高速公路隧道入口段駕駛人視覺特征研究

王少博

（長安大學，陜西 西安 710064）

高速公路隧道入口段駕駛人視覺特征研究

王少博

（長安大學，陜西 西安 710064）

∶為提高隧道交通安全水平，研究高速公路隧道入口段駕駛人視覺信息認知過程和變化具有重要意義。文章在分析高速公路隧道環境和駕駛人動態視覺生理特性的基礎上，確定將瞳孔面積以及注視點位置作為駕駛人注視行為表征參數。選取一定樣本量的駕駛人進行高速公路長隧道試驗，利用眼動儀記錄被試各注視參數數據，對隧道各路段駕駛人注視參數變化規律進行分析。運用回歸分析方法分析隧道入口段環境照度變化對駕駛人瞳孔面積影響。研究表明:長隧道入口段駕駛人的瞳孔面積在隧道口增加迅速；隨著隧道縱深的延長，路面照度值不斷降低，晝間隧道入口段照度與隧道縱深即駕駛人視覺適應時間兩者存在乘冪關系。隧道行車過程中駕駛人瞳孔面積Q與環境照度E存在規律， ln(Q/E)與ln(E)是線性函數關系，通過相關數據分析方法，研究分析了晝間隧道出口段駕駛人視覺特征變化規律，建立相關數學模型，可以為隧道照明優化提供理論研究基礎。

∶公路長隧道；駕駛人；注視特性；瞳孔面積；注視點區域

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.040

CLC NO.: U491.5+1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-108-06

引言

道隨著我國高速公路建設的不斷發展，山區高速公路逐漸增多。在其建設過程中，為減少工程量和保護周圍的生態環境，隧道建設逐漸增多。相伴于高速公路隧道的發展，在隧道環境中發生了大量交通事故，且隧道入口處事故數更多。因隧道內部空間封閉，一旦發生事故，不但救援和疏散困難，而且大大降低道路利用率，這使得隧道交通安全問題日益突出。影響交通安全的諸多因素中，駕駛人因素占事故總數的80%左右。因高速公路隧道環境的特殊性，使得行車環境與普通道路有很大區別，環境變化對于駕駛人的影響也更加明顯。

駕駛人控制車輛運行的過程，是一個不斷感知環境信息、駕駛決策和修正駕駛行為的循環過程。行車中駕駛人需及時感知瞬息萬變的交通信息，以供做出正確判斷。故環境信息的正確感知，是安全行車的基礎。在各種感覺器官提供給駕駛人的交通信息中，視覺提供的信息占80%以上，而且95 %的視覺信息都是動態的，所以針對隧道環境中 駕駛人視覺特征研究具有重要意義。為研究隧道入口環境中駕駛人視覺信息獲取方式，以采取有效地科學措施改善隧道交通環境，通過高速公路隧道實際行車試驗，研究駕駛人在隧道入口區段視覺的變化特征。

關于隧道出口安全問題的相關研究，國內外近年來對隧道視覺安全進行了大量研究。Davidcrundan和Geoffreyunde引入不同類型的道路實車試驗，通過改變被試駕駛人的認知負荷水平，研究非熟練和熟練駕駛人視覺搜索策略的差異性。瑞典沃爾沃公司成員Trentw.Victor，JohanA.Engstrom與加拿大運輸學者JoL.Harbluk共同針對視聽覺負荷及作業難度對駕駛人眼動行為特性的影響進行了研究。劉浩學等就隧道燈光對駕駛行為的影響進行了研究。研究表明:我國隧道照明中存在諸多空白，有些與駕駛人需求背道而馳。在不同條件下，駕駛人對照明需求差異較大，應依據駕駛人視覺特性和心理反應制訂針對性照明方案。杜志剛進行了基于瞳孔面積變動的公路隧道明暗適應時間的研究。根據大量試驗數據建立了隧道進出口瞳孔面積及面積變化臨界速度定量關系。戴明森等進行了汽車駕駛員暗適應能力與夜間安全行車分析的研究。在研究暗適應測試方法的同時，調查了夜間事故組駕駛員與非事故組駕駛員的暗適應水平，結果表明：兩組之間存在顯著性差異，事故組駕駛員暗適應時間明顯長于非事故組(p＜ 0.05)；提示暗適應功能障礙是夜間交通肇事的原因之一，并提出夜間行車安全速度。郭忠印等就隧道路段的空間視距對駕駛員的加減速行為影響進行了研究。他們針對高速公路隧道路段運行環境特性，首次提出空間通視性對隧道路段駕駛行為的影響。依據實測數據，建立基于空間通視性的高速公路隧道駕駛行為變化規律：通視型隧道駕駛行為變化過程可分為兩區段，而非通視型隧道可分為三區段。并給出了典型空間通視型隧道路段運行車速變化規律圖。

