基于駕駛模擬的隧道交通安全設施綜合效用評價及影響機理研究

趙曉華，董文慧，鞠云杰，張常奮，尹吉州

(1.北京工業大學 城市交通學院，北京 100124；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300381；3.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082)

0 引 言

截止2019年底，我國公路隧道數量達到19 067處[1]，位居世界前列。然而，隨著隧道數量增加，隧道交通安全問題愈加突出。據統計，2001—2017年間，我國發生公路隧道交通事故共17 514起，造成了巨大的財產和社會資源損失[2]。因此，如何提高隧道安全水平成為國內外學者共同關注的熱點問題。

研究表明，隧道環境昏暗、單調，易造成駕駛人嚴重的視覺錯覺[3]，誘發交通事故。事實上，駕駛人因素直接引起的隧道交通事故占56%[4]，是隧道交通事故主要成因。

目前，國內外學者對隧道交通安全設施展開了研究。美國《Manual on Uniform Traffic Control Devices 2009》(統一交通控制設施手冊2009)對隧道交通安全設施提出相應設計要求[5]。K.KIRCHER等[6]發現，影響駕駛行為重要因素是駕駛任務驅動下的視覺注意力；A.SHIMOJO等[7]指出，駕駛人通過隧道時，車輛速度及其車道橫斷面位置在不同橫斷面條件下無統計學意義。然而國外學者鮮有從駕駛人角度展開研究。國內學者從人因角度出發，針對隧道交安設施展開研究。喬飛艷[8]根據人體生理特性，探究隧道側壁涂裝的影響；楊理波等[9]指出，隧道側壁反光條能有效提高駕駛人坡度及速度感知能力。其中，反光環、輪廓標、立面標記等隧道交安設施對改善行車環境發揮著重要作用[10-11]。但我國JTG/T D71—2014《公路隧道交通工程設計規范》、JTG D81—2017《公路交通安全設施設計規范》、《公路隧道提質升級行動技術指南》[12]等相關規范缺乏針對隧道交安設施詳實的設置標準及參數規定，交安設施大多通過經驗設置。同時，國內外對隧道交安設施綜合效用的評估研究相對缺乏。鑒于此，有必要從駕駛人角度深入探究設施設置對駕駛行為的影響效果。

筆者基于駕駛模擬技術獲得駕駛人駕駛行為及相應視覺數據，提出評價指標體系并量化綜合效果，探究最優設施的布設參數，并探究多因素對駕駛行為的影響機理，形成隧道交安設施綜合效用評價的一般性方法，確定關鍵影響要素，為優化設置隧道交安設施提供一定的理論基礎。

1 駕駛模擬實驗

1.1 實驗設備

駕駛模擬器有3個自由度，可提供前方130°水平視野和40°垂直視野以及左右后視鏡和后方30°水平視野、40°垂直視野。設置數據記錄頻率為30 Hz，能夠采集車輛實時運行的各項參數。已有研究[13]校準和驗證了駕駛模擬器性能，并將其用于評估不同道路的駕駛性能。

實驗使用便攜眼鏡式眼動追蹤系統。該設備以60 Hz頻率采樣，以0.1 deg追蹤分辨率、0.5 deg凝視定位精度實時獲取駕駛人的視覺行為數據。

1.2 交安設施設置方案及場景

1.2.1 隧道設計參數設置

選定3D模型基礎，即北京已建成投入使用的某3 km特長隧道，搭建實驗場景。參數設置如表1。

表1 隧道場景參數

1.2.2 交安設施設計方案

選取反光環、輪廓標、突起路標作為研究對象，形成4種方案，如表2。

表2 隧道場景設計方案

1.2.3 實驗場景設計

為節省時間，設計路線A、B兩條實驗路線(限速80 km/h，計算行駛時間小于15 min以減少駕駛疲勞影響)，如圖1。此外，為降低被試因路線單一而引起對實驗場景熟悉，設置連接段(如A路線的a1、a2和a3)，保證實驗間獨立。其中：SA、EA為路線A的起點、終點；SB、EB為路線B的起點、終點；A1、A2分別為白色反光環方案及控制方案的隧道；B1、B2分別為輪廓標及突起路標組合方案、彩色反光環方案的隧道；a1、a2、a3、b1、b2、b3為連接段；隧道段和連接段的長度分別為3 km和1.5 km；A、B路線總長度均為10.5 km。

