公路短隧道照明環(huán)境對駕駛員生理的影響

張揚帆，魏清華,3，梁 波,2，凌 超，李 翔

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶 400074；3.重慶市交通規(guī)劃勘察設計院，重慶 401121)

引言

公路隧道是一個及其特殊的半封閉結構，駕駛員駕車行駛在這樣的環(huán)境下，難免產(chǎn)生惶恐、壓抑及視覺疲勞等不良心理、生理反應，這會影響駕駛員對外界環(huán)境的正確感知，從而間接影響駕駛員的駕駛行為。而駕駛員駕車通過隧道過程中，主要依靠視覺獲取外界信息，因此隧道交通安全與隧道內(nèi)照明質(zhì)量息息相關[1-4]。

在《公路隧道照明設計細則》(JTGT D70/2—01—2014)中[5]，部分省市隧道運營管理部門、設計單位結合已建成隧道的運營情況，對應該設置電光照明的高速公路隧道長度進行了規(guī)定，其中：重慶、陜西地區(qū)規(guī)定隧道長度大于300 m應設置照明；而廣東、浙江等地區(qū)隧道長度長于200 m即應設置照明。

為研究公路短隧道照明環(huán)境(即正常照明與無照明)對駕駛員生理參數(shù)的影響，本文通過在實際公路隧道環(huán)境下的實車試驗，利用ETG2w無線眼鏡式眼動儀和Zephyr便攜式生理儀研究駕駛員在隧道正常照明環(huán)境下和無照明情況下的生理參數(shù)變化規(guī)律。

1 實驗設計

1.1 試驗隧道概況

試驗隧道野鴨塘1號隧道位于國道384線(武漢至大理)云南上關至鶴慶的上鶴高速公路，選取野鴨塘1號隧道(該隧道主體工程已完工，尚未交付使用)的右幅作為試驗隧道，試驗隧道的參數(shù)如表1所示。

圖1 試驗隧道Fig.1 Picture of tested tunnel

表1 試驗隧道的參數(shù)

1.2 試驗隧道布燈方式

試驗隧道照明全部采用LED燈具，距離入口7 m，出口7 m范圍內(nèi)不布設燈具。燈具分為基本照明燈具和加強燈具兩種，基本照明燈具整燈功率為40 W，全線按8 m間距布置。加強照明燈具整燈功率規(guī)格分為30 W、40 W、60 W和70 W四種，分別布設在隧道不同的區(qū)段。隧道各區(qū)段具體布燈方式如表2所示。

表2 隧道燈具布置情況

1.3 隧道照度參數(shù)

在隧道照明燈具正常開啟時，沿道路中心線按8 m間距依次測量隧道入口至隧道出口的照度參數(shù)，由于隧道各區(qū)段光環(huán)境差別大，且洞外受太陽光直射，導致照度參數(shù)值跨度大，因此將照度值分三段表示。具體照度參數(shù)如圖2所示。

圖2 照度與距離洞口距離的關系Fig.2 Relationship between illumination and driver’s distance to tunnel portal

1.4 試驗設備

試驗車輛選用國產(chǎn)長安CX70，采用SMI公司研發(fā)ETG2w無線眼鏡式眼動儀、Zephyr便攜式生理儀等設備，對駕駛員在駕駛車輛通過隧道過程中眼動數(shù)據(jù)和心理參數(shù)進行實時記錄。

1.5 試驗方法

駕駛員按要試驗要求佩戴眼動儀和生理儀，駕駛車輛在隧道正常照明和無照明的情況下分別通過隧道，試驗記錄人員利用儀器配套的軟件記錄駕駛員的生理參數(shù)數(shù)據(jù)。對兩種不同照明環(huán)境下采集的生理指標進行分析。試驗要求如下：

1)試驗時間選取8:00—11:00；

2)在駕駛員平靜狀態(tài)下開始試驗，且駕駛員行駛過程中，專心駕駛，不能有打電話、與試驗記錄人員交談等行為；

3)駕駛員按自己駕駛習慣，以正常速度通過隧道；

4)在兩種不同照明(正常照明和無照明)情況下在該隧道連續(xù)進行多次試驗，舍去偏差過大的數(shù)據(jù)，取試驗平均值作為最終數(shù)據(jù)。

圖3 眼動儀視頻資料截圖Fig.3 Screenshot from video of Eye Tracking Glass

2 試驗指標選取

駕駛員駕駛車輛通過隧道時，洞內(nèi)外環(huán)境差別巨大，通過駕駛員眼動特征參數(shù)和心理特征參數(shù)能真實反映這個過程中人的生理感受，評價短隧道照明環(huán)境對駕駛員的生理影響程度。

