《International Journal of Industrial Ergonomics》：Variable-frequency flashing brake lights enhance driver safety in distracted and foggy driving conditions
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本研究提出可变频率闪烁刹车灯（VFBL），通过动态闪烁频率传递制动强度信息，并在分心驾驶和雾天环境中验证其有效性。实验表明，VFBL在紧急制动时显著缩短反应时间、提高安全距离，并增强自主神经系统的差异响应，但在中等制动时可能延迟反应，尤其在雾天中需谨慎应用。
朱嘉兴|韩瑶洁|李欣宇|孙彦良
中国山东省脑科学与心理健康重点实验室，山东师范大学心理学系，济南
摘要
追尾事故是最常见且最严重的交通事故类型之一，通常由于智能手机使用分散注意力和雾天能见度低而加剧。传统的恒定刹车灯在吸引驾驶员注意力和传达刹车强度方面存在局限性。本研究提出了变频闪烁刹车灯（VFBL），通过动态闪烁频率来编码刹车强度，并评估其在注意力分散和雾天驾驶条件下的有效性。实验1采用被试内设计，结合了跟车任务和基于智能手机的计算任务；实验2模拟了能见度为60米的浓雾环境。两个实验都操控了刹车强度（3 m/s2，2 Hz vs 6 m/s2，8 Hz）和刹车灯类型（VFBL vs 恒定灯光[CBL]）。研究结果发现，在紧急制动情况下，VFBL显著缩短了反应时间，提高了安全裕度，并增强了驾驶员对刹车强度的感知。然而，在中等制动强度下，VFBL会延迟驾驶员反应并降低安全裕度，尤其是在雾天，此时连续差异的均方根（RMSSD）降低表明自主神经系统负担增加。这些发现突显了频率编码刹车信号在紧急情况下的安全价值，同时也提醒在低威胁或低能见度环境下需保持谨慎。本研究为优化国际刹车灯标准、智能照明设计和自适应车辆安全技术提供了借鉴。
引言
追尾事故是全球范围内最常见且最严重的交通事故类型之一。2020年，美国所有事故中27.8%为追尾事故，其中6.8%导致死亡，26.2%造成人员受伤（NCSA，2022年）。同样，在中国，2024年追尾事故占所有交通事故的约30%，超过50%的事故导致人员受伤（李等，2014年；王等，2019年；杨等，2021年）。这些统计数据凸显了减少追尾事故以提升道路交通安全的紧迫性。
智能手机使用导致的驾驶员分心已成为公认的追尾事故高风险因素。先前的研究表明，智能手机分心会显著影响驾驶安全，可分为视觉分心、认知分心和手动分心（美国国家公路交通安全管理局，2010年）。视觉分心发生在驾驶员将视线从道路上移开到手机屏幕上时，导致对刹车或环境变化的感知延迟（国家统计与分析中心，2022年）。认知分心会在驾驶员处理信息、社交媒体或电子邮件时消耗有限的注意力资源，从而削弱情境意识（斯特雷尔等，2013年）。手动分心，如拨号或打字，可能导致车辆暂时失控，尤其是在高速行驶时（欧文斯等，2018年）。实证研究表明，智能手机分心会显著延长刹车反应时间（凯尔德等，2018年），并将追尾事故的可能性增加2.4倍（欧和杨，2021年）。此外，自然驾驶研究显示，进行视觉-手动任务（如使用手机）会使事故风险增加3.6倍（丁格斯等，2016年）。综上所述，这些发现强调了智能手机分心在增加追尾事故风险中的关键作用。
除了驾驶行为外，恶劣天气也是追尾事故的另一个重要外部因素。雾天能见度低、视觉信息有限，是此类事故最常见的气象条件之一（阿卜杜勒-阿蒂等，2011年）。在浓雾中，驾驶员的视觉搜索范围缩小，注意力集中在有限的前方区域（卡尔萨瓦拉等，2021年）。长时间处于这种环境中会导致“被动疲劳”，表现为警觉性下降、变道次数减少和速度调节频率降低（魏等，2021年；莫吉米等，2017年）。低能见度还迫使驾驶员在有限的视野内保持高注意力负荷，加速疲劳并减弱对突发事件的反应能力（孙等，2023年）。模拟研究证实，雾天会增加认知疲劳，导致刹车延迟和车道偏离（佐拉利等，2021年）。此外，雾天会模糊前车的轮廓，妨碍驾驶员及时准确感知其运动和刹车情况（吴等，2018年）。驾驶员常会缩短车距以获取更多视觉线索（黄等，2020年；吴等，2018年），但这会增加追尾风险（布劳顿等，2007年；卡罗等，2009年；黄等，2020年）。
