彩色路面環(huán)境下隧道駕駛視覺空間研究

■楊龍清 江 建 王家主 修玲艾 卓 曦

(1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350108)

0 引言

作為一個封閉式的車輛通行環(huán)境，隧道駕駛舒適性和誘導(dǎo)性要求較高。近年來，由于亮度系數(shù)和醒目度較高，彩色路面在隧道環(huán)境中得到推廣。然而彩色路面環(huán)境下隧道照明設(shè)施和交通安全設(shè)施設(shè)置常依據(jù)黑色瀝青路面環(huán)境下隧道設(shè)計規(guī)范，鮮有考慮彩色路面影響下駕駛視覺特征，易導(dǎo)致設(shè)施與路面協(xié)調(diào)性不足。彩色路面環(huán)境下隧道駕駛視覺空間是駕駛員注視點分布空間，其研究有助于定量化駕駛視覺特征。

國外對隧道駕駛視覺空間的相關(guān)研究集中于隧道設(shè)計對駕駛行為的影響分析。Katja Kircher等人[1]通過模擬實驗，探討了隧道側(cè)壁顏色與燈具照度影響下駕駛視覺特性，發(fā)現(xiàn)相比照度，淺色的隧道側(cè)壁更有助于提高駕駛視覺注意力。M.P.Manser等人[2]基于駕駛視覺特征分析，研究了不同隧道設(shè)計對駕駛員車速選擇的影響。國內(nèi)研究側(cè)重于隧道空間對駕駛特性的影響分析。戴憂華等人[3]在隧道線形、駕駛員視覺特性等方面，分析了空間通視性對隧道駕駛行為的影響。田晶晶等人[4]綜合考慮多種眼動參數(shù)，探討了公路隧道環(huán)境下駕駛視覺特性。師曉鴿[5]以彩色路面注目性、色澤質(zhì)地均勻性、景觀協(xié)調(diào)性、情緒反應(yīng)等特征參數(shù)作為觀感質(zhì)量評價的指標(biāo)，并采用打分法評價觀感質(zhì)量。可見國內(nèi)外相關(guān)研究較少討論彩色路面環(huán)境下隧道駕駛視覺空間，不利于明確彩色路面環(huán)境下隧道設(shè)施優(yōu)化方案。

本文基于隧道照明區(qū)段劃分，分析彩色路面環(huán)境下隧道駕駛注視特征，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合駕駛員視點位置、視野角度、視距等視覺參數(shù)，構(gòu)建彩色路面環(huán)境下隧道駕駛視覺空間，并以某市的松毛嶺彩色路面隧道為例，進(jìn)行成果應(yīng)用和分析。本文提出的駕駛視覺空間構(gòu)建方法，有助于完善駕駛視覺理論，進(jìn)而為彩色路面環(huán)境下隧道設(shè)施優(yōu)化提供一定的理論指導(dǎo)。

1 隧道照明區(qū)段

考慮隧道封閉程度、照明條件等環(huán)境，駕駛視覺特性在各隧道照明區(qū)段中呈現(xiàn)一定差異。依據(jù)《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》[6]，隧道分為5個照明區(qū)段，包括接近段、入口段、過渡段、中間段、出口段。

(1)接近段

接近段指與隧道入口緊連的一段道路。該區(qū)段是駕駛視覺調(diào)節(jié)的空間，便于駕駛員看清隧道內(nèi)物體。

(2)入口段

入口段是車輛進(jìn)入隧道后第一個照明區(qū)段。該區(qū)段路面亮度急劇變化，導(dǎo)致駕駛員視覺常無法迅速適應(yīng)。

(3)過渡段

過渡段是隧道內(nèi)緊接入口段的照明區(qū)段。該區(qū)段為駕駛員提供了視覺暗適應(yīng)時間，促使其逐步恢復(fù)視覺能見度和舒適度。

(4)中間段

中間段是在車流前進(jìn)方向緊接過渡段的照明區(qū)段。該區(qū)段遠(yuǎn)離外部自然光照影響，且駕駛員各項眼動特征較為穩(wěn)定。

(5)出口段

出口段指隧道內(nèi)接近出口的照明區(qū)段。在單洞雙向通行隧道中，出口段與入口段照明條件一致。該區(qū)段駕駛員視覺受洞外光線影響較大，易出現(xiàn)視覺震蕩現(xiàn)象。

