小半径公路短隧道入口段不同车型视觉负荷研究*

陈 云 杜志刚 焦方通 王首硕 王 朝

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

0 引 言

公路隧道为特殊管状结构，其内部空间狭窄，不仅容易发生交通事故，而且事故发生后危害程度大，后续救援困难，极易造成群死群伤.研究表明，车辆进入隧道时，照度剧烈过渡，驾驶人对前方的障碍物或车辆的感知能力减弱，容易导致交通事故发生.Mehri等[1]将隧道入口处的安全照明水平与德波尔标度比较，发现“黑洞效应”会导致驾驶人的眼睛不适应隧道入口亮度水平的变化，从而增加了该区段发生交通事故的风险.陈鑫等[2]研究得出合理设置隧道入口段对比度的建议值.黄发明[3]研究发现，进入隧道过程中，过大的照度过渡率易加重驾驶人视觉负荷，并加剧心理紧张.崔健等[4]研究表明,对长隧道入口段实施可变限速控制,能够提高交通安全与交通运行效率.胡江碧等[5]计算出不同设计速度下夜间隧道入口段的亮度差阈值.吴玲等[6]研究得出驶入隧道与驶出隧道的最佳期待车速分别为50 km/h与60km/h.肖志军等[7]以运行速度差为指标建立评价隧道入口段道路行车安全的照明安全评价标准.在驾驶人瞳孔变动研究方面，杜志刚等[8]对26座隧道进行行车实验，得出对于中长隧道，驾驶人暗适应时间在23 s以内，明适应时间在13 s以内.段萌萌等[9]提出“负荷重复累计效应”的概念，借助瞳孔面积最大瞬态速度评价高隧道比路段隧道出入口视觉负荷.

然而，上述研究当中没有区分不同车辆类型驾驶人在隧道入口段的视觉负荷特性，隧道入口段的安全防护措施缺乏针对性，且以往研究很少对小半径公路短隧道定量分析.同时国省干线公路隧道往往不设置隧道照明，低照度运营较为普遍，也容易诱发不良交通行为甚至交通事故.鉴于此，本文利用Dikablis Professional眼动仪系统，通过大货车与小客车实地实验以得到不同车型驾驶人在小半径公路短隧道入口段的瞳孔面积变化速度，通过对比分析确定不同车型驾驶人视觉负荷的差异.

1 实验设计和数据采集

1.1 实验隧道

实验公路隧道为云南省昔宜隧道(单洞双向)，长度为175 m，位于R=251 m,Ls=45 m的左转曲线内，为光学长隧道，隧道限速为40 km/h，见图1.

图1 云南昔宜隧道

1.2 实验驾驶人

选择驾龄为5～10年的男性驾驶人10名，均持有A1级驾驶证，要求矫正视力均在5.0以上，驾驶习惯良好，驾驶技术娴熟，无生理缺陷，视觉机能良好，无重大驾驶事故背景.其中20～30岁3名，>30～40岁4名，>40～50岁3名.

1.3 实验设备

本实验遵循双盲选原则，同时尽量控制其他因素，避免对驾驶行为造成影响.实验用车分为大型货车与小型客车，大货车采用轩德X6，小客车采用别克GL8，车辆性能良好.利用德国某公司生产的Dikablis Professional眼镜式眼动仪测量驾驶人眼动特征.该眼动仪采样率为60 Hz，视线追踪精度为0.1°～0.3°，可双眼采集，兼容大多数眼镜，身体头部不受限，设置、校正简易.配合D-lab软件可同步采集数据和分析数据.

1.4 实验方法与数据采集

1.4.1实验要素

隧道结构为单洞双向式，道路为双车道；实验选取天气均为晴朗的白天，实验时间段7月下旬10：00—17：00，保证隧道洞门处有较为剧烈的照度变化.实验地点为国省干线公路隧道，无照明，交通量较小，可保证实验车以自由流或接近自由流车速行驶.

1.4.2实验方法

给被试驾驶人佩戴眼动仪并校正，启动实验设备，车辆从实验隧道前500 m进入公路.告知驾驶人行驶路线，驾驶人依据驾驶习惯与道路状况选择驾驶行为和车速，辅助人员不得干扰.在距离隧道洞门前5，10，15，20 m，隧道洞门处0 m和隧道洞门后5，10，15，20，25，30，35，40，45，50 m处标记.行车过程中，眼动仪自动同步记录相关数据.行车至观测点时，辅助人员通过D-lab软件标定和记录观测点时间和位置.同时，所有驾驶人均驾驶两种不同车型进行实验.

