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Transportation Research Procedia 14 ( 2016 ) 4364 – 4373
6th Transport Research Arena April 18-21, 2016
Influence of human behaviour on geometric road design
Marko Čičković a,*
aTechnische Universitauml;t Darmstadt, Otto-Berndt-Straszlig;e 2, Darmstadt 64287, Germany
Abstract
Regarding the annual accident statistics, it becomes evident that the amount of deadly accidents decreased steadily throughout the last decades, whereas the amount of accidents itself remained fairly constant. Therefore one can draw the conclusion that the improvement of passive safety systems is the crucial, impact-inhibiting factor. Hence the next step should take us to the contemplation on how we can eliminate the occurrence of accidents. Taking the psychology into account may be one possible approach on this subject.
The content of the thesis, which is the foundation of this abstract, is a capacious, international literature research. More than 450 sources have been analysed, containing the scientific fields of road design, behavioural psychology, gestalt psychology, ergonomics and the evolution of the technical codes.
First and foremost, it is necessary to understand the concept of decision-making during a driving-task. The idea of a conscious and rational decision-making while driving is merely wishful thinking and has nothing to do with the actual processes. When we take the performance-model of Rasmussen into consideration, then we have to admit that the actual human performance is taking place in the skill-based area (Rasmussen, 1983), i.e. human operators do not think deliberately about every single action by considering every single possible input, but rather scan unconsciously their environment for hidden signals, which are supporting a certain type of action – human operators are always prone to errors (Kahneman would call this conceptual pair “heuristics and biases”). As a consequence, the road space should be designed according to the expectation the driver has about the forthcoming characteristics. In order to describe gestalt-psychological weaknesses of spatial road alignments, the driverrsquo;s perspectival view was analysed and divided into several key points and key directions, whose arrangement allow conclusions on how the imperfections emerge and how they influence the driverrsquo;s evaluation of the road space ahead.
* Corresponding author. Tel.: 49(0)6151-16-23819; fax: 49(0)6151-16-23811. E-mail address: mcickovic@sw.tu-darmstadt.de
2352-1465 copy; 2016 The Authors. Published by Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).
Peer-review under responsibility of Road and Bridge Research Institute (IBDiM) doi: 10.1016/j.trpro.2016.05.358
copy; 2016 The Authors. Published by Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license copy; 2016The Authors. Published by Elsevier B.V..
(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).
Peer-review under responsibility of Road and Bridge Research Institute (IBDiM).
Peer-review under responsibility of Road and Bridge Research Institute (IBDiM)
Keywords: road design; human factors; Gestalt psychology; road safety; heursitics
1. Introduction
The process of driving is a constant process of interaction. The human within the vehicle takes in sensory perceptions and processes them. Besides the visual perceptions of the surrounding road space (road, planting, traffic, buildings, interior), the driver is also exposed to other perceptions (auditory, vestibular, sensory, olfactory, gustatory), whereby the visual perception dominates over the other perceptional input. The amount of incoming information is enormous. The amount is approximately 1011 bit/s, but only 16 bit/s reach the awareness (Durth, 1974). This flow of data is being visualised in the following figure:
Fig. 1. Flow of information and its volume (Durth, 1974).
Considering the enormous amount of incoming information, the question arises, whether and in how human beings are capable of completing complex and prolonged actions, e.g. driving, without making errors. In order to answer this question, a citation of Dawkins (2006) can be considered:
“When a man throws a ball high in the air and catches it again, he behaves as if he had solved a set of differential equations in predicting the trajectory of the ball. He may neither know nor care what a differential equation is, but this does not affect his skill with the ball. At some subconscious level, something functionally equivalent to the mathematical calculations is going on. Similarly, when a man takes a difficult decision, after weighing up all the pros and cons, and all the consequences of the decision that he can imagine, he is doing the functional equivalent of a large lsquo;weighted sumrsquo; calculation, such as a computer might perform.” (Dawkins, 2006)
Thus, the human being is subconsciously able to identify and solve many problems. Therefore, there is no need for the entire amount of the incoming information. The human brain differentiates between necessary and unnecessary information and initiates the correct measures.
