度/(km·h-1)誤差/%單個樣本統計量樣本數標準差單個樣本T檢驗(=0．05)Sig(雙側)95%置信區間下限上限真實場景模擬場景85．086．51．76202．6580．08384．82588．175

2.5 實驗模型設計

根據文獻[15]可知，當設計速度取80 km/h時，單車道寬度取3.50 m，應急車道取3.00 m，兩側護欄寬度取0.5 m，護欄高度取1.5 m，中央分隔帶護欄寬度取0.8 m，護欄高度取1.5 m的特大公路橋梁仿真場景.實驗場景見圖5.

圖5 實驗場景

3 實驗結果分析

速度突變判斷準確率見圖6，反應時間分布圖見圖7，改善前后反應時間與速度突變判斷準確率對比見表4.

圖6 速度突變判斷準確率

圖7 反應時間分布圖

項目速度突變點/s102030405060708090改善前速度增加10km/h反應時間/s5．107±1．4775．983±1．6936．017±1．8386．462±1．8746．865±1．9157．396±1．9627．593±1．5797．871±1．6017．914±1．934 速度突變判斷準確率/%43．6735．7130．9224．8317．4912．9410．079．677．87速度增加20km/h反應時間/s3．947±1．4384．175±1．6204．296±1．6034．511±1．7635．013±1．8455．483±2．0536．018±1．9376．122±1．9136．367±2．219 速度突變判斷準確率/%87．3972．8960．2150．4838．9132．7428．3921．7416．37改善后速度增加10km/h反應間/s4．138±1．4744．378±1．4914．517±1．5684．622±1．5934．703±1．7144．865±1．7894．991±1．8425．117±1．8545．163±1．935 速度突變判斷準確率/%73．6871．3568．1966．3364．6757．3349．6745．3343．67速度增加20km/h反應時間/s3．874±1．4113．941±1．4654．007±1．5474．369±1．6034．811±1．5485．011±1．6545．384±1．6635．509±1．7265．723±1．687 速度突變判斷準確率/%89．6786．6583．7679．5872．4463．6755．3750．5849．82

由圖6～7和表4可知：

1) 被試者速度突變判斷準確率由改善前的33.46%提高到改善后的65.09%，改善后反應時間降低20.81%；表明多節拍多色彩立體韻律型信息視覺環境有助于提高駕駛員的速度突變判斷準確率和降低駕駛員的反應時間；

2) 分別對改善前和改善后速度判斷準確的反應時間進行方差分析，結果表明，當速度突變10 km/h時，改善前場景中，被試者在各速度突變時間點上的反應時間有顯著差異(F(8，111)=2.094，p=0.0473<0.05)；改善后方案，被試者在各速度突變時間點上的反應時間沒有顯著差異(F(8，299)=1.494，p=0.168>0.05)；當速度突變20 km/h時，改善前場景中，被試者在各速度突變時間點上反應時間有顯著差異(F(8，225)=5.766，p<0.001)；改善后場景中被試者在各速度突變時間點上反應時間沒有顯著差異(F(8,361)=1.884，p=0.062>0.05).表明無論是速度突變10 m/h還是20 km/h時，在改善前場景中，被試者的反應時間隨著在特大公路橋梁中的行車時間的增加而顯著增加，存在視覺疲勞現象，被試者在改善后場景的反應時間與特大公路橋梁中的行車時間雖然也有所增加，但兩者不存在顯著關系；

3) 結合行駛速度為80 km/h，改善后的實驗場景適用于特大公路橋梁(>3 km)的行車環境，可以提高速度判斷突變判斷準確率以及降低反應時間，緩解公路“催眠”效應.

4 結 論

1) 被試者在環境單一的特大公路橋梁中行車會出現速度突變判斷準確率下降的視覺疲勞現象，改善后速度突變判斷準確率由改善前的33.46%提高到65.09%，表明多節拍多色彩立體韻律型信息視覺環境有助于提高駕駛員的速度突變判斷準確率，能有效緩解視覺疲勞現象.

2) 在改善前場景中，被試者的反應時間隨著行車時間的增加而顯著增加，存在視覺疲勞現象；在多節拍多色彩立體韻律型視覺環境中，反應時間與駕駛員的行車時間的增加而存在一定程度的增加，但兩者關系不顯著，且反應時間相比于改善前降低20.81%，能有效提高駕駛員的感知和知覺能力，提高駕駛員注意力，有效降低駕駛員的反應時間.

3) 本方法通過設置多節拍多色彩立體韻律型信息視覺環境，有助于提高駕駛員的節奏感和速度感，提高駕駛員速度突變判斷準確率和降低反應時間，減弱視覺疲勞現象，緩解公路“催眠”效應，達到特大公路橋梁景觀協調與安全的統一.適用于限速為80～100 km/h 的特大公路橋梁.

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Large-scale Highway Bridge Hypnotic Effect Improvement Method and Evaluation

YANG Libo DU Zhigang XU Ke LIAO Hongbin XU Mengqing CHEN Yuxuan

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Large-scale highway bridge has unglamorous surroundings and lacks visual reference, making drivers unconscious to the driving speed and thus easily leading to traffic accident because of the hypnotic effect of highway. Taking advantage of drivers’ preference for rhythm-based information, the study designs a new type of rhythm-based information which contains multiple beats and colors elements to reduce the hypnotic effect. A driving simulation model based on 3Ds Max is established, and an experiment of psychological speed perception based on E-prime software is also conducted by taking the accuracy rate of speed variation estimation and reaction time as the evaluation index. The result indicates that the accuracy rate of speed variation estimation could be improved from 33.46% to 65.09%. Before the improvement, the reaction time increases significantly with the increase of traveling time. On the contrary, after the improvement, the relationship between travel time and reaction time is not significant. After the improvement, the reaction time is reduced by 20.81% compared with that before the improvement, proving the design of the new type of rhythm-based information can release the road hypnotic effect.

large-scale bridge; hypnotic effect; reaction time; the accuracy of speed estimation; prosodic information

2016-10-15

*國家自然科學基金項目(51578433)、留學回國人員科研啟動基金項目(20151098)資助

U491.2+54

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.016

楊理波(1993—)：男，碩士生，主要研究領域為道路交通安全，交通規劃