疲勞喚醒技術(shù)在高速公路上的應(yīng)用

安林軒，段陽陽

（中咨泰克交通工程集團(tuán)有限公司，北京 100089）

截至2021 年底，全國高速公路總里程已經(jīng)突破16.1×104km。為人們出行帶來便利的同時(shí)，駕駛疲勞問題也越來越成為安全行駛中的嚴(yán)峻問題之一，由駕駛疲勞導(dǎo)致的交通事故的后果往往比其他原因造成的后果更為嚴(yán)重。目前，國內(nèi)外對(duì)駕駛疲勞的研究主要集中在駕駛疲勞的形成機(jī)理、減輕駕駛疲勞的措施等方面。如何緩解駕駛疲勞這種行為，管理部門通過對(duì)司機(jī)最長連續(xù)駕駛時(shí)間做了規(guī)定；汽車行業(yè)從車的角度在車中設(shè)置駕駛疲勞行為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)提醒駕駛員的疲勞駕駛行為；高速公路交通工程專業(yè)則從路本身進(jìn)行考慮，通過設(shè)置交通安全設(shè)施或者機(jī)電設(shè)備從而對(duì)駕駛員的駕駛疲勞狀態(tài)進(jìn)行喚醒，形成現(xiàn)在的疲勞喚醒技術(shù)。文章主要介紹疲勞喚醒技術(shù)方案在高速公路上設(shè)置應(yīng)用，為國內(nèi)高速公路交通安全和智能動(dòng)態(tài)視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員和管理者提供一定的參考。

1 疲勞喚醒機(jī)理

在行駛過程中，道路條件、路側(cè)環(huán)境、行駛速度均會(huì)對(duì)駕駛員各感覺器官進(jìn)行刺激，使駕駛員保持一定的喚醒狀態(tài)。國內(nèi)外多名學(xué)者對(duì)疲勞喚醒機(jī)理進(jìn)行了研究，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析，駕駛?cè)藛T在行駛過程中通過各感覺器官獲得外界交通信息數(shù)量的比例分布：視覺80%，聽覺14%，觸覺2%，嗅覺2%，味覺2%。由此可見駕駛過程中通過視覺和聽覺獲得的交通信息所占比例最多，現(xiàn)高速公路采用的疲勞喚醒技術(shù)方案大多是從刺激駕駛員視覺和聽覺的角度出發(fā)進(jìn)行研究設(shè)置的。

人的眼睛對(duì)于可見光譜范圍各波長的光刺激均可以響應(yīng)，人的視網(wǎng)膜上有三種對(duì)顏色敏感的錐體細(xì)胞，根據(jù)吸收光譜，分別對(duì)紅光（波長570 nm）敏感、綠光（540 nm）敏感和藍(lán)光（440 nm）敏感。因此，從視覺角度出發(fā)，駕駛員對(duì)紅色、綠色和藍(lán)色這幾種顏色最敏感，為保證最好的喚醒效果，選用此三種顏色最為有效。

多位學(xué)者的研究成果表明：在聲強(qiáng)70 dB、頻率5 800 Hz、刺激間隔7 s 和刺激間隔30 s 的聲音刺激下減輕駕駛疲勞的效果最好，有效持續(xù)時(shí)間2～4 min。

高小娟等對(duì)特長隧道駕駛疲勞喚醒機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出對(duì)駕駛員的喚醒效果最佳的時(shí)間為6～7 s，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)速度80 km/h 的高速公路隧道長度為150～200 m；80%的駕駛員在進(jìn)入隧道內(nèi)3.8 km后易產(chǎn)生駕駛疲勞。根據(jù)此研究，在保證行駛安全的前提下，在進(jìn)入隧道4 km 左右設(shè)置一處200 m 的疲勞喚醒段最為經(jīng)濟(jì)有效。

2 常規(guī)疲勞喚醒技術(shù)的應(yīng)用

高速公路在設(shè)計(jì)之初就可以將疲勞喚醒的一些影響因素考慮進(jìn)去，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

2.1 道路路線設(shè)計(jì)

除了對(duì)合理的駕駛時(shí)間進(jìn)行規(guī)定外，適宜的道路交通環(huán)境也會(huì)延緩或減少駕駛疲勞情況的發(fā)生。根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)?shù)缆方煌ōh(huán)境的其他組成部分保持不變時(shí)，道路交通環(huán)境越簡單，駕駛員長時(shí)間直線駕駛時(shí)，更容易產(chǎn)生駕駛疲勞。為保證道路交通安全，線路設(shè)計(jì)中直線不宜過長。然而，適當(dāng)?shù)淖畲笾本€長度與道路交通環(huán)境的其他組成部分密不可分。道路上的車輛數(shù)量、路邊景觀是否單調(diào)、路況是否良好以及駕駛速度都會(huì)影響駕駛員的喚醒水平，從而影響駕駛疲勞的形成時(shí)間。因此，對(duì)各路線最大直線距離的長度不宜規(guī)定統(tǒng)一的取值，應(yīng)根據(jù)具體的項(xiàng)目進(jìn)行分析。

