公路隧道內路面色彩適宜性研究

袁景玉，焦墨雪，姚 勝，朱敏清

(河北工業(yè)大學建筑與藝術設計學院，天津 300130)

0 引言

近年來，我國公路網逐漸向崇山峻嶺地區(qū)延伸，快速、高效、安全、便捷的道路交通需求越來越突出。截至2019年，我國公路隧道已多達19 067處，共計1 896.66萬 m。其中,特長隧道有1 175處，共計521.75萬m[1]。由于隧道空間狹小，一旦發(fā)生事故，交通中斷時間較長，事故處理難度大，因此隧道交通安全問題已成為社會熱點之一。路面作為隧道內環(huán)境的重要部分，其材料和顏色都會影響駕駛員的視覺功效及行駛安全。

20世紀60年代美國公路研究院針對彩色路面開始了大量實驗，并在洛杉磯等一些城市進行彩色路面鋪筑[2]。我國在20世紀80年代初開始對彩色路面進行研究，起步較晚但發(fā)展迅速。1998年我國建成第1條彩色瀝青路面——廈門彩色環(huán)島路。霍立山[3]針對彩色瀝青混凝土的配合比進行了室內實驗，研制了一種新型彩色瀝青膠結材料，這種材料的抗老化性和耐久性優(yōu)于現有的石油瀝青指標； 鄧蕾蕾[4]認為雖然初期投資較高，但是彩色瀝青路面可以誘導交通、緩解駕駛疲勞，極大地提高道路行駛率及行駛的安全性、舒適性，可以有效降低道路全生命周期費用; 王家主[5]研究了彩色路面不同路段的色度坐標和亮度因數的變化規(guī)律; 朱沁茹[6]提出改善隧道路面材料的反射特性可以有效地調整隧道空間的亮度; 李炳杰[7]認為駕駛員在行駛過程中出現視覺疲勞或行駛環(huán)境惡劣的情況均會造成瞳孔面積、視點移動軌跡等眼動數據的變化； 許世勇等[8]對受試者的瞳孔面積、平均注視時間等眼動指標進行分析，發(fā)現彩色路面能有效影響駕駛員的舒適性及警示性； Tao等[9]通過實驗發(fā)現在隧道入口段設置紅色警示路面對駕駛員的視覺舒適性有顯著的影響; F. Nakamichi等[10]于1967年首次提出視覺功效法，通過記錄駕駛員的眼動特征對行駛過程中駕駛員的生理指標進行分析，從而獲得更準確客觀的量化結果，目前已被廣泛應用于隧道照明的研究中。

綜上，目前關于彩色路面的研究主要集中在路用性能、工藝材料等方面，而關于公路隧道內尤其是中間段彩色路面的物理性能及其對駕駛員視覺特征的影響研究有待完善。本文搭建一套路面樣品亮度系數簡易測量裝置，以獲取4種路面樣品的亮度系數，進而通過虛擬駕駛實驗，對不同亮度系數的彩色路面下駕駛員的眼動特征進行量化分析，研究彩色路面鋪裝對隧道中間段駕駛員視覺特征的影響程度，并從彩色路面的反光性能、駕駛員的視覺舒適性、駕駛警示性等方面對公路隧道內路面的色彩適宜性進行研究。

1 路面樣品亮度系數測量

路面亮度對駕駛員的視功能與視覺舒適都具有重要的作用，是由燈具射向路面的光線和該路面的反光性能決定的；而路面的反光性能取決于鋪設材料、材料磨損程度和路面干濕度[11]，可以采用亮度系數來表示路面的反光性能，從物理性能的角度對比分析哪種顏色的路面更適用鋪設在隧道中間段。

1.1 實試原理

亮度系數為單一燈具照射下路面某點的亮度值與照度值的比值，其值取決于路面材料性質、觀察者和燈具與路面上觀察點的相對位置。亮度系數測量角度關系如圖1所示。O為觀察點；P為被觀察點；α為觀察角度(觀察者視線與水平面的夾角)；β為光入射平面與觀察面之間的角度；γ為光線入射角度(光線方向與水平面對應法線方向的夾角)；δ為觀察者視線的水平投影與垂直面法線的夾角；h為路燈的高度；Iγc為燈具指向γ與c所確定方向上的光強度。亮度系數q如式(1)所示[12]。

(1)

式中：L(α,β,γ)為路面上某點的亮度，cd/m2；E為該點的水平照度，lx。

實際中通常用簡化后的亮度系數r代替q，如式(2)所示。

r(β,γ)=q(β,γ)cos3γ。

圖1 亮度系數測量角度關系圖

Fig.1 Angle relation diagram of luminance coefficient measurement

簡化亮度系數通常以二維表的形式給出，這種表格被稱為道路表面反射表格或R表。CIE規(guī)定的β-tanγ組合值的亮度系數如圖2所示。

圖2 CIE規(guī)定的β-tan γ組合值的亮度系數

彩色路面的顏色要兼顧色彩與材料性能2個方面的要求。為保證路面顏色耐久性，顏料顏色要盡量與常見的石料(如玄武巖、輝綠巖等)顏色保持一致，一般以紅色、黃色、綠色為主。實驗中選用的4種路面樣品的顏色信息如表1所示。其中，RGB值表示紅、綠、藍3種原色對應的顏色值。

