基于驾驶员眼动特征的道路视错觉控速标线关键参数研究

摘要

行车速度已被视为在道路交通伤害方面一项关键性的风险因素，不仅影响道路交通事故发生的数量，而且与事故所导致伤害的严重程度密切相关。目前广泛应用的强制性减速措施存在导致车辆机件磨损、行车舒适性不良、诱发安全事故隐患和养护成本高等不足。本文依托国家自然科学基金项目(51608084)，基于人眼视错觉理论，研究出一种适用于道路路面的视错觉控速标线，随着其横向宽度、角度和间距等参数的调整，使驾驶员产生车道宽度和速度变化等错觉，利用人的心理自然反应，提示驾驶员在道路危险点前方主动采取适度的减速措施，从而达到保障行车安全的目的。
　　首先，基于驾驶员动态视觉理论，根据眼动特点以及实验研究需要，选择瞳孔面积变化率作为道路直线段的眼动特征参数，将瞳孔面积变化率、注视时间、注视次数以及注视区域作为道路曲线段的眼动特征参数。结合线条方向视错觉、弯曲视错觉、边缘率、光流率和闪现率等视错觉产生的基本原理，将其应用于视错觉控速标线设计当中，以期达到让驾驶员产生压缩车道、车道渐窄、车速增加、弯道半径变化的错觉目的，故初步筛选出横向宽度(W)、标线与行车方向的角度(θ)、标线之间的间距(L)、线宽(H)和颜色为视错觉控速标线的关键参数。
　　其次，采用室内仿真实验的方法，以设计速度为60km/h的道路为例，研究道路直线段视错觉控速标线横向宽度、角度、间距、线宽和颜色，对车辆运行速度的影响规律，并建立两者之间的回归模型。为了客观地反映人的心理生理变化，使速度变化的过程和程度更加科学和适度，故引入了眼动特征指标，并通过建立趋势面模型进行定量分析。结果表明，标线的横向宽度对运行速度降低有显著影响，随着标线的横向宽度增大，驾驶人产生车道变窄的错觉越加明显，其紧张感变强，瞳孔面积变化增大;当视错觉控速标线的角度为135～150°时，驾驶员受佐尔拉错觉的影响，其瞳孔面积变化率较大，在150°时达到峰值，当角度为30～45°时，瞳孔面积变化率较小;标线间距的减小导致驾驶员产生车速变快的错觉，因此同样对运行速度降低影响较大;标线的不同色彩和线宽，对运行速度降低没有显著影响。根据运行速度分析，标线横向宽度、角度、间距导致速度的降幅分别达到14.10％、13.87％和14.96％。通过敏感性分析，得到三个关键参数对瞳孔面积变化率的影响程度，对其进行排序为角度＞间距＞横向宽度。
　　然后，通过室内仿真实验，研究设计速度为60km/h的道路曲线段，视错觉控速标线的横向宽度、角度、间距等关键参数，对驾驶员眼动特征和运行速度的影响。随着转弯半径的增大，驾驶员的瞳孔面积变化率下降，其注视点落在弯道内的注视时间和注视次数也随之下降，但不同转向对两者影响不显著。当驾驶员右转弯时，对路面的注视较少，而左转时注视区域竖直位移集中在仿真视频屏幕的-0.3m～0.4m，增加了对路面的注视频率，故曲线路段的实验均以左转弯为例。通过分析不同半径与运行速度之间的关系，得知驾驶员通过不同半径的弯道路段，其速度有较显著的变化规律，且驾驶员减速和加速的起始点位置与曲线段半径存在一定的对数关系。随着半径的增大，减速起点逐渐由直缓点(ZH)向曲中点(QZ)偏移，但偏移量逐渐减小，而加速起始点逐渐由缓直点(HZ)向曲中点(QZ)靠近。根据相邻单元运行速度协调性、设计速度与运行速度协调性评价，得到曲线段最优半径为500m。选择10％、15％和20％作为瞳孔面积变化率的阈值，以及分析不同半径对加减速位置影响，确定标线的横向宽度为40cm，通过改变视错觉控速标线左右侧横向宽度的大小，让驾驶员产生弯道半径均处于500m最优半径的错觉。通过主成分分析和85位法，建立了驾驶员在不同转弯半径下的视觉负荷F的模型及其阈值，用以判断标线间距设置的合理性。结合视错觉控速标线对运行速度的影响和车速协调性评价，得到当半径为125m时，间距选择6m;当半径为200m、300m和600m时，间距同样选择6m;当半径为400m和500m时，间距选择4m和6m均可;当半径介于700m～1000m时，视错觉控速标线间距呈逐渐减小的方式布置。
　　最后，通过室外实车实验的方法，对室内实验的结论进行验证，并从车速变化和眼动特征两个方面进行控速效果的评价。结果表明，道路直线段视错觉控速标线施划前后减速效果显著，且满足协调性评价的要求，减速时舒适性较好，故直线段视错觉控速标线控速效果良好。经过对标线的敏感性进行分析，3个关键参数对瞳孔面积变化率的影响程度进行排序为角度＞间距＞横向宽度，结果与室内实验一致。道路曲线段实车实验中，分别以半径为150m、350m和700m为例进行验证实验。曲线段视错觉控速标线施划前后减速效果显著，运行速度协调性较好，瞳孔面积变化率也没有超过阈值，表明其控速效果良好。结果同样与室内实验结果一致，但视觉负荷强度略超过室内仿真实验的数值。
　　论文以降低运行速度为目的，分析了适用于道路路面的视错觉控速标线的关键参数，不仅实现了运行速度的有效控制，还引入了相关眼动特征等生理指标，为视错觉控速标线的应用提供理论依据和技术支持。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 驾驶员眼动特征在道路交通领域的研究现状

