毗鄰隧道連接段遮光棚對駕駛人視覺負荷影響試驗研究

吳坤霖, 杜志剛, *, 韓 磊, 黃小民

(1. 武漢理工大學交通與物流工程學院, 湖北 武漢 430063; 2. 廣東省公路建設有限公司江羅分公司, 廣東 云浮 527431)

0 引言

近年來,隨著國家高速公路網的不斷完善,高速公路建設得到了快速發展,其中公路隧道作為中西部高速公路的重要組成部分,在克服地形地貌限制、優化道路線形以及縮短行車里程等方面發揮著不可或缺的作用[1-2]。隨著公路隧道數量的日益增多,隧道分布也日趨密集。相關研究[3]表明,當相鄰隧道連接段長度不超過250 m時,稱為毗鄰隧道。由于毗鄰隧道連接段較短,駕駛人在該路段行駛過程中將于短時間內經歷光環境的循環交替突變,導致駕駛人視覺明暗適應過程的快速轉換,容易引發駕駛人的視覺障礙,嚴重干擾其對行車信息的感知與獲取,不利于行車安全[4]。因此,如何合理構建毗鄰隧道連接段的光環境過渡帶,緩解駕駛人在該路段上的視覺不適感,對促進道路交通安全具有極其重要的意義。

目前,國內外關于隧道光環境變化與視覺特性研究已取得一定的成果。例如:Wang等[5]以駕駛人瞳孔面積最大瞬態速度值為指標,評價不同時段下駕駛人在隧道入口的視覺負荷;He等[6]研究了駕駛人在2種照明環境下的眼動參數,指出隧道過渡段的亮度變化對駕駛人的視覺影響程度較大;Qin等[7]分別在白天與晚上研究車速對公路隧道入口區域駕駛人的眼動行為影響;潘福全等[8]通過眼瞼閉合度指標分析駕駛人在海底隧道出入口的視覺特征,發現照度變化是主要影響因素。

在隧道進出口光環境的改善方面,遮光棚的設置得到了廣泛研究。例如: Mehri等[9]發現在隧道入口設置半透明層可以幫助駕駛人更快適應隧道的黑暗環境;Gil-martin等[10]根據隧道洞口的光波變化對遮光棚的透光率進行設置,結果表明此方法能夠使該區域照度衰減更為緩和;包逸帆等[11]研究了在隧道進出口所設置遮光棚對駕駛人明暗適應過程的影響規律;劉群峰等[12]通過降低遮光棚的頻閃效應以提高駕駛人進出隧道過程中的舒適性。

綜上所述,國內外學者多采用視覺特性對隧道出入口光環境進行分析,探索駕駛人在該區域的視覺負荷或明暗適應規律,進而為遮光棚的設計與布置提供方向。但現有研究多集中于單體隧道的出入口,鮮有對毗鄰隧道的光環境變換與改善進行研究,特別是其連接段區域,屬于整個毗鄰隧道碰撞率最高的路段[13]。本文基于試驗心理學和視覺心理學,以貴州2處毗鄰隧道為研究對象進行實車試驗,選取駕駛人瞳孔參數為指標,研究毗鄰隧道連接段有無遮光棚對駕駛人明暗適應與視覺負荷的影響;在此基礎上,進一步探究首條隧道的長度差異是否會影響遮光棚的功能效用,以期為山區高速公路毗鄰隧道連接段遮光棚的設置與優化提供理論依據,提升山區高速公路毗鄰隧道連接段區域的駕駛安全。

1 試驗設計

1.1 試驗隧道

選取廈蓉高速貴州段2處毗鄰隧道為試驗隧道。第1處毗鄰隧道由貓沖1號隧道和貓沖2號隧道組成,均為短隧道,2條隧道的連接段以開敞的形式設置;第2處由爐鎮隧道和銀洞坡隧道組成,2條隧道分別為短隧道和長隧道,連接段設置有遮光棚。上述均為雙洞單向雙車道分離式隧道且朝向大致相同,隧道最高限速均為80 km/h。同時經調研發現,所研究毗鄰隧道出入口區域照明燈具類型、參數與布置方式基本一致,照明條件無顯著性差異。而遮光棚整體高度為7.8 m,采用透光率為29%的藍色系PC板作為遮光材料,另外遮光棚底部設置有81 m的混凝土護欄并設計1 m鏤空提高通風效果。試驗所用毗鄰隧道信息如表1所示。毗鄰隧道位置及連接段形式如圖1所示。同時,根據JTG/T D70—2004《公路隧道設計規范》對公路隧道的分類,當隧道長度<500 m時屬于短隧道;當1 000 m≤隧道長度<3 000 m時屬于長隧道[14]。因此,3個試驗場景的明顯差異在于隧道連接段的形式或首隧道類型。

