白婧榮,唐伯明*,孫宗元,畢輝云,向恬君
(重慶交通大學(xué),a.土木工程學(xué)院;b.交通運(yùn)輸學(xué)院,重慶400074)
毗鄰互通立交特長隧道是受到地形限制或規(guī)劃空間不足等影響的特長隧道與互通立交之間間距較小的特殊情況,受到特長隧道壓抑環(huán)境和視線差異的影響,在特長隧道出口與立交出口距離過近的條件下,易發(fā)生錯過出口、急剎車、突然變道及追尾等交通事故,且事故影響范圍廣,后果嚴(yán)重,救援疏散困難,具有連鎖效應(yīng)和輻射效應(yīng)。為保障隧道的行車安全,通常在隧道內(nèi)車道間設(shè)置白色實(shí)線,禁止車輛變更車道,但隨著隧道與互通立交間距過小的情況逐漸增多,離開隧道后,部分車輛需要快速駛向互通立交出口匝道離開主線,在連接段長度不滿足安全變道條件時,宜采取駛出匝道車輛在特長隧道內(nèi)完成車道變換的交通組織方案,毗鄰互通立交特長隧道進(jìn)、出主線的車輛存在著隧道內(nèi)完成車行道變換的客觀需求[1]。
段萌萌等[2]以瞳孔面積最大瞬態(tài)速度值MTPA及換算視覺震蕩持續(xù)時間作為評判特長隧道出、入口駕駛員視覺負(fù)荷大小的依據(jù),施盧丹等[3]發(fā)現(xiàn)特長隧道燈光帶對駕駛?cè)俗⒁曁卣饔杏绊?,胡立偉等[4]發(fā)現(xiàn)駕駛員在特長隧道內(nèi)行駛時趨于選擇更大跟馳距離,徐進(jìn)等[5]采集自然駕駛數(shù)據(jù)分析立交進(jìn)、出口區(qū)域的縱向駕駛行為特征,程學(xué)慶等[6]利用VISSIM仿真軟件確定了不同設(shè)計速度下的隧道與互通立交安全間距一般值和極限值,GUNTER等[7]指出高速公路互通立交出口設(shè)置專用車道的必要性。在上述文獻(xiàn)中,主要是針對特長隧道或互通立交的駕駛負(fù)荷影響因素和評價方法進(jìn)行探討,或通過仿真實(shí)驗(yàn)計算隧道與互通立交連接段間距值,通過實(shí)車試驗(yàn)采集毗鄰互通立交特長隧道的駕駛行為數(shù)據(jù)并分析路段駕駛負(fù)荷的研究較少,對于設(shè)置隧道內(nèi)實(shí)現(xiàn)換道需求的毗鄰互通立交特長隧道整體而言,通過實(shí)車試驗(yàn)采集車輛運(yùn)行速度、駕駛員瞳孔直徑和專注度數(shù)據(jù)分析駕駛員在特長隧道內(nèi)定向變道影響點(diǎn)至互通立交分流點(diǎn)行駛過程中的駕駛行為變化規(guī)律,并研究在特長隧道內(nèi)設(shè)置景觀帶對駕駛員專注度水平的影響,可以為毗鄰互通立交特長隧道內(nèi)設(shè)置景觀帶的形式提供數(shù)據(jù)支撐,有利于提升毗鄰互通立交特長隧道的運(yùn)營安全水平。
選擇四川省雅康高速公路毗鄰互通立交特長隧道二郎山隧道右線作為研究對象。二郎山是成都平原進(jìn)入青藏高原的第一道天然屏障,二郎山隧道被譽(yù)為“川藏第一隧”,縱坡設(shè)置為人字坡,坡度為2%~-0.5%;洞身平面設(shè)置大半徑S曲線,曲線半徑分別為8020 m和7980 m。雅康高速公路全線采用4車道高速公路建設(shè),設(shè)計速度為80 km·h-1,路基寬度為24.5 m,橋隧比為93.84%,結(jié)束了甘孜藏區(qū)不通高速的歷史,打通了藏區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主動脈。主要技術(shù)參數(shù)如圖1所示。
