王首碩， 杜志剛, *， 文競舟， 楊理波

(1. 武漢理工大學(xué)交通學(xué)院， 湖北 武漢 430063； 2. 云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院， 云南 昆明 650000)

0 引言

為了加快山區(qū)城市經(jīng)濟的發(fā)展，山區(qū)公路隧道愈來愈多。山區(qū)公路隧道在克服山區(qū)地形等因素時會考慮改善路面線形，因此會出現(xiàn)從隧道長度定義為短隧道[1]，但駕駛員無法從隧道入口看到隧道出口的隧道，國際照明委員會的相關(guān)技術(shù)報告將此類隧道定義為光學(xué)長隧道[2]。JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》[3]中對于長度小于500 m且為光學(xué)長隧道的低等級公路未做詳細(xì)的照明規(guī)定，而低等級公路在我國占比高達(dá)85.9%[4]，山區(qū)低等級公路隧道長期為低照度光環(huán)境，且管養(yǎng)水平有限。因此，針對低等級公路光學(xué)長隧道，探索此類型隧道行車環(huán)境下駕駛員的視覺特性，對于提升低等級公路隧道路段的交通安全具有重要的意義。

針對隧道行車環(huán)境的研究，杜志剛等[5]提出視線誘導(dǎo)設(shè)施是優(yōu)化公路隧道光環(huán)境的首選方法，可以有效地緩解視錯覺；楊理波等[6]提出高速公路圓曲線路段采用可見3個反光環(huán)方案，可使駕駛員在更短的時間內(nèi)對線形做出更準(zhǔn)確的判斷。針對低等級公路隧道環(huán)境，王露[7]通過分析駕駛員眼動參數(shù)與隧道行車環(huán)境，確定隧道出口整體過渡段長度為洞內(nèi)120 m至洞外160 m；王首碩等[8]通過調(diào)研低等級公路隧道交通組成及不同段車速基于視覺需求，提出入口區(qū)域光環(huán)境優(yōu)化新思路?？紤]到光學(xué)長隧道圓曲線線形的特殊性與低照度條件，駕駛員視覺負(fù)荷大，難以在短時間內(nèi)適應(yīng)照度劇烈過渡。目前，針對彎道路段駕駛員視覺特性的研究，陳芳等[9]的研究結(jié)果表明彎道半徑越小，駕駛員心理壓力越大，且越關(guān)注彎道內(nèi)側(cè)，左轉(zhuǎn)彎較右轉(zhuǎn)彎心理壓力大；彭金栓等[10]的研究表明彎道路段臨界掃視幅度顯著高于直線路段，彎道半徑越小駕駛員臨界掃視幅度越大，且彎道路段頭部水平運動劇烈程度較直線段顯著高；周海宇[11]分析了小半徑曲線隧道駕駛員動視點指標(biāo)，從多方面提出針對小半徑圓曲線隧道路段非對稱邊緣率標(biāo)設(shè)置方法。針對隧道路段駕駛員視覺負(fù)荷的研究，杜志剛等[12]提出了高速公路隧道出入口視覺震蕩現(xiàn)象，并用于評價隧道進(jìn)出口視覺負(fù)荷程度與行車安全；潘曉東等[13]借助瞳孔面積最大瞬態(tài)速度為視覺負(fù)荷評價指標(biāo)對高速公路隧道進(jìn)出口駕駛員視覺障礙與視覺舒適性進(jìn)行了相關(guān)性分析。

然而，上述分析中缺乏對低等級公路光學(xué)長隧道路段駕駛員視覺負(fù)荷方面的深入研究。已有隧道駕駛員視覺方面的研究均是針對高速公路隧道，未有低等級公路隧道駕駛員視覺方面的研究，更未有光學(xué)長隧道路段駕駛員的視覺負(fù)荷研究。因此，本文擬開展低等級公路光學(xué)長隧道的駕駛員實車試驗，收集駕駛員的瞳孔面積數(shù)據(jù)，分析小汽車、貨車駕駛員的瞳孔面積變化規(guī)律，探究駕駛員視覺負(fù)荷特性，為低等級公路光學(xué)長隧道的安全運營提供有效的理論基礎(chǔ)，并為后期制定低等級光學(xué)長隧道的安全改善措施提供依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗道路

