张子培1，朱顺应2，王 红2
(1.武汉市交通规划设计有限公司，湖北 武汉 430017；2.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)
摘要： 为研究边缘率标线在高速公路长平直线路段的减速效果，采用基于驾驶员视觉节奏感形成理论，设计了3组试验方案，并开展了路上试验研究。以标线间隔单元行车时间为变量，取值分别为4, 6, 8 s。结果表明: 3组实验中，标线间隔单元行车时间为4 s(方案1)时平均车速、85%位车速和标准差的降低幅度最大，依次为9.84, 12.53, 1.61 km/h; 间隔单元行车时间与短时记忆时间相近时，驾驶员在试验路段行车过程中的减速行为连续，减速效果稳定; 时间频率对驾驶员减速行为中的加速度存在显著影响。
关键词： 交通工程；长平直线路段；试验研究；边缘率；视觉节奏感；减速；驾驶员
我国高速公路交通事故中超速行驶引发的事故占比居高不下[1]。肖润谋[2]研究发现，驾驶员在高速公路长平直线路段上行驶过程中心率降低，从而导致注意力不集中、速度感知力下降。T. Oron-Gilad[3]通过模拟试验测试发现，驾驶员在长平直线路段的心率变异易导致放松警惕，驾驶行为表现为加速，进而超速。
边缘率速度感知理论[4-5]表明，如果物体的纹理元素间距已知，边缘率就能告诉观察者速度，当边缘率(纹理变细)增大时，观察者就会感觉到速度更高。M. Lenoir[6]通过模拟试验证实了视觉纹理能引起观察者对运动真实速度的高估。H. A. Rakha等[7]在纽约690号州际公路上设计并铺设了等间距的与行车方向垂直的路面标线，发现平均速度下降6 km/h，85%位车速下降8 km/h，其试验路段长度为600 m。朱顺应等[8]提出了基于驾驶员视知觉的直线路段路面边缘率标线设计模型，其模型中边缘率标线计算铺设长度为[267,300] m。
我国现行的《公路工程技术标准》(JTG B01—2003)[9]对高速公路直线路段的最大长度没有作具体数值规定，实际道路设计中存在较多的长平直线路段。文献[7-8]中的试验研究和设计模型中的边缘率标线减速路段均较短，难以判明长平直线路段上铺设较长边缘率标线的减速效果。若在长平直线路段全线铺设路面边缘率标线，可能会出现车速的适应性现象，进而影响路面边缘率标线的控速效果。
研究发现, 如果驾驶员周围的视觉对象存在一定的空间连续性，即驾驶员周围的视觉对象存在视觉单元化组合，那么驾驶员对这些视觉对象进行观察时就能形成较为强烈的视觉节奏感[10]。韦伯-费希纳定律表明,不同的视觉刺激量必须达到一定的变化幅度才能引起差别感觉[11]。若依据视觉节奏感和韦伯-费希纳定律对长平直线路段的路面边缘率标线进行视觉单元化组合研究，从而保证驾驶员的减速行为在长平直线路段持续存在，将是解决高速公路长平直线路段全段速度控制的有效措施。
此外，文献[7-8]的研究以铺设边缘率标线前、后的速度平均值分析减速效果，而道路上运行的车辆间速度存在差异，相同的边缘率周期的标线其时间频率不同。
鉴于此，本文拟通过路上试验，从驾驶员视觉节奏感来研究其对驾驶员速度行为的影响，从时间频率的角度分析边缘率与减速行为的关系。
路面边缘率标线的视觉节奏感形成反映了驾驶员对于单元化组合后的边缘率标线视觉刺激形成的一种心理感知量。边缘率标线单元的空白间隔单元能降低驾驶员对边缘率标线感知的短期记忆，减弱边缘率刺激。根据韦伯-费希纳定律，通过逐渐增多各段标线的边缘率且超过一定阈值，能强化驾驶员对边缘率变化的感知，从而增强视觉节奏感。
韦伯-费希纳定律表明，不同的刺激量必须达到一定的变化幅度，才能引起差别感觉，这一比例通常简化为一个常数，如式(1)[11]所示：
(1)
式中，Δr为路面边缘率标线单元刺激差别量；r为路面边缘率标线刺激量；K′为常数。
式(1)中的
(2)
式中r1,r2,r3分别为路面边缘率标线单元的视觉刺激量。
