（交通运输规划与管理专业论文）基于视觉边缘率的驾驶员控速设计研究.pdf

武汉理r ：人学硕士学位论文 摘要 本论文以国家自然科学基金项目基于视觉光流率和边缘率的车速控制 理论与方法研究( 项目编号：5 0 7 7 8 1 4 2 ) 为依托。车速与事故强度有关，事故 数与车速差有关。而人的因素是引起交通事故的主因，在驾驶员获取信息中9 0 以上是视觉信息。驾驶员主要通过周边视觉信息来感知车速，然后对速度危险 性进行判断、决策、行动。可见，如何从事故主因、车速控制主体驾驶员出 发，改善其车速的视知觉信息，提前控制车速，实时地采取与道路线形相适应 的速度运行，对减少事故数和事故强度，具有重要的现实意义。路面控速标线 是交通安全设施中道路交通标线的重要组成部分，对引导和纠正驾驶员行为、 控制车速有明显的效果。作为低成本的改善措施，其成本较低，效果显著，更 能适应我国超速现象严重，事故率居高不下和经济资源有限的实情。 本论文首先讨论归纳了路面控速标线在国内外实验中和实地运用中情况， 论证了路面控速标线用于控制和调节速度的可行性，并总结了现有设计方法的 主要不足。根据边缘率定义，论文从时空频率角度对边缘率的内涵进行了深刻 解析，研究了时空频率对物理速度和感知速度的关系，进而得到边缘率对感知 速度的影响作用，阐明了边缘率对速度感知的作用机理。结合道路实际环境， 论文对边缘率在交通领域中的体现形式以及其度量方法和控制参数进行了提炼 和归纳，并确定了路面控速标线为边缘率在交通领域中的体现形式中最经济和 最可行的一种。论文研究了驾驶员在不同道路环境下的动态视觉特性，然后运 用车辆动力学、物体运动学，视觉边缘率感知车速的机理，联合心理物理学中 的韦伯定律，以及局部需要控制车速的典型路段( 如长直线段、长直线接小半 径曲线等) 的线形特征、空间特征、交通状况特征，分别确定了不同环境下的 车速与视觉边缘率的关系模型，提出了基于驾驶员视觉边缘率速度控制理论。 根据文中建立的基于驾驶员视觉边缘率速度控制理论模型，运用边缘率恒定、 逐渐增大两种速度控制设计方法，对路面控速标线进行设计。根据设计结果利 用3 d m a x 制作模拟实验场景的视频，对按照路面控速标线的模型设计出的路 面控速标线控速效果进行验证和对比分析，以进一步完善基于视觉边缘率的驾 驶员控速的理论与方法。 关键词：车速控制；韦伯分数；边缘率；边缘线 武汉理一l ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t s p e e di sr e l a t e dt ot h ei n t e n s i t yo ft h et r a f f i ca c c i d e n t ，a n ds p e e dd i f f e r e n c ei s r e l a t e dt ot h en u m b e ro ft r a f f i ca c c i d e n t s h u m a nf a c t o ri st h em a i nc a u s eo ft r a f f i c a c c i d e n t s ，t h e r ea r ea tl e a s t8 0 t r a f f i ca c c i d e n t si sr e l a t e dt ot h ed r i v e r m o r et h a n 9 0p e r c e n ti n f o r m a t i o ng a i n e db yt h ed r i v e ri sv i s u a li n f o r m a t i o n ，d r i v e r sg e tas p e e d p e r c e p t i o nm a i n l yt h r o u g ht h es u r r o u n d i n gv i s u a li n f o r m a t i o n ，a n dt h e nj u d g et h e d a n g e r so fs p e e d ，m a k ed e c i s i o n - m a k i n ga n dt a k ea c t i o n i t i so b v i o u st h a tt o i m p r o v ei t sv i s u a li n f o r m a t i o no fs p e e dp e r c e p t i o na n dc o n t r o lt h es p e e di na d v a n c e f r o mt h em a i nc a u s eo ft h ea c c i d e n t d r i v e r sh a v ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e o nr e d u c i n gt h en u m b e ro ft r a f f i ca c c i d e n t sa n da c c i d e n t si n t e n s i t y t h es p e e