小半徑國省干道公路短隧道駕駛?cè)艘曈X特性研究*

王 朝 杜志剛 王首碩 陳 鑫 陳 云

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

0 引 言

由于山區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜，國省干道路線常常需要在局部克服較大高差，因此，小半徑短隧道的運用具有獨特的優(yōu)勢.但隧道路段具有封閉、視線差、空間小等特性，一旦發(fā)生交通事故，整條公路隧道的通行能力和安全性都將受到影響.

近年來，國內(nèi)外學者在駕駛?cè)说囊曈X特性影響規(guī)律方面進行了大量研究，Brackstone等[1]研究了復(fù)雜程度不同的認知活動對駕駛?cè)艘曈X特性的影響；Reimer[2]研究了在車輛行駛時駕駛?cè)说难蹌犹匦院驼J知負荷量的關(guān)系；Cooper等[3]對高速行駛時駕駛?cè)说难蹌有袨檫M行了研究；杜志剛等[4]利用眼動儀研究了隧道進出口的視覺特性；趙燁華等[5]運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和回歸方法,通過程序計算和統(tǒng)計分析實測數(shù)據(jù),以及模擬視覺特征參數(shù)變化,建立駕駛?cè)搜蹌又笜俗兓臄?shù)學模型；胡月琦等[6]研究了不同經(jīng)驗的駕駛?cè)嗽诟咚俟诽亻L隧道環(huán)境中的視覺特性差異.周海宇[7]研究了小半徑曲線隧道交通環(huán)境及駕駛?cè)艘曈X特性;潘姝等[8]研究了不同經(jīng)驗駕駛?cè)嗽诔鞘兴淼拉h(huán)境中的注視轉(zhuǎn)移特性.現(xiàn)有研究以小汽車為試驗車輛針對長隧道和特長隧道的研究比較多，針對大型車和小半徑短隧道的研究較少.鑒于此，文中擬開展公路短隧道大貨車和小客車的行車眼動追蹤試驗.對比不同行車環(huán)境中，駕駛不同車型條件下駕駛?cè)说膭討B(tài)視覺特性，分析造成視覺特性差異的原因，以期為深入研究駕駛?cè)艘曈X特性規(guī)律，提高駕駛?cè)嗽谛“霃蕉趟淼佬熊嚢踩於ɑA(chǔ).

1 試驗設(shè)計

選取云南省臨滄市境內(nèi)的祥臨公路(國道G214)的昔宜隧道為試驗對象.該隧道全長175 m，位于圓曲線半徑為255 m的平曲線路段上，為雙向2車道，隧道內(nèi)限速40 km/h，無主動照明設(shè)備.該路段車流屬于自由流狀態(tài)，駕駛?cè)嘶静粫艿角昂蠓杰囕v和路側(cè)干擾.由于在隧道不同位置的光環(huán)境是不同的，本文參照文獻[9]將隧道路段分為接近段、入口段、中間段、出口段，以及駛離段五段，由于隧道較短不設(shè)過渡段，增加駛離段(見圖1)，各段長度依據(jù)規(guī)范設(shè)置.

圖1 隧道分段(單位:m)

試驗共選取10名駕駛?cè)俗鳛闇y試者，其中5名具有大型貨車的駕駛經(jīng)歷，所有駕駛?cè)似骄{齡在5年以上.試驗車輛分為小客車和大型貨車兩種，小客車選用別克GL8，大貨車選用軒德X6，車輛性能良好，能夠按照試驗要求完成試驗任務(wù)(為論述和對比分析方便，以下將試驗大貨車簡寫為“大車”，試驗小客車簡寫為“小車”).采用德國某眼動儀作為記錄駕駛?cè)搜蹌有袨榈脑囼瀮x器.

2 動視點指標

為了研究試驗中駕駛?cè)说囊曈X特性，一般會對眼動儀采集的各個單一指標的數(shù)據(jù)進行分析，一般分為注視類、掃視類、眼跳等，其中有：①注視時間；②掃視時間；③視力角.