本文主要針對山區高速公路長隧道環境，研究駕駛人注視特征，通過隧道實車試驗，利用眼球運動檢測儀記錄駕駛人的動態視覺變化數據，分析隧道入口段駕駛人視覺特征數據的規律和差異。

1、試驗設計及數據分析方法

機駕駛人在不同道路環境行車時，其心理、生理會隨交通環境、道路線形、車速及交通流等的變化而變化。對變化的定性描述雖然有相關研究結論，但存在難以量化的問題。為定量研究駕駛人在公路隧道環境行車的視覺特征變化情況,進行了隧道環境路段的實車道路試驗。

1.1試驗目的和原理

通過高速公路長隧道實車試驗,完整采集駕駛人視覺特征指標數據,分析被試在高速公路隧道入口段視覺注視參數變化特征，探究駕駛人在公路隧道入口段環境中的眼睛注視行為規律, 依此可以得到隧道入口段的駕駛人行車過程的一般規律，對隧道入口段的設計和規劃，對改善駕駛人行車過程的舒適性和安全性具有很好的指導意義。對后續的研究和發展也有一定的啟發。

由于行車環境以及道路線形等外界因素的變化，駕駛人行駛于隧道出入口段的注視行為特征會有別于普通道路，利用眼動儀記錄這些變化，提取注視特征表征參數，分析并獲取駕駛人行駛于隧道入口段的注視行為特征。

1.2試驗方案設計

試驗儀器：（1）動態視覺測試儀，試驗采用加拿大SRReseareh公司生產的EyeLinkn型眼動儀。其頭盔裝置按照工效學原理進行設計，輕便耐用，頭部自由，和大多數眼睛或隱形眼鏡兼容，易于設置、校正和確認。可以高速記錄雙眼位置，具有優越的空間解析度，低噪音，準確度高等優點。圖1是實驗設備。

（2）試驗車輛為江鈴全順(福特)JX6541B-H，實際坐位15座，試驗時載人11人。

圖1　實驗設備

試驗路段：選取包(頭)一茂(名)高速公路陜西境內的西(安)一柞(水)段，試驗路段縱貫秦嶺山脈，全長40km，分布著包括工程量世界第一的秦嶺終南山隧道(全長18.02km)在內的13座長短不一的隧道。該路段因全線未完全連通，交通流較小，駕駛人可以在自由流狀態下駕駛操作車輛。

本文研究主要采用西柞高速第一座長隧道南五臺隧道相關的試驗數據。南五臺隧道參數見表1。

表1　南五臺隧道參數指標

被試駕駛人的選擇：本試驗段地處山區高速公路，隧道眾多，存在一定的駕駛風險。為保證試驗安全性，選取8名有不同職業、年齡和駕齡的男性駕駛人，要求具有5年以上駕齡，并持有B照或B照以上駕駛執照,駕駛技術嫻熟，且有良好的駕駛習慣，視覺機能正常,無生缺陷和重、特大事故經歷。被試駕駛人情況如表2所示。