d c o n t o r lm a r k i n gi sa ni m p o r t a n tp a r to f r o a dt r a f f i cs a f e t yf a c i l i t i e s ，a n di th a se v i d e n t e f f e c t so ng u i d i n g , c o r r e c t i n gt h ea c t so ft h ed r i v e ra n dc o n t r o l l i n gt h es p e e d a sa l o w c o s ti m p r o v e m e n t s ，i t sl o w e rc o s t sa n dt h es i g n i f i c a n t l ye f f e c tm a k ei tb e c o m ea m e a s u r e m e n tt h a ta d a p tt ot h ec h i n as i t u a t i o nw i t hap e r v a s i v eo v e r s p e e dh ig h a c c i d e n tr a t ea n dl i m i t e de c o n o m i cr e s o u r c e s t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h es t u d ys i t u a t i o na b o u tr o a ds u r f a c es p e e dc o n t r o l m a r k i n g sa th o m ea n da b r o a d ，s u m m e du pt h ee f f e c t so ft h er o a ds u r f a c es p e e d c o n t r o lm a r k i n g si nf i e l de x p e r i m e n t s ，d e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h er o a d s u r f a c es p e e dc o n t r o lm a r k i n g sf o rt h ec o n t r o la n dr e g u l a t i o no fs p e e d ，a n df i n dt h a t l a c k i n go fd e s i g n e dt h e o r ya n dm e t h o df o rt h er o a ds u r f a c es p e e dc o n t r o lm a r k i n g s i s t h em a i nd e f i c i e n c yt h o u g t hs u m m i n gu pt h ea p p r o a c hs h o r t c o m i n g so ft h er o a d s u r f a c es p e e dc o n t r o lm a r k i n g sa th o m ea n da b r o a d a c c o r d i n gt ot h ed e f i n i t i o no f e d g er a t e , t h i sp a p e rm a d ead e e pa n a l y s i s o nt h ec o n n o t a t i o no fi tf r o mt h e p e r s p e c t i v eo ft e m p o r a la n ds p a t i a lf r e q u e n c y , s t u d i e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t e m p o r a lf r e q u e n c y , s p a t i a lf r e q u e n c y ，p e r c e p t u a ls p e e da n dp h y s i c a ls p e e d ，f u r t h e r g o tt h ee f f e c t so fe d g er a t eo ns p e e dp e r c e p t i o na n di l l u s t r a t e d t h ef u n c t i o n m e c h a n i s mo f e d g er a t eo ns p e e dp e r c e p t i o n c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a lc i r c u m s t a n c e o fr o a d ，t h ep a p e rr e f i n e dt h ee m b o d i m e n to fe d g er a