Concerning the geometric design of roads it has to be stated that the multi-dimensionality of the external influences is characterising the driver behaviour. The main purpose of this paper is therefore to characterise the process of human behaviour – in general and within the context of the driving situation. After this brief characterisation, the essentials are being transferred into the field of geometric design by postulating some general principles that should be followed, in
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人类行为对道路几何设计的影响
摘要：对于每年的事故统计，显而易见的是，致命事故的数量在过去的几十年里稳步下降，而事故本身的数量仍然相当恒定。因此我们可以得出结论，被动安全系统的改进是决定性的，影响的抑制因子。因此，下一步我们应该考虑如何去消除事故的发生。心理学可能是一个应对这个问题的方法。
本论文的内容，是基于广泛的、国际性的文献研究。通过对超过450个来源进行的分析，包含科学领域的道路设计，行为心理学，格式塔心理学，人机工程学和技术代码的演变。
首先，有必要了解人们在驾驶过程中做出的决策的想法。开车时能全凭自觉做出理性决策只是人们一厢情愿的想法，而实际情况并不是这样。当我们把拉斯穆森绩效模型考虑在内时，我们不得不承认，人的实际表现在基于技能的地区发生（拉斯姆森，1983年），即驾驶员们不想细致考虑每一个行动所应该做出的每一种可能的反应，而是无意识地扫过那些隐藏的信号，驾驶员们总是在这一类型的行为上出现事故（卡尼曼称这对概念为“启发式和偏见”）。因此，道路空间的设计应根据司机所期望的即将到来的特点来做。为了描述道路行驶中驾驶员的心理弱点，我们从驾驶员的视角出发进行分析，分为几个关键点和关键方向，可以得出关于缺陷是如何出现的结论，以及它们是如何影响驾驶员对前方道路空间的评估的。
1.简介
驾驶过程是一个不断互动的过程。车内的人们会感受到并加以处理。除了对周围道路空间（道路，种植，交通，建筑物，室内）的视觉感知外，驾驶员还暴露于其他感知（听觉，前庭，感觉，嗅觉，味觉），即视觉支配其他感知输入。输入信息的数量是巨大的。大约是1011比特/秒，但只有16比特/秒达到了意识（杜尔特，1974年）。可视化的数据流如下图所示：
图1. 信息流量及其体积（杜尔特，1974年）
考虑到大量的输入信息，现在问题就出现了，人类是否以及如何能够完成复杂和长期的行动，如驾驶而不犯错误。为了回答这个问题，我们可以考虑引用道金斯（2006年）的观点：
当一个人将球抛向空中并再次接住时，他的行为就好像他已经解决了一组微分方程来预测球的轨迹。他可能既不知道也不关心微分方程是什么，但这并不影响他的技能与球。在某些潜意识层面，功能上等同于数学计算的东西正在进行。同样，当一个人做出一个艰难的决定，权衡所有的利弊，以及所有可以想象的决定的后果，他所做的功能相当于一个大的“加权总和”计算，如计算机可能执行。“（道金斯，2006年）
因此，人类在潜意识中能够识别和解决许多问题。 所以，不需要输入信息的全部数量。 人脑可以区分必要信息和不必要的信息，并采取正确的措施。
关于道路的几何设计，必须指出的是，外部影响的多维度能用来描述驾驶员的行为。 因此，本文的主要目的是描述人类的行为过程即一般情况下和驾驶状况。在简要描述之后，通过假设应遵循的一些一般性原则，将要点转移到道路的几何设计领域方面，以实现“道路的心理几何设计”。 然后通过提供道路的空间线性的评估技术来指明这些一般性原则。
2．人类行为
2.1．交通是一种特殊的行为状况
道路本身可以理解为交通之路，也可以作为沟通的渠道。人类的行为正在这个渠道或道路中进行，因此对人类有影响 - 它可以被看作是人类互动的社会空间。但是，这种通信与其他社交空间有着显著不同，因为每一个的沟通伙伴都位于其独立于外的车辆中，不能直接与其他参与者沟通。此外，道路空间与驾驶员之间还存在通信通道。道路空间必须传递其属性，以便司机可以选择正确的驾驶风格。如果不是这种情况，可能会出现事故的潜在危险，这对司机而言是未知的。因此，对通信渠道进行彻底的分析至关重要，以提高道路空间传输信息的明确性，同时提高道路安全性