2.1 心理特征參數(shù)

駕駛員駕駛車輛通過隧道過程中，由于外界環(huán)境的變化和各種其他因素的影響，導致心理緊張程度不斷地變化，而心率是反應人體緊張的有效指標。因此，可以通過心率來評估駕駛員在隧道不同照明環(huán)境時的心理狀態(tài)。由于心率在不同的個體與個體之間有較大的差異，單純的比較心率增加值的大小，難以正確的反應短隧道不同視覺環(huán)境對駕駛員心理的影響程度。因此，北京工業(yè)大學王書靈提出“心率增加率”概念[6]，其計算公式為:

(1)

其中η為心率增加率，η1為駕駛狀態(tài)時的心率，η2為平靜狀態(tài)下的心率。

用心率增加率可以很好的體現(xiàn)隧道不同照明環(huán)境對駕駛員心理影響程度，從而評價駕駛員心理舒適程度及駕駛安全性。

2.2 眼動特征參數(shù)

眼動的基本形式有三種，包括眨眼、注視、掃視。眼球不轉動，對準目標物的行為叫做注視；掃視即眼球掃掠轉動，通常人的眼睛搜索目標物時的行為就是掃視；眨眼，顧名思義指上下眼皮閉合又張開，多為一種不自主性運動。

1)注視次數(shù)、注視時間。注視次數(shù)為一段時間內(nèi)注視的次數(shù)。注視次數(shù)百分比為注視次數(shù)占注視、掃視、眨眼總次數(shù)的百分比例。同樣，注視時間百分比為注視持續(xù)時間占總時間的百分比例。

注視可以分為長注視和短注視，大量研究表面，駕駛員在相對不安全的駕駛照明環(huán)境下，駕駛員眼動特性以長注視為主，即需要長時間的注視行為來識別目標信息。相反在相對安全的視覺環(huán)境下，駕駛員以短注視為主，即短時間注視即可識別目標信息。因此，可將注視時間百分比以及注視時間長短作為研究駕駛員在隧道不同照明環(huán)境下的眼動特性指標。

2)瞳孔面積。人的瞳孔面積在正常條件下一般為2～12 mm2，在暗視覺環(huán)境條件下，瞳孔面積會不同程度的變大。駕駛員駕駛車輛進出隧道過程中，瞳孔會自動調(diào)整大小以改變光通量大小從而完成視覺適應過程。因此，可以用瞳孔面積變化描述駕駛員的視覺適應性。

3)掃視幅度。駕駛員在掃掠識別前方大片區(qū)域時或識別某種突然出現(xiàn)的目標時，眼球會大幅度掃掠轉動。掃視幅度可以表示視覺信息采集范圍的大小。在此引申另一個概念——掃視速度，指每次掃視的角度與掃視持續(xù)時間的比例，掃視速度指標可以反應視覺信息采集的速率，掃視速度越大即信息采集速率越快。由于試驗儀器局限性，只記錄了掃視幅度，但掃視幅度與掃視平均速度基本呈線性關系，因此，同樣可以采用掃視幅度作為參考指標。

3 試驗結果

3.1 心率增加率

將生理儀采集到的心率根據(jù)式(1)計算心率增加率，隧道兩種不同照明環(huán)境下的心率增加率如圖4所示。

圖4 心率增加率隨駕駛員離洞口距離關系Fig.4 Relationship between rate of heart increase and driver’s distance to tunnel portal

結合圖2照度參數(shù)，從圖4可以看出：無論隧道照明與否，駕駛員在隧道內(nèi)的心率增加率明顯高于隧道外；在隧道中間段，駕駛員心率增加率相對于隧道兩端出入口段有所下降，表明駕駛員對隧道照明環(huán)境經(jīng)過一個適應過程后，心理相對平穩(wěn)；駕駛員通過無照明的隧道時，各個階段的心率增加率都大于正常照明的隧道，說明照明環(huán)境對駕駛員心理有較大影響，即隧道無照明時會加重駕駛員心理負擔。

3.2 注視次數(shù)及注視持續(xù)時間

駕駛員駕車在隧道兩種照明環(huán)境下行駛時的注視次數(shù)、注視時間、其所占比例見表3所示。

表3 注視特征參數(shù)統(tǒng)計

從表3可知：駕駛員通過兩種不同照明環(huán)境條件下的隧道時，注視次數(shù)所占百分比相近，但正常照明情況下注視時間所占百分比低于無照明的隧道。為研究其原因，將注視持續(xù)時間按0～165 ms、165～334 ms、和大于334 ms[7]分為三類，根據(jù)各區(qū)間的比例繪制柱狀圖，如圖5所示。