圖1 實驗場景線形

1.3 實驗人員

實驗樣本量為33人，其中男性25人，女性8人，年齡區段為25～57歲(34.24歲±9.97歲)。被試視力正常且駕駛經驗豐富，平均駕齡為11.47歲±6.39歲。

1.4 實驗流程

駕駛模擬實驗操作步驟如下：

1)確定實驗時間，要求被試填寫基本信息及生心理狀態表。

2)實驗員向被試宣讀實驗指導語，被試在駕駛模擬器上試駕5 min，熟悉操作。

3)正式實驗時被試隨機順序跑完兩個場景，開始前被告知實驗目的地信息。場景之間嚴格要求被試休息10～15 min，避免駕駛疲勞。

4)被試在完成駕駛任務后填寫主觀問卷表，針對駕駛模擬場景真實性進行主觀描述。

2 綜合效用評估指標選取

2.1 數據預處理

隧道進出口時存在劇烈的明暗過渡[14]，模擬時存在光照仿真偏差。因此，筆者重點分析中間段。為保證空間上合理刻畫駕駛人行為數據，實驗以200 m為單元截取中間2.6 km路段的實驗數據。

2.2 評價指標

考慮行為和眼動兩個維度，從安全性、舒適性、穩定性等方面選取6個指標，構建評價指標體系。指標定義如下：

2.2.1 安全性指標

1)平均速度

平均速度指隧道模擬場景下的平均駕駛車速。研究表明，道路限速前提下，平均行車速度和事故發生率存在正相關關系[15]。

2)速度標準差

速度標準差反映隧道行車速度波動性，速度標準差越低則駕駛人更少調整車速[16]。

2.2.2 舒適性指標

1)加速度

加速度表征物體運動速度變化快慢，標準GB/T 13441.1—2007《機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價(第1部分):一般要求》[17]提出，人的主觀感覺受加速度影響，即加速度越大，駕駛人主觀感覺越不舒適。

2)加速度標準差

加速度標準差表征駕駛人行車速度變化穩定度，加速度標準差越低，駕駛人舒適性越高。

3)瞳孔面積

瞳孔面積量測被試在認知任務處理過程中的生心理狀態，被試生心理負荷越大，則瞳孔擴張越大。

2.2.3 穩定性指標

穩定性指標指油門功效。油門功效指踩油門的深度與其持續時長的乘積，如式(1)。其值越低說明駕駛人關于剎車或油門的操作越少，控速能力增強，穩定性越高。

P=∑A×Δt

(1)

式中：P為油門功效；A為油門的深度；Δt為數據采集的間隔時間。

3 交安設施綜合作用效用評價

3.1 顯著性分析

利用重復測量方差分析研究隧道設施方案對評價指標的影響，結果如下：

1)4種方案對平均速度(F=2.359，p=0.050)和加速度標準差(F=0.252，p=0.040)顯著性影響差異呈邊緣顯著，對加速度(F=0.265，p=0.850)無顯著性影響。同時，速度標準差(F=5.74，p=0.030)和油門功效(F=10.18，p<0.001)呈顯著性差異。此外，4種方案對瞳孔面積(F=263.2，p<0.001)存在顯著性影響。

2)方案1中，除加速度指標外其他指標均為最高值，表明隧道交安設施一定程度提高了駕駛安全性和穩定性；方案2的各項指標均處于較低水平，可知白色反光環能有效緩解視覺緊張感和疲勞感；方案3的各項指標變化較小；在方案4中，加速度指標為最大值，其他指標變化較小，推測輪廓標及突起路標改善駕駛人其他行為的同時，一定程度降低駕駛舒適性。

以上分析表明，隧道內設置不同交安設施，能對駕駛人從安全性、舒適性、穩定性三方面產生不同的影響。但現有結果無法說明其綜合影響，需要從綜合量化角度確定各方案對駕駛人綜合影響。

3.2 綜合效用研究

3.2.1 物元模型

設施方案影響效用評估涉及的指標與評價方法之間可能存在不相容的問題。基于可拓學的物元模型能探索事物的轉變和解決不相容問題，綜合評價不同設計方案的效果[18-20]。鑒于此，筆者采用物元模型結合熵權法量測隧道交安設施方案的綜合效用。

