文官阳

视觉质量影响行车安全

文官阳

一、影响行车安全的因素——人因技术领域的基本概念

驾驶机动车，是人类操控机械在地面进行移动的过程。从移动速度看，这是迄今为止人类在地面作为个体单独进行操作所能实现的最快的运动形式之一，仅仅有个别的极限运动可以略与之比拟。在这种高速的运动之下，人类的感知能力、反应能力和操控能力，都要面临驾驶任务需求的巨大挑战，当人类的能力面对这种挑战败下阵来时，就会导致车辆失控，进而可能导致车辆碰撞事故，引发伤亡！所以，车辆移动速度越高，驾驶任务难度越大，对人的能力要求就越高，这就是为什么需要“速度”管理，也是人们对行车安全认知的最直接起点。

但是，如果我们的注意力仅仅放在速度的研究上，就会很难解释，为什么都是同样的速度，有些路段就不会出事故，而有些路段，却不断地出事故！甚至在同样一条道路上，同样的车速，为什么白天从来没有事故，晚上却接连出事？这种现象，被很多人简单地解释为交通事故的随机性，而不再追究事故的深层次原因。那么，到底这里面还有没有客观规律可以追寻呢？有没有技术手段可以应对这种随机性的难题呢？我们的回答是“有的”！这就是交通工程的安全价值所在，就是交通控制技术的来龙去脉！

人因的概念

要解开这个谜题需要涉及到一个专门的技术领域，英文叫Human Factor，国内的翻译并不统一，有一些专家学者称之为“人类因素”。但细究起来，根据其内涵的领域和要实现的目的做出判断，这个词在中文的称谓并没有直接的、可以对应的汉语词汇，我们应该再造一个词，比如 “人因”，以区分它可能带给大家的困惑。马克思讲过，语言来自劳动，生产力水平决定了语言的发展水平，人因，其实就是人类在操控机器过程中，对求索人类控制机械能力极限范围的一种新生的语言概念！在这方面的研究，我国起步比较晚，词汇的丰富性发展，是个必然要经历的过程。

Human Factor一词，最早出现在上世纪三十年代，它是指在操作车辆或者机械时，因为人的自然属性而导致的技术故障或者机械失败。“人因”一词不是指人类的行为或者人类的表现，而是专属的，简称HF，换言之，人因，就是对人类在操作机械时导致损害事件的发生有贡献的那些人的因素。

参照物的概念

从“人因”的角度出发，我们继续展开的话题，就有了一个更深入的问题，人类是如何感知到速度的高低呢？

人类能够感受到在移动的最基本途径是通过视觉！因为人类要用眼睛搜索参照坐标，才能判断自己的位置。比如，我们很多人都有过这样的经历，坐在车上时，透过车窗盯着旁边的车辆观察，突然觉得自己的车在后退，然后赶紧看看周边其他的物体，才发现原来是那辆车在向前开动而自己是原地不动的。这个过程其实就是人类判断自己是否在移动的基本过程。这里有一个基本的要素，就是“周边的物体”，从交通控制技术讲，它们有一个很重要的词来描述，英文叫CUE， 中文可以翻译为“参照物”，参照物的质量，直接影响到行车安全。我们平时经常看到的标志、标线和轮廓标等，其实都是人工设置的行车参照物。车速越高，司机搜索和采集处理参照物信息的任务需求就越高。

视区是什么

在机动车驾驶过程中，司机都能看到什么呢？这里，就又有了一个技术概念，叫视区，英文是Field of View。 视区是指在人眼外有某种固定边框的限制下所能看到的区域，比如人们透过眼镜能看到范围，就是眼睛的视区！这种范围，与眼球的移动没有关系。司机的视区，就是通过车窗能观察到的范围。提到视区，我们很容易想到一个词——视野Visual Field，是指人裸眼在固定状态下能看到的角度数。人眼向前观察平面视野几乎达到180°，垂直视野能达到135°，远大于视区。简单区分，就是视野表示的是人眼的能力，而视区是人眼在车里的观察范围，视野是人的基本条件，而视区，会随着车辆的条件和运行状态而改变，相对于人眼的视野，视区要小很多，白天如此，夜晚，视区还要受到车灯的能力的影响，车速越高，视区越窄。

人们为什么爱开快车

就行车而言，人类的视区变化比任何其他运动都更频繁。频繁变化的视区，直接引发的是人的眼球的快速移动，进而刺激视神经躁动并诱发人的脑神经的活跃，人类为了能感知所看到的物体，进行认知、判断和反应（英文简称PRT），就必须加快处理眼睛和身体所感受到的各种变化，此时，神奇的人体系统就会释放出更多的肾上腺素，以应对快速上升的任务需求，这就是我们有时会听到的“荷尔蒙”的加速释放！荷尔蒙的增加与聚集，会让人产生一种欣快感，人类的神经系统在愉快的状态下会因欢喜而放松，于是，车速在不知不觉中，逐渐冲向了人类承载能力的极限！这就是为什么人们开车容易超速而不是失速的内在原因。