表1 4種路面樣品的顏色信息

1.2 實驗過程

本文搭建了一套路面樣品亮度系數測量簡易裝置，如圖3所示。其主要包括360°刻度盤、支架、滑動燈座、LED光源、可變光欄、配重、基座等。路面樣品尺寸為30 cm×30 cm×10 cm。每次測量前固定β角，同時將滑動燈座固定在tanγ=0處，燈具垂直向下照射在樣品測點上，使用照度計測量照度，得到E0，然后通過Eγ=cosγ×E0計算得到光源轉到其他γ角時該測點處的水平照度。沿著半圓支架上刻度將滑動燈座依次從tanγ=0移動到tanγ=12，保證光源對準樣品測點，并記錄亮度計測量值。待完成該β角度下所有tanγ對應亮度值的測量后再改變β角進行測量。通過式(1)得到每個tanγ與β對應的照度與亮度的比值，再通過式(2)得到每個彩色路面樣品的亮度系數表。路面樣品亮度系數測量裝置示意如圖4所示。

圖3 路面樣品亮度系數測量裝置示意圖

圖4 樣品亮度系數現場測量

1.3 實驗條件及儀器

為避免雜散光的影響，實驗開始前，拉上遮光窗簾，參與實驗的人員均穿著深色衣服。將路面樣品在標準實驗室環(huán)境下(溫度25 ℃，濕度60%，無對流空氣)放置[13]。實驗中所用的空氣溫濕度記錄儀和彩色亮度計的具體參數分別如表2和表3所示。

表2 TR-74Ui空氣溫濕度記錄儀

表3 TOPCON BM-7A彩色亮度計參數表

2 虛擬駕駛實驗

2.1 實驗儀器

當受試者進行虛擬駕駛實驗時，使用眼動儀進行眼動數據采集，以分析不同彩色路面對駕駛員視覺特征的影響，找到最有利于受試者在隧道內駕駛的彩色路面鋪設方案。實驗中選用的青研EyeLab眼動測試儀記錄受試者的原始眼動坐標、眼睛瞳孔面積等數據，獲取視點注視圖和軌跡圖，并可以通過瞳孔面積變化率等判斷受試者的眼動特征[14]，眼動儀參數如表4所示。

表4 眼動儀參數

2.2 測試人員

選取具有不同職業(yè)、性別、年齡和駕齡的受試者共28人，其中，男女各14人，駕齡在1～5年的人數占64.29%，6～10年的人數占21.43%，10年以上的人數占14.28%。受試者需持有駕駛執(zhí)照，有良好的駕駛習慣；身體健康，無生理缺陷和重大事故經歷；睡眠良好，實驗前24 h未飲用酒精類飲品，12 h未飲用含咖啡因飲品，1 h內未進行激烈運動。此外，為了避免佩戴眼鏡的受試者使用眼動儀時鏡片反光、眼球識別不精準導致測試結果產生誤差，在本次實驗中需佩戴隱形眼鏡。

2.3 模擬駕駛實驗

實驗根據太行山高速公路邯鄲段東坡隧道右洞建設方案以及相關規(guī)范要求建立隧道外部環(huán)境與內部空間模型[15]。路面為2車道，單車道寬3.75 m，設計車速為80 km/h，停車視距取140 m。根據該方案以及4種路面樣品，運用SketchUp和Lumion 2款軟件建立符合隧道環(huán)境的計算機虛擬模型[16]。

受試者隨機進入實驗室，適應10 min環(huán)境后開始測試。眼睛需保持距眼動儀65 cm，按照紅、黃、綠3種彩色路面與原始路面的順序依次進行實驗，每種路面測試結束后在房間內休息5 min再進行下一組實驗。整個實驗結束后，再進行調查問卷的填寫。

3 實驗數據分析

3.1 亮度系數

通過上文的實驗得到3種彩色路面樣品的亮度系數表，分別繪制3種樣品亮度系數關系圖，如圖5所示。

(a) tan γ=1時β與亮度系數的關系

(b) tan γ與亮度系數的關系

對比3種彩色路面樣品的亮度系數r與β的關系，在tanγ=1時，β處于0～40°及60～150°，黃色樣品的亮度系數整體上大于綠色與紅色樣品；當β大于20°時，綠色樣品的亮度系數均大于紅色樣品。對比3種彩色路面樣品的亮度系數r與tanγ的關系，tanγ與亮度值整體成反比關系。當01時亮度的變化速度；3種樣品的整體亮度值變化隨tanγ的增大而減小。從總體上看，路面樣品的亮度系數從高到低依次為黃色樣品、綠色樣品、紅色樣品。