表1 試驗毗鄰隧道信息

1)試驗編號A。毗鄰隧道連接段未設置遮光棚,首隧道為短隧道。

2)試驗編號B。毗鄰隧道連接段設置了遮光棚,首隧道為短隧道。

3)試驗編號C。毗鄰隧道連接段設置了遮光棚,首隧道為長隧道。

其中,試驗編號A與B用于分析連接段有無遮光棚對駕駛人瞳孔變化的影響;試驗編號B與C用于研究首隧道長度存在顯著差異的情況下,連接段遮光棚對緩解駕駛人的視覺不適與負荷程度是否存在不同。

(b) 爐鎮隧道—銀洞坡隧道連接段

(c) 銀洞坡隧道—爐鎮隧道連接段

1.2 試驗設備

本次試驗所用車型為別克GL8自動擋5座車,照度采集設備為Testo540型號照度計。試驗過程中,通過德國ERG-ONEERS公司生產的Dikablis Professional眼動儀采集駕駛人的眼動數據,采集頻率為60 Hz,瞳孔追蹤精度達到0.05°。所配置的D-Lab 3.51軟件專用于眼動儀的數據存儲和處理,瞳孔面積數據可通過該軟件進行提取與分析。

1.3 駕駛人選取

在廈蓉高速收費站和附近服務區招募了32名身體健康、視力糾正后在1.0以上并且具有豐富駕駛經驗的駕駛人進行試驗。其中,女性駕駛人8名,男性駕駛人24名,年齡分布于25～45歲,駕齡分布于5～20年。駕駛人基本信息見表2。最終搜集到有效樣本32組,符合中心極限定理最小樣本量大于30的要求[15]。

表2 駕駛人基本信息

1.4 試驗流程及數據采集

為避免主試與被試意識當中的個人偏好和主觀偏差對結果的影響,試驗采用雙盲原則[16]。同時,不同場景下的試驗需盡可能保證環境等因素的一致性。因此,實車試驗時間均選擇在晴朗天氣下的11:00～13:00,駕駛人在規定的限速下按照其開車習慣正常行駛。為避免換道對數據采集的影響,試驗期間不允許變換車道。為了減少周圍車流影響駕駛人的行車穩定性,在每次試驗前工作人員先對道路交通情況進行主觀評估,在自由流的環境下進行試驗。若試驗過程中周圍車輛對駕駛人產生嚴重干擾,則此次試驗無效,需重新進行。每次試驗需讓駕駛人有3～5 min的休息時間,最終需保證每位駕駛人有效完成編號為A、B、C 3種場景下的試驗各2組。每次的試驗流程如圖2所示。

圖2 試驗流程

在T/CECS G: E10—2021《公路項目安全性評價規程》中,將進洞口前200 m至出洞口后100 m定義為隧道路段[17]。因此,對于本試驗的毗鄰隧道,數據采集范圍選擇從首隧道進洞前200 m開始,到次隧道出洞后100 m結束。考慮到毗鄰隧道連接段遮光棚設置對駕駛人的視覺影響,數據導出范圍選擇從首隧道出洞前200 m至次隧道入洞后200 m(包含連接段),并且定義首隧道出洞前200 m為首隧道出口段,次隧道入洞后200 m為次隧道入口段。試驗路段及劃分示意圖如圖3所示。

圖3 試驗路段及劃分示意圖(單位: m)

2 瞳孔變化規律分析

現有研究表明,明暗適應的轉換與瞳孔參數變化存在顯著性的關聯,其中瞳孔面積的變動能夠表征駕駛人對光環境過渡的適應性[18],而瞳孔面積變化速率能夠表征駕駛人進出隧道過程所受到的視覺刺激程度[11]。選取瞳孔面積的變化和變化速率為指標,研究遮光棚的設置對毗鄰隧道連接段區域駕駛人瞳孔參數變化特性的影響。