与直线行驶相比，在弯道上，视区的变化频率会因为车辆运行轨迹的改变而出现叠加的效应，所以在进入弯道时，就更容易出现超速的现象，因为这时的视觉刺激和欣快感，都强于直线行驶。进入弯道时的视区叠加过程，非常容易让人在愉悦和轻松之中忽视驾驶任务难度的增加幅度，自以为车辆会完全被有效控制，当人们沉浸在弯道驾驶的愉悦中时，车辆在不知不觉中逐渐加速，就会挑战人们的有效控制的极限，这种情况一旦出现，为了降低难度，人类会下意识地通过刹车和调整行驶方向予以应对，而这时，很有可能为时已晚，特别是雨天的弯道事故，多出于此！去弯道上观察，在弯道的上游，经常会发现紧急制动的刹车痕迹，而下游却不多见，就是这个原因！这也是为什么要在弯道上设置弯道线形诱导标志的原因，因为司机在进入弯道时，必须提前意识到弯道的弧度，进而意识到驾驶难度需求的增加，提前降低车速。

所以，针对行车安全，要让人类大脑减少运算错误，时刻提高警惕，时刻将车辆控制在人类承受能力的极限之内，就要在视觉质量上做功课，要让人类在应对快速变化的视区时，可以及时、准确、清晰地捕捉到需要获取的参照坐标体系，减少信息处理时间。简单说，一套好的道路视觉系统，可以有效提高人类驾驭车辆的成功率。在交通安全领域，当道路拥有好的视觉系统时，被专业人员称为“道路使用者友好型道路”或“自诠释道路”。我们今天经常提到关于智能汽车和辅助驾驶的车路协同技术，其实就是“自诠释道路”在信息技术时代可能达到的新高度，那时，将是依靠机器视觉，而不仅是人视觉。

经过常年的研究和积累，在人因领域，交通工程专业已经形成了围绕保障视觉质量提出的三大公理，分别是：六秒公理，视区公理，逻辑公理。它们的目的都是相同的，就是避免因错时、错位和错觉导致大脑出现运算错误！我们在下面，将着重来介绍这三大公理。

二、影响视觉管理的因素——人因领域的三大公理及反光技术

人因领域的三大公理和反光技术对视觉质量管理有重要的意义。

六秒公理

六秒公理指道路必须给人以充分的时间。一般司机平均需要4-6秒才能完全改变驾驶程序，100公里时速就是近300米。道路使用者友好型道路，会允许司机进行可靠的调整以适应新的道路情况。在道路上，任何关键变化点之前，至少要给司机6秒钟的时间，比如：路口前、弯道前。在道路上，还要移除视距遮挡的障碍物，要让路口的到来有预期。如果沿着道路，道路本身的条件无法在6秒之前就让司机足以关注到这些情况，就要利用标志标线进行提示，或者进行更根本的工程改造。在我国，行道树和路侧绿植，在很多时候，就是典型的视距遮挡障碍物，破坏了路侧视距净空。当6秒公理不到位时，谨慎的司机，会选择降低车速。我们日常开车，在路上遇到的莫名其妙的车流减速和追尾事故，多数就是这个原因导致的。

视区公理

视区公理是指道路必须给司机安全的视区。机动车驾驶者的视区变化比任何其他运动更频繁。单调或者有强烈对比度的道路边缘地带，视觉和光线误导以及视错觉都会影响驾驶质量。视区可以使司机稳定也可以使司机躁动，可以使司机疲倦也可以使司机兴奋。一条用户友好的、自诠释道路，会避免诸如路侧景观的单调问题，视觉引导线的断裂问题，视觉引导线与道路本身线形不一致的问题，还要避免有不顾道路方向和重点，而又在吸引眼球方面有压倒性优势的物体的问题。这种视觉吸引物体，有个很形象的名字，叫eye-catching objects，直译是“抓眼睛的物体”。如果我们这时需要司机去关注的人行横道上的行人，但在视区范围内，最抓眼球的是人行横道附近上空的指路标志或霓虹灯广告，那行人的安全，就会受到严重威胁！

逻辑公理

道路必须遵循司机的预期逻辑。司机沿着道路开车时，是带有心理预期或者有倾向性的逻辑的，这些东西来自于司机的经验或者是最近的观察理解。出乎意料的、非常规因素，会打乱基于心理预期建立起来的一连串最自动化的动作，导致司机的“磕绊”。此时，会渡过致命的几秒钟，以便司机可以处置这种干扰。这个过程，很像一个踏步高度不一致的楼梯，人们的心理预期是用一致的抬腿高度匀速攀爬，但是突然出现的反预期踏步高度，很容易让人踉跄，而且爬的速度越快，踉跄的机率越高。道路设计者要设法使道路特征符合心理预期。要设法使那些无法避免的变化能尽早、尽可能清晰地传递给司机，以避免司机因为突然的变化而困惑。