實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)于2020年11月中旬開展,該實(shí)驗(yàn)路段車流量較小,實(shí)驗(yàn)駕駛員均可按照自身駕駛習(xí)慣按照交通法律法規(guī)自由駕駛,從雅安當(dāng)?shù)馗顿M(fèi)招募10 名男性駕駛員作為被試,考慮到眼動儀采集數(shù)據(jù)的精度,招募的實(shí)驗(yàn)駕駛員均滿足裸眼駕駛條件,10 名駕駛員年齡分布在27~49 歲,平均年齡為35.9 歲。駕齡分布在3~16年,平均駕齡8年,駕駛里程分布在21~130 km,平均駕駛里程為65.4 km。實(shí)車車輛為北京現(xiàn)代自動擋轎車,實(shí)驗(yàn)儀器主要為Tobii Glasses 2眼動儀采集駕駛員瞳孔直徑數(shù)據(jù),前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)Mobileye 630 通過CAN 總線實(shí)時讀取車輛行駛速度等數(shù)據(jù)和Cirelet單導(dǎo)腦電系統(tǒng)通過藍(lán)牙連接到MindXP 數(shù)據(jù)分析軟件采集和計算專注度水平的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。
圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Test devices
將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與導(dǎo)出后,當(dāng)采集過程中數(shù)據(jù)丟失時間間隔小于75 ms時,采用線性插值trend函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償,再利用Savitzky-Golay 平滑濾波對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,可以提高光譜的平滑性,降低噪音的干擾。
(1)瞳孔直徑。瞳孔直徑大小變化規(guī)律能一定程度上反映駕駛員在通過實(shí)驗(yàn)路段的視覺感受,表述其視覺適應(yīng)性及駕駛視覺負(fù)荷程度,正常人瞳孔直徑在自然光下為2~8 mm,暗環(huán)境中為4~8 mm[8]。
(2)行駛速度。行駛速度指在一定路段上車輛行駛的平均速度,是衡量該路段行駛難易程度和通行能力的關(guān)鍵指標(biāo)[9]。
(3)專注度。美國Neurosky 公司的MindSet 設(shè)備可以提供比較準(zhǔn)確的注意力表征值,并有良好的腦-機(jī)交互效能和用戶體驗(yàn)。專注度可簡單理解為腦電α波被抑制的程度,能夠反映駕駛員注意力的集中程度[10]。
(1)根據(jù)JTG D20-2017《公路路線設(shè)計規(guī)范》中要求隧道洞口內(nèi)、外側(cè)各3 s 設(shè)計速度行程長度范圍的平、縱面線形一致原則,按照80 km·h-1的設(shè)計速度,選取3 s行程長度約為67 m,本文將實(shí)驗(yàn)的毗鄰互通立交特長隧道劃分為:進(jìn)出口、正常行車、定向變道行車及出口-互通分流點(diǎn)段這5 段。其中,入口段長度為250 m,入口前100 m和入口后150 m;出口段250 m,出口前200 m和出口后50 m;定向變道行車段1660 m,在距隧道出口前、后100 m 處禁止變道,實(shí)驗(yàn)車輛在定向變道行車段進(jìn)行變更車道駛向?yàn)o定服務(wù)區(qū);出口-互通分流點(diǎn)段215 m,是隧道出口(漸變段起點(diǎn))到互通分流點(diǎn)的距離。隧道內(nèi)其他路段均為正常行車段。
(2)在正常行車段的部分隧道上空采用LED動態(tài)視覺系統(tǒng)打造洞內(nèi)景觀帶,布設(shè)了4.3 萬個LED點(diǎn)光源,從而形成“飄揚(yáng)的五星紅旗”的國旗區(qū)和“星星閃爍”的星空區(qū)等動態(tài)圖案,緩解司乘人員的視覺疲勞和心理壓抑感。隧道特征區(qū)如圖3所示。