短时记忆中信息保持的时间一般在0.5～18 s，并且在4～6 s之后正确记忆百分比下降到30%以下[12]。所以，视觉节奏感路上试验比选研究分别选取驾驶员行车过程中的4，6，8 s行程时间作为间隔单元的时长。
2.1 试验方案
试验路段位于杭瑞高速公路湖北段(黄沙铺至通山方向)，设计速度100 km/h，双向四车道，车道宽度为3.75 m。试验中，路面边缘率标线布设在行车道两侧，布设时选用黄色背胶式反光标线，其光学特性与我国高速公路常用标线相同。选取边缘率值ER=12 Hz，根据试验路段设计车速计算得出周期长度λ=2 m[8]。为了消除单个边缘率标线颜色对车速可能存在的影响，各个分组试验均选用相同的黄颜色。
路面边缘率标线单元长度根据式(1)和式(2)计算得出，式(1)中的K′取值为0.1(>0.07)[8]，式(2)中的r1，r2，r3计算长度和铺设方式采用文献[8]提供的直线路段路面边缘率标线设计模型，视觉节奏感间隔单元长度d按照行程时间t和试验路段设计车速计算得出。计算结果如表1所示。
表1 三组试验的各项参数
Tab.1 Parameters of 3 experiments
试验序列视觉节奏感间隔单元路面边缘率标线单元长度/m边缘率标线总长度/m行程时间/s单元长度/mr1r2r3合计方案14111方案26167方案38222300330363132614941659
2.2 数据采集
采用便携式交通流分析仪(NC-200)对标线布设车道上车辆的车型(依据车长进行分类)、断面车速和车头时距进行数据采集。便携式交通流分析仪的布设见图1，共7个断面。断面1～6的观测数据用于非自由流车辆的剔除，其中断面2～6的观测数据还用于分析车辆进入标线铺设路段所对应的平均时间频率；断面7用于评价车速的总体降低效果。观测过程中采用摄像机对车辆运行情况进行录制以提高数据有效性，录制时间与便携式交通流分析仪系统的工作时间保持一致。此外，采用人工雷达枪抽样记录的方法对车速数据进行校核，若出现显著差异则重新观测。
图1 便携式交通流分析仪布设(单位：m)
Fig.1 Layout of portable traffic flow analyzers(unit: m)
2.3 数据处理
(1)试验路段非自由流数据的剔除
车辆在非自由流状态下的车速除受边缘率标线影响之外，还受前车的影响，因此在保证数据的正确性后，将非自由流的车辆剔除。依据各观测断面采集的车速计算车辆的停车时距，假定车速短时不发生变化，进而计算车辆采取舒适减速度(此处取值2.5 m/s2)[13]时各断面试验前85%位运行车速的停车时距。然后与NC-200采集的车头时距数据进行比较，若停车时距大于车头时距，则判定其为非自由流车辆，7个观测断面中任意断面出现非自由流运行状态的车辆均予以剔除。
(2)试验路段换道车辆的剔除
车辆在运行过程中可能产生换道行为，此时不同断面上NC-200采集的车速数据将会出现不对应的情况，因此在数据采集完成后采用人工判读的方法结合影像剔除变道车辆，进而保证各观测断面的车速针对同一车辆。
3.1 视觉节奏感对车速的影响
边缘率标线的整体降速效果评价选用观测断面6的速度数据。剔除非自由流车辆和换道车辆后，每组布设方案随机选择654个数据作为分析数据，每组试验的数据符合正态分布。
边缘率标线3组试验方案的平均车速、85%位车速和标准差的影响统计结果见图2。
图2 三组试验中各项速度指标对比
Fig.2 Comparison of speeds in 3 experiments
3组试验方案中，试验路段的平均车速、85%位车速和标准差均比铺设边缘率标线前显著降低，见表2。
表2 三组试验车速指标变化(单位：km/h)
Tab.2 Speed changes in 3 experiments(unit: km/h)
试验序列平均速度85%位车速标准差降低值百分比/%降低值百分比/%降低值百分比/%方案19.8410.4412.5311.201.6114.81方案25.786.138.697.780.958.74方案34.795.086.325.650.655.98