2.2 合理設(shè)置服務(wù)區(qū)間距

我國公安交通管理部門依據(jù)《道路交通安全法實(shí)施條例》第六十二條第七款之規(guī)定：駕駛機(jī)動(dòng)車不得有連續(xù)駕駛機(jī)動(dòng)車超過4 h 未停車休息或者停車休息時(shí)間少于20 min 的行為，對(duì)違反法律規(guī)定的，公安交管部門可依法處罰。為方便長時(shí)間駕駛的司機(jī)能夠得到緩解休息，服務(wù)區(qū)的位置與間距比較重要，服務(wù)區(qū)之間間距太小，會(huì)造成不必要的浪費(fèi)；服務(wù)區(qū)之間間距太大，司機(jī)駕駛時(shí)間過長容易導(dǎo)致駕駛疲勞，影響交通安全。《高速公路交通工程及沿線設(shè)施設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中指出高速公路服務(wù)區(qū)的平均間距不宜大于50 km，最大間距不宜大于60 km。多位學(xué)者對(duì)于服務(wù)區(qū)間距設(shè)置范圍進(jìn)行了研究，綜合已建高速公路的情況，針對(duì)不同等級(jí)交通量的干線公路，其服務(wù)區(qū)間距設(shè)置的范圍為：50～55 km，65～70 km，75～80 km。

2.3 設(shè)置合理的交安設(shè)施

在道路合適位置設(shè)置醒目的標(biāo)志標(biāo)牌，提醒警示駕駛員按照規(guī)定進(jìn)行行駛，避免駕駛疲勞。道路兩側(cè)邊緣線采用振動(dòng)標(biāo)線，當(dāng)駕駛員駕駛疲勞瞌睡車輛偏離車道時(shí)壓到振動(dòng)標(biāo)線時(shí)，車身便會(huì)劇烈震動(dòng)，從而使駕駛員驚醒及時(shí)調(diào)整，保證行駛安全，避免交通事故的發(fā)生。

在隧道中設(shè)置反光環(huán)，來刺激司機(jī)的視覺系統(tǒng)，緩解疲勞。反光環(huán)沿隧道內(nèi)輪廓進(jìn)行安裝，一般設(shè)置間距為200 m，也可根據(jù)隧道具體情況進(jìn)行加密設(shè)置，可明顯改善隧道行車誘導(dǎo)效果，減少事故的發(fā)生。在實(shí)際應(yīng)用中，部分隧道采用紅色、藍(lán)色和綠色相結(jié)合的彩色反光環(huán)，更為醒目，可有效緩解駕駛疲勞。

3 新型疲勞喚醒技術(shù)在平原段的應(yīng)用

對(duì)于無法避免的周圍環(huán)境單調(diào)的長距離直行高速公路，除了設(shè)置常規(guī)的疲勞喚醒措施以外，一些新型的疲勞喚醒技術(shù)在實(shí)際中進(jìn)行了應(yīng)用。

在滬昆高速中設(shè)置了“防疲勞”體系工程，通過視覺聽覺觸覺立體式喚醒駕駛員。在地面設(shè)置密集震蕩標(biāo)線、隆聲帶，實(shí)現(xiàn)觸覺刺激；設(shè)置地釘燈，實(shí)現(xiàn)視覺引導(dǎo)。在駕駛?cè)艘曈X感官較為集中的低空區(qū)域，設(shè)置護(hù)欄反光膜、LED 燈帶、太陽能爆閃燈、燈柱、仿真警車、提示牌等，強(qiáng)化駕駛?cè)说囊曈X刺激，并設(shè)置高分貝感應(yīng)警笛、遠(yuǎn)程語音提示設(shè)備，對(duì)駕駛?cè)说穆犛X進(jìn)行刺激。在高空設(shè)置激光燈，LED 顯示屏、龍門架LED 燈帶，擴(kuò)大視覺警示距離，進(jìn)一步深化視覺刺激。上述措施通過利用聲音、光線、震動(dòng)、指示牌等對(duì)駕駛員視覺、聽覺、觸覺進(jìn)行多維度全方位的刺激，達(dá)到對(duì)疲勞的“喚醒”效果，從而保證了交通安全。

清遠(yuǎn)各高速公路曾在國慶期間在各路段設(shè)置了駕駛疲勞聲光預(yù)警及安全宣傳系統(tǒng)，通過激光燈和紅藍(lán)警示燈對(duì)駕駛?cè)艘曈X刺激、大功率音柱循環(huán)播放安全宣傳內(nèi)容，警示駕駛?cè)藛T，避免駕駛疲勞。