2.2．模型辅助描述人类行为
为了描述人类的决策，人们必须清楚自己的决策过程。 在经济学中，可以考虑到决策理论方法，以便于描述情况，确立标准和给出替代方案。 但是在驾驶过程中，无限量的标准和替代方案使驾驶员无法对其进行调查并作出决定。 决策过程不是基于彻底的考虑，而是可以被描述为直接决定或更科学的启发式。 这些规则可以解释为明确的必要条件，可以用以下公式表达：
x以这样的方式快速到达您的目的地。
x以这样一种方式减少风险。
x以最大化驾驶乐趣的方式行事。
图2.驾驶员绩效三层模式（拉斯姆森，1983年）
这类枚举是无止境的，但是在整个驾驶过程中，驾驶员根据他的决定而没有决策树和彻底的考虑，。 这些必要条件可以被视为驾驶员在驾驶时作出的每个决定的指导方针或标题。 因此，驾驶员也容易犯错误，即信息量以这种方式受到限制，重要的信息可能会被隐藏或误解 –导致结果是错误的。 这就是为什么信息对驾驶员无比重要。 此外，信息不得含糊或误导。
驾驶过程在很大程度上可以被理解为自动化的过程（乔治，2000年）。 车辆被人们的潜意识和“反射”所操控（施密茨，1958年）。 在这种情况下，反射意味着驾驶员采取的措施只是由感官印象造成的，仅限于驾驶过程，而不是意味着其他措施或行动。
关于人的意识方面，行为本身可以简化为三层模式。 拉斯穆森（1983年）详细阐述了这三层模式，将行为过程按照其对意识的需求量进行划分以便做出决策（见图2）。
黑尔，奎斯特和斯杜普（1988年）将此模型描述如下：最高层（基于知识的行为）需要最高的意识来做出决定，因为所提供的任务是新的或非常复杂的，所以人们不能靠着自动模式完成。第二层（基于规则的行为）要求稍微减少意识，因为所提供的任务在过去已经得到解决，但并不足够，因此人们需要找到解决方案才能完成任务。所以意识不是直接用于解决问题本身，而是去分类问题，找到过去解决的有助于解决问题的任务。第三层（基于技能的行为）可以被描述为无休止的循环往复。任务和行动正在使用记忆的工作流程完成，并且在潜意识中进行。因此，驾驶可以被认为是一种基于技能的行为，因为驾驶任务只是一个常规任务，只在在紧急情况下才要求人们的意识反应。
查尔顿和斯达克（2013年）研究了驾驶在熟悉道路上对驾驶质量的影响。 他们准备了一个模拟器课程，其中测试对象在相同的轨道上开动了几次。 经过一定数量的通道后，轨道被稍稍改变（建筑物被拆除，景观修改，警告标志被删除或添加，结果如下：
x经过几段通道，测试对象报告说他们发现自己处于自动化状态 x速度差异减少 x平均速度增加 x修改道路空间尚未被注意到
由于多次通过测试轨道，测试对象行为进行自动化。当他们的意识是缺席的时候，他们的决定是以技能为基础的，。这个实验可以看作是第一个指标，人类驾驶员对重复的反应以及驾驶任务的程序化如何影响其质量。
3. 道路几何设计的心理影响
3.1．道路几何设计的矛盾性
“道路几何设计的主导原则是为了促进适当的驾驶行为，抑制原则的目的是减少不适当
的驾驶行为。”（克勒贝尔斯贝格，1982年）
因此，道路几何设计的主要任务是考虑这两个矛盾的原则，因为没有统一的驾驶行为。除了控制设备，交通标志和标记之外，它是包含这种张力场的道路几何设计
主导原则可以等同于光学引导，主要通过标记，交通标志和其他垂直元素来确保（比茨，1963年; 布林焦蒂，1967年）。 但道路几何设计也是至关重要的，因为只有道路本身才能“告诉”司机，他能或应该可以预料到什么样的困难。，当校准是相互矛盾的，道路上的装置应该保持最终的比例。
领先原则的对立面，即抑制原理的部分也是在道路设备的帮助下实现的。但是道路几何设计也能够对驾驶员起到抑制作用，例如，通过创建“墙壁”，因为人类具有自然的抑制作用，防止他们跑向墙壁。在道路设计中，这些墙壁可以例如通过围绕道路的内部边缘扭曲道路或通过组合中空和曲线来创建。这种组合导致更高的内部透视角度，实验表明具有较高内透视角的曲线具有比具有相当小的内透视角的曲线更低的事故比例。
图3（a）具有高内透视角的曲线;（b）具有低内视角的曲线（希纳尔，韦尔，马莱茨基，1980年）。
3.2． 事故 - 错误不会自然而然地导致事故
每次事故都有其原因，但每个错误都不会导致事故。这个规则使事故分析非常困难，因为只有一小部分驾驶错误在事故中显现出来，变得明显。为了了解错误的起源，布林焦蒂（1967年）将这个问题简化为输入熵（驾驶员接受度）和输出熵（可用信息量）之间的简单不等式，（见图4.（a））。
图4（a）作为维恩图的接受度和可用信息量之间的不一致（布林焦蒂，1967年）; （b）瑞士奶酪模型的安全壁垒。
