雨夜驾驶人对黑色障碍物视认距离变化规律研究＊

赵炜华 韩 伟 冯中祥 叶 飞 边浩毅 刘浩学

（1.浙江交通职业技术学院运输管理学院 杭州311112；2.长安大学汽车学院 西安710064；3.合肥工业大学交通运输工程学院 合肥230011）

0 引 言

我国南方地区夏季多雨，尤其在进入梅雨季节后，不仅降雨强度大，而且降雨持续时间长。在降雨的夜间行车时，雨水会附着于汽车前风挡玻璃，致使进入驾驶人眼中光线减少，造成环境识认困难。降雨过程中，车辆前方的降雨会造成汽车前照灯发出的光部分被反射和散射，不仅使障碍物表面亮度降低，且造成其与环境对比度下降。由于行使中车轮转动地面积水被卷起抛洒，形成一片水幕，在漫反射作用下进一步降低能见度。当路灯发出的光照射其上时，漫反射作用更强，进一步降低障碍物与环境的对比度。汽车驾驶是以视觉为引导的，不断感知道路环境信息，进行行为决策，并指导驾驶行为的循环反馈过程。在驾驶人获得信息的各种感觉通道中，90%以上的信息都是由视觉提供。笔者将视认距离定义为驾驶人能识别前方障碍物，获得形状、大小等相关信息，并依此为依据调整驾驶行为时，驾驶人与障碍物之间的最短距离。雨夜行车时所遇种种问题的综合作用，实际上造成了驾驶人对前方障碍物的识认距离下降，相同速度下驾驶人允许的反应时间缩短，导致碰撞事故频繁发生。

1 文献回顾

作为交通安全的重要组成成分，国内外对于驾驶人的视觉特性的研究很多。Holladay首次提出了眩光的概念，人们开始研究光线和视力间的关系。基于实验室条件下的视认数据，Adrian［1］引入能见度水平作为视觉信息获取临界值的量化指标。在此基础上，Ising［2］结合CIE一般失能眩光方程提出了1种改进的模型，用于评价夜间物体的可视性，新模型拓宽了Adrian能见度模型的计算范围，同时也提供了更好的鲁棒性。Kazunori Munehiro［3］在日本北海道1条测试道路上，进行了2个月的大雾条件全天标志能见度试验，研究表明白天雾气对能见度有极大影响，晚上则没有那么严重。研究还发现驾驶人的主观能见度与实际能见度存在出入，主观能见度在夜晚达到了最低值。地处高纬度地区，大雾一直是加拿大行车安全的重要威胁。Mueller和Trick［4］研究了驾驶经验在驾驶安全中的作用，研究表明雾天条件下有经验的驾驶人会采取更多的减速来确保安全，而新手驾驶人具有最长的响应时间和更多碰撞次数。Khan和Kline［5］分析了老年驾驶人的视觉特征，并在此基础上提出了1种基于能见度的路灯设计方法，以求满足老年驾驶人的视觉视认需求。驾驶次任务会引起驾驶人注意力的分散，因而对驾驶员的视觉特性产生影响。Green等［6］针对驾驶人信息系统对视觉负荷的影响进行研究。该研究揭露了视觉负荷和交通事故之间的关系。此外，日本是惟一已经认定导航系统会导致事故的国家。Recarte等［7］研究了驾驶时同时执行语言和空间想象任务对驾驶人视觉特性的影响。实验发现驾驶人的瞳孔变化在各实验任务中变化趋势相似；视觉功能区域在纵向和横向上均变小了；在执行空间想象任务时，注视时间更长，在后视镜和车速表上的注视频率降低。对于降雨行车安全的研究，国外多是从附着系数角度考虑，对事故统计资料进行分析。Schulze等［8］通过回归分析的方法统计分析了荷兰、德国和法国的多起道路交通事故，研究了路面附着系数与交通安全的关系，研究表明潮湿路面上的事故百分率与抗滑能力之间是非线性的，随着摩擦系数的增加，事故百分比呈下降趋势。Hight等［9］在不同的路面积水深度条件下进行实车试验，研究水膜厚度对行车安全性的影响，研究表明摩擦系数的显著降低和由此引发的划水现象是雨天事故多发的重要原因。结合运动波动方程理论，Anderson等［10］构建了道路表面水膜厚度的预测模型，模型主要考虑了路面几何尺寸、道路表面纹理（例如多孔沥青表面和开槽表面），以及附加排水设施对道路表面水膜厚度的影响，同时，从工程角度阐述了减少水膜厚度的措施。从众多研究资料分析可见，驾驶人视觉特性相关的研究虽然十分丰富，但是研究大多从驾驶人的生理角度出发，定性的研究较多，直接探究天气对视觉特性影响的研究很少。大雨天气驾驶安全性的研究多是从工程技术角度出发，结合驾驶人视认特性的研究基本没有。