本文所述駕駛員實車試驗地點位于云南省臨滄市云縣境內(nèi)的昔宜隧道，隧道結(jié)構(gòu)為單洞雙向雙車道，隧道內(nèi)為非直線線形，交通量較小，試驗時天氣均為晴朗白天。昔宜隧道進(jìn)口如圖1所示，隧道基本信息如表1所示。實車試驗的起終點為瀾滄江大橋觀景平臺，試驗車輛保持自由流狀態(tài)。

圖1昔宜隧道進(jìn)口

Fig. 1 Entrance section of Xiyi Tunnel

表1 昔宜隧道基本信息

1.2 被試者選取

因為山區(qū)公路隧道的特殊性，為了確保試驗的安全性和記錄數(shù)據(jù)的科學(xué)性，本次試驗進(jìn)行了小汽車與貨車實車試驗，要求所有被試者持有準(zhǔn)駕車型的執(zhí)照，均有3年及以上的駕齡經(jīng)驗，無色盲與色弱，視力均高于或等于5.0(包含矯正視力)，且無心理與生理缺陷，并無重大交通安全事故經(jīng)歷，被試者按照自身習(xí)慣根據(jù)車況和道路環(huán)境自由控制車速。共招募22人為被試者，選取持有C1執(zhí)照的小汽車駕駛員12人，持有B2執(zhí)照的貨車駕駛員10人。

1.3 試驗設(shè)備與車輛

試驗所用眼動儀為德國ERGONEERS公司生產(chǎn)的頭戴式Dikablis Professional眼動儀，采樣率為60 Hz；瞳孔追蹤精度為0.05°；視線追蹤精度為0.1°～0.3°；場景攝像頭分辨率為1 920×1 080 Full HD，清晰記錄場景視頻的圖像；場景攝像頭范圍為40°～90°。通過配備的D-Lab 3.51軟件進(jìn)行被試者眼部數(shù)據(jù)的采集，后期數(shù)據(jù)使用SPSS軟件進(jìn)行處理。實車試驗小汽車型號為別克GL8自動擋7座車，貨車型號為陜汽軒德X6，如圖2和圖3所示，試驗前檢查車輛性能良好。其他設(shè)備有筆記本電腦、加速度計和車載電源等。

圖2 小汽車駕駛員

圖3 貨車駕駛員

1.4 試驗方法

為了避免主試者與被試者意識當(dāng)中的主觀偏差和個人偏好影響試驗結(jié)果，本次試驗采用雙盲原則，旨在試驗過程中測驗者與被測驗者都不知道被測者所屬的組別，并竭盡可能避免其他因素對被試者駕駛造成影響。試驗前告知駕駛員必定按照個人平時的駕駛習(xí)慣通過試驗路段，在遵循交通規(guī)則的前提下自由行駛上行與下行隧道路段。試驗具體步驟如下：

1)主試者將試驗車輛開至試驗起點，并安裝好電源、行車記錄儀等各項設(shè)備。

2)在進(jìn)行正式試驗之前，主試者選取1名被試者按照既定的試驗方案進(jìn)行預(yù)試驗，確保試驗過程無誤后再進(jìn)行正式試驗。

3)預(yù)試驗和正式試驗開始前主試者配合被試者進(jìn)行眼動儀的佩戴，調(diào)整到眼動儀瞳孔鏡頭和場景鏡頭能正常工作下的被試者最舒適的角度，減少因眼動儀的不適對被試者造成影響。

4)主試者與被試者配合通過4點標(biāo)定的方式對被試者注視點進(jìn)行校正，校正過后指定車外某處讓被試者注視，然后主試者通過電腦軟件D-Lab查看被試者的注視點是否落在指定位置；多次核對后若注視點位置無偏差則可進(jìn)行試驗，若注視點位置有偏差則重新進(jìn)行4點標(biāo)定再進(jìn)行核對，直到被試者注視點位置無偏差后方可進(jìn)行試驗。