当我们把这些内容总结出来后，笔者相信善于思考的人很容易就会想到我们今天的交通困境，无论是交通事故还是交通秩序，其实都是因为我们的道路上还有很多地方违背了这三大公理，我们的驾驶任务难度太大，对司机能力的要求太高，已经超过了人类的应对能力范围。在这种情况下，人们的驾驶错误是必然的，毫无办法。比如今天很多城市的交叉路口，都是典型的超视区路口，在这种路口内行车，逻辑和6秒空间都很难得到保障，交通走廊的流畅性就是这样被废掉的！

反光技术与视觉质量

为了进一步揭示视觉质量对行车安全的影响，和反光技术在国际交通安全领域的研究深度，再介绍一个很不起眼的领域，就是“逆反射技术”在交通安全领域的演进和作用，也希望大家可以掌握到一种可以实现自我保护的安全手段。

为了全天候和全天时的保障视觉质量，在汽车问世之初，汽车制造者，就为汽车安装了最基本的视觉辅助装备——车灯！百年来，汽车照灯的技术不断演进，其光照控制力、质量和照射范围，被做得越来越科学。与此同时，聪明的人类，还从仿生学的角度，发现将光控制技术应用在道路上，可以有效提高车灯的照射效果，我们今天随处可见的反光材料，专业上称为逆反射材料，就是这种技术进步的衍生品。

很多人一提到反光材料，就会认为只要有路灯或者车灯就够了，不一定需要反光。事实上，了解了视区的概念，就会知道路灯照射到的很多事物，不一定是司机应该关注的物体，在商业区，各种霓虹灯或灯箱广告发出来的光，对司机眼球的吸引，就是很典型的视觉干扰元素。只有车灯照射范围内的物体，是最应该被司机看到的，但此时，车灯的光却不一定能回到司机的视区范围内。

光的反射方式示意（夜间，司机能看到的物体，主要依靠车灯的逆反射光和发光物体），上组图为光反射的三种基本形式

为什么这么说呢？是因为当我们在车灯的后面，随着车灯的照射方向向前观察路况时，我们看到的并不是车灯的光，而是那些被照射物体返回来的光，如果物体表面的物理结构不是逆反射结构，而是镜面反射或者漫反射，那很多光就会跑掉了。很多司机开远光灯，其实就是因为路上的逆反射光太少了，希望提高照射前方的总光通量，来提高被反射回来的光的总量，从而改善视距。

汽车前照灯形成的逆反射光锥示意图。回复的光由于空气中悬浮颗粒的衍射导致扩散，有一部分将无法回到司机的位置

通过这个示意图可以看出，反光材料是在车辆行驶的方向上，把车灯照射的光收集并投射回给司机，如果我们是用正确的反光材料制作各种行车参照物，那么这些参照物就是司机最应该关注也是最容易关注的坐标。

良好的道路视区设计被称为“视区管理”上图为美国某地施工区的夜间临时设施效果

就目前已知的所有的视觉优化手段而言，反光材料的发明和普及，应该是成本最低，也是效果最好的一种安全技术途径了。它最大的优点，就是利用了车灯的光源，而不再需要额外的能源进行照明。所以在1939年这项技术的原始版问世伊始，交通标志和标线的制作，就再也没有离开这项技术。在近80年的时间里，世界上一批科技精英，一直在尝试用越来越好的光控制技术和材料技术，捕捉车灯释放的光波，尽可能地以更科学的布局形式投射回到司机眼睛里。今天，在交通标志和设施上使用的大角度反光膜，每平方厘米上有930个精心设计的光控制结构单元，已经可以使司机在使用近光灯的情况下，在800米之外就发现被标识物，在50米的近距离时，在高达十几米的垂直高度和水平宽度15米的大观察角度范围里，也就是车灯光传统布设的困难区域，仍能把灯光捕捉到并投射回给司机。

在标线领域，最新型的人造反光晶体已经可以实现与天然钻石一样的2.4的光折射率，即使透过雨水，也可以把车灯的光波折射回到司机的视区，而不是让这些光四散奔逃，脱离司机的眼睛。

看到这里，大家也许更容易明白一个道理，当我们说车灯能不能照到时，并不是车灯的光到达不了这些地方，而是到达这些地方的灯光，能不能被投射回到司机的视区。

美国某地的雨夜标线效果

在夜间，如果我们每个人的身上都可以有一小块反光材料，就可以大大提高被司机看到的机会。这种材料，如果能在机动车辆、自行车和行人身上，如果能广泛使用，那么司机就可以很容易地在6秒之前，发现危险，并采取有效措施，很多事故，就可以因此避免。

用一个简单的总结来形容反光材料，它是改善视觉质量的重要手段，人、车、路的广泛而科学地使用反光材料，可以大大提升我们的道路安全通行条件以及提升行车安全。