从国内来看，光照对于驾驶人视认特性的影响已经获得了广泛的认同。为了保障行车安全，机动车安全技术条件和交通安全法中对会车时灯光变换操作，车辆前照灯技术参数等都进行了明确规定［11－12］。国内众多学者也对驾驶人视认特性进行了广泛的研究。赵炜华等［13］对影响夜间驾驶人的视觉的因素进行了深入分析，分别讨论了驾驶人所处环境照度，以及外界环境照度［14－15］2个因素的影响，建立了相关视认距离变化模型，并给出了夜间隧道条件下的推荐照度值。姜军等［16］采用眼动仪、GPS等多种手段获得驾驶人视认指路标志的特性数据，研究了光照条件、驾驶人注视时间、视认距离间的关系，并建立了，建立了标志设置的参数确定模型。黄凯等［17］通过实车试验，测定不同速度条件下，驾驶人对标志汉字的视认距离，结果显示车速低于120km／h时，车速对视认距离的影响不大。同时，交通标志相关的驾驶人视认研究成为交通安全的1个热点，研究成果推动了反光材料在交通标志制造中的应用。张伯明［18］就对汉字标志的视认性进行了相关研究。蒋海峰等［19］则结合人眼生理特征，研究了交通标志反光膜的反光特性提出了符合驾驶人生理要求的交通标志反光膜光学物理参数。近些年来，眼动仪，驾驶模拟舱等新兴技术被大量的应用于驾驶人视认距离的研究中，得到了众多关于标志的布设，信息量等方面的研究成果［20－22］。对于雨夜驾驶行车的安全性，国内学者同样进行了很多研究。季天剑等［23］利用有限元分析的方法得到了附着系数、水膜厚度以及行车速度间的关系方程，结果表明低速行驶时，水膜厚度对附着系数的影响较大，而在高速情况下，行车速度的影响更大一些。应用ADAMS／Car动力学仿真软件，李铁强等［24］对雨天路面附着系数和能见度两个指标进行仿真，并在此基础上建立了降雨天气下汽车安全行车的评价等级。戚明敏［25］在分析高速公路道路资料，交通事故资料的基础上，得出了雨天事故的分布特征规律。研究表明，雨天事故以小型车为主，且事故多发生于曲线段，其中圆曲线段事故最多，事故形态多为单车尾随碰撞或者碰撞固定物。从该部分研究可以看出，国内的研究主要针对反光标识、路面障碍物等特定的视觉目标，考虑光照条件的研究也基本通过人造的试验场景来模拟自然条件，缺少实际场景下的实车试验，模拟的可靠性难以保证。而降雨天气下的安全性分析多借助于动力学分析软件或是构建评价指标体系进行分析，针对视认规律的实车试验基本没有。

从国内外研究现状看，降雨对驾驶人在行车中视认距离的影响虽有定性分析，但没有进行过定量研究。由于城市地下排水系统的不完善，降雨对行车安全的影响越发重视，但在相关限速规定时，并未准确考虑视认距离的变化。因此，笔者力图通过夜间雨夜自然条件下的实车道路试验，研究不同的降雨条件下驾驶人在不同速度下的视认距离，分析视认距离与降雨量、车速之间的关系，并运用数学分析方法建立函数模型，定量分析驾驶人视认距离的变化趋势，分析其对行车安全的影响。

