基于駕駛員眼動特征的無極調光智能控制技術的安全性

劉 穎，張 龍，史玲娜，劉貞毅

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

引言

藏區高速公路具有隧道多、隧道長的特點，從而導致高速公路機電設備用電多、用電貴、運營負擔重。相較東部沿海發達地區高速公路，藏區高速車流量明顯偏少，車輛呈現不連續狀態，有時甚至幾十分鐘才有一輛車經過，常規照明方式將造成很多無效照明。為節約電費開支、減少運營成本，周公山隧道采用無極調光智能控制技術，此技術將無級調光與車輛檢測技術動態組合，以達到“車走燈熄、與車隨行”的隧道照明節能效果。

為研究采用無極調光智能控制技術對駕駛員眼動特征參數的影響，本文通過在采用此技術的隧道環境進行試驗，利用眼鏡式眼動儀研究在采用此技術的照明環境下和未采用此技術的照明環境下的駕駛員眼動特征參數變化情況。

1 無極調光智能控制技術原理

無極調光智能控制系統主要由洞外亮度檢測儀、洞內亮度檢測儀、車流量檢測器、光電車檢器、車檢控制器、亮度可控型公路隧道LED照明燈具等組成[1]。

系統通過檢測得到洞外亮度、隧道外車流量信息，隧道入口段和中間段亮度等信息，計算出入口段的加強照明和基本照明相應的調光功率[2]，再將其轉為調光信號輸出至車檢控制器。控制器根據光電車檢器檢測的車輛信號，控制所屬區段是采用按需照明信號還是最小照明信號。當隧道某區段有車到來時，車檢控制器即控制所屬的下一區段按需求調光；車輛離開后，車檢控制器延遲若干分鐘，若無車輛到來，則將調光信號由按需調光切換至最小亮度；若有車輛到來，則繼續延遲。

2 眼動特征參數選取

駕駛員駕駛車輛接近隧道時，洞內燈具明暗變化明顯，無車經過時，隧道內燈具處于最小亮度狀態(即基本亮度)，如圖1(a)所示，當檢測到車輛接近時，隧道內照明燈具根據系統檢測到的信號調至需求亮度(即設計亮度)，如圖1(b)所示。

圖1 隧道內燈具明暗變化圖

通過駕駛員眼動特征參數能一定程度上反映出隧道內燈具明暗變化過程中人的視覺感受，評價無極調光智能控制系統對駕駛員行車安全的影響程度。

駕駛員在行駛過程中的眼動是一個復雜的過程，這里結合公路隧道環境特點和試驗的實際情況主要研究以下幾個指標。

1)注視特征參數。包括注視興趣區域、注視次數和持續時間。駕駛員通過隧道時，其眼動特征參數的變化能真實反映行車的安全性。一般來說，駕駛員在隧道行駛過程中，為了保證行車安全，注視區域應集中于車輛行駛的正前方車道及旁邊車道。因此，將車輛行駛的正前方車道及周邊車道標定為注視興趣區域，其他區域為非注視興趣區域，如圖2所示。通過對駕駛員注視點落在兩個區域的次數進行定量的統計分析，可對兩種照明環境下駕駛員通過隧道的安全性進行評價。

圖2 安全注視區域

研究表明，駕駛員在隧道照明質量較好的環境下行駛時，其眼動形式表現為以注視為主，伴隨短時間的掃視；而駕駛員在較差的照明環境下，眼動形式表現為以掃視為主，伴隨短時間注視，在這種照明工況下，駕駛員對前方危險事故反應延遲，危害行車的安全性。

因此可通過注視特征參數表示駕駛過程中的安全性，即駕駛員在行駛過程中注視安全區域的次數越多，持續時間越長，行車越安全性。

2)掃視特征參數。主要包括掃視幅度、掃視持續時間、掃視平均速度等。掃視平均速度指的是每次掃視的幅度(角度)與掃視持續時間的比值，其計量單位是°/s[4]。掃視平均速度是駕駛員視覺搜索的一個重要指標，掃視平均速度越快也就是駕駛員搜索目標花費的時間越短，說明駕駛員的搜索效率較高、注意力集中[5]。

