小半徑公路短隧道入口段不同車型視覺(jué)負(fù)荷研究*

陳 云 杜志剛 焦方通 王首碩 王 朝

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

公路隧道為特殊管狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部空間狹窄，不僅容易發(fā)生交通事故，而且事故發(fā)生后危害程度大，后續(xù)救援困難，極易造成群死群傷.研究表明，車輛進(jìn)入隧道時(shí)，照度劇烈過(guò)渡，駕駛?cè)藢?duì)前方的障礙物或車輛的感知能力減弱，容易導(dǎo)致交通事故發(fā)生.Mehri等[1]將隧道入口處的安全照明水平與德波爾標(biāo)度比較，發(fā)現(xiàn)“黑洞效應(yīng)”會(huì)導(dǎo)致駕駛?cè)说难劬Σ贿m應(yīng)隧道入口亮度水平的變化，從而增加了該區(qū)段發(fā)生交通事故的風(fēng)險(xiǎn).陳鑫等[2]研究得出合理設(shè)置隧道入口段對(duì)比度的建議值.黃發(fā)明[3]研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入隧道過(guò)程中，過(guò)大的照度過(guò)渡率易加重駕駛?cè)艘曈X(jué)負(fù)荷，并加劇心理緊張.崔健等[4]研究表明,對(duì)長(zhǎng)隧道入口段實(shí)施可變限速控制,能夠提高交通安全與交通運(yùn)行效率.胡江碧等[5]計(jì)算出不同設(shè)計(jì)速度下夜間隧道入口段的亮度差閾值.吳玲等[6]研究得出駛?cè)胨淼琅c駛出隧道的最佳期待車速分別為50 km/h與60km/h.肖志軍等[7]以運(yùn)行速度差為指標(biāo)建立評(píng)價(jià)隧道入口段道路行車安全的照明安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).在駕駛?cè)送鬃儎?dòng)研究方面，杜志剛等[8]對(duì)26座隧道進(jìn)行行車實(shí)驗(yàn)，得出對(duì)于中長(zhǎng)隧道，駕駛?cè)税颠m應(yīng)時(shí)間在23 s以內(nèi)，明適應(yīng)時(shí)間在13 s以內(nèi).段萌萌等[9]提出“負(fù)荷重復(fù)累計(jì)效應(yīng)”的概念，借助瞳孔面積最大瞬態(tài)速度評(píng)價(jià)高隧道比路段隧道出入口視覺(jué)負(fù)荷.

然而，上述研究當(dāng)中沒(méi)有區(qū)分不同車輛類型駕駛?cè)嗽谒淼廊肟诙蔚囊曈X(jué)負(fù)荷特性，隧道入口段的安全防護(hù)措施缺乏針對(duì)性，且以往研究很少對(duì)小半徑公路短隧道定量分析.同時(shí)國(guó)省干線公路隧道往往不設(shè)置隧道照明，低照度運(yùn)營(yíng)較為普遍，也容易誘發(fā)不良交通行為甚至交通事故.鑒于此，本文利用Dikablis Professional眼動(dòng)儀系統(tǒng)，通過(guò)大貨車與小客車實(shí)地實(shí)驗(yàn)以得到不同車型駕駛?cè)嗽谛“霃焦范趟淼廊肟诙蔚耐酌娣e變化速度，通過(guò)對(duì)比分析確定不同車型駕駛?cè)艘曈X(jué)負(fù)荷的差異.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集

1.1 實(shí)驗(yàn)隧道

實(shí)驗(yàn)公路隧道為云南省昔宜隧道(單洞雙向)，長(zhǎng)度為175 m，位于R=251 m,Ls=45 m的左轉(zhuǎn)曲線內(nèi)，為光學(xué)長(zhǎng)隧道，隧道限速為40 km/h，見(jiàn)圖1.

圖1 云南昔宜隧道

1.2 實(shí)驗(yàn)駕駛?cè)?/h3>

選擇駕齡為5～10年的男性駕駛?cè)?0名，均持有A1級(jí)駕駛證，要求矯正視力均在5.0以上，駕駛習(xí)慣良好，駕駛技術(shù)嫻熟，無(wú)生理缺陷，視覺(jué)機(jī)能良好，無(wú)重大駕駛事故背景.其中20～30歲3名，>30～40歲4名，>40～50歲3名.

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)遵循雙盲選原則，同時(shí)盡量控制其他因素，避免對(duì)駕駛行為造成影響.實(shí)驗(yàn)用車分為大型貨車與小型客車，大貨車采用軒德X6，小客車采用別克GL8，車輛性能良好.利用德國(guó)某公司生產(chǎn)的Dikablis Professional眼鏡式眼動(dòng)儀測(cè)量駕駛?cè)搜蹌?dòng)特征.該眼動(dòng)儀采樣率為60 Hz，視線追蹤精度為0.1°～0.3°，可雙眼采集，兼容大多數(shù)眼鏡，身體頭部不受限，設(shè)置、校正簡(jiǎn)易.配合D-lab軟件可同步采集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù).