5)主試者在D-Lab里點擊START開始試驗數(shù)據(jù)采集，被試者按照既定路線開始進(jìn)行試驗，被試者回到起終點后主試者點擊STOP則完成試驗數(shù)據(jù)收集。試驗過程中主試者不斷檢查眼動儀是否正常工作，若試驗中途設(shè)備無法正常工作，則停止試驗數(shù)據(jù)收集，返回起點讓被試者休息2 min后重新開始試驗。

6)主試者在D-Lab中點擊錄制的同一時刻，另一名主試者將安裝好的加速度計配套的軟件同時點擊開始收集數(shù)據(jù)，用以收集車輛的車速與行駛距離。

7)試驗過程中，對向行駛車輛的車燈會使被試者瞳孔面積產(chǎn)生不規(guī)律的變動，則視該次試驗無效，同時，為了消除外部環(huán)境造成的誤差，每名被試者進(jìn)行5次有效試驗，取多次試驗數(shù)據(jù)平均值作為被試者眼動數(shù)據(jù)，以提高行車試驗的可信度和有效性。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

駕駛員開車在進(jìn)入或離開隧道的過程中，由于照度的劇烈過渡，駕駛員的視覺容易受“黑洞”、“白洞”效應(yīng)的影響，瞳孔面積隨之急劇增大[14]。研究發(fā)現(xiàn)，基于駕駛員瞳孔面積變化速率可有效地評價駕駛員在隧道進(jìn)出口環(huán)境下的安全性[15]。因此，本文將以瞳孔面積變化速率作為指標(biāo)，評價光學(xué)長隧道駕駛員的駕駛負(fù)荷和行車安全性。

本文試驗數(shù)據(jù)分析自變量選取車型(小汽車、貨車)、隧道區(qū)域(入口段、出口段)，因變量采用駕駛員瞳孔面積變化速率。

2.1 瞳孔變動描述性統(tǒng)計

2.1.1 瞳孔面積變化速率

研究表明，隧道出入洞門50 m范圍內(nèi)，車輛加速度絕對值一般在0～0.5 m·s-2，行駛時間為2 s左右[16]。為簡化計算，可視車輛為勻速行駛，則瞳孔面積變化速率為

(1)

式中：Ve為瞳孔面積變化速率，mm2·s-1；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為行駛速度，m·s-1。

2.1.2 瞳孔面積變化速率差異性分析

為研究不同車型駕駛員與隧道出入口段對瞳孔面積變化速率的影響，首先，對駕駛員瞳孔面積變化速率進(jìn)行正態(tài)性檢驗(Kolmogorov-Smirnov檢驗)，若檢驗概率P值大于顯著性水平0.05，則服從正態(tài)分布；然后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性檢驗(Levene檢驗)，若sig.值大于0.05，則研究數(shù)據(jù)符合方差齊性；最后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差分析，比較不同隧道區(qū)域與不同車型條件以及相互交互下的顯著差異性水平。若數(shù)據(jù)無法滿足方差齊性，則考慮采用非參數(shù)檢驗來驗證數(shù)據(jù)的差異性[17]。

不同車型在隧道入口段和出口段行駛時駕駛員的瞳孔面積變化速率分布統(tǒng)計如圖4所示，圖4中數(shù)據(jù)結(jié)果為所有駕駛員的平均值。

圖4 小汽車與貨車駕駛員不同隧道區(qū)域瞳孔面積變化速率

Fig. 4 Pupil area varying rate of car and truck drivers at different tunnel sections

由圖4可知： 1)同種車型，隧道入口段駕駛員的瞳孔面積變化速率略微大于隧道出口段； 2)隧道入口段貨車駕駛員瞳孔面積變化速率顯著大于小汽車駕駛員； 3)隧道出口段貨車駕駛員瞳孔面積變化速率顯著大于小汽車駕駛員。

為了進(jìn)一步研究不同隧道區(qū)域與不同車型對駕駛員瞳孔面積變化速率的影響程度，采用統(tǒng)計學(xué)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(Kolmogorov-Smirnov檢驗)及雙因素方差分析，如表2和表3所示。

