小半徑公路短隧道入口段不同車型視覺負荷研究*

陳 云 杜志剛 焦方通 王首碩 王 朝

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

0 引 言

公路隧道為特殊管狀結構，其內部空間狹窄，不僅容易發生交通事故，而且事故發生后危害程度大，后續救援困難，極易造成群死群傷.研究表明，車輛進入隧道時，照度劇烈過渡，駕駛人對前方的障礙物或車輛的感知能力減弱，容易導致交通事故發生.Mehri等[1]將隧道入口處的安全照明水平與德波爾標度比較，發現“黑洞效應”會導致駕駛人的眼睛不適應隧道入口亮度水平的變化，從而增加了該區段發生交通事故的風險.陳鑫等[2]研究得出合理設置隧道入口段對比度的建議值.黃發明[3]研究發現，進入隧道過程中，過大的照度過渡率易加重駕駛人視覺負荷，并加劇心理緊張.崔健等[4]研究表明,對長隧道入口段實施可變限速控制,能夠提高交通安全與交通運行效率.胡江碧等[5]計算出不同設計速度下夜間隧道入口段的亮度差閾值.吳玲等[6]研究得出駛入隧道與駛出隧道的最佳期待車速分別為50 km/h與60km/h.肖志軍等[7]以運行速度差為指標建立評價隧道入口段道路行車安全的照明安全評價標準.在駕駛人瞳孔變動研究方面，杜志剛等[8]對26座隧道進行行車實驗，得出對于中長隧道，駕駛人暗適應時間在23 s以內，明適應時間在13 s以內.段萌萌等[9]提出“負荷重復累計效應”的概念，借助瞳孔面積最大瞬態速度評價高隧道比路段隧道出入口視覺負荷.

然而，上述研究當中沒有區分不同車輛類型駕駛人在隧道入口段的視覺負荷特性，隧道入口段的安全防護措施缺乏針對性，且以往研究很少對小半徑公路短隧道定量分析.同時國省干線公路隧道往往不設置隧道照明，低照度運營較為普遍，也容易誘發不良交通行為甚至交通事故.鑒于此，本文利用Dikablis Professional眼動儀系統，通過大貨車與小客車實地實驗以得到不同車型駕駛人在小半徑公路短隧道入口段的瞳孔面積變化速度，通過對比分析確定不同車型駕駛人視覺負荷的差異.

1 實驗設計和數據采集

1.1 實驗隧道

實驗公路隧道為云南省昔宜隧道(單洞雙向)，長度為175 m，位于R=251 m,Ls=45 m的左轉曲線內，為光學長隧道，隧道限速為40 km/h，見圖1.

圖1 云南昔宜隧道

1.2 實驗駕駛人

選擇駕齡為5～10年的男性駕駛人10名，均持有A1級駕駛證，要求矯正視力均在5.0以上，駕駛習慣良好，駕駛技術嫻熟，無生理缺陷，視覺機能良好，無重大駕駛事故背景.其中20～30歲3名，>30～40歲4名，>40～50歲3名.

1.3 實驗設備

本實驗遵循雙盲選原則，同時盡量控制其他因素，避免對駕駛行為造成影響.實驗用車分為大型貨車與小型客車，大貨車采用軒德X6，小客車采用別克GL8，車輛性能良好.利用德國某公司生產的Dikablis Professional眼鏡式眼動儀測量駕駛人眼動特征.該眼動儀采樣率為60 Hz，視線追蹤精度為0.1°～0.3°，可雙眼采集，兼容大多數眼鏡，身體頭部不受限，設置、校正簡易.配合D-lab軟件可同步采集數據和分析數據.

1.4 實驗方法與數據采集

1.4.1實驗要素

隧道結構為單洞雙向式，道路為雙車道；實驗選取天氣均為晴朗的白天，實驗時間段7月下旬10：00—17：00，保證隧道洞門處有較為劇烈的照度變化.實驗地點為國省干線公路隧道，無照明，交通量較小，可保證實驗車以自由流或接近自由流車速行駛.

1.4.2實驗方法

給被試駕駛人佩戴眼動儀并校正，啟動實驗設備，車輛從實驗隧道前500 m進入公路.告知駕駛人行駛路線，駕駛人依據駕駛習慣與道路狀況選擇駕駛行為和車速，輔助人員不得干擾.在距離隧道洞門前5，10，15，20 m，隧道洞門處0 m和隧道洞門后5，10，15，20，25，30，35，40，45，50 m處標記.行車過程中，眼動儀自動同步記錄相關數據.行車至觀測點時，輔助人員通過D-lab軟件標定和記錄觀測點時間和位置.同時，所有駕駛人均駕駛兩種不同車型進行實驗.