1.4.3实验误差控制

实验过程中，对向来车的车灯会使被试驾驶人瞳孔面积变动不规律，视该次实验为无效.瞳孔直径与面积会由于瞳孔变动过快或注视点不在镜头内而导致异常(实验数据为空白或极大值).若隧道入口段实验数据异常时间累计达25%，则可认为无效，同时为消除外部环境造成的误差，每名驾驶人进行5次实验，取多次实验数据平均值为驾驶人眼动数据，以提高行车实验的可信度和有效性.

2 实验数据分析

2.1 隧道入口段驾驶人瞳孔变动

人通过瞳孔可获取70%的外界信息(物体轮廓、运动状态、距离等)，而行驶过程中，则可获取80%～90%的驾驶信息.进入隧道过程中，照度剧烈过渡，驾驶人受“黑洞效应”影响，瞳孔面积随之急剧增大，故以瞳孔面积变化速度为指标对驾驶人视觉负荷和行车安全进行评价.研究发现，基于驾驶人瞳孔面积变化速度及持续时间的安全评价指标与瞳孔面积变化临界速度的视觉负荷指标可以分别有效应用于隧道进出口行车的安全性评价和隧道路段视觉负荷评价[10].

2.1.1瞳孔面积变化速度

研究表明，隧道洞门内前50 m范围内，车辆加速度绝对值一般在0～0.5 m/s2内，行驶时间为2 s左右[11-13].为简化计算，可视车辆为匀速行驶，则瞳孔面积变化速度为

(1)

式中：Ve为瞳孔面积变化速度，mm2·s-1；S为瞳孔面积，mm2；x为车辆行驶距离，m；t为车辆行驶时间，s；v为行驶速度，m·s-1.

2.1.2瞳孔变动分析

为研究不同车型驾驶人对瞳孔面积变化速度的影响，对入口段不同车型驾驶人的瞳孔面积变化平均速度数据进行KS-检验(kolmogorov-smirnov test)，若满足正态分布，则进行独立样本T检验分析；若不满足正态性检验，则考虑非参数检验来分析数据差异性.

不同车型驾驶人行驶于隧道入口段的瞳孔面积变化平均速度分布统计结果，见图2.为进一步研究车型对小半径短隧道入口段瞳孔面积变化平均速度是否有影响，对数据进行KS-检验、独立样本T检验分析，结果见表1.

图2 瞳孔面积变化平均速度

车型KS-检验levene检验均值T检验结论大型货车小型客车Sig.=0.129Sig.=0.200Sig.=0.559Sig.=0.005存在显著差异

由表1可知，不同车型驾驶人在小半径短隧道入口段行驶时的瞳孔面积变化平均速度值服从正态分布(Sig.>0.05)，方差无显著差异(levene检验的Sig.=0.559>0.05)，变化速度会受不同车型的显著影响(均值T检验的Sig.=0.005<0.05)，大货车驾驶人的瞳孔面积变化平均速度要高于小客车驾驶人.瞳孔变动与处理驾驶任务时的视觉负荷相关联.驾驶人在照度强烈变化的条件下，瞳孔会收缩或扩张以适应新的环境与获取更多驾驶信息.这表明：大货车驾驶人在小半径短隧道入口段行驶时所承受的视觉负荷要高于小客车驾驶人，其行车安全性的负面影响更大，更易发生事故.同时，大货车驾驶人在入口段的瞳孔面积变化平均速度波动范围较小，小客车驾驶人易受外界影响，波动范围远高于大货车驾驶人.

2.2 瞳孔面积变化速度与洞门距离关系

研究发现，隧道出入口路段在日间极易发生视觉障碍，主要集中在距离洞门5～50 m的范围内，这也证实隧道出入口区域视觉负荷最大.本次实验取隧道洞门前20 m至隧道内50 m为研究范围，将其分成0.2 s的多个行程.作如下处理：分别在眼动数据中标记驾驶人至观测点的时间节点，再由式(1)得各观测点处瞳孔面积变化速度，对同一驾驶人多次实验取平均值.

2.2.1视觉负荷起始位置

对不同车型驾驶人在各观测点位的瞳孔面积变化速度，进行趋势分析，得出瞳孔面积变化速度与隧道洞门距离的关系，见图3.