表2 瞳孔面積變化速率正態(tài)性檢驗

表3 瞳孔面積變化速率雙因素方差分析

由表2可知，駕駛員駕駛不同車型在不同隧道區(qū)域行駛時的瞳孔面積變化速率數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，且方差齊性檢驗sig.=0.564>0.05。由表3可知，車型與隧道區(qū)域均對駕駛員瞳孔面積變化速率有顯著影響，且車型與隧道區(qū)域之間對瞳孔面積變化速率無交互影響。

2.2 駕駛員視覺適應(yīng)分析

2.2.1 視覺負(fù)荷分析

本次試驗選取隧道全長175 m，對不同車型駕駛員按5 m選取1個點進(jìn)行瞳孔面積變化速率的觀測，計算公式所需車速值采用每個點的平均車速(加速度計獲取)。圖5為駕駛員瞳孔面積變化速率與洞門位置關(guān)系。圖5中瞳孔面積變化速率為正數(shù)表示瞳孔面積正在變大，為負(fù)數(shù)表示瞳孔面積正在變小，數(shù)據(jù)結(jié)果為所有駕駛員的平均值。

圖5 瞳孔面積變化速率與洞門位置關(guān)系

Fig. 5 Relationship between pupil area varying rate and portal position

由圖5可知：

1)不同車型駕駛員在隧道入口區(qū)域(洞內(nèi)和洞外)與出口段的瞳孔面積變化速率隨著洞門距離的變化情況有顯著不同。

2)駕駛員進(jìn)入隧道前30 m時，開始受到“黑洞”效應(yīng)的影響，瞳孔面積即開始變化；進(jìn)入洞門前30～20 m區(qū)間，瞳孔面積變化速率緩慢上升；進(jìn)入洞門前15 m處，貨車駕駛員瞳孔面積變化速率開始迅速上升，直到洞門處保持平穩(wěn)，而小汽車駕駛員瞳孔面積變化速率在進(jìn)入洞門前15～5 m保持平穩(wěn)，表明“黑洞”效應(yīng)對貨車駕駛員的影響要早于小汽車駕駛員。

3)貨車駕駛員在進(jìn)入洞門處至洞內(nèi)30 m范圍，瞳孔面積變化速率即保持在1.5 mm2·s-1左右的峰值；而小汽車駕駛員從進(jìn)入洞內(nèi)才開始迅速上升，直到進(jìn)入洞內(nèi)15 m處達(dá)到峰值1.2 mm2·s-1左右，表明照度劇烈過渡對貨車駕駛員的影響程度更大，貨車駕駛員進(jìn)入隧道的視覺負(fù)荷更嚴(yán)重。

4)進(jìn)入洞內(nèi)30 m之后，駕駛員的瞳孔面積變化速率開始逐步減小，直到進(jìn)入洞內(nèi)70 m開始達(dá)到平穩(wěn)，在70～95 m的范圍內(nèi)，駕駛員處于隧道中部，此區(qū)間駕駛員瞳孔面積處于最大值，瞳孔面積變化不顯著。

5)從進(jìn)入洞內(nèi)100 m(距離出洞口75 m)，駕駛員的瞳孔面積變化速率開始變大，即瞳孔面積開始減小，表明駕駛員開始受“白洞”效應(yīng)的影響，貨車駕駛員在離出洞口15 m時達(dá)到峰值-1.69 mm2·s-1，而小汽車駕駛員在離出洞口20 m時達(dá)到峰值-1.10 mm2·s-1，表明照度劇烈過渡對貨車駕駛員的影響程度更大，貨車駕駛員駛出隧道時的視覺負(fù)荷更嚴(yán)重，視覺適應(yīng)時間基本相同。

6)貨車與小汽車駕駛員在出洞外后的瞳孔面積變化不顯著，基本保持平穩(wěn)。

2.2.2 視覺適應(yīng)能力分析

為探究不同車型駕駛員在出入口段的視覺適應(yīng)能力，以進(jìn)入隧道洞門和駛離隧道洞門峰值之前的瞳孔面積變化速率離散程度評價其適應(yīng)能力。根據(jù)圖5可知，小汽車與貨車駕駛員進(jìn)入隧道適應(yīng)能力分析范圍分別為： 進(jìn)入洞門前30 m處至進(jìn)入洞內(nèi)10 m處、進(jìn)入洞門前30 m處至洞門處；小汽車與貨車駕駛員駛離隧道適應(yīng)能力分析范圍分別為： 進(jìn)入洞內(nèi)90 m處至出洞門外20 m處、進(jìn)入洞內(nèi)90 m處至出洞門外15 m處。借助變異系數(shù)衡量不同車型駕駛員瞳孔面積變化速率離散程度，變異系數(shù)計算公式如式(2)所示，不同駕駛員瞳孔面積變化速率變異系數(shù)如圖6所示。