1.4.3實驗誤差控制

實驗過程中，對向來車的車燈會使被試駕駛人瞳孔面積變動不規律，視該次實驗為無效.瞳孔直徑與面積會由于瞳孔變動過快或注視點不在鏡頭內而導致異常(實驗數據為空白或極大值).若隧道入口段實驗數據異常時間累計達25%，則可認為無效，同時為消除外部環境造成的誤差，每名駕駛人進行5次實驗，取多次實驗數據平均值為駕駛人眼動數據，以提高行車實驗的可信度和有效性.

2 實驗數據分析

2.1 隧道入口段駕駛人瞳孔變動

人通過瞳孔可獲取70%的外界信息(物體輪廓、運動狀態、距離等)，而行駛過程中，則可獲取80%～90%的駕駛信息.進入隧道過程中，照度劇烈過渡，駕駛人受“黑洞效應”影響，瞳孔面積隨之急劇增大，故以瞳孔面積變化速度為指標對駕駛人視覺負荷和行車安全進行評價.研究發現，基于駕駛人瞳孔面積變化速度及持續時間的安全評價指標與瞳孔面積變化臨界速度的視覺負荷指標可以分別有效應用于隧道進出口行車的安全性評價和隧道路段視覺負荷評價[10].

2.1.1瞳孔面積變化速度

研究表明，隧道洞門內前50 m范圍內，車輛加速度絕對值一般在0～0.5 m/s2內，行駛時間為2 s左右[11-13].為簡化計算，可視車輛為勻速行駛，則瞳孔面積變化速度為

(1)

式中：Ve為瞳孔面積變化速度，mm2·s-1；S為瞳孔面積，mm2；x為車輛行駛距離，m；t為車輛行駛時間，s；v為行駛速度，m·s-1.

2.1.2瞳孔變動分析

為研究不同車型駕駛人對瞳孔面積變化速度的影響，對入口段不同車型駕駛人的瞳孔面積變化平均速度數據進行KS-檢驗(kolmogorov-smirnov test)，若滿足正態分布，則進行獨立樣本T檢驗分析；若不滿足正態性檢驗，則考慮非參數檢驗來分析數據差異性.

不同車型駕駛人行駛于隧道入口段的瞳孔面積變化平均速度分布統計結果，見圖2.為進一步研究車型對小半徑短隧道入口段瞳孔面積變化平均速度是否有影響，對數據進行KS-檢驗、獨立樣本T檢驗分析，結果見表1.

圖2 瞳孔面積變化平均速度

車型KS-檢驗levene檢驗均值T檢驗結論大型貨車小型客車Sig.=0.129Sig.=0.200Sig.=0.559Sig.=0.005存在顯著差異

由表1可知，不同車型駕駛人在小半徑短隧道入口段行駛時的瞳孔面積變化平均速度值服從正態分布(Sig.>0.05)，方差無顯著差異(levene檢驗的Sig.=0.559>0.05)，變化速度會受不同車型的顯著影響(均值T檢驗的Sig.=0.005<0.05)，大貨車駕駛人的瞳孔面積變化平均速度要高于小客車駕駛人.瞳孔變動與處理駕駛任務時的視覺負荷相關聯.駕駛人在照度強烈變化的條件下，瞳孔會收縮或擴張以適應新的環境與獲取更多駕駛信息.這表明：大貨車駕駛人在小半徑短隧道入口段行駛時所承受的視覺負荷要高于小客車駕駛人，其行車安全性的負面影響更大，更易發生事故.同時，大貨車駕駛人在入口段的瞳孔面積變化平均速度波動范圍較小，小客車駕駛人易受外界影響，波動范圍遠高于大貨車駕駛人.

2.2 瞳孔面積變化速度與洞門距離關系

研究發現，隧道出入口路段在日間極易發生視覺障礙，主要集中在距離洞門5～50 m的范圍內，這也證實隧道出入口區域視覺負荷最大.本次實驗取隧道洞門前20 m至隧道內50 m為研究范圍，將其分成0.2 s的多個行程.作如下處理：分別在眼動數據中標記駕駛人至觀測點的時間節點，再由式(1)得各觀測點處瞳孔面積變化速度，對同一駕駛人多次實驗取平均值.

2.2.1視覺負荷起始位置

對不同車型駕駛人在各觀測點位的瞳孔面積變化速度，進行趨勢分析，得出瞳孔面積變化速度與隧道洞門距離的關系，見圖3.