1.4 實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)采集

1.4.1實(shí)驗(yàn)要素

隧道結(jié)構(gòu)為單洞雙向式，道路為雙車道；實(shí)驗(yàn)選取天氣均為晴朗的白天，實(shí)驗(yàn)時(shí)間段7月下旬10：00—17：00，保證隧道洞門處有較為劇烈的照度變化.實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為國(guó)省干線公路隧道，無(wú)照明，交通量較小，可保證實(shí)驗(yàn)車以自由流或接近自由流車速行駛.

1.4.2實(shí)驗(yàn)方法

給被試駕駛?cè)伺宕餮蹌?dòng)儀并校正，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，車輛從實(shí)驗(yàn)隧道前500 m進(jìn)入公路.告知駕駛?cè)诵旭偮肪€，駕駛?cè)艘罁?jù)駕駛習(xí)慣與道路狀況選擇駕駛行為和車速，輔助人員不得干擾.在距離隧道洞門前5，10，15，20 m，隧道洞門處0 m和隧道洞門后5，10，15，20，25，30，35，40，45，50 m處標(biāo)記.行車過(guò)程中，眼動(dòng)儀自動(dòng)同步記錄相關(guān)數(shù)據(jù).行車至觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，輔助人員通過(guò)D-lab軟件標(biāo)定和記錄觀測(cè)點(diǎn)時(shí)間和位置.同時(shí)，所有駕駛?cè)司{駛兩種不同車型進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

1.4.3實(shí)驗(yàn)誤差控制

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)向來(lái)車的車燈會(huì)使被試駕駛?cè)送酌娣e變動(dòng)不規(guī)律，視該次實(shí)驗(yàn)為無(wú)效.瞳孔直徑與面積會(huì)由于瞳孔變動(dòng)過(guò)快或注視點(diǎn)不在鏡頭內(nèi)而導(dǎo)致異常(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為空白或極大值).若隧道入口段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)間累計(jì)達(dá)25%，則可認(rèn)為無(wú)效，同時(shí)為消除外部環(huán)境造成的誤差，每名駕駛?cè)诉M(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，取多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值為駕駛?cè)搜蹌?dòng)數(shù)據(jù)，以提高行車實(shí)驗(yàn)的可信度和有效性.

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 隧道入口段駕駛?cè)送鬃儎?dòng)

人通過(guò)瞳孔可獲取70%的外界信息(物體輪廓、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、距離等)，而行駛過(guò)程中，則可獲取80%～90%的駕駛信息.進(jìn)入隧道過(guò)程中，照度劇烈過(guò)渡，駕駛?cè)耸堋昂诙葱?yīng)”影響，瞳孔面積隨之急劇增大，故以瞳孔面積變化速度為指標(biāo)對(duì)駕駛?cè)艘曈X(jué)負(fù)荷和行車安全進(jìn)行評(píng)價(jià).研究發(fā)現(xiàn)，基于駕駛?cè)送酌娣e變化速度及持續(xù)時(shí)間的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)與瞳孔面積變化臨界速度的視覺(jué)負(fù)荷指標(biāo)可以分別有效應(yīng)用于隧道進(jìn)出口行車的安全性評(píng)價(jià)和隧道路段視覺(jué)負(fù)荷評(píng)價(jià)[10].

2.1.1瞳孔面積變化速度

研究表明，隧道洞門內(nèi)前50 m范圍內(nèi)，車輛加速度絕對(duì)值一般在0～0.5 m/s2內(nèi)，行駛時(shí)間為2 s左右[11-13].為簡(jiǎn)化計(jì)算，可視車輛為勻速行駛，則瞳孔面積變化速度為

(1)

式中：Ve為瞳孔面積變化速度，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(shí)間，s；v為行駛速度，m·s-1.

2.1.2瞳孔變動(dòng)分析

為研究不同車型駕駛?cè)藢?duì)瞳孔面積變化速度的影響，對(duì)入口段不同車型駕駛?cè)说耐酌娣e變化平均速度數(shù)據(jù)進(jìn)行KS-檢驗(yàn)(kolmogorov-smirnov test)，若滿足正態(tài)分布，則進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析；若不滿足正態(tài)性檢驗(yàn)，則考慮非參數(shù)檢驗(yàn)來(lái)分析數(shù)據(jù)差異性.

不同車型駕駛?cè)诵旭傆谒淼廊肟诙蔚耐酌娣e變化平均速度分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)圖2.為進(jìn)一步研究車型對(duì)小半徑短隧道入口段瞳孔面積變化平均速度是否有影響，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行KS-檢驗(yàn)、獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析，結(jié)果見(jiàn)表1.