表2　試驗駕駛人情況

1.3試驗注意事項

(l)試驗前校核儀器的精度和有效性，并準備好各種應急設備，如蓄電池、筆記本電腦電源等，確保試驗順利進行。

(2)為減少因多個試驗設備同時測量導致的誤差，采用多種同步手段確保各數據采樣點的時間一致性。

(3)為減少外界因素對駕駛人生理、心理的影響，行車試驗一旦開始，車內人員必須保持安靜。

1.4試驗步驟

試驗數據采集包括三方面：眼動數據采集、照明數據采集和車輛運行數據采集。其中，眼動數據和車輛運行數據的采集在實車試驗時同步進行。

1）眼動數據和車輛運行數據采集試驗流程如圖2所示。

圖2　實驗流程

2）試驗具體步驟如下：

(l)試驗人員、儀器準備好后，驅車前往試驗路段起點，停車，向被試描述試驗路；

(2)選擇在車外調試眼動儀。首先被試就座并正確佩戴眼動儀，嚴格按操作步驟，并說明注意事項。校正期間，盡量保持駕駛人頭部不動；

(3)校正完畢后，被試回到駕駛席位置，做好駕車準備，主試及輔助人員完成相關準備工作；

(4)被試啟動車輛后，儀器開始記錄數據；

(5)在試驗路線終止處終止記錄數據；

(6)保存試驗數據；

(7)查看數據保存是否完好，否則，從步驟2開始重復試驗；

(8)休息后繼續測試或更換被試，從步驟2開始重復步驟；(9)試驗結束。

1.5試驗數據分析方法

本試驗的數據分析中，使用Microsoft Excel 2007對試驗數據進行初步篩選、分類統計和繪制圖表；利用SPSS統計分析軟件對數據做進一步的分析；對駕駛人視覺適應模型則采用MATLAB繪制出三維模型圖。

2、高速公路隧道入口段駕駛人視覺特征變化

2.1高速公路長隧道入口段駕駛人視覺特征

通過對試驗路段的實地考察及小時交通流量觀測，本文所研究的試驗路段西安一柞水高速公路的交通流基本屬自由流狀態，整個試驗過程駕駛人很少受其他車輛及交通狀況的影響，可完全依據其駕駛習慣、車輛技術狀況及隧道內限速規定自由控制車速。故本章以西柞高速公路南五臺隧道為試驗隧道，對高速公路長隧道入口段的駕駛人視覺特征變化規律展開研究。本文選取駕駛人瞳孔面積和注視點位置來進行相關分析。

公路隧道入口段由隧道入口前200m和進入隧道后200m兩段構成。在該區段上，駕駛人主要經歷發現隧道和暗適應過程,由開闊、明亮的普通道路環境進入單調、光線暗淡、半封閉的隧道環境。圖3是隧道入口段實車試驗中的眼動儀錄像截圖。

圖3　實驗中眼動儀錄像截圖

2.2瞳孔面積變化

駕駛人在山區高速公路行駛過程中,瞳孔面積隨著照度的變化而變化。通過分析發現8位駕駛人行駛于各路段過程的瞳孔面積變化趨勢一致，圖4表示1號被試在長隧道路段環境下的瞳孔面積。

圖4　駕駛人南五臺隧道瞳孔面積變化

選取隧道入口段為坐標原點，車輛行駛方向為正方向，每50m選取一個數據點，作長隧道入口段瞳孔面積變化圖，如圖5所示，可見車輛接近隧道入口的過程中，駕駛人瞳孔面積緩慢增加，進入隧道至200m，由于照度急劇變化，駕駛人瞳孔面積迅速增加。圖6顯示由于隧道出口段的明暗迅速變化，長隧道入口段駕駛人瞳孔面積迅速減小，且變化幅度大，這是因為長隧道內部亮度遠小于外界，駕駛人瞳孔面積變小。

圖5　駕駛人南五臺隧道入口瞳孔面積

圖6　駕駛人南五臺隧道出口段瞳孔面積變化

將所有駕駛人在各路段的瞳孔面積取均值，作為該駕駛人在此路段的平均瞳孔面積，統計數據如表3所示。

表3　駕駛人平均瞳孔面積

從表3可得，長隧道行車段，所有駕駛人平均瞳孔面積最大，隧道入口段和出口段次之，對8名駕駛人在各段的平均瞳孔面積再取均值，得到各種道路環境下，駕駛人平均瞳孔面積均值圖7。

圖7　駕駛人瞳孔面積均值

2.3隧道環境照度分析

（1）隧道外環境亮度值和照度值

南五臺隧道外環境亮度值和照度值如表4所示。可見隧道外自然環境具有很高的照度值和亮度值。

表4　南五臺隧道外環境亮度、照度值

（2）照度與隧道縱深模型

晝間從隧道外到隧道入口的過程中，由于外界自然光的影響，距離入口越近，隧道環境照度會越低，實驗采集不同隧道縱深對應的環境照度，并根據數據散點圖進行回歸分析，如圖8所示。