在这种情况下，刹车灯作为传递前车刹车意图的关键信号，在防止追尾事故中起着至关重要的作用。有效的视觉信号对于在动态环境中保持情境意识至关重要，这一关系在更广泛的工业人体工程学研究中得到了强调（奥库诺拉等，2025年）。然而，当驾驶员视线偏离前方道路时，传统恒定刹车灯在吸引注意力方面存在局限性，从而降低了其警示效果（伯格等，2007年）。最新研究继续强调优化刹车灯配置对于提升驾驶员感知和反应能力的重要性（毕晓普等，2024年）。相比之下，由亮度变化引起的闪烁刺激更能有效吸引注意力（恩斯等，2001年），提高警觉性并降低追尾事故风险（雅各布松等，2015年）。然而，现有研究主要集中在固定频率闪烁刹车灯上，这类刹车灯传递的信息有限，无法区分刹车强度。吴等（2025年）在隧道驾驶实验中发现，虽然增加闪烁频率提高了视觉显著性，但未能解决减速信息感知不足的问题。先前的研究表明，驾驶员仅凭刹车灯无法准确估计前车的减速率，必须依赖其他线索（如光学膨胀效应，薛等，2018年；利伯曼等，1995年）。然而，在雾天或驾驶员分心的情况下，这些线索往往难以检测。因此，迫切需要一种能够主动传递刹车强度的刹车灯设计，使驾驶员能更准确地判断前车的动态（李等，2014年；唐，2003年；维威尔维尔等，2006年）。
基于漂移-扩散理论，马克库拉（Markkula，2014年；Markkula等，2016年）提出的积累模型认为，多源信息（如视觉轮廓和刹车灯亮度）会逐渐积累成“证据流”。当该流达到阈值时，会触发刹车决策，随后车辆减速和其他反馈会调节证据积累过程（Markkula，2014年；Markkula等，2016年）。基于这一模型，本研究重点关注两种典型的追尾事故高风险场景——智能手机分心和雾天能见度低，并提出了变频闪烁刹车灯（VFBL）的设计。在这种设计中，刹车灯在激活后立即开始闪烁，其频率根据刹车强度动态变化。与恒定或固定频率刹车灯相比，VFBL预计能在注意力分散或低能见度条件下更有效地吸引注意力，同时实时传递刹车强度，从而使跟随车辆更快更准确地识别前车状态并作出相应反应。
为了验证这一设计，进行了两项驾驶模拟实验，分别针对智能手机分心和雾天低能见度这两种高风险追尾事故场景。两项实验均采用被试内设计，操控了刹车强度和刹车灯模式，并同时记录了行为和电生理指标。行为指标包括刹车反应时间和最小碰撞时间。电生理指标包括心电图（ECG）指标（如心率增长率和连续差异的均方根RMSSD），以及表面肌电图（EMG）指标（包括积分肌电图iEMG和均方根肌电图RMS-EMG），以捕捉自主神经系统负荷和肌肉反应的动态变化。通过结合行为和电生理维度，本研究旨在系统评估VFBL在复杂驾驶场景中的效果，并为刹车灯设计和道路安全干预提供实证依据。
实验部分
目的
本实验旨在比较不同刹车灯条件下分心驾驶员的跟车行为，并探讨VFBL是否比传统刹车灯更有效地提升跟随驾驶员的反应性能。
参与者
共有34名来自山东师范大学的本科生和研究生参与了本实验，所有参与者均持有有效的机动车驾驶执照（C1或C2类型）。样本包括20名女性和14名男性。
目的
本实验旨在研究VFBL与传统恒定刹车灯相比，在雾天条件下对驾驶员跟车刹车行为的影响。具体而言，研究探讨了VFBL是否能在能见度受限的情况下有效改善驾驶员的反应时间和刹车决策，从而提升驾驶安全性。
参与者
共有30名来自山东师范大学的本科生和研究生参与了本实验，所有参与者均持有有效的机动车驾驶执照（C1或C2类型）。
讨论
本研究通过两项实验检验了VFBL在不同跟车条件下的有效性，并验证了其提升驾驶安全性的潜力。实验1引入了智能手机分心任务，以探讨VFBL在视觉和认知负荷共同作用下的效果；实验2模拟了雾天条件，以测试其在低能见度下的效果。值得注意的是，国际法规已经对刹车灯设计提出了具体要求。
结论
本研究提出了一种能够根据刹车强度动态调整闪烁频率的变频闪烁刹车灯（VFBL）系统，并通过两项模拟驾驶实验系统验证了其有效性。结果表明，VFBL的有效性受刹车强度的影响：在紧急制动条件下（无论是分心还是雾天场景），VFBL显著提升了安全性，表现为反应时间缩短、安全裕度增加。
作者贡献声明
朱嘉兴：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，软件开发，方法论，数据分析，概念构建。韩瑶洁：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，软件开发，方法论，数据分析，概念构建。李欣宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，软件开发，方法论，数据分析，概念构建。孙彦良：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，软件开发，
资助
本研究得到了山东省自然科学基金（资助编号：ZR2023MC204）和中国自然科学基金（资助编号：31800911）的支持。
利益冲突声明
作者声明与本手稿的发表不存在任何利益冲突。我们与任何可能不恰当地影响或偏袒我们工作的个人或组织没有财务、个人或其他关系。本研究独立进行，所有研究资金来源已在手稿中予以说明。