圖3 隧道特征區(qū)Fig.3 Tunnel feature zones
在毗鄰互通立交特長隧道二郎山隧道路段(全長13406 m)按照限速80 km·h-1行駛,預(yù)計需要11 min,通過分析在隧道內(nèi)長時間行駛和出隧道駛向主線或匝道路段的駕駛負(fù)荷、速度和專注度等駕駛員變化特征,明晰駕駛員如何調(diào)整瞳孔直徑、行駛速度及專注度來適應(yīng)長時間隧道暗環(huán)境和短間距相接互通立交的改變。不同隧道特征區(qū)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)特征值如表1所示,由于數(shù)據(jù)樣本較大,此處選取數(shù)據(jù)采樣距離為50 m,方便分析隧道全長的駕駛特性。行駛速度和專注度雷達(dá)圖如圖4所示。瞳孔直徑雷達(dá)圖如圖5所示。
圖4 行駛速度和專注度雷達(dá)圖Fig.4 Radar diagram of driving speed and concentration
圖5 瞳孔直徑雷達(dá)圖Fig.5 Radar diagram of pupil diameter
表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計值Table 1 Statistical values of test data
由圖4可知,在隧道內(nèi)的不同特征區(qū)行駛速度均維持在70 km·h-1,差異性不大;在出口和出口-分流點(diǎn)的專注度水平(54.83%和51.25%)明顯大于其他特征區(qū),毗鄰互通立交特長隧道的出口至分流點(diǎn)的車道選擇情況復(fù)雜,需要駕駛員提高專注水平做出正確的決策和操作。
由圖5 可知,出口和出口-分流點(diǎn)的瞳孔直徑大小剛好與專注度水平相反,其值(3.64 mm 和3.63 mm)小于其他特征區(qū),入口瞳孔直徑大小4.12 mm 也小于其他特征區(qū),瞳孔直徑的大小不僅受駕駛員心理緊張程度的影響,更與光照條件密切相關(guān),在隧道出、入口區(qū)和出口-分流點(diǎn)區(qū)的瞳孔直徑大小主要是受到外界自然光照環(huán)境的影響,明顯小于隧道全域瞳孔直徑平均值。
二郎山隧道的瞳孔直徑分布散點(diǎn)圖和均值變化曲線如圖6所示,樣本量為10。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到,在駛?cè)胨淼廊肟跁r,駕駛員瞳孔直徑由正常路段平均值2.5 mm迅速增大至隧道全域瞳孔直徑平均值4.85 mm,首次達(dá)到隧道全域瞳孔直徑平均值的位置為A 點(diǎn)(469,4.85),即所需行駛的距離為469 m,結(jié)合隧道全域行駛速度平均值70.58 km·h-1,計算得到駕駛員首次達(dá)到隧道全域瞳孔直徑平均值的適應(yīng)時間為23.87 s,該值與杜志剛等[11]研究得到的對于中、長隧道暗適應(yīng)時間一般不超過23 s 的研究結(jié)果一致。國旗區(qū)和星空區(qū)的駕駛員瞳孔直徑均小于隧道全域瞳孔直徑平均值,驗(yàn)證了設(shè)置洞內(nèi)景觀帶可以緩解司乘人員的視覺疲勞。當(dāng)駕駛員看到定向變道標(biāo)線白色虛線后,瞳孔直徑逐漸減小,在隧道出口達(dá)到最小值3.65 mm。二郎山隧道的行駛速度分布散點(diǎn)圖和均值變化曲線如圖7所示。
圖6 瞳孔直徑分布以及變化曲線Fig.6 Pupil diameter distribution and variation curve