這種逐一分析方法無法全面的評價駕駛?cè)嗽谒淼拉h(huán)境下的收集加工信息的綜合水平，故而本文將構(gòu)建一種綜合評價方法.其中有日本學者提出動視點指標如下:將路段單一視點平均注視時間與單位時間內(nèi)平均注視次數(shù)的乘積p值定義為動視點指數(shù)，用公式表示為

p=tf

(1)

式中：p為注視時間百分比；t為平均注視時間；f為單位時間內(nèi)平均注視次數(shù).

式(1)實際上是便是注視時間百分比的計算式，此方法描述了注視時間，評價方法不全面，根據(jù)上述的眼動指標以及其與信息處理的正負相關(guān)性，國內(nèi)研究者根據(jù)這些關(guān)系構(gòu)建了如下表達式：

(2)

式中：Ti為視點在ti時刻注視時間為Ti，s；Ni為ti時刻注視頻率，次/s；n為注視行為次數(shù)；di為取該路段視點掃視角度i%分位數(shù)值；ki為視點平面分布權(quán)重系數(shù)，以高斯分布計算.

式(2)路段的n次注視行為分開計算并累加再求總和的平均值，但由于車輛行駛的連續(xù)性，一般會采用一路段各眼動指標的平均值以評價整體水平，故參照式(2)，以平均值為參數(shù)計算，選取注視指標和掃視角指標評價信息收集加工水平.對于含有n次注視行為的某路段，建立如下視點平面分布動視點指標，以評價視覺信息加工水平.

α=kpt

(3)

式中：α為定義動視點指標；k為視點平面分布權(quán)重系數(shù)；t為平均注視時間；p為視點對注視目標重視程度系數(shù)，即注視點時間百分比.

式(1)中p實際上就是注視持續(xù)百分比，k值通過視力角表示，當駕駛?cè)藪咭暯嵌仍酱螅匆朁c平面分布范圍越大，其視認效果越差，視覺信息加工水平越低，但由于視力角不能直接帶入公式，需要構(gòu)建關(guān)系式，考慮到視力角的極限情況，當視力角C=0時令k=1，且當視力角服從正態(tài)分布時，建立一種函數(shù)關(guān)系，使得轉(zhuǎn)換的得到的系數(shù)在0～1之間且符合正態(tài)分布，構(gòu)建k的表達式：

(4)

式中：C為視力角度數(shù)的數(shù)值.

綜合式(2)～式(4)，可得

(5)

通過式(5)，當動視點指標較大時，表明駕駛?cè)艘曈X信息加工水平較高，心理緊張程度較高，對行車安全是有利的；但分析可知當動視點指標過高，甚至超過駕駛?cè)艘曈X心理承受能力時，則容易引起心理恐慌，誘發(fā)不良駕駛行為，甚至導(dǎo)致交通事故.

3 試驗分析

3.1 平均注視時間

在動視點指標中，平均注視時間是一個比較重要的指標，利用IBM SPSS和Origin軟件對注視時間數(shù)據(jù)進行分析，首先對大車白天和大車夜晚在隧道接近段、入口段、中間段、出口段和駛離段的平均注視時間的箱線圖見圖2、圖3.

圖2 左轉(zhuǎn)彎平均注視時間箱線圖

圖3 右轉(zhuǎn)彎平均注視時間箱線圖

由圖2可知，無論小車還是大車，駕駛?cè)嗽谒淼纼?nèi)提取目標信息的難度高于隧道外，且在中間段提取難度最大，這反映了駕駛?cè)嗽谒淼纼?nèi)的心理負荷大于隧道外，說明駕駛?cè)嗽谛“霃剿淼纼?nèi)獲取信息比較困難.從車型來說，小車駕駛?cè)颂崛⌒畔⒌碾y度明顯大于大車，大車的心理負荷要好于小車.由圖3可知，右轉(zhuǎn)時注視時間規(guī)律基本和左轉(zhuǎn)彎相同，但大車的平均注視時間總體上略高于左轉(zhuǎn)彎時的平均注視時間，小車在中間段和出口段左、右轉(zhuǎn)差距較大，其他路段的差距不大.