2.1 照度與瞳孔面積

為更好地分析毗鄰隧道連接段遮光棚對駕駛人瞳孔面積變動規律的影響,選取首隧道出口段至次隧道入口段的瞳孔面積大小為研究對象,在剔除異常數據的基礎上,以5 m為1個單位對每個駕駛人的瞳孔面積數據進行劃分并求均值。為消除個體差異的影響,再對所有駕駛人的瞳孔面積數據進行均值處理,得到平滑后的瞳孔面積變化情況。采集的照度數據和瞳孔面積如圖4所示。

(a) 貓沖2號隧道—1號隧道群

(b) 爐鎮隧道—銀洞坡隧道群

(c) 銀洞坡隧道—爐鎮隧道群

圖4 首隧道出口段至次隧道入口段照度與駕駛人瞳孔面積變化

Fig. 4 Illuminance and drivers′ pupil area changes from upstream tunnel exit section to downstream tunnel entrance section

由圖4可知: 1)未設置遮光棚的場景下,連接段的照度達到1×105Lux,而設置有遮光棚的連接段區域,其照度為2×104Lux; 2)從變化趨勢來看,圖4(a)的首隧道出口及次隧道入口處變化幅度明顯更大,而圖4(b)和4(c)的照度變化趨勢則更為緩和,且這2個場景的照度條件相近。

2.2 瞳孔面積變化

在3個不同試驗場景下,駕駛人在連接段出隧道、進隧道過程中,其瞳孔面積大小變化均呈現先減小后增大的趨勢;同時,相比于其他區域,首隧道出洞后50 m至次隧道入洞前50 m的連接段,駕駛人的瞳孔面積變化較為平緩,說明在該路段上駕駛人的明適應過程已大致完成且還未向暗適應過程轉換。現有研究[19]也表明,隧道進出口兩側50 m范圍內的外部道路是事故易發的危險路段,其次是隧道洞口附近的內部路段,主要成因是光環境的劇烈變化。因此,本文將首隧道出口段與首隧道出洞后50 m劃分為首隧道出口區域,將次遂道入口段與進洞前50 m劃分為次隧道入口區域。對比研究3種試驗場景下駕駛人進出洞過程的瞳孔大小變化差異,結果如圖5所示。

(a) 首隧道出口區域

(b) 次隧道入口區域

對于試驗編號A和B: 1)在洞內50 m至洞外50 m,連接段設置有遮光棚的試驗場景下(試驗編號B),瞳孔面積變化幅度明顯較為平緩,變化幅度約比未設置遮光棚的場景小2.80 mm2; 2)在次隧道入口區域,駕駛人在整個路段的平均瞳孔面積分別為11.64 mm2和18.13 mm2,說明在設置遮光棚場景下駕駛人的瞳孔面積較大,同時由變化趨勢可以發現其上下波動的程度較小。因此,遮光棚的設置能夠緩解光環境過渡的劇烈程度,不管是在首隧道出口區域還是在次隧道入口區域,駕駛人的瞳孔大小變化幅度均得到了降低。

對于試驗編號B和C: 1)在連接段同樣設置有遮光棚的場景下,當首隧道為長隧道時(試驗編號C),駕駛人在首隧道出口區域的瞳孔面積更早出現減小的趨勢,大約提前50 m; 2)在洞內150 m至洞口處,2個場景下的瞳孔變化幅度分別為9.89 mm2和12.27 mm2,由此發現首隧道為長隧道的瞳孔變化幅度更大,這可能是駕駛人長時間在長隧道行駛后,對于光線的敏感度更高,同樣的遮光棚其所起到的功效有所減弱; 3)在次隧道入口區域的洞內50～200 m,首隧道為長隧道時瞳孔變化較為平緩,變化幅度相對較小,可能的原因是駕駛人在長隧道長時間駕駛使其對暗環境的適應能力有所增強。

2.3 瞳孔面積變化速率

由2.2節分析可知,隧道連接段有無遮光棚以及遮光棚連接段前首隧道長度均對駕人的瞳孔面積變化趨勢存在顯著影響。為進一步分析駕駛人瞳孔面積的波動程度,本文對毗鄰隧道的首隧道出口區域和次隧道入口區域駕駛人的瞳孔面積變化速率進行研究,以探求駕駛人行車過程中所受到的視覺刺激程度,則瞳孔面積變化速率

(1)