图3 小半径公路短隧道入口瞳孔面积变化速度

日间行车时，驾驶人驶入隧道洞门时受“黑洞效应”影响，瞳孔扩张以适应光环境剧烈过渡，表明驾驶人承受强烈视觉负荷，瞳孔面积变化速度与负荷成正比.由图3可知，不同车型驾驶人在隧道入口环境的瞳孔面积变化速度随洞门距离的变化情况有显著不同.大货车驾驶人自洞门前20 m起瞳孔面积变化速度不断增大，在洞门内0～10 m的范围内达到峰值；小客车驾驶人的瞳孔面积变化速度在洞门前缓慢增加，进入洞门后迅速增大，在洞内5～15 m的范围内达到峰值，但不同车型的峰值均约3.3 mm2·s-1.这表明大货车驾驶人视觉暗适应起始点要早于小客车驾驶人，这是由于不同车型驾驶人视线高度与视距不同造成的.大货车驾驶人眼高大约为2.3 m，且注视点更远，视距更远，视野更开阔，故视觉暗适应更早；隧道外光线射入隧道内靠近洞门的低位区域，小客车驾驶人眼球高度大约为1.3 m，照度变化相对缓和，且注视点较近，故视觉暗适应较晚.

实验隧道为光学长隧道，驾驶人无法在进洞口处的一个停车视距看到出洞口.瞳孔面积变化速度经历峰值后逐渐缓和，至25 m处达到低峰，行驶至洞内28 m处发现出口洞门，之后呈现波动.同时，发现不同车型驾驶人瞳孔变化呈现相同的变化趋势，但大货车驾驶人视觉负荷整体较大，持续时间更长.

2.2.2瞳孔面积变化速度离散程度

在洞门内前15 m内，驾驶人经历较大的视觉负荷；在15～40 m内，瞳孔面积变化速度相较峰值有所降低，表明瞳孔逐步适应行车环境变换与照度变化.为探究不同车型驾驶人对“黑洞效应”的适应能力，故以峰值过后的瞳孔面积变化速度离散程度评价其适应能力且以15～40 m为研究范围.借助变异系数衡量不同车型驾驶人瞳孔面积变化速度离散程度(见图4)为

CV=σ/μ

(2)

式中：CV为变异系数；σ为标准差；μ为均值.变异系数能够反映单位均值上的离散程度，用于总体均值不等的情况.

图4 不同车型驾驶人变异系数

为进一步研究不同车型是否对瞳孔面积变化速度离散程度有影响，对数据进行正态性检验，结果变异系数不满足正态分布(Sig.<0.05)，故考虑非参数检验.对变异系数进行两样本的Wilcoxon秩和检验，得渐近显著性值P=0.007<0.05，说明不同车型驾驶人在峰值后的瞳孔面积变化速度的变异系数有显著差异，即大货车驾驶人的瞳孔变化速度离散程度高于小客车驾驶人.这表明，大货车驾驶人在完成暗适应且发现隧道出口之后，其瞳孔面积的波动更剧烈；小客车驾驶人的瞳孔面积变化速度逐渐降低，波动不显著，能够平缓适应隧道内外的照度变化.从而可知大货车驾驶人对公路隧道视觉环境更敏感.

3 结 论

1) 以瞳孔面积变动为评价指标，大货车驾驶人于小半径公路隧道入口段的整体视觉负荷显著大于小客车驾驶人，但小客车驾驶人整体视觉负荷波动更大.

2) 在公路隧道入口段，驾驶人视觉负荷继续上升.大货车驾驶人暗适应比小客车驾驶人更早；大货车驾驶人瞳孔面积变化速度峰值范围为隧道内距离洞门0～10 m，小客车驾驶人的峰值范围为5～15 m.

3) 驾驶人在公路隧道入口段完成视觉暗适应后，其视觉负荷会下降；但在入口段区域后可视隧道出口时，驾驶人视觉负荷将会出现波动，其中大货车与小客车驾驶人的瞳孔面积变化速度峰值分别为3.0与2.0 mm2·s-1，说明大货车驾驶人对于隧道出口更敏感.

4) 总体而言，公路隧道入口段大货车驾驶人比小汽车驾驶人视觉负荷更高，但其对隧道不同路段环境变动更敏感，体现了良好的视觉适应性.建议在今后视线诱导系统设计中，可分别针对大货车驾驶人、小汽车驾驶人视觉适应特征进行优化设计，缓解驾驶人视觉负荷，减轻负荷波动，降低公路隧道入口“黑洞效应”的影响，从而确保公路隧道交通安全.同时可结合不同长度、不同半径的公路隧道中的驾驶行为实验，进一步研究公路隧道交通安全.