对铺设边缘率标线前后3个速度指标进行单因素方差分析，均得到P<>P为单因素方差显著性检验分析方法中反映检验显著水平的值，一般以P<>
3.2 时间频率对加速度的影响
由于车速是动态变化的，为便于分析，选取单个车辆在断面2、断面4、断面6运行时的时间频率和加速度进行分析，其计算公式见式(1)和式(2)。
(1)
(2)
式中，ERi为单个车辆通过第i断面(i=2，4，6)的时间频率；λ为边缘率标线布设的单周期长度；ti，ti+1为单个车辆通过第i断面和第i+1断面的时间；
3组试验方案的时间频率对应的单车加速度算术平均值如图3所示。
图3 时间频率值对应的单车加速度
Fig.3 Temporal frequency vs. acceleration
从图3可以看出：
3组试验方案中，时间频率值主要分布在8～18 Hz。随着时间频率值的增大, 车辆的减速度值逐渐增大。采用单因素方差分析，得到P<>
随着时间频率值的增大，3组试验方案中驾驶员行车过程中的减速度值均逐渐增大，即驾驶员的减速行为逐渐增强。
断面2处，3组试验方案中驾驶员行车过程中的减速度值无显著差异(P<>P<>P<>P<>
3.3 视觉节奏感对断面速度的影响
视觉节奏感对断面速度的影响选用各个断面平均速度值作为对比依据。3组试验方案平均速度值的统计结果如图4所示。
图4 三组试验中7个断面平均速度
Fig.4 Average speeds at 7 sections in 3 experiments
采用单因素方差分析方法对3组试验方案中各个断面的平均速度值进行计算，均得到P<>
路面边缘率标线3组试验方案中，驾驶员在各个断面之间均保持减速行为和减速效果。这可能是由于路面边缘率标线单元之间的间隔单元暂时打破了驾驶员视觉适应性的产生。
方案1中，驾驶员没有受到边缘率标线间隔单元的影响。由于驾驶员对路面边缘率标线单元速度信息的短时记忆保持时间t0[12]与方案1中间隔单元的行程时间t1相近，一方面使得驾驶员仍保持了边缘率标线单元的减速行为，进而导致断面3, 5, 7的速度降低值相对于断面2, 4, 6并没有产生大幅降低，即驾驶员在方案1中保持了连续的减速行为(见图3)和稳定的减速效果(见图4)；另一方面，驾驶员在正确记忆大幅下降之前又再次受到路面边缘率标线的视觉刺激，导致驾驶员在断面2, 4, 6的速度降低值并没有显著差异(P<>
方案2与方案3中，驾驶员同样没有受到边缘率标线间隔单元的影响。由于驾驶员对路面边缘率标线单元速度信息的短时记忆保持时间t0小于方案2和方案3中间隔单元的行程时间t2，t3，使得驾驶员对速度信息的短时记忆在再次受到边缘率标线单元视觉刺激前大幅降低，导致驾驶员速度感知降低，减速行为减弱(方案2，图4)或在间隔单元后半段转变为加速行为(方案3，图4)，减速效果降低(方案2，图3断面4，6)或在间隔单元后半段转变为加速效果(方案3，图3断面4，6)。
通过路上试验，从驾驶员视觉节奏感入手，研究了高速公路长平直线路段减速效果增强的方法，从时间频率的角度解析了边缘率与减速行为之间的关系。
(1)具有视觉节奏感的路面边缘率标线，间隔单元行程时间为4 s(方案1)时平均车速、85%位车速和标准差的降低幅度最大，依次为9.8，12.53，1.61 km/h。
(2)间隔单元行车时间与短时记忆时间相近时，驾驶员在试验路段行车过程中的减速行为连续，减速效果稳定。
(3)时间频率对加速度存在显著影响。时间频率为8～18 Hz时，时间频率越大，减速效果越大。
边缘率标线间隔和边缘率数量按韦伯-费希纳定律递增对减速效果的独立影响、两因素混合后的最佳影响、如何利用空白间隔减少持续制动降低货车制动鼓温度等问题，有待进一步研究。
参考文献：
References:
[1] 佟守愚，程三伟，李江．高速公路车辆超速检测算法影响因素分析与对策研究[J].公路交通科技，2006，23(10): 113-116.