式中:S為瞳孔面積,mm2;x為車輛行駛距離,m;t為車輛行駛時間,s;v為每5 m的平均行車速度,m/s。

在毗鄰隧道連接段的首隧道出口區域與次隧道入口區域,所有駕駛人的瞳孔面積平均變化速率如圖6所示。

(a) 首隧道出口區域

對于試驗編號A與B: 1)在首隧道出口區域的洞內200 ～70 m,無遮光棚的場景下(試驗編號A)駕駛人的瞳孔面積平均變化速率波動范圍較大,主要在-3.0～2.5 mm2/s,約為設有遮光棚場景下的2倍; 2)從洞內70 m至洞外50 m,平均瞳孔面積變化速率的變化趨勢都是先減小后增大,變化速率均值分別為-2.2 mm2/s和-1.9 mm2/s,這說明未設置遮光棚的場景整體平均變化速率明顯更快;3)在次隧道入口區域的洞內70～200 m,未設置遮光棚的場景平均變化速率波動程度同樣明顯更大。以上分析說明連接段設置遮光棚能夠緩解光環境過渡給駕駛人帶來的視覺刺激程度,因此駕駛人的瞳孔變化速率得到緩和,波動范圍也相對較小。

對于試驗編號B與C: 1)在首隧道出口段,首隧道為長隧道時(試驗編號C),駕駛人的瞳孔面積平均變化速率的波動范圍較大(-2～1 mm2/s),在明適應過程中,平均變化速率也明顯比首隧道為短隧道(試驗編號B)的快;2)在次隧道入口區域,2個場景的瞳孔面積平均變化速率整體均值分別為1.1 mm2/s和0.7 mm2/s,首隧道為長隧道的場景下平均變化速率明顯更小,瞳孔變化較為平緩。以上分析說明駕駛人長時間于長隧道行駛后,在出洞口對于光線的敏感度更高,受到的刺激更強,明適應過程較為不舒適,但在暗適應過程中則顯得較為舒適,表明暗適應能力相對較強。

3 駕駛人視覺負荷評價

3.1 視覺負荷評價指標

瞳孔面積最大瞬態速度值(MTPA)可用于評價駕駛人的視覺負荷與舒適性,評價標準如表3所示。瞳孔面積最大瞬態速度值的計算如式(2)和式(3)所示。

(2)

MTPA=max{Vew(t0)}。

(3)

式(2)—(3)中:Vew(t0)為瞬時瞳孔面積頻率加權速度幅值,mm2/s;Vw(t)為t時刻的瞳孔面積變化速度,mm2/s;t0為瞬時考察時間,s;n為持續平均積分時間,取0.5 s。

表3 基于MTPA的駕駛人舒適度評價標準[21]

3.2 視覺負荷變化分析

為評價駕駛人在連接段出入口區域的負荷程度,以瞳孔面積最大瞬態速度值作為指標,通過式(2)與式(3)計算得到MTPA,其變化情況如圖7所示。

(a) 首隧道出口區域

(b) 次隧道入口區域

由圖7及表3可知: 1)在首隧道的出口區域,連接段未設置遮光棚的貓沖2號隧道—貓沖1號隧道,駕駛人的MTPA很快上升到30 mm2/s以上,之后在35 mm2/s附近大幅波動,駕駛人的主觀感受不舒適;連接段設置有遮光棚且首隧道為短隧道的爐鎮隧道—銀洞坡隧道,駕駛人在出洞口前200～50 m其MTPA維持在較低水平,明顯小于20 mm2/s,雖然在出洞口前上升到34 mm2/s左右,但處于視覺不適的時間很短; 2)對于連接段設置有遮光棚且首隧道為長隧道的銀洞坡隧道—爐鎮隧道,在從洞內往洞外行駛的過程中,其MTPA變化的大致趨勢是先持續往上爬升,在接近出洞口時達到峰值,略大于30 mm2/s,隨后也開始快速下降。

在次隧道入口區域的前100 m,3個試驗場景下駕駛人的MTPA變化趨勢大致相同,均是在升高。但在入洞口后50～200 m,駕駛人的MTPA變化則存在差異,總體上,3個試驗場景下的MTPA分別在25、20、15 mm2/s附近波動,舒適程度依次升高。