t ei nt r a f f i ca r e a , d e t e r m i n e d t h a tr o a ds u r f a c es p e e dc o n t r o lm a r k i n g si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta n dm o s t 一 巫婆里! ；查堂堡主堂笪笙茎 一一 - - ，- 一_ - - _ - _ _ _ 一 e f 俺c t i v ee r n b o d i m e n to fe d g er a t e i n t r a f f i ca r e a , a n dt h u s d e t e r m i n e dt h e m e a s u r e m e n tm e t h o da n dc o n t r o lp a r a m e t e r so fe d g er a t e a c c o r d i n gt h er e s e a r c h a c h i e v e i n e n t sa b o u te x o g e n o u sa n de n d o g e n o u s e n v i r o n m e n tv a r i a b l ei nt r a f f i c p s y c h o l o g y ，e n g i n e e r i n gp s y c h o l o g y , t h i s p a p e ra n a l y s e d t h ed r i v e r sv i s u a l c h a r a c t e r i s t i c s ，m a d er e s e a r c h o nt h ed y n a m i cv i s u a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed r i v e r w h e nt h e yd r i v i n go nd i f f e r e n t r o a de n v i r o n m e n t a n dt h e nw i t ht h ev e h i c l e d y n a m i c s ，o b j e c t sk i n e m a t i c s ，m e c h a n i s mo fs p e e dp e r c e p t i o nb a s eo nv i s u a le d g e r a t e ，w e b e r t sl a wi np s y c h o p h y s i c sa n da l i g n m e n t c h a r a c t e r i s t i co ft y p i c a ll o c a l s e c t i o n st h a tn e e dt o c o n t r o ls p e e d ，t h ep a p e re s t a b l i s h e dt h em o d e lo f t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ee d g er a t ea n ds p e e d ，a n df u r t h e rp u tf o r w a r ds p e e dc o n t r o l t h e o r yb a s e do nt h e v i s u a le d g er a t eo f t h ed r i v e ru n d e rd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e s c o l l e c t i n gt h ea l i g n m e n tp a r a m e t e r so ft h et y p i c a ll o c a ls e c t i o n st h a tn e e d i n gs p e e d c o n t r 0 1 m a k i n ga n a l y s i so nt h e i ra c t u a lr u n n i n gs p e e d ，s a f e t ys p e e d ，a n da c c o r d i n g t ot h ed e s i g n e dm o d e la n dt h e o r yf o rr o a ds u r f a c es p e e dc o n t r o lm a r k i n g sb a s e do n t h ev i s u a le d g er a t e ，t h ep a p e rd e s i g n e dt h er o a ds u r f a c es p e e dc o n t r o lm a r k i n g sb y b o t hu s i n gc o n s t a n te d g er a t ea n di