杨理波 杜志刚 许 可 廖鸿斌 徐梦清 陈宇轩

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

特大公路桥梁催眠效应改善方法及评价*

杨理波 杜志刚 许 可 廖鸿斌 徐梦清 陈宇轩

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

特大公路桥梁道路环境单一，视觉参照物少，驾驶员对速度突变不敏感，易诱发公路“催眠”效应，导致交通事故发生的特点.利用驾驶员对韵律型信息的偏好，设计具有多节拍、多色彩的韵律型信息视觉环境缓解公路“催眠”效应.利用3ds max仿真软件制作行车仿真模型，以速度突变判断准确率和反应时间为评价指标，利用E-prime软件进行车速感知心理物理实验.实验结果显示，速度突变判断准确率由改善前的33.46%提高到改善后的65.09%；在改善前，反应时间随着行车时间的增加而显著增加，改善后反应时间随行车时间增加虽有所增加，但两者关系不显著，且反应时间相比于改善前降低20.81%，能有效缓解公路“催眠”效应.

特大公路桥梁；“催眠”效应；反应时间；判断准确率；韵律型信息

0 引 言

众多资料显示，从心理学上的角度来说，人类需要适当的外界刺激才能维持大脑活动在较高的水平上，当驾驶员在单调环境下及长直线段行车时，驾驶员的视野开阔，视觉环境单一，缺乏复杂路况信息,以及强有力的视觉冲击，同时交通干扰度少，行车速度稳定，行车中的噪声和振动频率小，使驾驶员处于一种近似安静的状态，长时间在这种环境中行驶，驾驶员大脑接受的刺激少，会导致驾驶员放松警惕，绩效低下，容易出现反应迟钝、知觉减弱、意识水平下降的现象，使驾驶员产生心理上的疲劳，呈现“昏昏欲睡”的状态，产生公路“催眠”效应[1-3].特大公路桥梁(>3 000 m)是一种以具有平面直线长，平曲线半径大，纵坡平缓，景观单一等特点的特殊线形结构，为一种低信息摄入路段，其相对于普通景观单一的高速公路来说，更容易导致驾驶员产生“催眠”效应.

Unal等[4]研究表明，驾驶员长时间在单调的驾驶环境中行驶会产生被动疲劳现象，在单调的环境中方向盘转角、频数随驾驶时间变化较大，从而影响驾驶安全.谢晓莉等[5]研究表明，在单一的道路环境中，道路交通环境的不定性会很快降低，驾驶员会呈现出疲劳驾驶的状况.黄永娥等[6]在对桥梁交通事故进行调查时发现，由于驾驶员驾驶速度过快、不能及时采取刹车等措施而导致的追尾、撞击安全护栏事故在桥梁交通事故中十分突出，分别占其交通事故总数的37.77%，30.4%.同时，就其事故发生的时间段来看，14：00—16:00发生的事故最多，这一时间段驾驶员最易疲劳，注意力不集中、疲劳驾驶是造成这一时间段交通事故的主要原因.因此，有必要针对特大公路桥梁低信息摄入路段的景观进行桥梁交通景观改善设计.

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[7]指出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.目前现有特大公路桥梁景观设计与研究基本停留在美学层面，侧重于考虑桥梁的整体构造与桥梁周边环境更好的融合.因此很有必要根据事故形态(追尾、撞侧墙)及事故原因(超速)，通过提升驾驶员对桥梁护栏、前方车辆的识别能力，减弱视觉疲劳的影响，缓解公路“催眠”效应，以达到特大公路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

曹珺[8]研究表明，在单一的道路环境中，驾驶员视野与车速成反比，很容易形成视觉隧道，在道路两侧合理运用节奏和韵律的空间序列可以缓解驾驶员的视觉疲劳.