二郎山隧道限速80 km·h-1,在該隧道內(nèi)試驗(yàn)駕駛員的平均行駛速度為70.58 km·h-1。由圖7可知,存在3 種不同類型的速度分布,冒險型駕駛員不斷嘗試突破限速值80 km·h-1行駛;由于隧道過長,保守型駕駛員以60 km·h-1的速度緩慢行駛;大部分駕駛員的行駛速度在70~80 km·h-1之間。國旗區(qū)速度均值為67.94 km·h-1,分布離散;星空區(qū)速度均值為71.88 km·h-1,分布集中;定向變道區(qū)至隧道出口的行駛環(huán)境復(fù)雜,對應(yīng)速度的變化不大,維持在71~73 km·h-1之間,與普通隧道出口段速度變化規(guī)律有較大差異。
圖7 行駛速度分布以及變化曲線Fig.7 Driving speed distribution and change curve
回歸分析是研究自變量與因變量之間函數(shù)關(guān)系的模型,通過Origin 軟件繪制在二郎山隧道進(jìn)、出口處瞳孔直徑大小隨著與隧道洞口距離的線性擬合變化曲線如圖8和圖9所示。
得到隧道進(jìn)口處瞳孔直徑預(yù)測模型為
隧道出口處瞳孔直徑預(yù)測模型為
式中:xin為與隧道進(jìn)口的距離;yin為隧道進(jìn)口處瞳孔直徑預(yù)測值;xout為與隧道出口的距離;yout為隧道出口處瞳孔直徑預(yù)測值;R2為趨勢線擬合程度的指標(biāo),擬合程度越高,趨勢線的可靠性就越高。
分析總結(jié)該結(jié)果,得到經(jīng)驗(yàn)公式為
式中:p為瞳孔直徑大小預(yù)測值;d為與隧道洞口的距離值;pmax為瞳孔直徑最大值;pmin為瞳孔直徑最小值;dpmax為瞳孔直徑最大時對應(yīng)的與隧道洞口的距離;dpmin為瞳孔直徑最小時對應(yīng)的與隧道洞口的距離;pi為瞳孔直徑大小測量值;i為實(shí)時數(shù)據(jù)點(diǎn);n為樣本總量;α、β為修正系數(shù),建議取0.9。
模型驗(yàn)證表如表2所示。
表2 模型驗(yàn)證表Table 2 Model validation table
核驗(yàn)?zāi)P蜏?zhǔn)確性(計算值/實(shí)際值),模型準(zhǔn)確性大于94%,說明式(3)可以作為隧道進(jìn)、出口段瞳孔直徑預(yù)測模型,即瞳孔直徑的變化趨勢規(guī)律受隧道燈光的影響較小,但瞳孔直徑值的大小和修正系數(shù)α、β受到隧道燈光的影響。
腦-機(jī)交互技術(shù)通過駕駛員的生理信號檢測與監(jiān)測,能及時反映駕駛員的駕駛狀態(tài)與行為,Cirelet單導(dǎo)腦電系統(tǒng)通過藍(lán)牙連接到MindXP數(shù)據(jù)分析軟件得到專注度水平,分為5個等級C1~C5,專注度值域?yàn)?1,20)、(21,40)、(41,60)、(61,80)和(81,100),專注度解釋為非常低、低、中性、高及非常高[12]。生理信號與駕駛行為之間建立映射關(guān)系,數(shù)據(jù)、心理特征與駕駛行為之間形成一條“駕駛行為數(shù)據(jù)鏈”,將離散的數(shù)據(jù)結(jié)合車輛數(shù)據(jù)和道路條件分析,揭示出駕駛員的內(nèi)在心理特征,同時,映射出駕駛員外顯的駕駛行為,可以為實(shí)時駕駛行為提供可量化的數(shù)據(jù)支持和操作手段,為駕駛行為提供較精確的干預(yù)點(diǎn)與策略,即腦電波信號的表征與解釋,可以為駕駛行為在生理層面的評測提供數(shù)據(jù)與可能。駕駛行為數(shù)據(jù)鏈如圖10所示。洞內(nèi)景觀帶專注度等級評價如表3所示。
圖10 駕駛行為數(shù)據(jù)鏈Fig.10 Driving behavior data link
由表3可知,國旗區(qū)專注度等級存在“低”C2和“中性”C3這2種注意狀態(tài),星空區(qū)專注度等級均為“中性”C3。說明駕駛員在國旗區(qū)的緊張狀態(tài)要低于星空區(qū),景觀帶國旗區(qū)效果優(yōu)于星空區(qū),同時,可以在國旗區(qū)“低”C2狀態(tài)處進(jìn)行人為提醒干預(yù),使駕駛員的專注度水平得到提升。