n c r e a s i n ge d g er a t e t h e nb u i l t t h es i m u l a t i o n v i d e os c e r i eb yu s i n g3 d m a x a n dt h ed e s i g nr e s u l t s ，v e r i f i e da n dm a d ec o m p a r a t i v e a n a l y s i so nt h ee f f e c to ft h er o a ds u r f a c es p e e dc o n t r o lm a r k i n g sd e s i g n e db yt h e m o d e la n dt h e o r yb a s e do nt h ev i s u a le d g er a t e ，f u r t h e r r e v i s e dt h ec o n t r o l p a r a m e t e r so ft l l em o d e la n dd e t e r m i n e d t h eo p t i m u mv a l u eo ft h ep a r a m e t e r s f i n a l l yi m p r o v e dt h et h e o r ya n d m e t h o df o rs p e e dc o n t r o lb a s e do nv i s u a le d g e r a t e k e yw o r d s ：s p e e dc o n t r o l ；w e b e rf r a c t i o n ；e d g er a t e ；e d g e l i n e 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) ：趁纽日期导师( 签名) ：彳奎垒之z 日期 武汉理工人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 视觉控速标线研究的意义 车速与事故强度有关，事故数与车速差有关。据2 0 0 2 年统计，我国所发生 的交通事故中直接原因为超速行驶造成，占总事故5 7 ，在事故原因中排第五 位；2 0 0 4 年，我国交通事故一次死亡3 人以上的交通事故中，有1 5 是由超速 引起；2 0 0 6 年全国查处的1 3 亿人次交通违法违规行为中超速占1 2 3 。我国 超速现象严重，控制车速及其差值是减轻事故强度、数量的关键。而人的因素 是引起交通事故的主因。根据同本有关资料，将近9 0 事故是由机动车驾驶人 和行人造成；美国有关权威报告指出，9 0 事故是由人的错误引起；在我国至 少有8 0 以上事故与机动车驾驶人有关。又有研究表明，在人的因素中，感知 错误占4 8 1 判断错误占3 6 0 ，反应错误占7 9 。在驾驶员获取信息中9 0 以上是视觉信息，驾驶员主要通过周边视觉信息来感知车速，然后对速度危险 性进行判断、决策、行动。可见，如何从事故主因、车速控制主体驾驶员 出发，改善其车速的视知觉信息，提前控制车速，实时地采取与道路线形相适 应的速度运行，对减少事故数和事故强度，具有重要的现实意义。 而针对我国交通现有实情，极度需要低成本改造。据美国2 0 0 6 年局部路段 低成本安全改善研究，视知觉降速等措施为低成本改善措施，比较符合我国国 情需要，而目前视知觉降速方法只有视知觉缩减车道宽一种，且降速效果差， 因此，符合人性化的视知觉速度控制法需另寻途径。边缘率是驾驶员重要的速 度感知源，实验证实了其能改善自我运动的视知觉速度估计水平，而视觉控速 标线又是视觉边缘率在交通领域的良好体现形式之一，其合理设计可让驾驶员 实时感到其车速存在危险性，且能产生真实车速高估、车距低估，改变长时间 行驶后产生的速度适应性缺陷，使驾驶员在经验车速、车距不变下，降低车速、 维持安全车距，是一种可行的低成本减速措施，能更好地满足我国目前交通安 全状况改善的需要。 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 2 问题的提出 为提高道路运行安全水平，现有的强制控制车速方法很多。从车出发的有 自适应巡航控制系统【i 剖、智能速度辅助系统【3 、新型车速裂引。从路出发可改 变道路线形；从驾驶员出发的有警告交通标志、触觉振动减速带、知觉缩减车 道宽、有威慑作用的超速抓拍系统，但各方法都尚存在一些较为明显的不足和 缺陷。智能速度控制法虽然先进，但在复杂的道路条件、交通条件下，不能完 全替代驾驶员的对车速的控制作用。自适应巡航控制系统对交通环境的扫描检 测、图像合成、状态危险性识别等耗时、成本高、实时性差，研究欠成熟；智 能速度辅助系统、新型车速表都需要详细的道路线形数据库和高精度的位置定 位，成本高，目前民用动态g p s 精度限制了其应用；振动减速是从驾驶员的触 觉出发，通过振动让驾驶员高速行驶时感到不舒服从而逼迫降低车速，但随着 车辆减振性能的提高减速效果可能会降低；限速标志由于驾驶员的遵守率低， 降速效果差；视知觉缩减车道宽因不是硬性缩减而降速效果差。