Cv=σ/μ。

(2)

式中：Cv為變異系數(shù)；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；μ為均值。

變異系數(shù)可反映單位均值上的離散程度，用于總體均值不等的情況。

圖6 瞳孔面積變化速率變異系數(shù)

變異系數(shù)正態(tài)性檢驗如表4所示，變異系數(shù)均滿足正態(tài)分布(>0.05)，故再進(jìn)行雙因素方差分析，如表5所示，P值均小于0.05，說明不同車型駕駛員在峰值前的瞳孔面積變化速率變異系數(shù)有顯著差異，且貨車駕駛員的瞳孔面積變化速率離散程度高于小汽車駕駛員，入口區(qū)域的瞳孔面積變化速率離散程度高于出口區(qū)域，表明貨車駕駛員在公路隧道對視覺環(huán)境較為敏感，比小汽車駕駛員更難適應(yīng)照度變化，入口區(qū)域較出口區(qū)域視覺適應(yīng)更加敏感。

表4 變異系數(shù)正態(tài)性檢驗

表5 變異系數(shù)雙因素方差分析

3 結(jié)論與討論

目前，國內(nèi)對于光學(xué)長隧道的交通安全研究起步較晚，對于光學(xué)長隧道行車安全環(huán)境改善措施的研究較少。本文選取光學(xué)長隧道進(jìn)行實車試驗，采集了駕駛員的瞳孔面積數(shù)據(jù)，并分析了駕駛員的視覺負(fù)荷，得到以下結(jié)論。

1)隧道入口段與出口段(P=0.034)、小汽車駕駛員與貨車駕駛員(P=3.465×10-10)瞳孔面積變化速率均值存在顯著性差異，即為視覺負(fù)荷存在顯著差異；車型與隧道區(qū)域2類因素之間對瞳孔面積變化速率無交互影響(P=0.890)。

2)不同車型駕駛員在隧道入口區(qū)域(接近段與入口段)和出口段的瞳孔面積變化速率隨著洞門距離的變化情況顯著不同；貨車駕駛員在隧道內(nèi)的瞳孔面積增大變化率峰值1.5 mm2·s-1與減小峰值-1.69 mm2·s-1均大于小汽車駕駛員1.2 mm2·s-1和-1.1 mm2·s-1；不同車型(P=0.048 7)、不同隧道區(qū)域(P=0)的駕駛員在峰值前的瞳孔面積變化速率變異系數(shù)有顯著差異，貨車、出口區(qū)域的駕駛員對視覺環(huán)境較為敏感；貨車駕駛員的進(jìn)出隧道視覺負(fù)荷更嚴(yán)重。

3)駕駛員在隧道內(nèi)出口區(qū)域的瞳孔面積變化區(qū)間大于洞內(nèi)入口區(qū)間；貨車與小汽車駕駛員在出洞外后的瞳孔面積變化不顯著，基本保持平穩(wěn)。

4)小汽車、貨車駕駛員在本次試驗結(jié)果中存在差異可能與小汽車、貨車駕駛員在駕駛室內(nèi)眼部接收到的照度不同有關(guān)，而導(dǎo)致照度不同的原因可能與駕駛員視線高度、擋風(fēng)玻璃的尺寸及玻璃膜等有關(guān)。

5)針對低等級公路光學(xué)長隧道的現(xiàn)狀，應(yīng)結(jié)合駕駛員視覺負(fù)荷提出以視線誘導(dǎo)為主的改善措施，如入口段、出口段設(shè)置貼有高強度反光膜的反光環(huán)，且同時滿足小汽車、貨車駕駛員的視線誘導(dǎo)。針對此類型隧道的改善措施，后期將組合各類型交通設(shè)施，通過駕駛模擬仿真選取最佳的改善方案。