音乐能诱发人体产生出深层的情绪或类似情绪的主观体验.唤醒理论认为，音乐可以使驾驶员处于最佳唤醒水平，有利于驾驶警觉的维持.Brosky等[9]研究表明，音乐复杂性越高，情绪唤醒性越强，占用的注意资源也越多，驾驶活动受到的干扰越强.音乐本身给驾驶员在驾驶中带来乐趣的同时也威胁着驾驶安全.孟爽等[10]研究表明，在隧道内高频视觉信息(2～32 Hz)会使驾驶员显著高估车速，中频视觉信息(0.4～1 Hz)和低频视觉信息(0.1～0.2 Hz)会使驾驶员显著低估车速，通过合理设置多频率视觉信息可以保障隧道内行车安全.

色彩对于人心理所产生的物理的、感情的和意象的影响，对于道路交通景观设计色彩的选择具有重要的参考价值.驾驶员在观察事物时，首先引起视觉反应的是色彩，随着时间的延续，驾驶员对事物形状的关注比例不断提高，在行车中，驾驶员对道路的观察时间很短，色彩对于注意力的影响巨大[11].麻爱美[12]研究表明，色彩具有使人时间感发生混淆的影响，其中暖色调(红色)的时间感比冷色调(蓝色)慢.王岱莹[13]研究表明，冷暖色可能通过影响个体的心理距离从而影响个体的

行为选择与决策，其中冷色会使人心理距离感知远，暖色使人心理距离感知近.郑展骥等[14]研究表明，在城市跨江桥梁中，通过采用多频多色彩的交通景观改善方法，能够使城市桥梁上由改善前的速度低估变为改善后的速度高估，有助于提高行驶安全.

根据上述改善原理，改善方法充分利用韵律性和节拍性能够增加人节奏感，产生韵律的心理波动的特点，构建具有多节拍多色彩信息的视觉环境.其设计方法具体说明见表1.

表1 特大公路桥梁“催眠”效应改善设计方法说明

1.2 设计方法

特大公路桥梁交通景观改善方法主要是在桥梁护栏和应急车道设置韵律型信息，行车道路面设置路面音符标线，应急车道路面中的平面韵律型信息标线中间设置横向速度提示标线；改善方法中的多色彩组合主要以绿色和橙红色、蓝色和橙黄色、紫色和橙色3种组合为主，白色为辅助色，采用这种以护栏冷色为主，韵律型信息暖色为主的多色彩搭配方法，通过暖色使人的心理距离近的特点，驾驶员对使护栏上的韵律型信息的心理距离感知近，从而韵律型信息对于驾驶员的视觉刺激作用更强，护栏采用冷色，则可以给与驾驶员一种轻松愉悦的总体视觉环境，缓解暖色调的使用对驾驶员造成的视觉压迫感.参考文献[15]相关设计标准，具体设计见表2、图1～2.

表2 特大公路桥梁交通景观改善设计表

注:设计参数根据限速80 km/h的特大公路桥梁进行案例设计；设计单元、、Ⓒ长度均为600 m，一个设计单元内行车方向右侧平面韵律型信息标线和路侧韵律型信息交替设置，其中护栏路侧韵律型信息6道，每个节拍出现2次，平面韵律型信息标线6道；左侧护栏路侧韵律型信息与右侧护栏的路侧韵律型信息相一致；a为桥梁护栏的高度，b为应急车道的宽度；①为横向速度速度提示标线设置在平面韵律型信息标线中间，间隔6.25 m设置7道横向速度提示标线，标线高度为0～0.9bm；②为路面音符在整个设计单元内设置，路面音符标线位于行车道中间，间隔25 m，标线尺寸为2.5 m×2.5 m，位置与韵律型信息的波峰波谷对齐；路侧韵律型信息的材质采用高强级反光膜，平面韵律型信息标线的材质采用全天候反光膜.