超速抓拍系统 是事后处罚威慑法，不能进行事前预防。 以上强制控制车速法的控制角度、原理、效果、成本、适用性等都有差异。 强制控制车速及其差值方法须从人一车路环境综合协同进行，更重要的是要从 车速控制的主体驾驶员对车速控制的本质特性出发采取措施。而另一方面， 我国现有的交通实情和经济实情也决定了目前控制速度的方法极度需要低成本 改造措施。据美国2 0 0 6 年局部路段低成本安全改善研究，视知觉降速等措施为 低成本改善措施，比较符合我国国情需要。视知觉降速措施正好也是从车速控 制的主体( 驾驶员) 对车速控制的本质特性出发的措施，能够从根本上调节和 控制驾驶员感知速度的过程。合理的视知觉控速措施能够对控制车速及其差值 产生明显的效果。然而目前视知觉降速方法只有视知觉缩减车道宽一种，且降 速效果并不理想，可能的原因是驾驶员已了解知觉缩减车道的机理，已经意识 到道路的硬性宽度并没有变窄的事实，从而忽略了知觉缩减车道的影响作用。 因此，符合人性化的视知觉速度控制法需另寻途径。边缘率是驾驶员重要的速 度感知源，其能改善自我运动的视知觉速度估计水平，若合理设计可让驾驶员 在经验车速、车距不变下，降低车速、维持安全车距。视觉控速标线是视知觉 速度控制法的一种新兴的且较容易普及的低成本措施，也是视觉边缘率在交通 领域的良好体现形式之一。作为一种低成本的控速措施，视觉控速标线能更好 2 武汉理。1 ：人学硕七学位论文 地满足我国目前交通安全状况改善的需要，但是目前关于它的研究多局限于实 地试验，缺乏一套系统的理论与方法支撑，从而限制它控制速度作用的发挥和 实际运用的普及率。 本文的研究目的也在于针对我国交通安全实际情况，以及国内外对视觉边 缘率控速措施的研究和实际运用，来解析驾驶员基于视觉的边缘率控制车速的 机理，确定驾驶员视觉边缘率与车速的关系；建立基于驾驶员视觉的边缘率控 制车速的理论与方法，为提出一套适合我国国情的低成本减速措施提供方法指 导和理论支撑。 1 2 国内外研究现状 人们开始意识到和逐渐重视边缘率和光流率对视知觉速度控制的效用始于 波音7 4 7 的首次引进。该型飞机引进后，飞行员未意识到驾驶室高度的变化( 眼 睛高度变化) ，按照以往的经验驾驶，以致飞机起飞、着陆时滑行过快，有时会 导致起落架损坏。在交通中，首先有意识、有目的应用边缘率来减速的是d e n t o n ( 1 9 8 0 ) 在英国环行交叉口减速的应用，其设置了间距逐渐减小的横向标线使驾 驶员产生速度高估进而降低车速。统计数据表明，采取该措施后平均车速降低 了2 3 速度差降低了3 7 【5 j 。 边缘率在交通中“无意识”地进行速度控制的使用有很多。马萨诸塞州大 学( 2 0 0 4 ) 在强制减速设施研究中发现，在整个车道上铺设问距逐渐减小的横断 面线，可显著地降低车速 6 1 ；日本在9 0 年代早期，利用同宽逐段减小间隔的“人 字型知觉缩减车道进行了减速，且效果显著。1 9 9 7 年，美国在一个居民区的街 道上铺设了间隔逐渐减小的“人”字行路面标记，铺设一周后8 5 位车速减少 1 5 最高车速减少1 3 m p h ，两年后8 5 位车速减少5 1 在另外一处出口匝道 上也铺设了同样的路面标记，两月后8 5 位车速减少2 4 ，总碰撞减少4 3 ， 大货车碰撞减少8 6 ；r i c h a r d ( 2 0 0 0 ) 对出口匝道知觉缩减车道的路面标记( 实 质上知觉缩减车道和等间距边缘率的混合) 的减速进行了实验和评价，发现其 对小汽车和货车速度减少有很大影响，而小汽车和货车速度超过标志建议速度 比例也显著减少【7 】。s m a r tt g o d l e y ( 2 0 0 0 ) 等通过研究发现，等f j 距和间距逐渐 减小的横向标线和边缘线都能够起到降低车速的作用，且横向标线的减速效果 要优于边缘线【8 】。t a k a s h io g u c h i 等通过驾驶模拟器对驾驶员的速度感知进行了 3 武汉理t 大学硕士学位论文 研究，认为刺激物相对于驾驶员的角速度以及其出现的频率对驾驶员的速度感 知都存在影响，驾驶员的速度感知与角速度和刺激物出现的频率成正比，该研 究基于“驾驶员通过视角大于4 5 0 的视觉区域进行速度感知”的假设，该假设 有待进一步的验证1 9 j 。 k a t z ( 2 0 0 6 ) 设计了等间距与行车方向垂直的“人字型铺面标记( 在整个 车道上) 和知觉车道缩减路面标记( 在车道左右两侧，未贯穿整个车道，前者 实质上是光流率和知觉缩减车道，后者是知觉缩减车道和边缘率的混合，作者 注) ，且在干线路段上进行了实验，通过实地观测数据评价发现平均速度下降 6 k m h ，8 5 位车速下降8 k m h t l 0 】。2 0 0 4 年，美国在公路与铁路平面交叉的公路 引道中心线安装了7 0 - - - 1 0 0 t t 长等间距的立柱渠化设施( 立体边缘率，作者注) ， 发现汽车与火车的碰撞大大减岁1 。 美国研究委员会认为，路面标记理想间隔是减速失败时驾驶员应该看到更 多条数的路面标记，适当的减速时看见的路面标记数保持一个常数率【l 2 。