基于多頻信息的城市水下特長隧道中部光環境優化設計*

倪玉丹 杜志剛 楊理波 焦方通

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

0 引 言

隨著城市快速擴張與有限土地資源間沖突的不斷加劇，城市隧道正逐漸被廣泛采用，在受到江河湖海等限制的區域，一些跨江跨海等城市水下特長隧道逐漸興起.城市水下特長隧道與普通城市隧道相比，其除了具有普通城市隧道內視覺環境單調、參考信息匱乏等問題外，城市水下特長隧道往往里程較長，更容易導致駕駛員心理壓力增大、產生不適，長時間在特殊的環境中行駛也容易導致駕駛員產生心理和生理疲勞，具體表現為對車速等感知判斷能力減弱，反應時間延長，駕駛操作失誤.因此，本文以城市水下特長隧道中部光環境為研究對象，提出隧道中部光環境優化設計方法，對于提高城市水下特長隧道中部的交通安全具有重要研究價值.

國內外學者對于城市隧道光環境的研究主要集中在隧道出入口及駕駛員視覺特性方面.胡江碧等[1]研究指出駕駛員長期處于動態隧道光環境中時心理負荷較大，會出現心煩、緊張、興奮，以及由緊張到適應轉折等反應；在接近隧道入口時，駕駛員注視點前移，視區變窄，注視時間增加，眨眼次數減少，注意力主要集中在前方隧道入口路面.潘姝等[2]發現相比于隧道外環境，隧道內駕駛員獲取信息的難度更大，對同一區域的注視重復率明顯增加，視覺搜索效率變低.而在駕駛疲勞方面，Ann等[3]探究了駕駛疲勞的原因，研究指出單調的駕駛環境可能導致駕駛員因無聊產生駕駛疲勞，而壓抑的工作環境也可能使駕駛員因高度緊張產生精神和肌肉上的疲勞.Mcvay等[4]發現，隨著駕駛時間的增加駕駛員維持車速的行為會減少、轉向偏移會增加，表明駕駛員隨著駕駛時間的增加變得疲勞難以關注其駕駛行為.倪娜等[5]對終南山隧道交通事故數據進行分析發現，特長隧道內駕駛疲勞和操作失誤是導致交通事故的主要原因.

以上研究主要側重在了解城市隧道光環境特征以及駕駛員的視覺特性等方面.而目前關于改善城市水下特長隧道中部單調的行車環境，緩解駕駛疲勞問題等方面缺乏深入研究.因此，本文基于多頻信息理論對城市水下特長隧道中部光環境進行優化設計，旨在改善隧道中部單調的駕駛環境，緩解駕駛員駕駛疲勞，以期為城市水下隧道光環境優化設計提供新思路.

1 改善原理及優化方法

1.1 改善原理

發光物體或逆反射物體的設置間距可形成閃現的視覺警示，視覺警示的頻率為時間頻率，即刺激物在單位時間內呈現的周期，單位為Hz[6].時間頻率是影響駕駛員者視覺感知的重要因素，頻率過高會給駕駛員造成視覺壓力，過低則會削弱其警示作用，研究表明駕駛員行車過程中，設置圖案的頻率在2～12 Hz范圍內最合適[7-8].因此，擬采用時間頻率理論，通過多頻信息的組合實現對城市水下特長隧道中部光環境的優化設計.

折線元素在建筑空間環境設計中代表理性的元素，是秩序美與突變形態的重要來源[9]，折線圖案的銜接、起伏、高低變化，在方向上加入有規律的突變運動，線條的變化具有一定方向性，給駕駛員流動的心理感受，具有動態美感；曲線元素因其圓潤的特點和弧度的變化，給流動空間賦予了容納、疏導、流暢等感性意義[10]，人對曲線元素天然的偏愛導致人的感知能力和關注力會無意識地被曲線元素吸引，鄭展驥等[11]研究中指出，在隧道側壁布設韻律型標線可有效緩解駕駛員駕駛疲勞現象.因此以隧道側壁環境為中心，按不同區段不同的行車需求設置不同的側壁曲線，賦予側壁圖案階段性變化，可改善隧道中部行車環境單調性，延緩駕駛疲勞的生成，提高行車安全性.