1) 隧道不同路段差異性分析 為進一步分析試驗中平均注視時間的影響程度和規(guī)律，對隧道不同段數(shù)據(jù)進行單因素方差分析.先采用Shapiro-Wilk檢驗，再檢驗方差齊次性，最后進行單因素方差檢驗，見表1、表2.

表1 平均注視時間正態(tài)性檢驗

表2 平均注視時間單因素方差分析

由表1可知，各組數(shù)據(jù)的平均注持續(xù)時間得顯著性水平大于0.05的，即各組均是數(shù)據(jù)是服從正態(tài)分布的，可以進行下一步檢驗.由表2可知，大車左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的注視時間均大于0.05，故可以進行單因素方差分析，且計算結(jié)果顯示，大車在左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)時在隧道各段注視時間存在顯著差異；同樣，對小車的數(shù)據(jù)分析可知，小車在左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)時注視時間是存在顯著性差異的.這表明，駕駛?cè)嗽隈{駛小汽車或者大貨車進入小半徑公路隧道時，在進入隧道前150 m、隧道內(nèi)不同位置以及出隧道后150 m的過程中，在不同路段提取信息的難度是有顯著性差異的，其心理負荷也不同.

2) 大、小車差異性分析 一般在對兩組相互獨立且呈正態(tài)性分布的數(shù)據(jù)，采用t檢驗方法進行分析.對于本試驗，試驗數(shù)據(jù)已通過正態(tài)性檢驗，利用軟件對數(shù)據(jù)進行t檢驗，在檢驗中，軟件會得到兩行的檢驗結(jié)果，當數(shù)據(jù)通過方差齊次性檢驗，即第一個顯著性sig.>0.05，使用第一行的檢驗結(jié)果,否則使用第二行結(jié)果.結(jié)果中第二個顯著性P值是反應(yīng)數(shù)據(jù)差異性，當P<0.05.表明兩組數(shù)據(jù)具有顯著性差異.t檢驗結(jié)果見表3.

表3 大、小車右轉(zhuǎn)(左轉(zhuǎn))平均注視時間t檢驗結(jié)果

由表3的t檢驗結(jié)果可知，在車輛左轉(zhuǎn)時，大小車除了在入口段的平均注視時間無顯著差異外，其他路段均具有顯著差異性，這說明大車和小車左轉(zhuǎn)時提取信息的難度時不同的，在入口段由于路段長度較短、瞳孔劇烈變化而導(dǎo)致“黑洞效應(yīng)”等影響，可能導(dǎo)致大車、小車注視時間差異不明顯.在右轉(zhuǎn)時，大、小車只在接近段有顯著差異，其他四段均無顯著性差異，說明大、小車在駛進入口段后提取信息的難度差異不顯著.總體來看，大、小車在左轉(zhuǎn)時平均注視時間的差異性較大，右轉(zhuǎn)彎顯著性差異只存在于接近段.

3.2 平均掃視時間與視力角

將各個條件下的掃視時間求均值可以反映掃視時間的平均水平，見圖4.由圖4可知，在接近段，大車與小車是存在差距的，大車平均掃視用時更長，在中間段，大車左轉(zhuǎn)掃視用時最高，其他部分四種條件下掃視時間相差無幾.說明在隧道內(nèi)駕駛?cè)诵枰幚硇畔⒌膹?fù)雜度幾乎可以看成是一致的，而進隧道前大小車之間還是有區(qū)別的.

圖4 掃視時間的均值

按照上述數(shù)理統(tǒng)計方法，對隧道各部分的平均掃視時間先做正態(tài)性檢驗，發(fā)現(xiàn)各組數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布(sig.>0.05),但方差齊次性檢驗結(jié)果表明：各組數(shù)據(jù)不都滿足齊次性要求，故不能是使用單因素方差分析方法，選用非參數(shù)檢驗方法(Friedman檢驗)來檢驗平均掃視時間，結(jié)果見表4,用t檢驗分析大、小車的差異，結(jié)果見表5.