3)瞳孔變化參數。對駕駛員來說，瞳孔直徑變化能夠很好地表述其視覺適應性及駕駛視覺負荷程度[6]。正常人瞳孔直徑在自然光下為2～8 mm，暗環境中為4～8 mm。研究表明，瞳孔直徑大小隨著入光量的多少發生變化，在照明質量好的工況下行駛時，隧道內的光效高，駕駛員的瞳孔直徑較小，負荷較低，安全性高。

4)眨眼持續時間。眨眼持續時間為每次眨眼時，眼睛由完全睜開到閉合再到完全睜開的全過程所用的時間。研究表明人在發生困倦的時候，眨眼速度變慢，眨眼持續時間變長[7]。一般來說，人在不疲勞狀態的時候，眨眼持續時間基本在0.25～0.7 s之間波動。因此可以通過觀察駕駛員眨眼持續時間的長短，評價行駛過程中的安全性。

3 試驗設計

3.1 試驗隧道概況

周公山隧道位于雅安至康定高速公路，右線為使用無極調光智能控制的(試驗)隧道，左線為未使用無極調光智能控制的(對比)隧道。隧道照明采用LED燈，對比隧道與試驗隧道參數、燈具布設方式均相同，僅在隧道區段劃分長度上有差別，隧道各區段長度以及亮度如表1所示。

表1 隧道工況

3.2 試驗設備

試驗車輛選用普通小轎車，采用ETG2w無線眼鏡式眼動儀，對駕駛員行駛過程中的眼動行為進行記錄。采用眼動儀進行試驗的優點在于使用方便，可以實時獲得大量數據，對駕駛員沒有干擾，不需要進行專門練習，可以在相對自然的條件下進行研究[3]。

3.3 試驗方法

一名實驗人員按要求佩戴眼動儀，駕駛車輛分別通過試驗隧道和對比隧道，另一名實驗人員利用儀器配套的軟件記錄駕駛員的眼動特征參數數據。對兩種不同照明環境下采集的數據進行分析。具體要求如下：

1)在白天晴天進行試驗，保障駕駛員接近隧道時，無極調光智能控制系統能夠根據有車到來的信息，自動調節加強照明的亮度，以此觀察隧道內燈具的明暗變化是否會對駕駛員行車產生不利影響；

2)在駕駛員精神狀況良好、心態平和的情況下進行試驗；

3)駕駛員以設計速度為80 km/h的速度通過隧道；

4)在兩種照明情況下連續進行多次試驗，首先對試驗數據進行粗略統計分析，舍去差異較大值，選取穩定性較高的一組數據作為該照明環境下的眼動特征參數變化數據。

4 試驗結果

4.1 注視特征參數

駕駛員駕駛車輛以80 km/h的速度通過兩種照明環境時，對注視點落在安全區域的次數、總次數、安全區域注視持續時間和總時間進行統計分析，統計結果如表2所示。

表2 安全區域注視點分布特征統計表

由表2可知，駕駛員行駛在試驗隧道照明環境下時，其安全區域的注視持續時間比重為63.2%，而在對比隧道的照明環境下，其安全區域注視持續比重為68.8%，略高于試驗隧道對應的比重。

通過上述對比我們發現在兩種照明環境下，駕駛員行駛在試驗隧道的照明環境下時注視安全區域的次數、注視持續時間以及注視持續時間比重和對比隧道的照明環境下相差較小，表明使用無極調光智能控制技術對駕駛員的注視特征參數影響不大。

4.2 掃視平均速度

根據眼動儀記錄的現場實測數據，對兩種照明環境下的掃視平均速度進行統計分析，剔除個別異常數據，由于試驗隧道中間段較長，數據選取隧道中間段第一個150 m作為分析對象，統計結果如圖2所示。