但我们同样也很清楚，这样不仅有一个防止事故发生的人为障碍。也有吸收错误效应的技术障碍。原因（1992年）描述了这种作为瑞士奶酪模型的障碍系统，即有几个安全层，其中有孔（见图4.（b））。但是，只有当给定的错误在每一个安全层中通过一个洞时，可能会发生不利的事件，即在道路上出现错误的情况下，这意味着意外。另外，也有吸收效应的巧合。 所采取的行动和错误的确切顺序可能会导致与结果的死亡相关的不同结果，即是否发生事故。 所以我们有一个很宽容的系统（沃拉斯和克雷姆斯，2011年）。
但是，仍然发生错误，进而导致事故。这是为什么呢？ 这个问题很难回答，因为车内没有黑盒子。因此，没有人知道事故之前发生了什么，触发事故的突出因素是什么。特里特等人（1979年）试图检查发生事故的主要原因。在这个报告显示，重大的人为事故是由于前方道路空间的错误解释（识别错误）引起的。因此得出的结论是，由于前方道路空间的错误预期，审查的司机无法正确评估其情况，因此造成了错误并导致事故。这一发现正在许多其他研究中被证实，例如如玛（1990年）认为事故的主要原因是发现情况过晚或认知错误（见图5）。
图.5事故的主要人为因素（特里特等人，1979）
3.3．开车期间
如前所述，对前方路面的期望应与实际设计一致。一些实验表明，对事件的正确预期会导致适当的行动：
娜腾＆苏马拉（1976年）在他们的实验中表明，，当事件似乎不太可能对实验者造成影响时，人类的反应时间会增长（见图6.（a））。 长山（1978年）表明，当实验者将错误的信息作为决定的基础，作为对事件的反应采取的行动的质量下降，（见图6.（b））时。因此，可以得出结论，提供给司机的信息对驾驶质量非常重要。如果信息隐藏或以不明确的方式呈现，反应时间会增加，采取的措施可能是错误的。
特别的预期只不过是启发式的。 根据过去的经验，我们试图预测前方的道路的性能。 这些启发式中的一些已经进入设计指南，例如 两个连续曲线的半径之间的关系。 但是，基于启发式的实施限制不足以尊重人的行为和决策。 这是格式塔心理学方法的发挥。
3.4.格式塔心理疏导法
图.7道路空间定义为一个格式塔心理空间（杜尔特，1972年）
因此，整个环境，包括道路本身的几何设计，都应该根据驾驶员对即将到来的特点的期望进行设计，即期望与现实之间必须保持一致，以保证无障碍驾驶 。
杜尔特（1972年）采用了非常规的方式，通过与格雷塔尔心理学领域的联系（杜尔特，1972年）进行了连接。 他在道路空间中创造了两个关键点，这对驾驶员来说是最重要的，为了解释即将到来的道路空间，并基于此选择他喜欢的行动类型：
x参考点（引导点） x焦点（聚光灯） x主方向 x次方向
这两点和两个方向对应于梅茨格的格式塔心理学思想，他介绍了这两点的观点（梅茨格，1968年; 契奇科维奇，2014年）和方向。主要方向是司机行驶的方向。二次方向与主方向正交，是即将到来的道路空间（水平线）的边界。参考点是驾驶员的最重要的信息点，因此是信息的主要来源，其中焦点用作固定点，并且取决于驾驶速度。在驾驶任务期间，司机从一点转到另一点，以确定他现在的位置和将来的行动。为了确保，从格式塔心理学的角度来看，安全的几何设计，可以假设以下原则：
x只有一个参考和焦点x参考和焦点都应该在驾驶员的视野中，以便尽可能减少眼睛的移动x主要方向的稳定过程x焦点和参考点之间的某些距离 – 它们不能同时发生
在这些规则的帮助下，就可以解释空间道路的几个缺陷了。德国指南汇编了几个缺陷，其中两个将以格式塔心理的方式进行讨论和分析。
图8（a）现场计划和纵剖面的缺陷（道路与运输研究会，2012年）; （b）全景视图（司机观点）（道路与运输研究会，2012年，）
x峰值半径太低，因此大面积的阻碍视觉x方向改变的方向受阻
如果驾驶员看不到视障障碍区域以外的部分超过了前方道路空间的控制感，或焦点和参考点的同意，如果前方的道路空间是 主要在视障障碍范围内
x如果在视障区域之后存在可见区域，则存在两个参考点，并且主要方向存在不连续性
图9.（a）全景视图（司机观点）（道路与运输研究会，1995年）（b）现场平面图和纵剖面的（道路与运输研究会，1995年）
4. 结论
本文涉及了人类行为对驾驶的影响，以及如何在设计指南中实施这种影响，关于空间路线的几个缺陷及其对决策过程的影响（契奇科维奇，2014年）。与这个目标相关的主要问题是，随着人类行为的变化不断增大，根据人类特征对设计参数进行量化是不可能和毫无意义的。所选择的方法集中在心理学观念上，因为心理学与启发式学有很大的重叠，这是人
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