表3 洞內(nèi)景觀帶專注度等級評價Table 3 Concentration level evaluation of landscape belt in the cave
駕駛員駛?cè)胨淼罆?jīng)歷較長的暗適應(yīng),隨著在隧道內(nèi)行駛時間的增加,逐漸適應(yīng)隧道內(nèi)的暗環(huán)境,但駕駛員對隧道出口處的外部環(huán)境未知,駛出隧道需要明適應(yīng)時間和快速識別判斷外部環(huán)境的時間,二郎山隧道與瀘定互通之間條件受限,從二郎山隧道出口到瀘定互通分流點(diǎn)之間僅存在215 m長度的極限間距,在二郎山隧道內(nèi)部的定向車道和標(biāo)志標(biāo)線等信息提前誘導(dǎo)駕駛員按照不同出行目的選擇車道行駛,極限間距過短,車輛變道難度與行車風(fēng)險增大,在毗鄰互通立交的二郎山隧道出口需要駕駛員提高警惕,謹(jǐn)慎駕駛,再次確認(rèn)所駛車道的正確性并做出合理操作。定向變道影響點(diǎn)至互通分流點(diǎn)駕駛行為數(shù)據(jù)如表4所示。
有駛向匝道需求的車輛,在毗鄰互通立交特長隧道左側(cè)車道行駛時,需在隧道內(nèi)完成定向變道方可駛出匝道,駕駛員首次看到交通分流指路標(biāo)志①后做出變道決定,需要觀察變道環(huán)境尋求可變道條件①、②、③、④及等待可插車間隙⑤(信息察覺期和條件觀察期),隨后,調(diào)整車速和車位⑤(判斷決策期),確定變道和進(jìn)行變道操作⑤(變道操作期),完成變道,在目標(biāo)車道正常行駛⑥并駛出隧道出口⑦,并迅速從互通匝道進(jìn)行分流駛離⑧。行駛速度、瞳孔直徑和專注度等指標(biāo)對駕駛員的感知、判斷、反應(yīng)和操作等主觀因素進(jìn)行量化分析,由表4可知,在定向變道的整個行駛過程中,駕駛員平均行駛速度在變道前保持穩(wěn)定,成功變道至目標(biāo)車道后車速略微增大,駛出隧道至互通分流點(diǎn)段又逐漸減??;駕駛員瞳孔直徑隨著與隧道出口距離的減小而逐漸減小,駕駛員專注度受到周圍環(huán)境的影響呈動態(tài)波動。實(shí)車變道過程如圖11所示。
圖11 實(shí)車變道過程示意Fig.11 Vehicle lane change process
表4 定向變道影響點(diǎn)至互通分流點(diǎn)駕駛行為數(shù)據(jù)表Table 4 Driving behavior data from directional lane change influence point to interchange diversion point
在實(shí)車變道過程中,T0時刻的車輛C駕駛員觀察到①、②、③、④變道提示信息,進(jìn)入定向變道信息覺察期,發(fā)現(xiàn)在右側(cè)目標(biāo)車道有車輛C2,此時,不滿足變道條件,直至T1時刻,右側(cè)目標(biāo)車道的車輛C2在同一斷面超過車輛C,進(jìn)入定向變道條件觀察期,當(dāng)車輛C駕駛員認(rèn)為等待可插車間隙滿足變道條件后,進(jìn)入定向變道判斷決策期,隨后調(diào)整車速和車位,進(jìn)行變道操作,從原車道變道至目標(biāo)車道,完成變道,駛向隧道出口。此變道過程與正常道路條件下左車道向右變更車道的過程相比,其變道情況更加復(fù)雜,對駕駛員的操作和判斷能力有較大考驗(yàn)。主要體現(xiàn)在瞳孔直徑和專注度變化規(guī)律方面,如圖12所示。
圖12 定向變道區(qū)內(nèi)實(shí)車變道瞳孔直徑變化局部放大圖Fig.12 Pupil diameter of vehicle lane change in directional lane change zone