图1 护栏侧面图

图2 俯视图

2 实验设计与数据采集

2.1 实验原理

Dinges[16]研究指出，疲劳效应会影响驾驶员的短时记忆，增加驾驶员的反应时间，在高速行驶的情况下容易导致事故的发生.李都厚等[17]研究中指出，疲劳驾驶会影响到驾驶员的感知、知觉和判断等方诸方面，会导致驾驶员注意力不集中，出现精神恍惚或瞬间记忆消失，使其速度感知和判断下降.根据现有研究内容对于疲劳效应评价方法的研究，实验设计方法中主要采用速度突变判断准确率和反应时间两个指标度量驾驶员在特大公路桥梁中长时间行车所引起的公路“催眠”效应的程度.

由于在特大公路桥梁实际行车环境中进行大量行车试验具有极高的危险性，在进行具体改善方案施工时受诸多因素影响，操作难度大.因此文中利用3ds Max构建改善后特大公路桥梁行车模型，通过心理学软件E-prime对实验进行设计及控制，采用心理物理实验来度量改善方法对驾驶员速度突变判断准确率和反应时间的影响.

2.2 实验方法

实验人数选取30人，根据我国驾驶人的男女性别比例约为7∶3，故选男性21人，女性9人；各参与实验的人员均具有驾驶经验，正常视力或矫正视力在1.0以上.

本实验验证方法中主要采用速度突变判断准确率和反应时间2个指标度量驾驶员在特大公路桥梁中长时间行车所引起的公路“催眠”效应的程度.其中速度突变判断准确率为被试者在特大公路桥梁中行驶一段时间后，速度在某个时间点Ti发生突变后10 s内准确判断速度突变增大的人数；反应时间则为速度发生突变到作出准确判断所需时间.本实验采用的所有视频统一为100 s时长，为了控制实验误差，实验采用随机双盲实验法，通过E-prime软件实现控制.由图3可知，t为反应时间，其中Ti为速度突变时间点，Ts为判断出速度改变的时间.

t=Ts-Ti

(1)

Ti=10i,i=1，2，…，9

(2)

Ts∈(Ti,Ti+1)

(3)

图3 实验示意图

2.3 实验流程

特大公路桥梁中一般限速为80～100 km/h，因此根据特大公路桥梁中的限速范围为80 km/h～100 km/h的速度变化范围，实验中以80 km/h为标准速度，速度突变值选取+10,+20 km/h，即速度由原来80 km/h突变为90 km/h和100 km/h.

具体实验步骤如下.

1) 在驾驶模拟器内,借助计算机运行E-prime软件，按下计算机上Q键开始视频仿真实验,驾驶模拟器上视频开始播放.

2) 每个视频开始播放前，为被试者提供5 s倒计时的准备时间.

3) 被试者视线要求平视路面前方，当发现行车速度发生变化时需在尽量短的时间(10 s以内)作出判断，按下相应的反应键.

4) 单个视频结束后，呈现一组1 min的观赏性图片以供被试者休息.

6) 每组场景的实验完成后，暂停实验，被试者休息3 min.

7) 正式实验开始前，提供给被试者5～10 min的时间熟悉实验过程.

8) 由E-prime软件输出数据，并计算和分析各组实验的速度突变判断准确率和反应时间.

2.4 精度检验

特大公路桥梁仿真模型实验相对于实车试验，存在一定的失真性，因此文中将真实场景与对比模型场景(均为特大公路桥梁普通路段)采用极限法进行模型的精度校核实验，实验场景见图4.其中真实场景的行车速度为85 km/h(由行车过程仪表盘刻度确定)，对比模型场景的行车速度区间为(85±20) km/h(速度间隔为2.5 km/h)，利用极限法测定的仿真场景速度为86.5 km/h，模型误差约为-1.76%，小于5%的误差范围，且根据单样本T检验结果分析，P=0.073>0.05，可以认为仿真模型与真实场景差异不显著，因此是有效的.

图4 模型精度校核

项目场景速度/(km·h-1)误差/%单个样本统计量样本数标准差单个样本T检验(=0．05)Sig(双侧)95%置信区间下限上限真实场景模拟场景85．086．51．76202．6580．08384．82588．175

2.5 实验模型设计

根据文献[15]可知，当设计速度取80 km/h时，单车道宽度取3.50 m，应急车道取3.00 m，两侧护栏宽度取0.5 m，护栏高度取1.5 m，中央分隔带护栏宽度取0.8 m，护栏高度取1.5 m的特大公路桥梁仿真场景.实验场景见图5.

