面向色覺異常人群的機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈設(shè)計(jì)研究

范騰飛 蔣陽升 范文博

西南交通大學(xué)，交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，成都 610063

1 研究背景

色覺異常是指無法正確感知、區(qū)分部分或全部顏色的缺陷，又稱色覺辨認(rèn)障礙。其中，紅綠色辨認(rèn)障礙較為常見，嚴(yán)重者稱為色盲，而對(duì)顏色辨別差則稱為色弱。目前，男性色覺異常在我國(guó)的發(fā)生率4.71±0.074%、女性為0.67±0.036 %[1]。按此數(shù)據(jù)估計(jì)，我國(guó)色覺異?；颊呒s有6000 萬人。根據(jù)我國(guó)《機(jī)動(dòng)車駕駛證申領(lǐng)和使用規(guī)定》，紅綠色盲者不能獲取機(jī)動(dòng)車駕駛執(zhí)照，而對(duì)色弱者則并無明確規(guī)定[2]。是否為紅綠色盲，現(xiàn)行的做法通常是采用俞自萍色盲檢查本來判定。這一方法主觀性較大，不能定量測(cè)定，可能出現(xiàn)漏判或誤判[3]。此外，在一些中小城市，存在一些違規(guī)獲取駕照現(xiàn)象[4]。這都導(dǎo)致了部分色盲者流入機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)巳?。色弱者雖有可能獲取機(jī)動(dòng)車駕駛證，但其色彩辨認(rèn)能力受實(shí)際交通環(huán)境顯著影響。在路況復(fù)雜、背景光源干擾、光線強(qiáng)弱變化或空氣透視不良等情形下，色弱駕駛者可能存在識(shí)別信號(hào)的困難。保守估計(jì)，我國(guó)色覺異常駕駛?cè)藛T約占總駕駛員數(shù)的 1%，其中紅綠色盲者約占0.1%。這比例在中小城市可能更高。

實(shí)際上，色覺異常駕駛者雖然有信號(hào)顏色辨識(shí)困難，但也并非完全無法獲得信號(hào)信息。按照《道路交通信號(hào)燈設(shè)置與安裝規(guī)范》規(guī)定，我國(guó)機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈的安裝標(biāo)準(zhǔn)是紅黃綠燈從左到右排列，或者按此順序從上到下排列為垂直信號(hào)燈[5]。因此，色覺異常者可以通過亮燈信號(hào)的排列位置來獲取交通信號(hào)。然而，實(shí)際情況比較復(fù)雜，許多城市的交通信號(hào)燈安裝設(shè)置并不規(guī)范，有時(shí)還采取單光源來表示紅黃綠交通信號(hào)。即便是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)設(shè)備，在一些情況下（如夜間、雨雪天、霧天或揚(yáng)塵），也很難采用位置來辨別交通信號(hào)。以上困難，可能導(dǎo)致色覺異常駕駛?cè)藛T誤判交通信號(hào)，產(chǎn)生較大的安全隱患。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)色覺異常人群的交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)解決方案可分為3 種：（1）標(biāo)準(zhǔn)化的信號(hào)燈排列和信號(hào)顯示模式，使色覺異常者通過信號(hào)燈顯示位置判斷信號(hào)[6]；（2）改變?cè)薪煌ㄐ盘?hào)燈的形狀，如加拿大的一些省份將紅色信號(hào)燈改為方形，黃色信號(hào)燈改為菱形，綠色信號(hào)燈保持圓形不變；（3）改變?cè)行盘?hào)燈的顏色，如用琥珀色代替黃色或向綠燈中加入一些藍(lán)[7]。美國(guó)絕大多數(shù)地區(qū)使用橙紅色作為“停止或等待”的信號(hào)燈顏色，淺藍(lán)色作為“通行”的信號(hào)燈顏色。第1 種解決方案為美國(guó)交通控制設(shè)施設(shè)計(jì)手冊(cè)（Manual of Uniform Traffic Control Device,MUTCD）的標(biāo)準(zhǔn)，也是世界上絕大多數(shù)國(guó)家的交通信號(hào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是色覺異常者僅通過信號(hào)燈顯示位置判斷信號(hào)存在安全隱患，且不適用于單燈源信號(hào)。第2、3 種解決方案都需要進(jìn)行信號(hào)設(shè)備改造。其中，第2 種方案會(huì)造成光輸出的變化，影響可視距離[6]。第3 種方案需對(duì)現(xiàn)有信號(hào)設(shè)備進(jìn)行改造，添加色比例控制要求較高，成本較高，對(duì)正常人識(shí)別信號(hào)燈也會(huì)一定造成影響。