圖8　隧道環境照度隨隧道縱深變化散點圖

表5　模型概要和參數估計

由表5中可以看出隧道環境照度E與距入口的距離S是乘冪關系，擬合的關系式為：

對以上模型進行顯著性檢驗。表5有對模型的檢驗結果。可以看出，其決定系數R2為0.935，說明隧道環境照度E與距隧道入口距離S兩個變量有很強的相關性，該模型擬合效果很好。同時，表5也給出了模型方差F檢驗分析。其Sig.取值為0<0.05，說明模型具有顯著的統計學意義。

2.4駕駛人瞳孔面積與照度模型

在隧道環境中行車時，照度是影響駕駛人瞳孔面積最關鍵的因素。駕駛人通過不斷調整瞳孔大小以控制進入眼睛的光線，適應周圍的照明環境。環境亮度高，瞳孔縮小，減少光線的進入；環境亮度低，瞳孔擴大，增加光線的進入。同時，視桿細胞和視錐細胞也處于不同調整工作水平，以分清顏色和物體細節。

取1號駕駛人瞳孔面積為Q、隧道環境照度為E，對晝間高速公路隧道入口段數據樣本建立ln(Q/E)與ln(E)的關系圖并進行回歸分析，如圖9所示。

由表6中可以看出照度比縱深的對數ln(Q/E)與照度的對數ln(E)是線性關系，擬合的關系式為：

圖9　駕駛人瞳孔面積為Q與隧道環境照度為E散點圖

表6　模型概要和參數估計

對以上模型進行顯著性檢驗。表6有對模型的檢驗結果。可以看出，其決定系數R2為0.988，說明照度比縱深的對數ln(Q/E)與照度的對數ln(E)兩個變量有很強的相關性，該模型擬合效果很好。同時，表6也給出了模型方差F檢驗分析。其Sig.取值為0<0.05，說明模型具有顯著的統計學意義。同理，求得其余7名駕駛人瞳孔面積Q與隧道環境照度E的函數模型，發現駕駛人瞳孔面積與環境照度均存在如式(3)的關系：

用駕駛人瞳孔面積來表征駕駛員的心理反應量，隧道環境照度表征外界刺激量，這與實驗心理學中的Fechner定律一致，即心理反應量與物理刺激量符合對數定律。

2.5駕駛人視覺適應模型

隧道行車過程中，駕駛人瞳孔面積與環境照度之間符合對數定律，隧道環境照度與距離即駕駛人視覺適應時間存在乘冪關系，可見瞳孔面積與隧道縱深之間存在一定函數關系，也就是駕駛人瞳孔面積變化規律與行車速度和適應時間存在函數關系。

從行車速度和駕駛人適應時間兩個因素著手，以瞳孔面積變化規律為研究對象，通過實車道路實驗，研究駕駛人瞳孔面積變化規律與行車速度和適應時間的關系，整合相關模型。模型整合的具體過程如下。

由式4,5,6可得：

利用MATLAB畫出此模型的三維圖，如圖10：

圖10　駕駛人視覺適應模型

3、結論

本文在查閱國內外資料的基礎上,分析了高速公路隧道環境特征和駕駛人動態視覺生理特性,確定了駕駛人注視行為表征參數。通過高速公路隧道實車試驗,對高速公路長隧道入口段駕駛人的視覺特征變化進行統計和分析。主要結論如下。

1) 分析駕駛人隧道入口段瞳孔面積的變化規律，發現隧道外200m路段，隨距離洞口越來越近，照度不斷下降，瞳孔面積不斷增大，中間伴隨不同幅度的波動；隧道內200m 路段，駕駛人瞳孔面積依然不斷增大，直至平穩。

2) 車輛出入隧道過程中，駕駛人要經歷視覺適應的過程，同時還要應對處理大量復雜信息，視覺負荷巨大，瞳孔能很好地反映在隧道環境下駕駛人視覺適應及所承受的駕駛負荷，瞳孔面積可作為駕駛人視覺適應特性表征參數。

3) 分析晝間隧道入口段環境照度變化規律，發現隨著隧道縱深的延長，路面照度值不斷降低，晝間隧道入口段照度與隧道縱深即駕駛人視覺適應時間兩者存在乘冪關系。

4) 隧道行車過程中駕駛人瞳孔大小主要受環境照度影響，瞳孔可以對明暗環境做出反應，調節進入駕駛人眼睛的光線。定量分析駕駛人瞳孔面積Q隨環境照度E的變化規律，發現 ln(Q/E)與ln(E)是線性函數關系；構建駕駛人瞳孔面積Q、視覺適應時間T、車速V的函數模型。得到駕駛人隧道入口段的視覺適應模型。

[1] 2010年公路水路交通運輸行業發展統計公報(摘)[J].交通財會.2011(05)

[2] 丁光明,劉浩學,趙煒華,等.高速公路長隧道出口段駕駛人視覺特征變化規律[J].長安大學學報:自然科學版,2011,31(2):77-80.