1．2．2 道路控速设施研究现状

1．2．3 道路视错觉控速标线研究现状

1．2．4 研究现状评述

1．3 主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 驾驶员眼动特征和视错觉车速辨识机理分析

2．1 驾驶员视觉特性的理论基础

2．1．1 驾驶员动态视觉理论

2．1．2 驾驶员眼动的基本形式

2．1．3 驾驶员眼动特征指标选择

2．2 驾驶员视错觉辨识机理

2．2．1 视错觉原理

2．2．2 驾驶员视错觉车速辨识机理

2．3 视错觉控速标线关键参数初选

2．4 本章小结

3．1 实验目的

3．2 实验方案设计

3．2．1 实验内容

3．2．2 实验条件

3．2．3 实验过程

3．3 实验数据处理

3．3．1 数据采集及筛选

3．3．2 数学分析与建模方法

3．4 本章小结

第四章 道路直线段视错觉控速标线参数分析

4．1 标线横向宽度对运行速度和眼动特征的影响

4．1．1 数据检验

4．1．2 横向宽度与运行速度分析

4．1．3 横向宽度对运行速度和眼动特征的影响

4．2 标线角度对运行速度和眼动特征的影响

4．2．1 数据检验

4．2．2 标线角度与运行速度分析

4．2．3 标线角度对运行速度和眼动特征的影响

4．3 标线间距对运行速度和眼动特征的影响

4．3．1 数据检验

4．3．2 标线间距与运行速度分析

4．3．3 标线间距对运行速度和眼动特征的影响

4．4 标线色彩对运行速度和眼动特征的影响

4．4．1 数据检验

4．4．2 标线色彩的选择方法

4．5 标线线宽对运行速度和眼动特征的影响

4．5．1 数据检验

4．5．2 标线线宽的选择方法

4．6 标线关键参数对视错觉车速辨识综合影响分析

4．6．1 标线施划后车速分析

4．6．2 对眼动指标的敏感性分析

4．6．3 标线控速效果综合评价

4．7 本章小结

第五章 道路曲线段视错觉控速标线参数分析

5．1 半径对运行速度和眼动特征的影响

5．1．1 不同半径运行速度变化规律分析

5．1．2 不同半径对加减速位置的影响

5．1．3 最优转弯半径的确定方法

5．1．4 不同半径与眼动变化规律分析

5．2 标线横向宽度的选择方法

5．2．1 标线横向宽度的取值方法

5．2．2 标线横向宽度的布设方式

5．3 标线角度对行车速度影响分析

5．3．1 标线角度对行车速度的影响

5．3．2 标线角度的选择方法

5．4 标线间距对行车速度和眼动特征的影响

5．4．1 标线间距的布设方法

5．4．2 标线间距对行车速度和眼动特征的影响

5．5 标线关键参数对视错觉车速辨识综合影响分析

5．5．1 标线施划前后车速分析

5．5．2 眼动指标的分析

5．5．3 标线控速效果综合评价

5．6 本章小结

第六章 视错觉控速标线实车实验控速效果评价

6．1 道路直线段视错觉控速标线控速效果评价

6．1．1 标线施划前后车速分析

6．1．2 标线施划前后眼动指标敏感性分析

6．1．3 标线控速效果综合评价

6．2 道路曲线段视错觉控速标线控速效果评价

6．2．1 标线施划前后车速分析

6．2．2 标线施划前后眼动指标的分析

6．2．3 标线控速效果综合评价

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

附录