基于駕駛人因的夜間高速公路隧道入口區域誘導系統優化研究

湯振農 周土瑤 鄭號染 杜志剛

(1.金華市公路管理局 金華 321001; 2.磐安縣公路管理局 磐安 322300;3.武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

隧道是兩側開口的管狀結構，其特性導致隧道出入口路段環境與普通路段存在明顯差異。從空間分布角度而言，隧道出入口為公路事故黑點位置，事故率顯著高于隧道其他路段，事故比例高達58%，其中隧道入口事故率高于出口路段[1]。從時間分布角度出發，在夜間環境下，車輛駛入隧道過程中，視覺環境與空間環境存在劇烈的變化，駕駛人從昏暗的普通路段駛入照明條件良好的隧道內，瞳孔劇烈增大。與此同時，夜間行車駕駛人易產生疲勞困倦，注意力不集中，易產生撞擊端墻、追尾前車、側翻等事故。如秦嶺一號隧道“8·10”特大交通事故，造成車內36人死亡、13人受傷，事故形態為大客車碰撞隧道洞口，事發于2017年8月10日23時，正值夜間駕駛人視覺條件受限且駕駛人易疲勞時段。

目前對隧道交通事故的研究多集中于交通事故空間分布關系上。K.Robatsch等[2]分析了隧道事故受單、雙向交通的影響關系，發現隧道雙向交通的危險性遠高于隧道單向交通，事故率、事故成本分別比單向通行隧道高28%與66%。Meng Qiang[3]分析了隧道出入口追尾交通事故特征，并定義了交通沖突暴露時間這一概念，發現交通沖突暴露時間與隧道出入口追尾事故頻率之間服從負二項分布特征。文獻[1]統計了2 193起隧道交通事故，發現：①周末的事故發生數占事故總數約40%；②事故主要形態為追尾，占事故總數60.1%。

關于隧道出入口安全問題，主要從降低眩光、照明技術、誘導技術等方面提出了保障隧道出入口交通安全的措施[4-5]。Buraczynski等[6]提出采取對隧道入口處增強光照以緩解日間“黑洞效應”對駕駛人視覺的影響，并得到隧道出入口段照明強度隨速度、交通量變化的數學公式。吳玲等[7]通過實車試驗分析了隧道出入口段車速及瞳孔變化規律，并建立了視錯覺減速標線設置參數模型。

總的來說，關于隧道出入口交通安全，國內外學者的研究多集中于燈光照明，而視線誘導可高效、低成本地保障隧道交通安全，近年來已在云南、貴州、浙江等地廣泛應用。但是，隧道入口仍存在針對性措施缺乏，視線誘導設施設置雜亂、無統一規范、缺乏理論指導等問題，特別是夜間隧道入口存在過渡劇烈、洞門不易識別、方向感不足等問題。故本文從夜間不良環境出發，結合隧道入口駕駛人的駕駛任務與視覺需求，提出隧道入口誘導系統優化方法，保障隧道入口行車安全。

1 隧道入口區域分段

根據路段環境特征，將隧道入口區域分為決策段S1、接近段S2、入口段S3、過渡段S4。

1.1 決策段與接近段

決策視距是指從駕駛人檢測到道路環境中的一個出乎意料的或難以發現的信息源或物體開始，之后進行識別、判斷其危害性并選擇恰當的速度和路徑，最終安全和高效地完成相應的應對策略所需要的距離。對于高速公路隧道入口前一般取決策視距為10 s行程，在夜間環境下交通信息難以獲取，因此以決策視距作為決策段起點至隧道洞門位置的距離。接近段為隧道洞門外一個停車視距，故定義決策段為隧道洞門外決策視距與停車視距的差值距離，如圖1。

圖1 決策段及接近段示意

1.2 入口段和過渡段

駕駛人在駛入隧道的過程中難以視認垂直視野20°范圍外物體，因而洞門輪廓與視線夾角大于10°時，將無法獲取洞外視覺信息并開始適應隧道內環境。為保障行車安全，此時行車視距應滿足停車視距需求，當前位置與洞門的距離即適應距離，則入口段長度為停車視距與適應距離的差值，如圖2。