[3] 趙煒華,王麗華,劉浩學.高速公路長隧道人口段駕駛人視覺特征變化[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2013(2):261-265.

[4] 丁光明.高速公路隧道環境對駕駛人生理及心理影響研究[D].長安大學,2011.

[5] 杜志剛,潘曉東,楊軫,等.高速公路隧道進出口視覺震蕩與行車安全研究[J].中國公路學報,2007,20(5):101-105.

[6] 杜志剛,黃發明,嚴新平,等.基于瞳孔面積變動的公路隧道明暗適應時間[J].公路交通科技,2013,30(005):98-102.

[7] 杜志剛,潘曉東,郭雪斌.公路隧道進出口行車安全的視覺適應指標[J].華南理工大學學報(自然科學版),2007,7:005.

[8] 王輝.高速公路長隧道路段駕駛人眼動特性研究[D][D].長安大學,2010.20(5):101-105.

[9] 林淼.高速公路長隧道出口段晝間照明優化研究[D].長安大學,2012.

[10] 趙煒華,劉浩學,丁光明,等.高速公路特長隧道對駕駛人的影響[J].公路,2011(5):108-111.

[11] 胡英奎,翁季,李毅,等.道路照明條件下駕駛員瞳孔大小變化規律[J].重慶大學學報:自然科學版,2010,33(8):85-90.

[12] 韓颯.山區高速公路隧道路段駕駛員眼動特性研究[D][D].西安:長安大學,2008.

[13] CrundallDE,UnderwoodG.Effectsofexperienceandprocessingdeman dsonvisualinformationacquisitionindrivers[J].Ergonomics,1998,41(4):448-458.

[14] UnderwoodG,ChapmanP,BrocklehurstN,etal.Visualattentionwhiledri ving:sequencesofeyefixationsmadebyexperiencedandnovicedrivers [J].Ergonomics,2003,46(6):629-646.

[15] UnderwoodG,CrundallD,ChapmanP.Selectivesearchingwhiledriving: theroleofexperienceinhazarddetectionandgeneralsurveillance[J].Er gonomics,2002,45(1):1-12.

[16] FalkmerT,GregersenNP.Acomparisonofeyemovementbehaviorofine xperiencedandexperienceddriversinrealtrafficenvironments[J].Opto metry&VisionScience,2005,82(8):732-739.

Visual features of driver in entrance of tunnel

Wang Shaobo
(Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064)

In order to improve the level of tunnel traffic safety, the change of driver visual information cognitive process in the highway tunnel entrance section is significant. Based on the analysis of highway tunnel environment and dynamic visual physiology characteristics of drivers, the pupil area and fixation point position were determined as driver's visual behavior parameters. A sample of the drivers was selected to conduct the experiment in the long highway tunnel, while the EyeLink instrument was used to record eye parameter data. The effect caused by environment illumination changes of the tunnel entrance section on drivers was analyzed. The pupil area was quantified by using regression analysis method. Research showed that the pupil area of drivers in long tunnel entrance section increased rapidly. With the tunnel depth increased, tunnel illumination decreased. There was a relation between the illumination value of the tunnel entrance section and the visual adaptation time. In the process of the tunnel driving, the area of driver‘s Q was correlated to environment illumination E, which showed that ln(Q/E) and ln(E) was a linear function. Through related data analysis, the driver's visual characteristics change rules were studied and analyzed, as well as relevant mathematical model established. It could be the basis for tunnel lighting optimization theory and played a significance effect on the human-machine system optimization.

Triffic Safety; Long Highway Tunnel; Driver; Visual Characteristics; Pupil Area; Fixation Point

∶U491.5+1

∶A

∶1671-7988 (2016)09-108-06

王少博，男，碩士研究生，就讀于長安大學。