w a l t e r ( 1 9 9 5 ) 在直升飞机驾驶模拟器开发中，运用仪表表面上光流率密度变化提示 引导飞行员高度重置和高度变化率控制，减轻飞行员在飞行高度变化时光流率 ( 视觉角速度) 与飞机速度成比例的误解，维持光流率密度为常数来改善在高 度变化期间高度的判断水平i l3 1 。中国佴晓东( 2 0 0 0 ) 研究了枕木对列车驾驶员 所产生的速度感( 枕木引起的速度感实质上等同于边缘率) ，指出人对物体运动 而产生的速度感实际上是一种与角度变化有关的角速度，司机对枕木运动而产 生的速度感大小与司机眼睛高度成反比，与视线俯角正弦平方成正出1 。 国内外在“边缘率”的“无意识”交通实践中，采用了等间距、逐段缩小 间距和逐条缩减间距三种设计理念，运用了立体和平面两种边缘率和光流率型 式，但对边缘率和光流率在公路上开发利用还没有进行专门深入地研究。理论 上，间距逐渐缩小的边缘率是理想的，若间距逐渐缩小，可保证逐渐减速后通 过驾驶员视觉的边缘率数量保持恒定或增大，将引诱驾驶员进一步降速，会取 得更大降速效果；而对于等间距而言，速度减少后通过驾驶员视野的边缘率降 低，驾驶员减速后将会加速，因此，等间距的边缘率降速效果会受到限制，这 在触摸实验中得到了证实。而实践中多用等间距，与理想状态相违背，可能是 交通界缺乏边缘率概念和其对速度控制机理的了解影响。人对间距的刺激感受 有上下阈限限制，在上下阈限内还具有差别阈刚”l ，边缘率长期降速效果低于 短期效果，可能是驾驶员视觉差别阈限的知晓所致。设想可根据具体道路环境 4 武汉理j = 人学硕十学位论文 特点，对边缘率密度和起始位置进行设计，使车速按照管理者期望和可控的方 向降低车速；另外，若能让驾驶员感受到边缘率的增大或者不变不是质地问距 变小所致，或许能提高长期降速效果，这些都需要进一步的理论研究和实验证 实。 1 3 研究内容及思路 1 3 1 研究目标 针对我国交通安全实际情况，以及国内外对视觉边缘率控速措施的研究和 实际运用，来解析驾驶员基于视觉边缘率控制车速的机理，确定驾驶员视觉边 缘率与车速的关系；建立基于驾驶员视觉的边缘率控制车速的理论与方法，为 提出一套适合我国国情的低成本减速措施提供方法指导和理论支撑。 1 3 2 主要研究内容 根掘研究目标，本课题主要做以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 现有控速措施的种类及各种措施效果、利弊 对安全控速措施的种类和研究成果进行总结和回顾，比较分析各种安全控 速措施的合理性与局限性，重点分析和总结国内外研究者在知觉控速措施方面 的已有成果以及新突破。结合国内外现有安全现状，提出了研究控速边缘线设 计理论的必要性。 ( 2 ) 视觉边缘率在交通领域无意识运用以及其度量方法 综述了视觉边缘率在交通领域中的运用现状，介绍国内外交通工程师在实 验和实地环境下运用视觉边缘率来调节和控制速度的短期和长期效果，阐明了 视觉边缘率控制速度的可行性。解析了视觉边缘率的含义，提炼了视觉边缘率 在交通领域中的体现形式，并确定边缘率在交通界的重要体现形式。基于边缘 率含义，结合边缘率的具体体现形式，确定了视觉边缘率的度量参数和度量方 法。 ( 3 ) 各种典型环境下驾驶员的动态视觉特性 了解驾驶员如何利用视觉来获取信息。以交通心理学知识为基础，研究车 速与视野、车速与最大观测距离的关系，探究驾驶员在各种典型路况环境下( 直 5 武汉理t 大学硕士学1 1 奇= 论文 线、曲线段) 下的动态视觉特性。考虑直线段和曲线段上车辆行车的差异性和 线形的差异性，分别确定驾驶员运行在其上时的注视点和有效视野范围，为后 续基于边缘率的驾驶员速度感知机理研究提供依托。 ( 4 ) 驾驶员基于边缘率的速度感知机理 根据边缘率含义，从时空频率的角度出发，解析了边缘率调节和控制车速 的内在机理，指出了边缘率间距的改变实质上就是空间频率的变化，通过调节 空l 日j 频率的大小可以来调节和控制感知速度，为后续建立控速边缘线的设计理 论与方法提供了理论指导和依据。 ( 5 ) 驾驶员视觉的边缘率车速的理论与方法 阐明韦伯定律内在含义，通过文献综述初步确定韦伯分数的合理取值范围， 并分析如何将韦伯定律引入到路面控速边缘线设计中。以边缘率控制车速的机 理为基础，用3 d m a x 制作了小汽车在高速公路上行驶时的边缘率实验影像， 采取迫选法设计了主观等同速度实验方案2 6 0 个，通过6 男2 女观测实验确定 边缘率合理取值范围。基于驾驶员基于边缘率的速度感知机理，根据边缘率概 念，物体运动方程，时间韦伯定律，以及各种典型路况下驾驶员的视觉特性和 运行要求，分别推导了驾驶员在舒适性匀减速下保持边缘率渐增或不变时的视 觉边缘控速标线的设计模型，通过模拟实验验证了按各模型设计出的路面控速 边缘线的效果。 1 3 3 研究思路 结合物理学、数学、工程心理学、交通心理学、车辆动力学等学科知识与 方法，在综合考虑驾驶员速度感知机理、驾驶员视觉特性的基础上，研究视觉 边缘率控制车速的具体参数( 控速边缘线的纹理间距) 与感知车速的关系，建 立设计控速边缘标线间距的数学模型，为不同道路条件下基于视觉边缘率的控 速标线的设计方法提供一些理论依据。