圖3 掃視平均速度統計表

由圖3可以看出，試驗隧道的掃視平均速度在隧道各區段都存在波動較明顯的點，而對比隧道僅在出口段出現大幅度的波動。

表明駕駛員行駛在試驗隧道時，精神狀態較為集中，能夠對目標物進行快速的搜索分析，尤其在隧道出口段，駕駛員即將駛離隧道，受外部環境影響明顯，掃視平均速度越大，駕駛員搜索目標所用的時間越短，搜索效率越高，可見無極調光智能控制系統的使用，能夠營造一個較好的照明工況，駕駛員能較快的完成對目標物的搜索。

4.3 瞳孔變化參數

利用眼動儀記錄駕駛員在行駛過程中瞳孔直徑大小變化的數據，忽略視覺震蕩行為，進行分組整理，隧道中間段的數據選取車輛進入隧道入口159 m后的第一個150 m作為分析對象，選取每組具有代表性的數據進行分析如圖3所示。

圖4 瞳孔直徑大小變化圖

由圖4可以觀察到，當駕駛員行駛在試驗隧道的照明環境下時，在隧道接近段，此時駕駛員還未進入隧道，隧道外部亮度較大，駕駛環境比較理想，瞳孔直徑的大小在3.0 mm左右。隨著隧道洞口的接近，亮度逐漸減小瞳孔直徑增大，隧道中間段亮度最暗，瞳孔直徑達到最大值為5.0 mm左右。隨著駕駛員距離隧道出口越來越近，隧道內亮度逐漸增大，瞳孔直徑也隨之呈現減小的趨勢；駕駛員行駛在對比隧道的照明環境下時，瞳孔直徑的變化趨勢與試驗隧道大致相同，進入隧道后也同樣呈現出先增大后減小的趨勢。

通過對比，我們發現駕駛員的瞳孔直徑在試驗隧道的照明環境下大致小于對比隧道，駕駛員在接近、駛入和通過隧道時，瞳孔直徑維持在較小值。表明隧道使用無級調光智能控制技術能夠根據洞外亮度和交通量將洞內亮度調節至設計亮度，隧道內的光效高，照明質量較好。

4.4 眨眼持續時間

根據眼動儀記錄的現場實測數據，我們對兩種照明環境下的眨眼持續時間數據進行統計分析，為分析當車輛接近隧道時，隧道內燈具的明暗變化是否會對駕駛員視覺產生刺激，統計距離隧道洞口200 m的眨眼持續時間數據，結果如圖4所示。

圖5 眨眼持續時間圖

由圖5可以觀察到，駕駛員行駛在試驗隧道時，眨眼持續時間在0.3～0.4 s的正常范圍之間波動，波動不明顯，尤其在駕駛員接近隧道過程中，未出現眨眼持續時間異常現象。這表明無極調光智能控制系統檢測到車輛接近時，將燈具調節到設計亮度的過程中，隧道燈具的明暗變化并不會讓駕駛員產生“眼前一亮”的不舒適感，無級調光智能控制技術的使用能夠營造一個較為安全、節能的行車環境。

5 結論

本文基于駕駛員眼動特征參數對使用無極調光智能控制技術的隧道和未使用無極調光智能控制技術的隧道進行了試驗研究，得到以下結論：

1)駕駛員通過使用無級調光智能控制技術的隧道照明環境時，注視點落在安全區域的次數、注視持續時間比重與未使用此技術的環境相差不大。

2)在試驗隧道照明環境下，駕駛員的掃視平均速度較大，對目標的搜索較迅速，能滿足安全行車的需要。

3)駕駛員的瞳孔直徑在試驗隧道的環境下較小，眨眼持續時間也未發生較大波動，表明調光并未對駕駛員視覺造成負荷。

以上研究表明，無極調光智能控制技術能夠營造一個較好的照明環境，保證駕駛員在隧道內行駛的安全性。此技術的使用在滿足隧道照明安全性的基礎上，有利于實現隧道的節能照明。