圖2 瞳孔面積變化平均速度

車型KS-檢驗(yàn)levene檢驗(yàn)均值T檢驗(yàn)結(jié)論大型貨車小型客車Sig.=0.129Sig.=0.200Sig.=0.559Sig.=0.005存在顯著差異

由表1可知，不同車型駕駛?cè)嗽谛“霃蕉趟淼廊肟诙涡旭倳r(shí)的瞳孔面積變化平均速度值服從正態(tài)分布(Sig.>0.05)，方差無(wú)顯著差異(levene檢驗(yàn)的Sig.=0.559>0.05)，變化速度會(huì)受不同車型的顯著影響(均值T檢驗(yàn)的Sig.=0.005<0.05)，大貨車駕駛?cè)说耐酌娣e變化平均速度要高于小客車駕駛?cè)?瞳孔變動(dòng)與處理駕駛?cè)蝿?wù)時(shí)的視覺(jué)負(fù)荷相關(guān)聯(lián).駕駛?cè)嗽谡斩葟?qiáng)烈變化的條件下，瞳孔會(huì)收縮或擴(kuò)張以適應(yīng)新的環(huán)境與獲取更多駕駛信息.這表明：大貨車駕駛?cè)嗽谛“霃蕉趟淼廊肟诙涡旭倳r(shí)所承受的視覺(jué)負(fù)荷要高于小客車駕駛?cè)?，其行車安全性的?fù)面影響更大，更易發(fā)生事故.同時(shí)，大貨車駕駛?cè)嗽谌肟诙蔚耐酌娣e變化平均速度波動(dòng)范圍較小，小客車駕駛?cè)艘资芡饨缬绊?，波?dòng)范圍遠(yuǎn)高于大貨車駕駛?cè)?

2.2 瞳孔面積變化速度與洞門距離關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，隧道出入口路段在日間極易發(fā)生視覺(jué)障礙，主要集中在距離洞門5～50 m的范圍內(nèi)，這也證實(shí)隧道出入口區(qū)域視覺(jué)負(fù)荷最大.本次實(shí)驗(yàn)取隧道洞門前20 m至隧道內(nèi)50 m為研究范圍，將其分成0.2 s的多個(gè)行程.作如下處理：分別在眼動(dòng)數(shù)據(jù)中標(biāo)記駕駛?cè)酥劣^測(cè)點(diǎn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，再由式(1)得各觀測(cè)點(diǎn)處瞳孔面積變化速度，對(duì)同一駕駛?cè)硕啻螌?shí)驗(yàn)取平均值.

2.2.1視覺(jué)負(fù)荷起始位置

對(duì)不同車型駕駛?cè)嗽诟饔^測(cè)點(diǎn)位的瞳孔面積變化速度，進(jìn)行趨勢(shì)分析，得出瞳孔面積變化速度與隧道洞門距離的關(guān)系，見(jiàn)圖3.

圖3 小半徑公路短隧道入口瞳孔面積變化速度

日間行車時(shí)，駕駛?cè)笋側(cè)胨淼蓝撮T時(shí)受“黑洞效應(yīng)”影響，瞳孔擴(kuò)張以適應(yīng)光環(huán)境劇烈過(guò)渡，表明駕駛?cè)顺惺軓?qiáng)烈視覺(jué)負(fù)荷，瞳孔面積變化速度與負(fù)荷成正比.由圖3可知，不同車型駕駛?cè)嗽谒淼廊肟诃h(huán)境的瞳孔面積變化速度隨洞門距離的變化情況有顯著不同.大貨車駕駛?cè)俗远撮T前20 m起瞳孔面積變化速度不斷增大，在洞門內(nèi)0～10 m的范圍內(nèi)達(dá)到峰值；小客車駕駛?cè)说耐酌娣e變化速度在洞門前緩慢增加，進(jìn)入洞門后迅速增大，在洞內(nèi)5～15 m的范圍內(nèi)達(dá)到峰值，但不同車型的峰值均約3.3 mm2·s-1.這表明大貨車駕駛?cè)艘曈X(jué)暗適應(yīng)起始點(diǎn)要早于小客車駕駛?cè)耍@是由于不同車型駕駛?cè)艘暰€高度與視距不同造成的.大貨車駕駛?cè)搜鄹叽蠹s為2.3 m，且注視點(diǎn)更遠(yuǎn)，視距更遠(yuǎn)，視野更開(kāi)闊，故視覺(jué)暗適應(yīng)更早；隧道外光線射入隧道內(nèi)靠近洞門的低位區(qū)域，小客車駕駛?cè)搜矍蚋叨却蠹s為1.3 m，照度變化相對(duì)緩和，且注視點(diǎn)較近，故視覺(jué)暗適應(yīng)較晚.