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 调研及文献台阅分析困内外研究现状 l 筹嚣晏爰染心理ii 驾驶员视觉特性 征研究成果ii = | 写驶 员下 速j 视野 驾驶 员沣 愚) 3 分配 室内模拟 4 ；i r d 环境下驾驶员视觉特 缘率含义及度量 边缘牢现有实验发 ! j 分析 刁i 速 ，0 边 缘牢 关系 车速1 j 视觉边缘牢的 基奉关系式 视觉 边缘 率对 车速 影响 室 内 模 拟 实 验 基于视觉边缘率感知 车速的机理 车速j 视觉边缘率的 数学模型 边缘率速度控制参数确定 殆鞯铁路腭口r 能右钟嘉硼形击 图0 1 技术路线图 7 驶员速度感知模型 甲圈 嚣圈 武汉理l = 人学硕七学位论文 第2 章边缘率的体现形式和控制参数 视觉控速标线近些年来在国内外均受到高度重视，进入2 1 世纪后，美、日、 中及欧洲等国的学者和科研机构对视觉控速标线进行了实地试验研究，并在实 际道路上进行了诸多尝试，得到的效果也较为理想。由于视觉控速标线具有许 多传统交通安全控速措施无法比拟的优点，近年来它越来越多地被应用到工程 实践当中，为我国交通安全工程领域的研究指明了一个新的方向。 2 1 边缘率定义 边缘率是单位时间内穿过观察者视野边缘或间断的数目【1 6 1 ，如果纹理元素 问距已知，边缘率就能告诉观察者速度。在许多现实世界中，整体光流率与边 缘率是相关的，当边缘率( 纹理变细) 增大，观察者就会知觉到速度更高，其 定义如式( 2 1 ) 。 e r = v t x ( 2 - 1 ) 式中，e r 边缘率； v 速度； x 纹理元素的间距 图2 - 1 边缘率示意图 2 2 边缘率对速度感知的影响机理 边缘率对速度感知的影响一定程度上可以从时空频率上去解析，因为边缘 率间距的改变实质上就是空间频率的变化。 武汉理l ：火学硕十学位论文 2 2 1 时空频率的定义 ( 1 ) 空间频率的定义 具有时问周期变化规律的信号可用时问频率来度量。相应地，当信号在空 间距离上有着周期性变化时，可以用空间频率来度量。当空问变化周期固定时， 该周期的倒数就表示为空问频率，如图2 2 ，图b 的空间频率为图a 空间频率的 两倍。 即咖 ab 图2 2 空间频率示意图 ( 2 ) 时问频率的定义 图像序列的时间频率是指每秒钟图像明暗变化的次数，单位是h z 或者 c y c l e s s e c o n d 。 2 2 2 时空频率与物理速度的关系 设为变化的周期数，t 为个周期的观察时间，口为个周期的观察角， 矿的单位为度秒或弧度秒。则根据时间频率和空间频率的定义可得z = n t ， z = n a ，又y = a l t ，则可推得式( 2 - 2 ) 。 ， 矿：巫( 2 2 ) s 式中，y 为物理速度；，为时间频率；z 为空间频率。 由式( 2 2 ) 可知，物理速度为时间频率与空间频率之比。 2 2 3 时空频率对感知速度的影响 时空频率除了与物理速度有关外，其与感知速度联系也很密切。物理速度 一定的情况下，空间频率越大，驾驶员单位时间通过的标准刺激( 如车道边缘 线单元、行车道两旁的绿树) 也会越多，鉴于驾驶员通常通过相对位置的变化 来判断自身运动状态，单位时间通过的标准刺激越多的现实往往会给驾驶员车 9 武汉理i ：人学硕七学位论文 速过高的错觉。s h e n 通过对实验数据的拟合得到了感知速度与时空频率的关系 模型【1 7 】。 ：t 1 z h ：告 ( 2 3 ) js 式中，圪为感知速度，v 为物理速度，z 、，分别为刺激物的时问频率和 空问频率，力为拟合所得到的参数，一般n 1 。 由式( 2 3 ) ，空间频率可以影响感知速度的大小。同等条件下，空间频率 越大，边缘率会越大，感知速度也越大。 2 3 边缘率在交通领域中的体现形式及参数形式 边缘率在交通中已无意识地发挥很久的作用。例如行车道两侧的行道树， 两侧的间隔式护栏，以及路面上铺设非连续路面标线，除了构成道路的周边环 境要素外，还是驾驶员视觉信息的重要来源之一，很大程度上影响着驾驶员对 速度感知的感知作用。总的来说，道路环境中由非间断、重复性的单元组成的 要素，都可以被驾驶员选作为参照物来判断自身运行速度，也都是边缘率在交 通领域中的体现形式。实际道路环境中符合这种要求的对象很多，其中路面标 线中的边缘线作为可调控的安全措施，因其普及度广、可接受度高，成本低等 优点，逐渐成为边缘率在交通领域的主要体现形式之一，也开始成为各国交通 界学者和管理人士优先采用的安全措施。 作为边缘率在交通领域的主要体现形式，车道边缘线同道路上设置的各种 路面标线一样，一方面可以向驾驶员提供必要的信息，便于人车环境系统的 互馈式交流，另一方面也可以在改善道路环境的基础上调节和引导驾驶员行为， 如加减速，保持车距，车道保持等，提高和保障行车安全性。 对于车道边缘线，主要通过控制其标线单元的间距参数( 也即纹理间距) 来调节空间频率的大小，进而改变边缘率的大小，从而调节和控制驾驶员感知 速度的大小，发挥标线的控速作用。因而本文选择边缘线标线单元的间距作为 边缘率的控制参数。