連接段未設置遮光棚的貓沖2號隧道—1號隧道駕駛人的視覺負荷程度最高,駕駛人在出洞口的MTPA主要集中在30～40 mm2/s,在入洞口的MTPA則主要分布于20～30 mm2/s,駕駛人的視覺感受稍不舒適。而連接段設置有遮光棚的毗鄰隧道,駕駛人的視覺感受大體上都處于舒適狀態。進一步地,對于首隧道長度存在顯著差異的毗鄰隧道編號B與C(首隧道分別為短隧道和長隧道),雖然連接段設置有形狀、遮光率等都相同的遮光棚,但在首隧道出口區域,試驗編號為C的場景下駕駛人對于光環境變化的敏感度更高,產生的視覺負荷也相對較高,MTPA主要分布于20～30 mm2/s,而駕駛人在試驗編號為B的場景下其MTPA主要分布于5～20 mm2/s,此時駕駛人的明適應過程舒適性更佳;另外,在次隧道入口區域,B場景下駕駛人的視覺舒適性略差于C場景。所以,在毗鄰隧道中,首隧道為長隧道的情況下,駕駛人進入次隧道時的暗適應過程更為舒適。

3.3 視覺負荷差異性顯著檢驗

為更深入探究不同場景下駕駛人視覺負荷差異的顯著性,對不同試驗場景、不同區域的瞳孔面積最大瞬態速度進行正態性檢驗和方差齊性檢驗。不同場景下MTPA的描述統計與檢驗如表4所示。

表4 不同場景下MTPA的描述統計與檢驗

由表4可知: 1)K-S正態檢驗結果均大于顯著性水平α,說明數據都服從正態分布; 2)對A和B、B和C的2個區段分別進行方差齊性檢驗,結果均大于顯著性水平β,滿足方差齊性要求。

在不同試驗場景、不同區段下,采用單因素方差分析對所有駕駛人的MTPA進行差異性檢驗(其中,p表示顯著性水平,當p<0.05時表示具有統計學差異,p<0.01時表示具有顯著統計學差異,p<0.001時表示具有極其顯著的統計學差異[22])。結果發現: 1)在首隧道出口區域,試驗場景A和C的MTPA都顯著大于試驗場景B(p<0.001,p=0.036); 2)在次隧道入口區域,試驗場景A的MTPA同樣顯著高于試驗場景B(p=0.045),而試驗場景B的MTPA顯著高于試驗場景C(p=0.004)。

不同試驗場景連接段出入口區域MTPA分布如圖8所示。

*表示p<0.05; **表示p<0.01; ***表示p<0.001。

由圖8可知: 1)當毗鄰隧道連接段設置遮光棚時,照度變化劇烈程度得到改善,駕駛人在首隧道出口區域和次隧道入口區域的視覺負荷分別降低了37.1%與13.1%; 2)當照度條件相近但首隧道長度存在差異時,首隧道為長隧道場景下,駕駛人在首隧道出口區域的視覺負荷顯著低于首隧道為短隧道的場景,MTPA均值相差4.74; 3)在次隧道入口區域,視覺負荷顯著性程度相反,平均MTPA均值相差4.77。

4 結論與建議

1)當毗鄰隧道連接段設置有遮光棚時,駕駛人的瞳孔面積變化較為平穩,瞳孔面積平均變化速率接近80%分布于-2.00～2.00 mm2/s,波動幅度顯著降低;MTPA平均降低了25.1%,且基本處于舒適范圍內,這說明毗鄰隧道連接段設置遮光棚可以有效緩解駕駛人在明暗轉換過程中的視覺負荷。

2)在毗鄰隧道連接段設置有相同遮光棚的場景下,首隧道長度的不同對瞳孔指標也存在影響。與首隧道為短隧道相比,首隧道為長隧道場景下駕駛人在首隧道出口區域的視覺負荷增加了30.1%,但在次隧道入口區域的負荷反而下降了27.1%。說明駕駛人在經過長隧道之后,對光照更為敏感,在明適應過程的視覺刺激程度較為劇烈,但在次隧道入口區域體現出更好的暗適應能力,視覺表現較為舒適。

3)在毗鄰隧道連接段設置遮光棚能夠有效緩解光環境快速過渡對駕駛人產生的視覺負荷。根據首隧道長度差異對視覺負荷的影響結果,可為遮光棚遮光率的設計提供參考。當首隧道為長隧道時,可適當增加連接段遮光棚前半段的遮光率;當首隧道為短隧道時,則連接段遮光棚后半段的遮光率可適當提高,以幫助駕駛人緩出洞、早入洞、緩和出入口區域的光照劇烈過渡。

4)在連接段設置有遮光棚的基礎上,本文探討了毗鄰隧道的首隧道長度差異對駕駛人的視覺負荷影響,但僅考慮了短隧道與長隧道2種場景,后續將對多種不同長度類型的隧道進行研究,以期得到首隧道長度與遮光棚遮光率之間的定量關系。