TONG Shou-yu, CHENG San-wei, LI Jiang. Influence Factors Analysis and Countermeasure Research on Overspeed Detection Arithmetic of Vehicles on Expressway[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2006, 23(10): 113-116.
[2] 肖润谋，王来军，运伟国．长平直线公路驾驶行为测试[J].西北大学学报:自然科学版，2010，40(2): 243-246.
XIAO Run-mou, WANG Lai-jun, YUN Wei-guo. A Study on the Test of Drivers Driving Behavior on Long-even-straight-line Road[J]. Journal of Northwest University: Natural Science Edition, 2010,40(2): 243-246.
[3] ORON-GILAD T, RONEN A. Road Characteristics and Driver Fatigue: A Simulator Study [J].Traffic Injury Prevention, 2007, 8(3):281-289.
[4] ANDERSEN G J, CISNEROS J, ATCHLEY P, et al. Speed, Size, and Edge-rate Information for the Detection of Collision Events [J]. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance, 1999, 25(1):256-269.
[5] HANCOCK K, RIESSMAN R. Report on Passive Speed Control Devices, 04-G020-001 [R]. Boston: University of Massachusetts, 2004.
[6] LENOIR M, SAVELSBERGH G J, MUSCH E, et al. Intercepting Moving Targets during Self-motion: Effects of Environmental Changes [J]. Research Quarterly for Exercise and Sport, 1999, 70(4): 349-360.
[7] RAKHA H A, KATZ B J, DUKE D. Design and Evaluation of Peripheral Transverse Bars to Reduce Vehicle Speeds [C]// Transportation Research Board 85th Annual Meeting. Washington, D.C.：Transportation Research Board, 2006.
[8] ZHU Shun-ying, SUN Qin-mei, WANG Hong. Design Theory for Speed Control by Using Increasing Edge Rate [C]//Measuring Technology and Mechatronics Automation, 2009. Zhangjiajie: IEEE, 2009:794-799.
[9] JTG B01—2003, 公路工程技术标准[S].
JTG B01—2003, Technical Standard of Highway Engineering[S].
[10]李楠. 城市夜景观视觉节奏感的研究[D]. 北京：北京工业大学，2007．
LI Nan. Research of Visual Rhythm of Urban Night Landscape[D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2008.
[11]SHEN H, SHIMODAIRA Y, OHASHI G. Speed-tuned Mechanism and Speed Perception in Human Vision [J]. Systems and Computers in Japan, 2005, 36(13): 1718-1727.
[12]PAUL S, WOLFGANG K, HEISE K F, et al. Brain Oscillatory Substrates of Visual Short-term Memory Capacity[J]. Current Biology, 2009, 19(21):1846-1852.
[13]AASHTO. A Policy on Geometric Design of Highways and Streets, GDHS-5 [R]. Washington, D.C.: American Association of State Highway and Transportation Officials, 2004.
ZHANG Zi-pei1, ZHU Shun-ying2, WANG Hong2
(1. Wuhan Transportation Planning & Design Co., Ltd., Wuhan Hubei 430017，China;2. School of Transportation，Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430063，China)
Abstract： For the purpose of researching the effect of edge rate markings of long-even-straight section of expressway on speed reduction, 3 experiments are designed based on the formation theory of driver’s visual rhythm sense, and the road experiments are carried out. The marked interval unit travel time is treated as a variable, whose values are 4, 6, 8 s. The result shows that (1) in the 3 experiments, the average speed, the 85% speed and the reduce amplitude of speed standard deviation are 9.84, 12.5, 1.61 km/h respectively when the interval-unit travel time is 4 s (scheme 1); (2) the speed reduction behavior is consecutive and the effect of speed reduction is stable when the interval unit travel time coincides with the time of short-term memory. (3) the acceleration in driver’s reduction behavior is significantly affected by temporal frequency
Key words： traffic engineering; long-even-straight road section; experimental research; edge rate; visual rhythm sense; velocity reduction; driver
文献标识码： A
文章编号： 1002-0268(2016)03-0127-05
中图分类号： U491.5+23
doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.03.021
作者简介：张子培(1988 -)，男，河南濮阳人，硕士. (122326261@qq.com)
基金项目：国家自然科学基金项目(50778142，51078299)；交通运输部联合科技联合攻关项目(2010353342240)
收稿日期：2015-05-14
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