由圖12 可知,駕駛員瞳孔直徑由暗環(huán)境適應(yīng)值逐漸增大,在變道操作期駕駛員瞳孔直徑最大,完成變道后,隨著與隧道出口距離的接近逐漸恢復(fù)至暗環(huán)境平衡值,說明駕駛員在變道操作期的視覺負(fù)荷和心理緊張度最大。由表4可知,駕駛員專注度呈現(xiàn)上升-下降-趨于平緩-下降的規(guī)律,在條件觀察期,駕駛員大腦需要根據(jù)等待可插車間隙迅速反饋和做出是否變道的操作等,專注度最高,其次,在變道操作期要注意變道條件和保持安全行車間距。
在隧道內(nèi)完成變道后,駕駛員在短距離內(nèi)要經(jīng)歷駛出隧道出口的明適應(yīng)問題和駛向匝道變道等變化,駕駛員的明適應(yīng)時間通常為3 s,明適應(yīng)距離結(jié)束后駕駛員才能恢復(fù)正常讀取標(biāo)志,駕駛員在經(jīng)歷標(biāo)志判讀、操作反應(yīng)、調(diào)整換道至減速車道漸變段、出口確認(rèn)及減速至匝道限速范圍內(nèi)駛出主線進(jìn)入互通匝道。毗鄰互通立交特長隧道出口段交通組織過程如圖13所示,在隧道出口⑦至互通分流點(diǎn)⑧的行駛過程中,駛向主線行車道的車輛行駛速度、駕駛員瞳孔直徑和專注度減小了2.74%、6.15%及50.22%;駛向減速車道⑨的車輛運(yùn)行速度受到匝道限速的影響迅速減小,由隧道出口的73 km·h-1減至減速車道的50 km·h-1,降低了31.5%,瞳孔直徑減小了21.66%,逐漸接近正常值2.5 mm,專注度也迅速減小46.61%。速度差大于20 km·h-1,且各項(xiàng)指標(biāo)變化幅度較大,隧道出口⑦至互通分流點(diǎn)⑧路段存在較大安全風(fēng)險。
圖13 毗鄰互通立交特長隧道出口段交通組織示意圖Fig.13 Traffic organization for exit of super-long tunnel adjacent to interchange
通過毗鄰互通立交特長隧道實(shí)車試驗(yàn),對行駛速度、瞳孔直徑及專注度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析,分析了駕駛員瞳孔直徑和運(yùn)行速度的分布特性及變化曲線,發(fā)現(xiàn)駕駛員駛?cè)胩亻L隧道后瞳孔直徑首次達(dá)到隧道全域瞳孔直徑平均值所需的適應(yīng)時間為23.87 s。在特長隧道進(jìn)出口250 m 的范圍內(nèi),駕駛員瞳孔直徑大小和行車位置與隧道洞口的距離成正比;在隧道內(nèi)定向變道影響點(diǎn)至互通立交分流點(diǎn)行駛過程中,駕駛員平均行駛速度在變道前保持穩(wěn)定,成功變道至目標(biāo)車道后車速略微增大,駛出隧道至互通分流點(diǎn)段又逐漸減小,與普通隧道出口段速度迅速增大規(guī)律有差異。
引入腦-機(jī)交互技術(shù)的專注度等級評價,評價了隧道洞內(nèi)景觀帶國旗區(qū)和星空區(qū)的駕駛員專注度,發(fā)現(xiàn)國旗區(qū)的緊張狀態(tài)要低于星空區(qū),在國旗區(qū)“低”C2狀態(tài)處進(jìn)行人為提醒干預(yù)可提升駕駛員的專注度水平。設(shè)置隧道洞內(nèi)景觀帶(國旗區(qū)、星空區(qū))可以緩解司乘人員的視覺疲勞,該方法應(yīng)用于隧道駕駛員專注度評價和人為干預(yù)是可行的,具有一定的研究價值。
變道操作期的視覺負(fù)荷和心理緊張度最大,駕駛員專注度呈現(xiàn)上升-下降-趨于平緩-下降的規(guī)律,條件觀察期的專注度最高。建議隧道出口與互通立交分流點(diǎn)的間距過短引起的變道問題,可將漸變段起點(diǎn)設(shè)置在隧道內(nèi),在隧道內(nèi)部增設(shè)減速車道實(shí)現(xiàn)安全變道和減速。