2 试验方法

2.1 试验设计

关于瞬时降雨强度问题，数据较难测量。与其相融合的驾驶人的相关研究，又会受到个体因素差异的影响。为获得准确的定量数据，在不同的日期、不同的降雨量下采用实际道路试验的方法进行相关研究，再依据实时降雨强度进行归类，获得本研究中的研究数据。

试验时间选择为下雨的夜间，被试驾驶人控制车辆在试验道路上视认前方障碍物。待前方障碍物被驾驶人准确视认时，发出相关信号，标记视认点并测量视认距离长度。道路环境选择在有路灯照明的试验路段，保证了环境一致性。至于车速选择，则选择为0，20，40，60，80km／h 5个速度进行试验。试验现场布置见图1。

图1 试验现场图Fig.1 Test field layout

试验共进行71组，最终依据速度和降雨强度，聚类为25组不同条件下全样本试验。完成相关试验研究后，运用SAS统计分析数据变化特征，获得不同条件下判识距离特征值。运用多元曲面回归分析，研究视认距离与瞬时降雨强度和行车速度的定量关系，建立函数模型。

2.2 试验对象及条件

2.2.1 试验样本

选取在校学生27名，外加11名具有5万km以上行车经验的驾驶人，共38名被试，其中女性17名。要求被试视觉机能正常，无生理缺陷和重、特大事故经历。

2.2.2 试验设备

采用雨量器，连续记录降雨量。考虑到下雨的夜晚，由于雨水浸湿和地面污染物的粘附，很多物体的颜色属于反光亮度极低的颜色，这与黑色障碍物（夜间黑色路面条件下）具有较强的相近性，故障碍物选择为20cm×20cm的正方形黑色物体，放置于地面上。选用途安1.8t小汽车作为实验车，并使用微波雷达车速传感器测量和标定车速。采用信号发生器，在数据采集系统记录，进行视认点标记，并采用测量尺测定相关视认距离。

2.2.3 试验道路

道路选择为黑色沥青路面，长度选择为1 500 m的直线段。实验采用照度计测量试验环境内照度，试验道路照度为9lx，试验环境内光分布均匀。除路灯外，仅用汽车前照灯远光模式进行照明。

2.2.4 试验步骤

按照双盲原则进行方案设计，并尽可能控制其它因素对驾驶行为的影响。实验选择为简单重复实验方案，虽然增加了数据处理工作量，但保障了数据有效性。实验步骤如下。

1）按照方案布置好试验环境，调校相关设备，布设障碍物。

2）被试驾驶人启动车辆，开启前照灯并采用远光模式，根据需要开启雨刮器并选择合适速度。

3）被试控制车辆以方案设定速度不断接近障碍物，至被试能视认障碍物为止，发出信号以标记视认点，主试测量该实验条件下的视认距离并记录，记录瞬时降雨量。

5）更换其他被试，重复上述过程，并记录相关数据。

3 数据处理

3.1 晴天、雨夜数据对比

按照降雨强度和行车速度，将全部被试的结果进行分类统计，获得视认距离数据。数据输入SAS，进行统计分析。取晴朗天气时夜间相同试验环境下视认距离结果，与本试验中最大视认距离进行配对t检验。两者之间具体对比结果见表1。

表1 黑色障碍物视认距离Tab.1 Visual recognition distance of the black obstacles

检验结果表明，两者差异显著，结果见图2。

图2 视认距离差异变化趋势Fig.2 Variation of the visual cognition distance difference

由图2可见，降雨对视认距离有很大影响。随着行车速度的减小，差异逐渐变大。随着降雨强度的增加，差异进一步加大。

3.2 降雨量、车速数据对比

经检验表明，不同试验条件下判识距离呈正态分布。取平均值为不同降雨强度和速度条件下视认距离，表征视认距离随两变量变化的相应规律。其结果见表2。

表2 不同降雨强度下的黑色障碍物视认距离Tab.2 Visual recognition distance of the black obstacles under different rainfall