1.2 優化設計方法

根據城市水下特長隧道中部駕駛員速度感缺失以及易產生駕駛疲勞的特點，將中部劃分為安全段和喚醒段，其中安全段主要以提高駕駛員速度感為優化目的，需要駕駛員保持理智、清楚的判斷，因此安全段通過設置高頻黃黑立面標記，提升駕駛員速度感，同時黃黑立面標記可以有效顯示側壁與路面分界，體現空間路權及路側障礙物；設置中頻心電圖案，以提升駕駛員距離感，同時也具有一定韻律性，可以有效提升隧道空間美感.喚醒段則以改善駕駛疲勞為目的，視覺環境需要富有變化，設置超低頻韻律型圖案，提升舒適感、美感，階段性設置起到規律性給予駕駛員視覺刺激，緩解駕駛疲勞，提高駕駛舒適性的作用.具體見圖1和表1.

圖1 城市水下特長隧道中部優化設計方法效果圖

表1 城市水下特長隧道中部優化設計方法信息表

注：黃黑立面標記間隔-單個黃色或黑色標記長度；h-檢修道外側寬度；設施的時間頻率-主線設計速度80 km/h的速度進行計算；3 km設置一段喚醒段，喚醒段長度-7 s行程150 m.

2 實驗設計

在隧道中直接進行實車實驗有較高的難度和危險性，且對于優化后的場景難以實施.因此，本文使用3DSMAX仿真軟件搭建城市水下特長隧道實驗場景，用E-prime軟件對優化前后實驗場景進行心理物理學實驗，模擬駕駛員在隧道中部的行車過程，定量分析城市水下特長隧道中部光環境優化設計方法對駕駛員駕駛疲勞改善效果，并通過SPSS24和origin2017對實驗數據進行統計學分析.

2.1 實驗方法

實驗共挑選20名駕駛員作為被試，其中男性測試者14人(70%)，女性測試者6人(30%)，高駕齡駕駛員共有16人，低駕齡駕駛員4人.

駕駛疲勞最直觀的表現就是駕駛員反應時間的延長及判斷錯誤和操作錯誤增多，進而導致駕駛員速度感知能力減弱，速度感知能力是道路交通安全的重要一環，超速是交通事故的主要原因之一，而超速主要是因為駕駛員對自身行車速度判斷不準確[12],因此,以速度錯覺程度和反應時間作為評價指標，定量分析優化設計方法對駕駛員駕駛疲勞的影響.實驗中模擬視頻時長為8 min，初始行車速度為70 km/h，在駕駛員駕駛車輛5 min后的10～150 s內隨機發生速度變化(±10 km/h)，駕駛員需要在速度變化后10 s內做出判斷進行按鍵操作并口述感知速度，其中刺激與反應產生之間的時間間隔可以由E-prime軟件自動記錄.

2.2 實驗流程

具體實驗步驟如下：

步驟1在實驗正式開始前，駕駛員需熟悉實驗過程，并進行一段預實驗，保證駕駛員熟悉測試設備及操作流程.

步驟2在電腦運行E-prime軟件，在實驗平臺上播放仿真視頻，開始模擬實驗.

步驟3在開始播放實驗前，設計一組倒計時為駕駛員提供準備時間，避免駕駛員分心未進入狀態.

步驟4要求駕駛員目光直視視頻中的道路前方，當發現行車速度發生變化時做出判斷并按下操作鍵，系統將自動記錄駕駛員的反應時間，速度判斷結果由記錄員記錄.

步驟5每個視頻結束后更換駕駛員進行下一組實驗，本輪實驗的駕駛員則休息等待；由E-prime軟件輸出實驗數據，計算得到各組實驗的反應時間

t=T1-T0

(1)

式中：T1為判斷出速度突變的時刻；T0為速度突變的時刻

2.3 模型校核

雖然模擬實驗場景與實際場景相比具有很高的還原度，但給駕駛員的視覺感受仍有差異，因此需要對模擬實驗場景進行精度校核.試驗中仿真場景與真實場景采用城市快速路普通路段，見圖2.在速度模型校核試驗中，真實場景車速為65 km/h，仿真場景車速為(65±20) km/h，利用極限法測得仿真場景車速為66.58 km/h，模型誤差為-2.43%，在5%的誤差允許范圍，見表2.根據單樣本T檢驗結果分析，雙尾概率P為0.092，大于0.05，可以認為駕駛疲勞試驗中仿真場景與真實場景不存在顯著差異.因此，綜上采用仿真模型場景進行試驗是有效的.