鉴于此种设置模式下的车道边缘线能发挥良好的控制和调 节速度的作用，因此将其称为控速边缘线，这与国外目前控速措施试验研究的 热点o p t i c a ls p e e db a r 有类似的作用。 1 0 武汉理j ：人学硕+ 学位论文 2 4 本章小结 从边缘率的含义出发，本章从时空频率角度解析了边缘率对车速感知的影 响机理，在此基础上归纳视觉边缘率在交通领域中的运用现状，指出行车道两 侧的行道树，两侧的i 日j 隔式护栏，以及路面上铺设非连续路面标线等道路周边 环境的构成要素，不仅是驾驶员视觉信息的重要来源之一，也是边缘率在交通 领域的具体体现形式，接着总结边缘线为视觉边缘率在交通领域中最可行和最 经济的表现形式之一。在此基础上，论文进一步提炼出边缘率密度( 也即边缘 线纹理问距) 作为边缘率的控制参数，为后续路面控速标线的设计理论和方法 研究提供了理论基础。 武汉理【：人学硕+ 学位论文 第3 章直线路段控速边缘线设计模型 驾驶员行车过程是人车路交互的过程。行驶过程中除了受到诸如路的线形 特征和车的动力特性的等外界环境的影响，其中人的心理和生理状态也是需要 考虑的重要因素。控速标线是通过改善驾驶员行车环境进而影响驾驶员心理生 理活动过程，从而控制其行为的过程。因而，在研究控速边缘线的设计方法和 理论时，应该综合考虑人机环境的动态交互影响作用，在考虑驾驶员影响行车 过程的驾驶员视觉特性，以及车辆的在路上的行车状念的基础上，结合视觉边 缘率影响车速感知的机理，来建立控速边缘线的设计模型。考虑到直线段与曲 线段线形和驾驶员行为均存在较大的差异，论文将直线路段和曲线路段的控速 边缘线的设计模型和理论方法分开进行讨论与分析。本章主要研究直线路段控 速边缘线的设计模型和理论方法。 3 1 直线路段驾驶员视觉特性和行车状态分析 交通心理学研究指出，驾驶员注视点和视野与车速高度相关。车速为4 0 k m h ，注视点在车前1 8 0 m 处，视野范围可达8 0 。1 0 0 。；当车速达6 0k m h 时， 注视点在车前3 2 5m 处，视野范围则缩小到7 5 。；如车速达7 0k m h 时，视野 范围只有6 0 。；如车速提高到1 0 0k m h ，视野范围就只有4 0 。了【1 8 1 。 m o u r a n t ” ( 1 9 7 0 ) a n dr o c k w e l l t 2 0 1 ( 1 9 7 2 ) 等人在7 0 年代先后对驾驶员行驶过 程中眼动行为进行了研究。研究结果表明，当驾驶员右转时，驾驶员很可能直 接看着车道中心标志，但是左转时，驾驶员更多时候观察左边边缘线，直线段 行使时，驾驶员看着地平线。中心标志是通过驾驶员周围视力感知的。t a k a s h i o g u c h i ，m a s a s h in i g o r i s a w a ，r y o u i c h ik o n u m aa n ds h i g e n o r is h i k a t a 2 l j 通过一系 列实验研究了视觉环境对驾驶员车速感知影响。研究发现视觉刺激的频率是影 响驾驶员感知车速的一个重要因素，越近的视觉刺激看起来速度更快。通过的 实验结果他们还提出一个假设“驾驶员是通过视野范围内大于4 5 度的区域来感 知车速的”。这个假设与s h i n a r s t 2 2 1 实验“感知车速是由与焦点分离的边缘视觉形 成的 一致( s h i n a r , 1 9 7 8 ) 。 r o g e r s 2 3 】( 2 0 0 5 ) 研究了驾驶员在直线段行车和制动阶段的眼动行为，经 过研究其发现：在直线段行车时，驾驶员的眼动行为与驾驶熟练程度和车速密 武汉理j 人学碗 学付论文 切相关。随着1 迷的提高驾驶员的注视范围逐步缩小( 如图3 - 1 ) ，驾驶员 的注意力更加集叶于道路中心线和水i f 线交扩的点( t h ec e n t e ro f t h er o a d w h e r e i t m e t t h eh o r i z o n ，简称为c o r h ) ，驾驶员注视点偏离c o r h 的、f 均水甲和竖 直距离逐步减小( 如图3 - 2 ) ；驾驶员的注视范围随着驾驶熟练程度的提高而 存在一定程度地放大，高度熟练驾驶员的注视点偏离c o r h 的平均水平和竖直 距离 中等熟练驾驶员 不熟练驾驶员( 如图3 - 2 ) 。处j 制动阶段时，驾驶员的 注视范围始终保持在很小的范围，j 一要集中于c o r h ，此时车速和驾驶熟练程 度对驾驶员注视范围的影响根小，如图3 - 3 。 ：二囊 幽3 - 1 直线段行驶时驾驶员的注意力分布图 图3 - 1 中f r e q u e n c yk e y 表示注视点落在该k 域内的频率与虽大频率的比 值，其中，圈a 为表示高度熟练驾驶员( 驾龄超过1 年，高速行驶时长大y - 1 0 0 小时) 的眼动行为，图b 表示中等熟练程度( 驾龄超过1 年，高速行驶时长小 于1 0 小时) 驾驶员的眼动行为，幽c 表示不熟练驾驶员( 没有获得驾驶执照) 的跟动行为。 ：= 一 乏壬 图3 - 2 直线段上行驶时驾驶员注视点偏离c o r h 的水平距离与竖直距离，横 坐标代表不同的车速图 武汉理1 人学硕十学忙论文 其t h 罔3 2