由表2可见，随着降雨强度的增加，雨水对车辆前照灯光线散射的作用增强，障碍物表面亮度下降，同时造成障碍物与环境对比度下降，最终导致驾驶人对于障碍物视认距离减小。其次，随着速度增加，雨夜视认距离也减小。这主要是由人眼视觉机能决定的，车速增加引起驾驶人动视力自然下降，加之雨夜环境光照条件复杂，进一步加重了驾驶人视认距离下降的幅度。

4 建模与分析

4.1 数学建模

考虑数据特征和变化规律，可以明确瞬时降雨强度和行车速度是影响驾驶人视认距离的关键因素。视认距离随速度和降雨强度变化趋势，见图3。

图3 视认距离变化趋势Fig.3 Variation of the visual cognition distance

因此，将降雨强度值和行车速度作为自变量，将视认距离特征值作为因变量，运用曲面回归分析，可以建立模型表示视认距离变化规律。结果见式（1）。

式中：D为视认距离，m ；x为车辆行驶速度，m／s；y为降雨强度 ，mm／12h。

模型相关系数为0.983 2，模型有效度系数为0.94，表明所构建模型有效，能够表明视认距离与瞬时降雨强度和行驶速度之间的关系。根据式（1），夜间黑色障碍物视认距离随着降雨量和速度的变化趋势见图4。

图4 拟合的视认距离变化趋势Fig.4 Fitting variation of the visual cognition distance

图4 变化趋势表明，随着瞬时降雨强度增加，视认距离减小；随着速度增加，视认距离也减小。但2个因素相比较而言，降雨强度的对视认距离影响更大。

4.2 影响分析

驾驶人本身夜间视力水平，受视觉细胞转化的影响而较白天低。夜间雨中行车时，由于光线的反射和阻隔作用，致使车辆前照灯照射在障碍物上的光线数量大幅减少。同时，在路灯和前照灯的共同作用下，障碍物本身颜色与背景对比度减小。甚至在某些条件下，当道路上车轮带起的水雾会形成光幕效应，更增加了驾驶人的视认难度。在前期进行的雨夜行车安全研究中，更多的关注的是附着系数和水花问题带来的影响，进而获得限速研究的结论。但视认距离的变小所带来的影响更加巨大，却一直被忽略。尤其近些年，随着城市建设进程加快，多个地区的地下排水系统不完善，导致降雨增多时下水井盖翻起，则面临车辆陷入其中的危险。另外，当散落地面上的物体经雨水浸泡后，很多表面颜色变得与地面颜色接近，也易产生视认距离不足而导致碰撞难以避免的问题。

因此，在进行限速规定研究和驾驶人教育培训时，应将降雨强度和行车速度的耦合作用加以考虑，而不能仅考虑附着系数下降的影响，以进一步确定合理的行驶速度，保障驾驶人能正确选择车速。

5 结论与展望

利用实际道路实验为手段，以视认距离为对象，通过数学分析方法，研究在雨夜动态环境下，驾驶人黑色障碍物视认距离定量变化规律。基于变化规律，分析其对行车安全的影响，获得如下结论。

1）雨夜视认距离与晴天有显著差异，雨夜视认距离小于晴天。降雨对驾驶人视认距离有显著影响，随着降雨强度增加，驾驶人对障碍物的视认距离逐渐减小。

2）随着行车速度增加，视认距离不断减小。雨夜视认距离随行车速度下降更快，在较大降雨量时下降更加明显。

3）所建立的函数模型有效，能用于定量研究降雨强度和行使车速对视认距离的影响。

4）雨夜在道路上行车时，由于视认距离随着车速和降雨强度增加而减小，将导致驾驶人在面临上述状态时允许反应时间缩短。当驾驶人行使速度过高时，如果前方有类似障碍物，将无法避免碰撞发生。

雨夜行车的安全问题是道路交通安全的重要组成部分，本文研究表明降雨不仅对车辆的附着系数等性能指标造成了影响，其对驾驶人的视认距离的影响也不容忽视。研究表明在车速为60 km／h，降雨量为3.5mm／h时，驾驶人的视认距离不足30m。在制定道路限速规定时应充分考虑降雨等特殊天气条件的影响，同时在雨夜条件下驾驶人对不同颜色障碍物的视认距离变化规律也是值得进一步研究的课题。

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