因此，本文提出一種新的解決方案，在現(xiàn)有信號(hào)燈的基礎(chǔ)上增加輔助燈，通過顏色組合、形狀對(duì)比和位置設(shè)置來輔助色覺異常者辨別交通信號(hào)，提高不良可視環(huán)境下信號(hào)的可辨識(shí)度。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)與原理

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

在機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈配色及組合方式的設(shè)計(jì)上尋求一種較經(jīng)濟(jì)可行的解決方案，實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)目標(biāo)：

（1）盡量減少對(duì)正常人識(shí)別機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈的影響，避免對(duì)原有信號(hào)燈的形狀或顏色進(jìn)行更改。

（2）輔助色覺異常駕駛者辨識(shí)機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈。利用色盲人群可識(shí)別的顏色，結(jié)合信號(hào)組合，使色覺異常人群能夠準(zhǔn)確的判斷交通信號(hào)燈。

（3）在不良可視環(huán)境下提高信號(hào)燈的可辨識(shí)度。通過增加光源、增強(qiáng)顏色和形狀對(duì)比等多種途徑，強(qiáng)化安全系數(shù)，消除交通隱患。

（4）節(jié)省成本。盡量減少對(duì)現(xiàn)有設(shè)施的物理改造，避免人力、物力、財(cái)力上的浪費(fèi)，提高成本效益。

2.2 設(shè)計(jì)原理

任何人包括色覺異常者均能感知色彩亮度的變化，甚至色覺異常者要比正常人更為敏感。從色彩模型的空間立體角度分析，并基于面向色盲人群的 RBG 色彩模型[8]，本文針對(duì)機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈的配色，利用Color Schemer Studio 軟件模擬色覺異常者所見光譜和設(shè)計(jì)比較不同的配色方案，求出效果最佳的一組作為輔助信號(hào)燈的配色方案。通過輔助燈與原有信號(hào)燈的組合，效果達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)色覺異常者的生理特征[1,9-11]，選取靠近色覺異常者所見光譜中所見亮點(diǎn)位置的RGB 值。通過Color Schemer Studio 軟件模擬色覺異常者所見光譜圖如圖1 所示。在紅色光范圍中選取R=255，G=219，B=0 的顏色（A1）作為紅色信號(hào)燈對(duì)應(yīng)輔助燈顏色，該顏色與紅綠色盲眼中的綠色較為接近，因而需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整為R=255，G=135，B=0 的顏色（A2）作為色覺異常者的停止信號(hào)顏色（見表1）。

圖1 可見光譜Fig.1 Visible spectrum

表1 不同視覺異常對(duì)比Tab.1 Comparison among different color-vision deficiencies

根據(jù)色覺異常者的生理特征，通過 Color Schemer Studio 軟件模擬色覺異常者所見光譜圖，使用白色光作為第二種顏色。由于空氣污染或天氣惡劣等原因，白色光會(huì)向橙黃色偏移，與前一種R=255，G=135，B=0 的顏色（A2）相接近，同時(shí)，色覺異常者容易將綠色與白色相混淆，因此，選取R=190，G=190，B=190 的顏色（B1）作為黃色信號(hào)燈對(duì)應(yīng)輔助燈顏色。該顏色R、G、B 值相等，為灰色。為區(qū)別于已選顏色及原信號(hào)燈顏色，考慮在藍(lán)色光與綠色光之間范圍內(nèi)選擇第三種顏色。通過Color Schemer Studio 軟件模擬色覺異常者所見光譜圖，選取R=0，G=140，B=255 的顏色（C1）作為第三種輔助燈顏色。該顏色具有較高的亮度，并將該顏色作為色覺異常者的通行信號(hào)顏色（見表1）。在Color Schemer Studio 中對(duì)選出的三種顏色與原有信號(hào)燈顏色進(jìn)行模擬對(duì)比分析，確定方案在正常人及色覺異常者的視覺感受中不會(huì)相互影響。方案選用更節(jié)能、壽命更長(zhǎng)的LED 光源，但鑒于LED光源難以實(shí)現(xiàn)灰色（B1）[12-14]，方案決定取消黃色信號(hào)燈對(duì)應(yīng)的輔助燈。初步選定兩種輔助燈的顏色（A2 和C1）與原有信號(hào)燈進(jìn)行組合。