表4 平均掃視時間單因素方差分析

表5 大、小車右轉(zhuǎn)(左轉(zhuǎn))平均注視時間t檢驗結(jié)果

由表4～5可知，在平均掃視時間指標上，在隧道路段上大車能夠體現(xiàn)出差異，而小車差異不顯著.又大小車的差異并不顯著.相比于注視時間，駕駛?cè)说膾咭晻r間的差異性并不顯著，也說明注視時間對不同條件下的駕駛?cè)搜蹌幼兓翡J.

統(tǒng)計大車不同條件下通過隧道不同路段的視力角，見圖5.做同上正態(tài)性檢驗，得到各組視力角數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布，經(jīng)單因素方差檢驗發(fā)現(xiàn)大車各段存在顯著差異，小車則差異不顯著，與掃視的情況相同，再t檢驗法對比大、小車的差異得到結(jié)果與掃視也相同.這說明在隧道路段，只有大車的掃視時間和視力角是有差異的，即大車駕駛?cè)嗽诓煌范蜗胍占畔⒍嗌偈遣煌模磻?yīng)大車駕駛?cè)嗽诓煌范涡睦碜兓^大.

圖5 視力角

3.3 動視點指標

對隧道各個路段的注視時間、注視頻率、視力角等指標取均值，根據(jù)式5得到定義的動視點指標的計算值見圖6.

圖6 動視點指標計算結(jié)果

由圖6可知，新的動視點指標在隧道各段的變化趨勢與平均注視時間基本一致，在中間段達到最大，且大車右轉(zhuǎn)高于左轉(zhuǎn)，小車在接近段、入口段、中間段也是如此.這說明在隧道中間段駕駛?cè)说男畔⒓庸に阶罡撸{駛?cè)嗽谶M入隧道的過程中，緊張感在提升，注意力比較集中，提取加工道路信息的速度較快，而后則開始放松.新的動視點指標能夠?qū)︸{駛?cè)搜蹌有袨檫M行動態(tài)分析，再結(jié)合各個指標差異分析，可以對各種條件下的眼動行為進行詳盡的分析和對比.

4 結(jié) 論

1) 相較于隧道外路段，大貨車駕駛?cè)恕⑿】蛙囻{駛?cè)嗽谒淼纼?nèi)行駛時，視覺及心理負荷增大，平均注視時間變長，動視點指標變大.同時，大貨車駕駛?cè)说男睦碡摵汕闆r好于同條件下小客車駕駛?cè)耍以谛“霃剿淼缽澋郎希筠D(zhuǎn)條件下大貨車和小客車的視區(qū)有顯著性差異，導(dǎo)致駕駛?cè)搜蹌有袨榇嬖陲@著差異，而右轉(zhuǎn)條件下駕駛?cè)搜蹌有袨榉€(wěn)定，影響甚少.

2) 駕駛?cè)嗽谛“霃剿淼缽澋郎希淼纼?nèi)掃視時間更短，提取目標信息的速度更快，搜索效率高，但大貨車提取信息速度更容易受隧道環(huán)境影響.這是由于大貨車座高，視野更開闊，同時大貨車上后視鏡較多，導(dǎo)致駕駛?cè)诵枰l繁的觀察后視鏡，以確保交通安全.

3) 新的動視點指標表明，小客車在入口段出現(xiàn)信息加工水平下降現(xiàn)象，可見隧道的“黑洞效應(yīng)”對小客車駕駛?cè)诵畔⑻崛〖庸さ呢撁嬗绊懯謬乐兀瑢Υ筘涇囻{駛?cè)瞬伙@著.同時，大貨車左轉(zhuǎn)時信息加工水平較低.與實際情況較為符合.

4) 基于不同車型上駕駛?cè)嗽诓煌熊嚄l件下的眼動行為特征，可有針對性對大貨車占有較大比例的小半徑短隧道內(nèi)外交通安全設(shè)施設(shè)計進行改進，特別加強對隧道左轉(zhuǎn)彎方向上的視覺誘導(dǎo)，同時公路隧道視線誘導(dǎo)設(shè)施設(shè)置需要考慮大貨車、小客車駕駛?cè)艘曈X特性.