圖5 注視持續(xù)時間柱狀分布圖Fig.5 Column graph of the fixation duration distribution

根據(jù)圖5可以發(fā)現(xiàn)：在正常照明環(huán)境下，駕駛員的注視大部分為0～165 ms的短注視；而無照明情況下，駕駛員多為大于165 ms的長注視。這表明，駕駛員在正常照明的隧道行駛時，需要較少的注視時間識別前方目標信息，而在無照明的隧道環(huán)境下，駕駛員需要長時間的注視才能識別前方目標信息。

3.3 瞳孔面積變化

使用ETG2w無線眼鏡式眼動儀采集數(shù)據(jù)，忽略視覺震蕩行為。選取具有代表性的數(shù)據(jù)，將采集得到的數(shù)據(jù)分析處理，如圖6所示。

圖6 瞳孔面積與駕駛員離隧道入口距離關系Fig.6 Relationship between pupil area and driver’s distance to tunnel portal

由圖6可以看出：瞳孔面積與照明環(huán)境密切相關，駕駛員駕車由照度較大的隧道外進入照度較小的隧道內(nèi)，瞳孔面積由2 mm2急劇增大，到出口時又逐步減小；與無照明的隧道相比，駕駛員在正常照明的隧道行駛時，瞳孔面積變化幅度及變化速率均低于前者。故駕駛員在正常照明的隧道行駛時，瞳孔變化能產(chǎn)生較為平穩(wěn)的過渡，有利于提高駕駛安全性及舒適性。

3.4 掃視幅度

剔除個別不正常數(shù)據(jù)，繪制掃視幅度隨著離隧道入口洞口距離的變化規(guī)律，如圖7所示；將掃視幅度按0°～5°的小幅度掃視、5°～10°的中幅度掃視以及大于10°的大幅度掃視進行分類，比較每一類所占比例，如圖8所示。

圖7 掃視幅度與駕駛員離隧道入口距離關系Fig.7 Relationship between saccade amplitude and driver’s distance to tunnel portal

圖8 掃視幅度分布柱狀圖Fig.8 Column graph of the saccade amplitude distribution

由圖7、圖8可以看出：掃視幅度波動比較大，但兩種照明環(huán)境情況下的大部分掃視都屬于0°～5°小幅度掃視；在隧道無照明情況下，駕駛員小幅度掃視多于正常照明的情況，這是因為在無照明的隧道內(nèi)部光線昏暗，能見度不高，駕駛員識別目標較為困難，視覺信息采集的速率低，所以小幅度掃視占的比例較多。

4 結論

本文基于駕駛員生理參數(shù)對高速公路正常照明隧道和無照明隧道進行試驗，研究實驗結果可得到以下結論：

1)當短隧道不設置照明時，駕駛員心率增加率比正常照明的短隧道高，說明駕駛員通過不設置照明的短隧道時，心理更為緊張、焦慮，不利于安全駕駛。

2)對掃視、注視特征參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，駕駛員在正常照明的隧道注視時間所占百分比小于無照明的隧道，且以短注視為主，表明駕駛員搜索識別前方目標時間短，目標更易識別，從而縮短駕駛員反映時間，為安全駕駛提供保障。

3)駕駛員在無照明的短隧道中行駛過程中，瞳孔面積變化幅度及變化率都高于后者。說明短隧道設置照明能使瞳孔變化產(chǎn)生平穩(wěn)過渡，提高駕駛安全性及舒適性。

通過以上研究，高速公路短隧道照明環(huán)境的不同對駕駛員的生理影響較大，應結合安全、運營等因素決定短隧道是否設置照明。

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

[2] 楊鋒. 特長隧道內(nèi)非充分照明環(huán)境對駕駛員生理影響研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，2014.

[3] 潘國兵，劉圳，李靈愛. 公路隧道節(jié)能照明研究現(xiàn)狀與展望[J]. 照明工程學報，2017，28(1)：102-106.

[4] 張青文，涂耘，胡英奎，等. 基于生理和心理效應的公路隧道入口段照明質(zhì)量檢測方法[J]. 照明工程學報，2012，23(2)：9-13.

[5] 公路隧道照明設計細則:JTG/T D70/2—02—2014[S]. 北京：人民交通出版社，2014.

[6] 王書靈，陳金川，劉小明，等. 基于駕駛人心理反應的安全坡度研究[J].公路交通科技，2007(12)：126-129.

[7] 梁波，何世永，潘國兵，等. 基于新型內(nèi)裝材料的公路隧道行車安全研究[J].現(xiàn)代隧道技術，2015，52(2)：16-21.