圖2 入口段示意

過渡段主任務為車輛控制，駕駛人將完成隧道入口至中部的過渡。入口內有強化照明段，幫助駕駛人逐步適應隧道環境，故定義過渡段為隧道內加強照明范圍與入口段差值。

本研究試驗場景中，高速公路隧道外普通路段限速為100 km/h，隧道區域范圍內限速為80 km/h，隧道凈空高度為7 m，坡度為0。以此為參數值，根據JTG/T D70/2-01-2014《公路隧道照明設計細則》的相關規定，計算得決策段、接近段、入口段及過渡段長度分別為146，160，83，294 m。

2 誘導系統優化

基于駕駛人視覺特性及駕駛任務需求，通過多頻率多尺度視覺誘導信息的有機組合，構建隧道入口內外連續的視線誘導系統，幫助駕駛人快速完成駕駛任務決策，具體方案如下。

1) 決策段。為強化夜間道路線形，擴大駕駛人視認范圍，于決策段終點前100 m開始布設線形誘導，標于道路兩側硬路肩，其設置示意見圖3。

圖3 決策段視線誘導系統設置

2) 接近段。為提高夜間環境下駕駛人對洞門視認性，在洞門設置立面標記；洞門外設置線形誘導標；道路中心線及道路邊線均設置一組突起路標；洞門前道路兩側布設防撞桶及警示柱，其設置示意見圖4。

圖4 接近段視線誘導系統設置

3) 入口段。為提高駕駛人對隧道內環境感知能力，自洞門內20 m處開始布設反光環；路中心線及道路邊線均設置1組突起路標；檢修道側緣布設輪廓標；側壁反光環高度約3 m處布設應急誘導燈，其設置示意見圖5。

圖5 入口段視線誘導系統設置(單位：m)

4) 過渡段。為幫助駕駛人明確與前車距離，增強隧道內行車舒適感，過渡段交叉布設反光環與反光條；路中心線及道路邊線均設置一組突起路標；檢修道側緣布設輪廓標；隧道側壁高度約3 m處布設應急誘導燈，與反光環、反光條同步設置，見圖6。

圖6 過渡段視線誘導系統設置(單位：m)

3 模擬駕駛試驗

3.1 實驗場景

選取貴州省織普高速雙山隧道作為仿真場景原型，該隧道為分離式單向隧道，單向二車道，車道寬度為3.75 m，全長1 040 m，隧道內設計速度為80 km/h，改善前后視線誘導設施布設情況見表1。

表1 雙山隧道視線誘導系統優化前后對比

取誘導系統優化前后隧道入口區域行車環境為試驗變量，利用3DS Max構建仿真場景，場景中除隧道入口誘導系統設置不同外，隧道結構、照明方案等其他條件均保持一致，夜間隧道入口前仿真場景，見圖7。

圖7 夜間隧道入口前仿真場景

3.2 試驗設備

實驗設備主要有駕駛模擬器和Dikablis眼動儀，見圖8。駕駛模擬器可根據需求定制交通情境。眼動儀可采集駕駛人視覺特征數據，采樣頻率為60 Hz，視線追蹤精度為0.1°～0.3°。

圖8 實驗設備

3.3 被試

按照中國駕駛人性別比例，選取視力正常、駕駛技術良好、經驗豐富且無重大事故史的14名男性與6名女性駕駛人作為被試，基本信息見表2。為消除偶然誤差，要求每位被試至少完成3組有效試驗。為保證數據準確與駕駛安全，要求被試在試驗前充分休息，保持身體及精神狀態良好。試驗過程中，被試根據自身習慣控制其駕駛行為。