1)確定待評物元

評價對象用“待評事物、事物特征、特征量值”描述，分別用N、C、V表示，記為R=(N,C,V)，R被稱為物元[18]。如果某事物有n個特征，C=(C1,C2,…,Cn)T及其對應的量值V=(V1,V2,…,Vn)T所構成的陣列R如式(2)：

(2)

筆者采用極差變換法對數據進行無量綱化處理，處理后標準化值在0至1之間，如表3。

表3 數據標準化

2)構建經典域及節域

經典域表示為：

(3)

式中：Vij為評估指標Ci所規定的量值范圍，即經典域。根據K-均值聚類法將指標劃分為優秀、良好、一般、較差或很差。

節域記為Vip=(aip,bip)，表示為：

(4)

3)確定權重系數

熵權法基于各因素提供的信息量計算綜合指標。權重系數可表示為Wi(i=1,2,…,n)[21]，如式(5)：

(5)

式中：Hi為第i項指標的信息熵。表4即為指標權重的結果。

表4 指標權重

4)計算各指標關聯函數及關聯度

關聯函數表示物元的量值取值為實軸上一點時物元符合要求的范圍程度。關聯函數K(Vi)定義如式(6)：

(6)

式中：Kj(vi)為第i項指標屬于j等級的關聯度，如表5。

表5 各指標關聯度

5)計算綜合關聯度

運用以下式(7)計算綜合關聯度：

(7)

式中：Kj(p)為待評物元關于j等級的多個特征指標綜合關聯度[19]。

根據以上步驟計算，綜合評估隧道交安設施對駕駛人的影響。

3.2.2 交安設施效果評估

各方案綜合關聯度如表6。

表6 各方案綜合關聯度

據表6可知，白色反光環方案、輪廓標及突起路標方案對駕駛安全性、舒適性及穩定性的綜合影響屬于“良好”范圍，但白色反光環方案的綜合關聯度大于輪廓標及突起路標方案的綜合關聯度〔K2(p)=0.081>K4(p)=0.003〕。控制組的綜合影響屬于“很差”范圍，彩色反光環方案不符合標準等級要求，但具有可轉化為“較差”的條件。

4 隧道反光環布設參數影響研究

隧道相關規范標準尚未明確規定反光環設置間距。目前各地對隧道反光環設置均有不同[22]，僅以經驗來確定其布設參數，通常選用反光環間距為200～400 m[23]。因此，基于隧道交安設施綜合效用結果，筆者進一步探究最佳設施(白色反光環)的間距參數。

為測試白色反光環對駕駛人的影響，筆者在原有場景基礎上設計4種不同間距的設施方案，分別為基本型隧道、反光環間距200 m隧道、反光環間距300 m隧道、反光環間距400 m隧道。

4.1 顯著性分析

利用重復測量方差分析研究不同反光環方案對評價指標的影響，如圖2和表7。結果如下：

表7 指標顯著性結果

注：*，**和***分別表示置信水平為90%，95%和99%的顯著性。A1、A2、A3、A4分別表示基本型控制組、間距200 m、間距300 m、間距400 m 共4種方案，A1-A2表示方案1和方案2之間存在顯著差異；其余同理。

1)4種方案對速度標準差(p=0.065)呈邊緣顯著，對加速度(p=0.032)存在顯著性影響，而對平均速度(p=0.112)、加速度標準差(p=0.7)、油門功效(p=0.199)無顯著性影響。

2)4種方案對瞳孔面積均存在顯著性影響，說明反光環不同間距布設會影響駕駛人的心理緊張感。此外，控制組和間距200 m布設方案的瞳孔面積變化接近，而間距400 m的瞳孔面積最低，說明布設間距越大，一定程度上會使駕駛人的視覺負荷越低，該結論與已有研究相符[23]。

3)控制組中，除加速度標準差和瞳孔面積指標外，其他指標均為較低值，表明基本型隧道難以緩解駕駛人的緊張感。間距200 m布設方案中，除加速度標準差和瞳孔面積指標外，其他指標均處在較高水平，推測反光環設施能緩解視覺緊張，但一定程度降低安全性。間距300 m布設方案中，除油門功效外各指標均處于較高水平。間距400 m布設方案中，速度標準差、加速度標準差、油門功效指標均處于較高水平，而其他指標處于較低水平，可知400 m間距布設反光環改善駕駛人其他行為的同時，會一定程度降低駕駛穩定性。