图5 实验场景

3 实验结果分析

速度突变判断准确率见图6，反应时间分布图见图7，改善前后反应时间与速度突变判断准确率对比见表4.

图6 速度突变判断准确率

图7 反应时间分布图

项目速度突变点/s102030405060708090改善前速度增加10km/h反应时间/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 速度突变判断准确率/%43．6735．7130．9224．8317．4912．9410．079．677．87速度增加20km/h反应时间/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 速度突变判断准确率/%87．3972．8960．2150．4838．9132．7428．3921．7416．37改善后速度增加10km/h反应间/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 速度突变判断准确率/%73．6871．3568．1966．3364．6757．3349．6745．3343．67速度增加20km/h反应时间/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 速度突变判断准确率/%89．6786．6583．7679．5872．4463．6755．3750．5849．82

由图6～7和表4可知：

1) 被试者速度突变判断准确率由改善前的33.46%提高到改善后的65.09%，改善后反应时间降低20.81%；表明多节拍多色彩立体韵律型信息视觉环境有助于提高驾驶员的速度突变判断准确率和降低驾驶员的反应时间；

2) 分别对改善前和改善后速度判断准确的反应时间进行方差分析，结果表明，当速度突变10 km/h时，改善前场景中，被试者在各速度突变时间点上的反应时间有显著差异(F(8，111)=2.094，p=0.0473<0.05)；改善后方案，被试者在各速度突变时间点上的反应时间没有显著差异(F(8，299)=1.494，p=0.168>0.05)；当速度突变20 km/h时，改善前场景中，被试者在各速度突变时间点上反应时间有显著差异(F(8，225)=5.766，p<0.001)；改善后场景中被试者在各速度突变时间点上反应时间没有显著差异(F(8,361)=1.884，p=0.062>0.05).表明无论是速度突变10 m/h还是20 km/h时，在改善前场景中，被试者的反应时间随着在特大公路桥梁中的行车时间的增加而显著增加，存在视觉疲劳现象，被试者在改善后场景的反应时间与特大公路桥梁中的行车时间虽然也有所增加，但两者不存在显著关系；

3) 结合行驶速度为80 km/h，改善后的实验场景适用于特大公路桥梁(>3 km)的行车环境，可以提高速度判断突变判断准确率以及降低反应时间，缓解公路“催眠”效应.

4 结 论

1) 被试者在环境单一的特大公路桥梁中行车会出现速度突变判断准确率下降的视觉疲劳现象，改善后速度突变判断准确率由改善前的33.46%提高到65.09%，表明多节拍多色彩立体韵律型信息视觉环境有助于提高驾驶员的速度突变判断准确率，能有效缓解视觉疲劳现象.

2) 在改善前场景中，被试者的反应时间随着行车时间的增加而显著增加，存在视觉疲劳现象；在多节拍多色彩立体韵律型视觉环境中，反应时间与驾驶员的行车时间的增加而存在一定程度的增加，但两者关系不显著，且反应时间相比于改善前降低20.81%，能有效提高驾驶员的感知和知觉能力，提高驾驶员注意力，有效降低驾驶员的反应时间.

3) 本方法通过设置多节拍多色彩立体韵律型信息视觉环境，有助于提高驾驶员的节奏感和速度感，提高驾驶员速度突变判断准确率和降低反应时间，减弱视觉疲劳现象，缓解公路“催眠”效应，达到特大公路桥梁景观协调与安全的统一.适用于限速为80～100 km/h 的特大公路桥梁.

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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

*国家自然科学基金项目(51578433)、留学回国人员科研启动基金项目(20151098)资助

U491.2+54

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.016

杨理波(1993—)：男，硕士生，主要研究领域为道路交通安全，交通规划