圖2 信號(hào)燈組合狀態(tài)Fig.2 Combination of the signal lights

為了更易區(qū)分，輔助燈選用矩形設(shè)計(jì)以增加與現(xiàn)有交通信號(hào)燈的對(duì)比效果。輔助信號(hào)燈的同步顯示可通過接入現(xiàn)有控制電路來實(shí)現(xiàn)[15]。圖 2 基于GB14887 的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[16]，給出直徑300 mm 的機(jī)動(dòng)車交通信號(hào)燈橫排、豎排及單燈源信號(hào)燈的組合設(shè)計(jì)方案。其他形式的交通信號(hào)燈可根據(jù)情況調(diào)整安裝位置或形式。其中，建議輔助燈尺寸為 300 mm×100 mm，與信號(hào)燈圓心距離為250 mm～350 mm 為宜。圖3 仍以直徑300 mm 橫排交通信號(hào)燈為例，它給出信號(hào)的顯示方式示意。當(dāng)紅色信號(hào)燈亮起時(shí)，下方的長(zhǎng)方形信號(hào)燈同時(shí)亮起。其他兩種狀況與此類似。

圖3 信號(hào)燈顯示模式Fig.3 Display modes of the signal lights

4 模擬實(shí)驗(yàn)與成本比較

4.1 模擬實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證方案效果，在3ds Max 軟件中建立機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈模型并賦予相應(yīng)材質(zhì)及顏色，模仿自然狀態(tài)下道路交通場(chǎng)景（見圖4），渲染效果圖并使用Vischeck 軟件將得到的效果圖進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 場(chǎng)景模擬Fig.4 Scene simulation

經(jīng)過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在綠色盲模式下，R=255，G=135，B=0 的顏色（A2）較暗，調(diào)整為R=255，G=160，B=0 的顏色（A3）。重新驗(yàn)證，得到了較好的改善效果。隨后，選擇50 名視覺正常的成人進(jìn)行模擬信號(hào)燈的識(shí)別測(cè)試。模擬城市交叉口，觀察點(diǎn)距離交叉口信號(hào)燈 30 m 處的場(chǎng)景（顯示比例1:50）。測(cè)試者雙眼距離屏幕60 cm，屏幕上顯示單個(gè)信號(hào)燈的直徑為 6 mm，信號(hào)燈相位隨機(jī)顯示。測(cè)試時(shí)，為避免測(cè)試者生理和心理疲勞，每隔 5 s測(cè)試一次，每完成50 次休息5～10 min，每人共測(cè)試200 次。測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。

在未改變?cè)薪煌ㄐ盘?hào)燈，不影響正常人的視覺習(xí)慣的前提下，色覺異常人群能夠通過信號(hào)光源顏色組合，形狀對(duì)比及位置設(shè)置三個(gè)方面判斷交通信號(hào)燈，識(shí)別時(shí)間和識(shí)別正確率均有較大提升。

于是，方案確定了色覺異常者的兩種交通基色（A3、C1），并分別作為紅色信號(hào)燈對(duì)應(yīng)的輔助燈色和綠色信號(hào)燈對(duì)應(yīng)的輔助燈色。將這兩種顏色的單色光輔助燈與原有信號(hào)燈進(jìn)行組合得到新的交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)方案（見表3）。

表2 測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results

表3 方案效果模擬Tab.3 Simulation of the proposed designs

4.2 成本比較

許多小型交叉口采用的單燈源信號(hào)燈。如果采用換裝原有信號(hào)燈的方案（如前文介紹的方案2 和方案3），所耗費(fèi)的資金將是采用本方案設(shè)計(jì)的3 倍左右。

方案設(shè)計(jì)的單個(gè)輔助燈發(fā)光二極管的數(shù)量約為正常單個(gè)信號(hào)燈的一半，一個(gè)燈組只需兩個(gè)輔助燈，而單光源信號(hào)燈則只需安裝一個(gè)輔助燈即可。以成都市為例，繞城高速公路以內(nèi)的主要交通路口有800多個(gè)，每個(gè)路口的機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈平均為4.5 個(gè)，另有

5 結(jié)束語

為了輔助色覺異常人群辨識(shí)信號(hào)燈信息，本文根據(jù)我國(guó)的信號(hào)燈設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)了輔助燈源并進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：由于色覺異常者對(duì)于顏色差別、顏色飽和度的辨別強(qiáng)于正常人，本設(shè)計(jì)方案對(duì)于大多數(shù)的色覺異常值是有效的、可識(shí)別度較好。此外，本設(shè)計(jì)方案不需要對(duì)現(xiàn)有信號(hào)設(shè)備進(jìn)行更換，經(jīng)濟(jì)可行性較好。綜合而言，本設(shè)計(jì)方案在現(xiàn)有技術(shù)條件下具有較好的應(yīng)用前景，有助于提高道路交通安全水平。接下來，應(yīng)進(jìn)行小規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)本方案的實(shí)際效果。在條件成熟時(shí)，可參考美國(guó)交通設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范（僅要求商業(yè)司機(jī)非紅黃綠色盲）[5]，補(bǔ)充完善我國(guó)的相關(guān)規(guī)范，使得色覺異常者（包括紅綠色盲者）合法地申請(qǐng)駕照。

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