圖2 實驗模擬場景

表2 模型精度檢驗

行車場景設計速度/(km·h-1)相對誤差/%單個樣本統計量樣本N標準差單個樣本T檢驗(α=0.05)Sig(雙側)95%置信區間下限上限真實行車場景65仿真模擬場景66.582.43205.230.09264.1369.03

2.4 實驗場景設計

實驗場景分為優化前實驗場景和優化后實驗場景，模型根據青島第二海底隧道設置，隧道照明亮度為3.5 cd/m2，長15.8 km，設計車速80 km/h時，隧道高5 m，車道寬3.75 m,側向寬度0.5 m.優化前實驗場景是無側壁信息的城市水下特長隧道中部場景，見圖3a)，優化后實驗場景是設置側壁誘導圖案后的城市水下特長隧道中部場景，見圖3b).

圖3 優化前后實驗場景

3 實驗數據分析

基于E-prime平臺開展室內仿真模擬實驗，獲取優化前后場景下駕駛員的速度判斷錯誤率和反應時間數據，見表3.優化前后速度錯覺程度和反應時間擬合曲線圖見圖4～5.

由圖4可知：①駕駛員速度錯覺程度隨駕駛時間的增長呈上升趨勢，表明駕駛疲勞生成會影響駕駛員的行車績效，導致速度錯覺程度加深；②比較優化前后駕駛員速度錯覺程度，優化前駕駛員速度錯覺程度在速度突變時刻40～60 s增長幅度最大，表明此時段內駕駛員疲勞累積程度加深；優化后在100～120 s增長幅度最大，表明優化后減小了駕駛員疲勞累積速率，駕駛員可保持相對較高的速度感知能力；③優化前后駕駛員速度錯覺在速度突變初期(10～40 s)變化不大，但隨著駕駛時間的增多，優化后駕駛員速度錯覺程度較優化前降低1.80%～8.91%.

表3 城市水下特長隧道中部優化前后駕駛員速度錯覺程度和反應時間

圖4 優化前后速度錯覺程度圖

圖5 優化前后反應時間擬合曲線圖

利用origin2017對駕駛員的反應時間進行Logistic擬合分析，通過擬合曲線和相關系數R2(接近1)可以判斷曲線擬合程度較高.擬合函數為

(2)

式中：A為反應時間；x為速度突變時刻；A1為曲線上漸近線估值；A0為曲線下漸近線估值；x0為反應時間變化的拐點；p為對應的斜率.

由表3和圖5可知，優化前駕駛員反應時間隨著駕駛時間的增多明顯延長，說明在城市水下特長隧道中部存在明顯的駕駛疲勞現象.在相同的駕駛時間條件下，優化后駕駛員反應時間與優化前相比減少0.06～1.21 s.

表4為優化前后反應時間擬合公式參數，通過logistic擬合公式的含義得知，擬合曲線拐點可以反映駕駛疲勞，即當某一時段擬合曲線出現顯著性變化時，說明該時段駕駛產生疲勞.優化前后的反應時間變化拐點從40.39 s延后到108.44 s，與駕駛員速度錯覺程度結果一致，表明優化設計方法可以延緩駕駛員駕駛疲勞生成.但當駕駛時間超過7 min(速度突變時刻120 s)，優化前后駕駛員的反應時間差不再變化，表明隨著駕駛時間的延長，優化方法的緩解作用有所削弱，主要是由于駕駛員對視覺刺激形成了視覺適應性，刺激敏銳度降低.

表4 優化前后反應時間擬合公式參數

4 結 論

1) 優化前駕駛時間的增加駕駛員速度錯覺程度顯著增長，表明城市水下特長隧道中部存在駕駛疲勞現象，駕駛員警覺性和操作靈活度降低；優化后駕駛員速度錯覺程度降低1.80%～8.91%.

2) 駕駛員駕駛疲勞受到隧道視覺環境以及行車時間的綜合作用，優化后駕駛員反應時間拐點向后延長約68 s，說明優化方法可以延緩駕駛疲勞生產；同時，在相同的行車時間下，優化后駕駛員反應時間比優化前減少0.06～1.21 s，表明優化方法階段性給予駕駛員視覺刺激，能有效緩解駕駛員駕駛疲勞，提升駕駛員注意力，有利于隧道中部行車安全.

3) 駕駛時間超過7 min(根據行車速度計算得行程為9.33 km)，優化前后駕駛員的反應時間差不再變化，表明該優化方法對駕駛員駕駛疲勞的緩解效果減弱，故在長度大于9.33 km以上城市水下特長隧道應考慮改進優化方法，這也是之后研究的重點.