2 彩色路面環(huán)境下隧道駕駛注視特征

(1)基于車型的駕駛視點位置

視點為駕駛員眼睛位置，即視覺空間的起始方向點，可根據(jù)車型而定。不同車型的外廓尺寸和底盤高度不同，導(dǎo)致駕駛員視點高度差異。

(2)基于車速的駕駛視野

1)視野與車速的關(guān)系

在靜止?fàn)顟B(tài)下，駕駛員眼睛視野的水平角范圍為160°～180°，垂直角范圍為 100°～130°。 而在車輛行駛狀態(tài)下，車速越高，駕駛員注意力越集中且難于轉(zhuǎn)移，此時注視點越遠(yuǎn)，兩眼凝視遠(yuǎn)方并集中于一點，形成 “隧道視覺”，使視野變窄。若高速狀態(tài)下駕駛員視野過于窄小，將影響駕駛員對車輛兩側(cè)情況的感知。

2)基于道路線形和車速的視野水平角

如圖1所示，單洞雙車道隧道公路的駕駛員視野為兩側(cè)隧道壁視線范圍。

圖1 隧道空間視野平面

根據(jù)圖1，可知隧道的視野水平角 α(°)為

式中：A1O1——駕駛員視線在行車方向右側(cè)隧道壁的最遠(yuǎn)注視點A1至車輛行駛車道中線的距離(m)，其中 O1為A1在車輛行駛車道中線的垂足；

A2O2——駕駛員視線在行車方向左側(cè)隧道壁的最遠(yuǎn)注視點A2至車輛行駛的車道中線的距離(m)，其中O2為A2在車輛行駛車道中線的垂足；

L1——O1與車輛的距離(m)；

L2——O2與車輛的距離(m)。

3)視野仰角

以視點和最高處注視點連接線、路面水平線為邊，可得出視野仰角。

(3)駕駛視距

基于眼動試驗，根據(jù)最近和最遠(yuǎn)注視點，明確駕駛員視距范圍。

3 彩色路面環(huán)境下隧道三維駕駛視覺空間

由于駕駛員注視點散布于視野立體空間，駕駛視覺空間為三維形狀。為構(gòu)建視覺空間，提出假設(shè)為：1)忽略駕駛員對視野中偏遠(yuǎn)目標(biāo)的注視行為，因而存在一個形似扇形的視場，而駕駛員僅感知該視場內(nèi)空間；2)駕駛員視線的中線始終保持水平狀態(tài)；3)駕駛員注視點全部落在該視覺空間中。

通過眼動試驗，獲取駕駛員注視點分布位置。進(jìn)而如圖2所示，將立體空間中注視點與視點連線，形成隧道三維駕駛視覺空間。該三維空間包括駕駛員視點、視距、視野水平角和仰角等視覺參數(shù)，是在路面和隧道側(cè)壁約束下，多個曲面組合而成的錐體。

圖2 隧道三維駕駛視覺空間示意圖

圖中，V為駕駛員雙眼視點，β為視野仰角(°)，D1為最小視距，D2為最大視距，其余符號含義同前。

4 試驗段駕駛視覺空間

4.1 松毛嶺隧道試驗段概況

選取某市的松毛嶺隧道為試驗段。該隧道位于兩縣的交界位置，是交通走廊的關(guān)鍵路段。該隧道為單洞雙車道路段，長度為1364m，寬度為10.5m，最大縱坡為1.7%，最小平曲線半徑為100m。目前隧道限速為30km/h，交通量小于180輛/h，且主要為大型貨車和客車，而小客車相對較少，未見非機(jī)動車。

如圖3所示，試驗段采用甲基丙烯酸聚甲酯(Methylmethacrylate)新型彩色路用材料。隧道兩端洞外各鋪50m藍(lán)紅相間的橫向條紋，洞內(nèi)兩端前300m鋪設(shè)紅色薄層，再往里各鋪設(shè)100m灰色薄層，中間564m保留黑色瀝青路面。

圖3 松毛嶺隧道

4.2 試驗段三維駕駛視覺空間

邀請30位駕駛員進(jìn)行松毛嶺隧道駕駛眼動實驗。駕駛員佩戴SMI眼動儀，駕駛車輛通過松毛嶺隧道。然后從SMI眼動儀導(dǎo)出駕駛員的注視點坐標(biāo)、注視角度等眼動數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)篩查和剔除，獲取有效眼動數(shù)據(jù)。最后運(yùn)用統(tǒng)計分析方法，利用眼動數(shù)據(jù)，從視點、視野和視距等角度，研究試驗段駕駛視覺空間。如圖4所示，通過松毛嶺隧道眼動數(shù)據(jù)分析，將駕駛員視點與空間注視點相連，構(gòu)建出隧道三維視覺空間。