圖3 小半徑公路短隧道入口瞳孔面積變化速度

日間行車時，駕駛人駛入隧道洞門時受“黑洞效應”影響，瞳孔擴張以適應光環境劇烈過渡，表明駕駛人承受強烈視覺負荷，瞳孔面積變化速度與負荷成正比.由圖3可知，不同車型駕駛人在隧道入口環境的瞳孔面積變化速度隨洞門距離的變化情況有顯著不同.大貨車駕駛人自洞門前20 m起瞳孔面積變化速度不斷增大，在洞門內0～10 m的范圍內達到峰值；小客車駕駛人的瞳孔面積變化速度在洞門前緩慢增加，進入洞門后迅速增大，在洞內5～15 m的范圍內達到峰值，但不同車型的峰值均約3.3 mm2·s-1.這表明大貨車駕駛人視覺暗適應起始點要早于小客車駕駛人，這是由于不同車型駕駛人視線高度與視距不同造成的.大貨車駕駛人眼高大約為2.3 m，且注視點更遠，視距更遠，視野更開闊，故視覺暗適應更早；隧道外光線射入隧道內靠近洞門的低位區域，小客車駕駛人眼球高度大約為1.3 m，照度變化相對緩和，且注視點較近，故視覺暗適應較晚.

實驗隧道為光學長隧道，駕駛人無法在進洞口處的一個停車視距看到出洞口.瞳孔面積變化速度經歷峰值后逐漸緩和，至25 m處達到低峰，行駛至洞內28 m處發現出口洞門，之后呈現波動.同時，發現不同車型駕駛人瞳孔變化呈現相同的變化趨勢，但大貨車駕駛人視覺負荷整體較大，持續時間更長.

2.2.2瞳孔面積變化速度離散程度

在洞門內前15 m內，駕駛人經歷較大的視覺負荷；在15～40 m內，瞳孔面積變化速度相較峰值有所降低，表明瞳孔逐步適應行車環境變換與照度變化.為探究不同車型駕駛人對“黑洞效應”的適應能力，故以峰值過后的瞳孔面積變化速度離散程度評價其適應能力且以15～40 m為研究范圍.借助變異系數衡量不同車型駕駛人瞳孔面積變化速度離散程度(見圖4)為

CV=σ/μ

(2)

式中：CV為變異系數；σ為標準差；μ為均值.變異系數能夠反映單位均值上的離散程度，用于總體均值不等的情況.

圖4 不同車型駕駛人變異系數

為進一步研究不同車型是否對瞳孔面積變化速度離散程度有影響，對數據進行正態性檢驗，結果變異系數不滿足正態分布(Sig.<0.05)，故考慮非參數檢驗.對變異系數進行兩樣本的Wilcoxon秩和檢驗，得漸近顯著性值P=0.007<0.05，說明不同車型駕駛人在峰值后的瞳孔面積變化速度的變異系數有顯著差異，即大貨車駕駛人的瞳孔變化速度離散程度高于小客車駕駛人.這表明，大貨車駕駛人在完成暗適應且發現隧道出口之后，其瞳孔面積的波動更劇烈；小客車駕駛人的瞳孔面積變化速度逐漸降低，波動不顯著，能夠平緩適應隧道內外的照度變化.從而可知大貨車駕駛人對公路隧道視覺環境更敏感.

3 結 論

1) 以瞳孔面積變動為評價指標，大貨車駕駛人于小半徑公路隧道入口段的整體視覺負荷顯著大于小客車駕駛人，但小客車駕駛人整體視覺負荷波動更大.

2) 在公路隧道入口段，駕駛人視覺負荷繼續上升.大貨車駕駛人暗適應比小客車駕駛人更早；大貨車駕駛人瞳孔面積變化速度峰值范圍為隧道內距離洞門0～10 m，小客車駕駛人的峰值范圍為5～15 m.

3) 駕駛人在公路隧道入口段完成視覺暗適應后，其視覺負荷會下降；但在入口段區域后可視隧道出口時，駕駛人視覺負荷將會出現波動，其中大貨車與小客車駕駛人的瞳孔面積變化速度峰值分別為3.0與2.0 mm2·s-1，說明大貨車駕駛人對于隧道出口更敏感.

4) 總體而言，公路隧道入口段大貨車駕駛人比小汽車駕駛人視覺負荷更高，但其對隧道不同路段環境變動更敏感，體現了良好的視覺適應性.建議在今后視線誘導系統設計中，可分別針對大貨車駕駛人、小汽車駕駛人視覺適應特征進行優化設計，緩解駕駛人視覺負荷，減輕負荷波動，降低公路隧道入口“黑洞效應”的影響，從而確保公路隧道交通安全.同時可結合不同長度、不同半徑的公路隧道中的駕駛行為實驗，進一步研究公路隧道交通安全.