3.2 注視點與軌跡圖

3.2.1 結果分析

對不同受試者注視區(qū)域的分布情況進行分析，以視頻中心為坐標原點，建立直角坐標系，繪制注視點分布圖，如圖6所示。相比于原始路面，黃色路面下駕駛員的注視點更為分散，紅色路面與綠色路面注視點的集中程度與原始路面相差不大，均較為集中，但原始路面與綠色路面有個別注視點位于其他區(qū)域。整體來說，駕駛員在黃色路面駕駛時視點最為分散。

(a) 紅色路面 (b) 黃色路面

(c) 綠色路面 (d) 原始路面

注視點軌跡如圖7所示。編號顯示注視的順序，相鄰2注視點間的連線表示眼動軌跡。越少的目光注視與越短的眼動軌跡代表視點移動的頻率越高。受試者在路面駕駛時，眼動軌跡范圍越大，注視點越分散。在相同的駕駛時間下，黃色路面受試者注視點數量最多，眼動軌跡較混亂，掃描路徑長且很多相互交叉，注視點序列分散排布。在紅色、綠色與原始路面下駕駛員的眼動軌跡比較集中，注視點軌跡也較為單一。

3.2.2 參數表征

為了更加直觀和準確地表示受試者在不同彩色路面上視點的離散程度及移動距離的大小，運用式(3)和式(4)分別計算受試者在不同彩色路面駕駛下視點與原點之間距離的方差以及視點移動距離的平均值，綜合2個指標分析各受試者的注視點運動情況。

(3)

(4)

(a) 紅色路面 (b) 黃色路面

(c) 綠色路面 (d) 原始路面

通過對比受試者在彩色路面上的眼動注視點分布、軌跡圖以及離散程度，可以發(fā)現： 1)在彩色路面上行駛時，駕駛員的注視點及軌跡圖等眼動特征存在差異； 2)駕駛員行駛在黃色路面及綠色路面上，注視點比較混亂，容易出現軌跡交叉現象，且注視點離散程度較大； 3)駕駛員行駛在紅色路面上及原始路面時，注視點比較集中，眼動軌跡離散程度小。

(a) 注視點方差

(b) 注視點移動半徑方差

圖8 4種路面受試者注視點移動情況

圖9 注視點最集中的路面所占比例

綜上，受試者在黃色路面上駕駛時視點最為分散，在紅色路面上駕駛時視點最為集中。考慮到黃色路面樣品的亮度系數整體上大于綠色和紅色樣品，因此可以得出，彩色路面的亮度系數越大，駕駛者的視點越分散。

3.3 瞳孔大小與面積變化率

當人體處于高度緊張時瞳孔會隨之放大，通過觀察人眼瞳孔的變化，可以反映出受試者在駕駛過程中的狀態(tài)，選取駕駛過程中連續(xù)50 s內的數據。為更加準確直觀地判斷出受試者的眼動變化情況，定義瞳孔面積變化率S，如式(5)所示。

(5)

式中：A為瞳孔面積；i為時刻。

3.4 調查問卷

對調查問卷結果進行整理，主要內容和結果如表5所示。可以看出： 1)53.57%的受試者認為黃色路面的警示性最好，其次是紅色，占28.57%； 2)46.43%的受試者認為綠色路面更為舒適，35.71%的受試者認為原始路面更為舒適。

綜合受試者的主觀評價與客觀數據的結果發(fā)現，認為黃色路面警示性最好的受試者占比最多；而眼動數據顯示，黃色路面下受試者的視點離散程度及視點運動半徑最大。由此可知，公路隧道內當駕駛員視點分散，目光關注范圍更大時，警示性更強，駕駛更為安全。

表5 問卷結果

4 結論與討論

針對公路隧道內路面色彩適宜性研究存在的不足，通過測量路面樣品亮度系數，構建虛擬實驗場景，使用眼動儀測試受試者在隧道中間段彩色路面上行駛的眼動特征，與其在常規(guī)路面上行駛形成對比，分析實驗結果，得到如下結論：

1)黃色路面樣品的反光性能要優(yōu)于綠色樣品，紅色樣品的反光性能最差。

2)受試者在黃色路面上駕駛時視點最為分散，在紅色路面上駕駛時視點最為集中。

3)隧道中間段鋪設彩色路面，可以有效降低駕駛者的瞳孔面積變化率，其中紅色路面的鋪設效果明顯優(yōu)于黃色路面，綠色最差。

4)駕駛員在隧道內行駛時，視點越分散，其關注的范圍越大，警示性更強，駕駛更為安全。

5)綜合考慮路面樣品反光性能與駕駛員視覺舒適性、駕駛警示性等因素，在公路隧道內中間段鋪設黃色路面最為適宜。

本文對公路隧道內鋪設路面色彩的適宜性展開了系統的研究，為進一步優(yōu)化隧道內駕駛環(huán)境提供了理論依據；但由于條件所限，缺乏相應的現場駕駛實驗進行結果驗證，這也是今后相關研究的重要內容。