4 疲勞喚醒技術(shù)在特長隧道中的應(yīng)用

隨著我國交通設(shè)施的不斷建設(shè)發(fā)展完善，公路特長隧道的數(shù)量越來越多。在隧道中駕駛過程中因空間有限，環(huán)境單調(diào)，司機(jī)在其中行駛的過程中很容易產(chǎn)生壓抑感，時(shí)間稍長，疲勞感、煩躁感便極易產(chǎn)生。因此，為保證隧道內(nèi)的交通行駛安全，在特長隧道中采取相應(yīng)喚醒措施來避免或減輕駕駛疲勞，是現(xiàn)在設(shè)計(jì)和運(yùn)營單位考慮的重點(diǎn)問題之一。

誘導(dǎo)標(biāo)、輪廓標(biāo)、反光環(huán)和振動(dòng)標(biāo)線等交安措施，已經(jīng)在特長公路隧道中廣泛應(yīng)用。除此之外，從刺激駕駛員的視覺和聽覺兩方面出發(fā)形成了以下幾種疲勞喚醒方案。

4.1 刺激聽覺角度疲勞喚醒方案

根據(jù)相關(guān)研究成果，在渝湘高速隧道內(nèi)設(shè)置聲波沖擊疲勞喚醒系統(tǒng)，即通過在隧道內(nèi)設(shè)置多組不同聲響級(jí)別、不同聲源的音頻設(shè)備，配合警示標(biāo)牌、LED屏幕等綜合性措施，對(duì)過往的駕駛員進(jìn)行喚醒、警示。

本系統(tǒng)設(shè)置了疲勞警示區(qū)、疲勞喚醒區(qū)、喚醒保持區(qū)和安全提示區(qū)，共計(jì)四個(gè)區(qū)間。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置了五組高音喇叭，分別布置于不同的區(qū)間，通過播放不同的聲音對(duì)駕駛員進(jìn)行喚醒。一套聲波沖擊疲勞喚醒系統(tǒng)可覆蓋2 000 m 左右的范圍，駕駛員在以正常速度行駛過程中清楚地聽到喇叭中傳出的聲音。為了避免聲音突兀使駕駛員產(chǎn)生恐慌心理，該系統(tǒng)需采用常見的音樂或者其他的聲音并循序漸進(jìn)。

該系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)為建設(shè)期不用預(yù)留預(yù)埋，適合已通車的項(xiàng)目，增加相應(yīng)機(jī)電交安設(shè)施即可達(dá)到使用目的，造價(jià)較低。

4.2 刺激視覺角度疲勞喚醒方案

在特長隧道中設(shè)置景觀段成為疲勞喚醒方案之一。景觀段如何設(shè)置，現(xiàn)并無規(guī)范依據(jù)支撐，大多根據(jù)課題研究進(jìn)行設(shè)置，現(xiàn)主要有以下幾種方案：

（1）設(shè)置實(shí)物景觀喚醒段，秦嶺終南山特長隧道長達(dá)18 km，其中共設(shè)置三處長度為150 m 長的景觀段用于疲勞喚醒，在該段兩側(cè)種植擺放各種植物，同時(shí)設(shè)置了特殊燈光帶，通過不同燈光和幻燈圖案變化，可呈現(xiàn)出“藍(lán)天”“白云”“彩虹”等景象。通過該段時(shí)，讓駕駛員從視覺上進(jìn)行了放松，精神得以振奮，可大大緩解駕駛疲勞。此方案需要在建設(shè)之初統(tǒng)籌考慮，設(shè)置景觀段需要將該段斷面尺寸進(jìn)行擴(kuò)大。方案造價(jià)較高。

（2）景觀喚醒段采用涂刷涂料的方式，在隧道頂部涂刷藍(lán)天白云效果或者在隧道兩側(cè)涂刷風(fēng)景畫，可有效改善隧道內(nèi)的單調(diào)環(huán)境，緩解駕駛疲勞。此方案造價(jià)較低，但圖案一旦實(shí)施后期不易更換。

（3）設(shè)置燈光景觀喚醒段或者隧道智能動(dòng)態(tài)視覺系統(tǒng)，如在隧道內(nèi)合理的位置增設(shè)洗墻燈，將燈光設(shè)置為刺激性較強(qiáng)的顏色通過視覺上的沖擊，從而緩解駕駛疲勞；在隧道頂部設(shè)置LED 燈具布陣，可通過后臺(tái)軟件設(shè)置變幻不同圖案；設(shè)置投影燈，在隧道頂部或兩側(cè)投影。使用燈具布陣和投影燈效果色彩鮮明，圖案逼真且圖案方便更改，但使用燈具較多，對(duì)燈具質(zhì)量要求較高，造價(jià)也較高。