實(shí)驗(yàn)隧道為光學(xué)長(zhǎng)隧道，駕駛?cè)藷o(wú)法在進(jìn)洞口處的一個(gè)停車視距看到出洞口.瞳孔面積變化速度經(jīng)歷峰值后逐漸緩和，至25 m處達(dá)到低峰，行駛至洞內(nèi)28 m處發(fā)現(xiàn)出口洞門，之后呈現(xiàn)波動(dòng).同時(shí)，發(fā)現(xiàn)不同車型駕駛?cè)送鬃兓尸F(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，但大貨車駕駛?cè)艘曈X(jué)負(fù)荷整體較大，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng).

2.2.2瞳孔面積變化速度離散程度

在洞門內(nèi)前15 m內(nèi)，駕駛?cè)私?jīng)歷較大的視覺(jué)負(fù)荷；在15～40 m內(nèi)，瞳孔面積變化速度相較峰值有所降低，表明瞳孔逐步適應(yīng)行車環(huán)境變換與照度變化.為探究不同車型駕駛?cè)藢?duì)“黑洞效應(yīng)”的適應(yīng)能力，故以峰值過(guò)后的瞳孔面積變化速度離散程度評(píng)價(jià)其適應(yīng)能力且以15～40 m為研究范圍.借助變異系數(shù)衡量不同車型駕駛?cè)送酌娣e變化速度離散程度(見(jiàn)圖4)為

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)能夠反映單位均值上的離散程度，用于總體均值不等的情況.

圖4 不同車型駕駛?cè)俗儺愊禂?shù)

為進(jìn)一步研究不同車型是否對(duì)瞳孔面積變化速度離散程度有影響，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，結(jié)果變異系數(shù)不滿足正態(tài)分布(Sig.<0.05)，故考慮非參數(shù)檢驗(yàn).對(duì)變異系數(shù)進(jìn)行兩樣本的Wilcoxon秩和檢驗(yàn)，得漸近顯著性值P=0.007<0.05，說(shuō)明不同車型駕駛?cè)嗽诜逯岛蟮耐酌娣e變化速度的變異系數(shù)有顯著差異，即大貨車駕駛?cè)说耐鬃兓俣入x散程度高于小客車駕駛?cè)?這表明，大貨車駕駛?cè)嗽谕瓿砂颠m應(yīng)且發(fā)現(xiàn)隧道出口之后，其瞳孔面積的波動(dòng)更劇烈；小客車駕駛?cè)说耐酌娣e變化速度逐漸降低，波動(dòng)不顯著，能夠平緩適應(yīng)隧道內(nèi)外的照度變化.從而可知大貨車駕駛?cè)藢?duì)公路隧道視覺(jué)環(huán)境更敏感.

3 結(jié) 論

1) 以瞳孔面積變動(dòng)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，大貨車駕駛?cè)擞谛“霃焦匪淼廊肟诙蔚恼w視覺(jué)負(fù)荷顯著大于小客車駕駛?cè)?，但小客車駕駛?cè)苏w視覺(jué)負(fù)荷波動(dòng)更大.

2) 在公路隧道入口段，駕駛?cè)艘曈X(jué)負(fù)荷繼續(xù)上升.大貨車駕駛?cè)税颠m應(yīng)比小客車駕駛?cè)烁纾淮筘涇囻{駛?cè)送酌娣e變化速度峰值范圍為隧道內(nèi)距離洞門0～10 m，小客車駕駛?cè)说姆逯捣秶鸀?～15 m.

3) 駕駛?cè)嗽诠匪淼廊肟诙瓮瓿梢曈X(jué)暗適應(yīng)后，其視覺(jué)負(fù)荷會(huì)下降；但在入口段區(qū)域后可視隧道出口時(shí)，駕駛?cè)艘曈X(jué)負(fù)荷將會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，其中大貨車與小客車駕駛?cè)说耐酌娣e變化速度峰值分別為3.0與2.0 mm2·s-1，說(shuō)明大貨車駕駛?cè)藢?duì)于隧道出口更敏感.

4) 總體而言，公路隧道入口段大貨車駕駛?cè)吮刃∑囻{駛?cè)艘曈X(jué)負(fù)荷更高，但其對(duì)隧道不同路段環(huán)境變動(dòng)更敏感，體現(xiàn)了良好的視覺(jué)適應(yīng)性.建議在今后視線誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可分別針對(duì)大貨車駕駛?cè)恕⑿∑囻{駛?cè)艘曈X(jué)適應(yīng)特征進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，緩解駕駛?cè)艘曈X(jué)負(fù)荷，減輕負(fù)荷波動(dòng)，降低公路隧道入口“黑洞效應(yīng)”的影響，從而確保公路隧道交通安全.同時(shí)可結(jié)合不同長(zhǎng)度、不同半徑的公路隧道中的駕駛行為實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究公路隧道交通安全.