圖4 試驗段的三維駕駛視覺空間示意圖

(1)視點

根據(jù)現(xiàn)場測量，小客車視點在距離地面高度1.2m的位置，大型客車和載重汽車的視點在距離地面高度2m的位置。

(2)視野水平角和仰角

松毛嶺隧道運(yùn)行速度為40km/h。通過該隧道駕駛員眼動實驗，結(jié)合注視點分布規(guī)律，根據(jù)式(1)，可知駕駛員視野水平角 α 在 80°和 100°之間，仰角 β=23°。

(3)視距

通過試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在眼動試驗所得的注視點像素坐標(biāo)系中，最近注視點坐標(biāo)為(670.4px，722.4px)，最遠(yuǎn)注視點坐標(biāo)為(70.1px，60px)。進(jìn)而根據(jù)注視點坐標(biāo)，在眼動試驗錄像截圖上定位，再換算成視野空間的實際視距范圍，得出駕駛空間視距范圍為25m～200m，即，D1=25m，D2=200m。

4.3 試驗段路面的注視點分布規(guī)律

(1)接近段

如圖5～圖9所示，從眼動數(shù)據(jù)中提取落在路面上的注視點，構(gòu)建路面注視點像素坐標(biāo)系，從而得到隧道彩色路面的駕駛員注視點分布圖。圖中，Vp點為駕駛員視點在彩色路面上的投影位置，X為隧道橫斷面像素位置(px)，Y為隧道縱斷面像素位置 (px)，0點為坐標(biāo)原點，即視野所見圖像左上角點。

如圖5所示，當(dāng)車輛在隧道接近段行駛時，駕駛員視野中隧道洞口景象面積急劇增大，促使其注意力較為集中，因此接近段路面注視點分布范圍較窄小，主要分布在駕駛員的正前方，且縱向上視距范圍較小。

圖5 隧道接近段彩色路面注視點分布圖

(2)入口段

如圖6所示，當(dāng)車輛在隧道入口段行駛時，駕駛員視野中景象多為隧道側(cè)壁和彩色路面，此時駕駛視覺處于暗適應(yīng)階段，注意力較難集中。因此入口段路面注視點分布范圍變寬，主要分布在駕駛員的正前方和右前方，縱向上視距范圍較大。

圖6 隧道入口段彩色路面注視點分布圖

(3)過渡段

如圖7所示，當(dāng)車輛在隧道過渡段行駛時，駕駛員視覺基本適應(yīng)隧道環(huán)境，注意力集中于視野的正前方。因此過渡段路面注視點分布范圍變窄，主要分布在駕駛員的左前方(接近中心雙黃線處)和右前方，縱向上視距范圍較小。

圖7 隧道過渡段彩色路面注視點分布圖

(4)中間段

如圖8所示，當(dāng)車輛在隧道中間段行駛時，由于隧道亮度水平較高，環(huán)境視認(rèn)性良好，駕駛員視覺完全適應(yīng)隧道環(huán)境。因此中間段路面注視點分布范圍稍變寬，主要分布在駕駛員的左前方(接近中心雙黃線處)和正前方較遠(yuǎn)處，縱向上視距范圍較大。

圖8 隧道中間段彩色路面注視點分布圖

(5)出口段

如圖9所示，雖然單洞雙向通行隧道的入口段和出口段照明條件一致，但駕駛員注視點分布存在較大差異。當(dāng)車輛在隧道出口段行駛時，駕駛員視覺處于明適應(yīng)階段，視野中隧道洞口景象面積增大，此時駕駛員為觀察洞外路況，注意力集中于洞外路面。因此出口段路面注視點分布范圍稍變窄，主要分布在駕駛員的正前方較遠(yuǎn)處，縱向上視距范圍較大。

圖9 隧道出口段彩色路面注視點分布圖

5 結(jié)語

彩色路面環(huán)境下隧道駕駛視覺特性影響著駕駛舒適度和交通安全水平，然而國內(nèi)外相關(guān)研究鮮見彩色路面環(huán)境下隧道駕駛員注視點分布規(guī)律研究，尚未形成定量化的視覺分析方法，使得該類型隧道的沿線設(shè)施設(shè)置缺少足夠的理論探討。

本文基于隧道照明區(qū)段，分析了駕駛員視點、視野和視距等彩色路面環(huán)境下隧道駕駛員注視特征，構(gòu)建了多個曲面組合而成的隧道三維駕駛視覺空間，最后以某市的松毛嶺彩色路面隧道為試驗段，通過眼動試驗，獲取了注視點位置，從而給出了試驗段的三維視覺空間及路面注視點分布規(guī)律。

本文提出的彩色路面環(huán)境下隧道駕駛視覺空間構(gòu)建技術(shù)尚有不足，下一步將定量化研究視覺空間邊界，以及視覺空間對駕駛心理的影響，從而提出更為綜合、全面的彩色路面環(huán)境下隧道駕駛視覺空間理論。