（4）景觀喚醒段采用洗墻燈和涂料相結(jié)合的方式，通過在隧道兩側(cè)或頂部噴涂不同顏色的涂料，結(jié)合洗墻燈不同顏色的燈光，呈現(xiàn)出特殊的喚醒景觀段。此方案燈光顏色可通過后臺(tái)調(diào)整，但圖案無法改變，造價(jià)適中。

以上方案中設(shè)置景觀喚醒段設(shè)置亮度建議在3.0～10.0 cd/m2之間，考慮到運(yùn)營成本及視覺刺激對(duì)比，疲勞喚醒段墻面設(shè)置亮度可取5 cd/m2。

4.3 疲勞喚醒方案在已通車特長隧道中的應(yīng)用

近些年，疲勞喚醒技術(shù)已在多個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用，現(xiàn)主要介紹以下幾個(gè)典型項(xiàng)目：

（1）通車于2021 年的昭瀘高速公路南天門隧道長度為5.997 km，在隧道左右洞各設(shè)置一段長度為200 m 的疲勞喚醒段；采用洗墻燈+ 涂料圖案方式（頂部藍(lán)天白云，兩側(cè)紅色主題壁畫），其中洗墻燈燈光可調(diào)節(jié)為固定顏色，也可以在紅、藍(lán)、紫、青和綠色之間交替變化，此項(xiàng)技術(shù)在云南省的高速公路建設(shè)中屬于首創(chuàng)，在保證安全運(yùn)營的同時(shí)，已成為當(dāng)?shù)匾坏漓n麗的風(fēng)景。

圖1 南天門隧道

圖2 秦嶺終南山隧道

（2）通車于2020 年的京禮高速公路西羊坊隧道（4.6 km）和西大莊科隧道（省界隧道全長9.2 km，北京負(fù)責(zé)建設(shè)4.6 km）均設(shè)置了疲勞喚醒段，在隧道左右洞各設(shè)置兩段長度為260 m 的疲勞喚醒段；采用LED 洗墻燈+涂料方式，具體效果為西羊坊隧道進(jìn)京側(cè)采用效果圖《春》，出京側(cè)采用效果圖《冬》，西大莊科隧道進(jìn)京側(cè)采用效果圖《夏》，出京側(cè)采用效果圖《秋》，隧道頂部均采用藍(lán)天白云效果。具有疲勞喚醒系統(tǒng)的隧道，通過LED 洗墻燈管系統(tǒng)，特種涂料相結(jié)合。實(shí)現(xiàn)了隧道環(huán)境的變化，特別是青、藍(lán)、紫顏色的著重使用，以及黃黑標(biāo)線的變頻等技術(shù)，對(duì)司機(jī)起到極強(qiáng)的心理喚醒作用。其中洗墻燈燈光調(diào)整為淡藍(lán)色，當(dāng)駕駛員駛?cè)氪硕魏笥蟹N煥然一新的視覺沖擊，從而達(dá)到喚醒或緩解疲勞的目的。

（3）通車于2017 年的雅康高速公路新二郎山隧道長度為13.459 km，疲勞喚醒段隧道頂部由8 萬個(gè)LED 燈，點(diǎn)亮呈現(xiàn)出“五星紅旗”效果，采用此效果更加貼合瀘定紅色旅游的意義，更能夠緩解在特長隧道中駕駛員的心理壓力。也是國內(nèi)首條高速采用的“隧道智能動(dòng)態(tài)視覺系統(tǒng)”，此系統(tǒng)既利用“光影調(diào)色盤”來營造氣氛、改善隧道內(nèi)照明效果，又緩解駕駛疲勞、有利行車安全。同時(shí)也是雅康高速“智慧交通”理念的直接體現(xiàn)，應(yīng)用前景廣闊。

（4）通車于2017 年的成渝高速公路華巖隧道長度為5.1 km，此隧道每隔1 km 設(shè)置1 處長度為100 m 的景觀段，共有8 處。隧道頂部采用涂料粉刷呈現(xiàn)出“藍(lán)天白云”效果。

（5）通車于2009 年的小河-安康高速公路包家山隧道長度為11.2 km，設(shè)置兩處疲勞喚醒段，每處長度為200 m，各采用40臺(tái)投影幻燈投射至隧道頂部，其中一處為“藍(lán)天白云”效果，另一處為“海底世界”效果。

5 結(jié)束語

駕駛疲勞是造成高速公路交通事故的主要原因，文章從疲勞喚醒機(jī)理角度出發(fā)，結(jié)合相關(guān)實(shí)例，列述了現(xiàn)階段常規(guī)的疲勞喚醒技術(shù)以及新型疲勞喚醒技術(shù)方案在高速公路中的應(yīng)用，可為國內(nèi)高速公路交通安全和隧道智能動(dòng)態(tài)視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員和管理者提供一定的參考。