以上分析表明，隧道布設不同間距的白色反光環，能從安全性、舒適性、穩定性三方面對駕駛行為及視覺產生影響。事實上，駕駛行為受諸多因素影響，尤其是駕駛人個體屬性。筆者構建具有隨機效應的線性混合模型來糾正被試重復觀測結果間的相關性，以探究多因素對駕駛行為的影響。

4.2 影響機理研究

線性混合效應模型考慮了實驗中無法控制的隨機效應。能夠校正駕駛人在所有區域重復觀察測量值之間的相關性。

線性混合效應模型一般形式為：

Y=Xβ+Zα+ε

(8)

式中：X為已知協變量的矩陣；Z為隨機效應變量構造的設計矩陣，其構造方式與X相同；β為未知回歸系數構成的向量，稱為固定效應；α為隨機效應參數向量；ε為隨機誤差向量。

筆者將4種方案作為固定效應因素，將駕駛人個體屬性作為隨機效應，以平均速度、速度標準差、加速度標準差、油門功效和瞳孔面積為響應變量構建了5種線性混合效應模型，模型結果如表8、表9。通過赤池信息準則(Akaike imformation criterion, AIC)、貝葉斯信息準則(Bayesian imformation criterion, BIC)和調整后的決定系數(Rsquared)值來選擇最佳模型。所有模型的隨機截距方差顯著，表明隨機效應模型具有令人滿意的有效性。

表8 線性混合效應模型結果

表9 線性混合效應模型評價

由表8、表9可得：

1)4個模型中隨機截距的方差均呈顯著性。

2)和控制組相比，間距300 m布設反光環的隧道，駕駛人行駛速度和瞳孔面積值更高，可能面臨更大駕駛風險；間距400 m布設的隧道，駕駛人具有較高加速度標準差，但表現出更低的瞳孔面積值，表明此方案緩解駕駛人心理緊張程度的同時會降低安全性；不同間距布設反光環能使駕駛人表現出更高的速度標準差，但400 m間距布設產生的差異更明顯。

3)駕駛行為受諸多因素影響，尤其是駕駛人個體屬性。不同駕齡駕駛人表現出較低速度標準差，而駕齡在6～10 a的駕駛人具有更高的行駛速度。此外，職業司機較非職業司機行駛速度更高，職業駕駛人表現出更低油門功效值及瞳孔面積值。

5 結 論

筆者采用駕駛模擬技術研究隧道交安設施綜合效用，并基于物元模型得出的最優方案研究其布設參數，研究結論對實際工程應用具有指導作用。

1)基于重復測量方差分析結果和各項指標平均值可知，在隧道內設置交安設施具有以下作用：能增強駕駛人控速意識并提高安全性，但對改善駕駛人心理舒適性作用較小；一定程度能提高駕駛穩定性及舒適性，但效果不明顯；能顯著改善隧道視覺環境，緩解駕駛人視覺壓力，提高駕駛舒適水平；對改善隧道綜合水平有一定效果。

2)基于物元模型的綜合效用評估可知，最優方案綜合排序結果為白色反光環方案>輪廓標及突起路標方案>彩色反光環方案>控制組方案。該結論與統計分析結果相互驗證，可以保證評估結果具有較強客觀性及科學性。

3)基于混合效應模型探究多因素對駕駛行為的影響機理，隧道中白色反光環的不同布設間距不同程度上影響駕駛人駕駛安全性和舒適性。但是間距200 m及400 m布設反光環能有效緩解駕駛人心理緊張程度。同時，間距300 m布設反光環可能會導致更高駕駛風險，不建議在3 km隧道中布設。

然而，需要進一步研究反光環間距參數范圍及不同隧道條件下的布設間距。隧道反光環的間距布設有待開展更多的實車實驗進行確定，現場實驗結果和模擬評價結果將相互驗證。同時，筆者僅對反光環進行研究，其他設施如輪廓標、突起路標等的布設研究亦為非常具有現實意義的研究課題。