表2 被試基本信息

3.4 試驗流程

1)對被試進行培訓，告知其注意事項等，不告知其試驗目的，以保證被試正常的搜索、感知交通環境信息并按照自身的駕駛習慣行車。

2) 被試進入模擬器并調整座椅至舒適位置，試驗工作人員為其佩戴并標定眼動儀。

3) 工作人員確保設備正常工作后，進行預試驗，使被試熟悉并適應模擬器。

4) 進行正式試驗，試驗過程中被試就坐于駕駛模擬器內，每個試驗場景間休息5 min，防止視覺疲勞影響試驗結果。

5) 若試驗數據無效或被試未達到試驗要求次數則繼續試驗，若已達試驗要求次數則更換被試，進行新一輪試驗。

4 實驗結果分析

拉依達準則法認定樣本中某一數據的值與樣本均值的差大于3倍的樣本標準差時，該數據即為異常值，予以剔除，鑒于眼動數據數量龐大，選取該方法對異常數據進行處理。

4.1 注視點分布

通過眼動儀采集注視點數據，注視點落在以左上角為原點，X軸為1 920像素，Y軸為1 080像素采集畫面上。若在實驗中，被試在某一區段發生N次注視點停留，視覺平面上的注視點坐標則為(Xi,Yi)(1≤i≤n)。注視點分布可以反映駕駛人在行車過程中對道路環境的觀察范圍，分布區域可近似看作長短軸分別為(X85-X15)及(Y85-Y15)的橢圓。其中:X85、X15、Y85、Y15分別為注視點坐標在X及Y軸方向的85%和15%分位值，注視點分布見圖9。較多注視點落在橢圓范圍內時，駕駛人視認性提高，有利于駕駛任務決策；在此區域外時，駕駛人難以對交通信息進行有效感知與處理，橢圓面積越大，表明駕駛任務決策越簡單[8]。

圖9 注視點分布示意圖

4.2 視力角計算

視力角表示單次掃視幅度的大小，以多次掃視距離的中值來計算。若某路段共有n次注視點停留，則對于第i個(1≤i≤n)個注視點，從i至i+1點掃視角度為

Sai=sqrt[(xi-xi+1)2+(yi-yi+1)2]

(1)

則視力角(即掃視角中值)為

Ds=median(Sa1，Sa2，…，San-1)

(2)

優化前后隧道入口區域各區段注視點分布見表3，掃視角度越大，視力角越大，則橢圓面積越大，表明駕駛任務決策越輕松。

表3 隧道入口區域駕駛人夜間注視點分布情況

通過對駕駛人在不同場景下注視點及視力角分布情況的觀察分析，可以發現：

1) 在決策段、接近段、入口段、過渡段范圍內，誘導系統優化后注視點停留分布范圍均呈現上升趨勢，說明優化后視區有效擴大，誘導系統可以幫助駕駛人有效識別道路邊界、洞門輪廓，從容完成駕駛任務。

2) 優化后注視點停留分布范圍均大于同區段優化前場景，優化后相鄰區段橢圓面積變化率分別為6.53%，9.01%，-8.47%，優化前為17.18%，12.78%，24.44%，即優化后各分段的視區面積變動更小，視區變動更平緩，說明誘導系統優化可緩和視區過渡。

3) 優化后駕駛人視力角擴大，掃視幅度更大，但是視力角標準差變小，信息加工水平有所提高，說明誘導系統優化后駕駛任務決策難度降低，駕駛任務分布更趨合理。

5 結語

本研究從夜間不利環境的角度出發，考慮駕駛人因，對隧道入口區域提出了視線誘導系統優化方案。以注視點及視力角分布為評價指標，通過模擬駕駛試驗證明了所提方案的有效性，所得結論如下。

1) 按照行車速度及隧道結構對隧道入口區域進行合理分段，在保障連續性的基礎上，對視線誘導系統進行差異化設計，能夠滿足駕駛人因理論需求。

2) 通過線形誘導標、輪廓標、突起路標、警示柱、防撞桶、反光條、反光環、環形立面標記等將駕駛任務合理分解，能夠使得駕駛人早發現，早適應，降低夜間駕駛任務難度。

3) 采用注視點及視力角分布為指標，得出改善后注視點分布變動更為平緩，視力角波動幅度變小，表明通過優化視線誘導系統，能夠緩和夜間進隧過程中環境突變所帶來的視覺沖擊，保障交通安全。