低等级公路光学长隧道驾驶员视觉负荷研究

王首硕， 杜志刚, *， 文竞舟， 杨理波

(1. 武汉理工大学交通学院， 湖北 武汉 430063； 2. 云南省公路科学技术研究院， 云南 昆明 650000)

0 引言

为了加快山区城市经济的发展，山区公路隧道愈来愈多。山区公路隧道在克服山区地形等因素时会考虑改善路面线形，因此会出现从隧道长度定义为短隧道[1]，但驾驶员无法从隧道入口看到隧道出口的隧道，国际照明委员会的相关技术报告将此类隧道定义为光学长隧道[2]。JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》[3]中对于长度小于500 m且为光学长隧道的低等级公路未做详细的照明规定，而低等级公路在我国占比高达85.9%[4]，山区低等级公路隧道长期为低照度光环境，且管养水平有限。因此，针对低等级公路光学长隧道，探索此类型隧道行车环境下驾驶员的视觉特性，对于提升低等级公路隧道路段的交通安全具有重要的意义。

针对隧道行车环境的研究，杜志刚等[5]提出视线诱导设施是优化公路隧道光环境的首选方法，可以有效地缓解视错觉；杨理波等[6]提出高速公路圆曲线路段采用可见3个反光环方案，可使驾驶员在更短的时间内对线形做出更准确的判断。针对低等级公路隧道环境，王露[7]通过分析驾驶员眼动参数与隧道行车环境，确定隧道出口整体过渡段长度为洞内120 m至洞外160 m；王首硕等[8]通过调研低等级公路隧道交通组成及不同段车速基于视觉需求，提出入口区域光环境优化新思路。考虑到光学长隧道圆曲线线形的特殊性与低照度条件，驾驶员视觉负荷大，难以在短时间内适应照度剧烈过渡。目前，针对弯道路段驾驶员视觉特性的研究，陈芳等[9]的研究结果表明弯道半径越小，驾驶员心理压力越大，且越关注弯道内侧，左转弯较右转弯心理压力大；彭金栓等[10]的研究表明弯道路段临界扫视幅度显著高于直线路段，弯道半径越小驾驶员临界扫视幅度越大，且弯道路段头部水平运动剧烈程度较直线段显著高；周海宇[11]分析了小半径曲线隧道驾驶员动视点指标，从多方面提出针对小半径圆曲线隧道路段非对称边缘率标设置方法。针对隧道路段驾驶员视觉负荷的研究，杜志刚等[12]提出了高速公路隧道出入口视觉震荡现象，并用于评价隧道进出口视觉负荷程度与行车安全；潘晓东等[13]借助瞳孔面积最大瞬态速度为视觉负荷评价指标对高速公路隧道进出口驾驶员视觉障碍与视觉舒适性进行了相关性分析。

然而，上述分析中缺乏对低等级公路光学长隧道路段驾驶员视觉负荷方面的深入研究。已有隧道驾驶员视觉方面的研究均是针对高速公路隧道，未有低等级公路隧道驾驶员视觉方面的研究，更未有光学长隧道路段驾驶员的视觉负荷研究。因此，本文拟开展低等级公路光学长隧道的驾驶员实车试验，收集驾驶员的瞳孔面积数据，分析小汽车、货车驾驶员的瞳孔面积变化规律，探究驾驶员视觉负荷特性，为低等级公路光学长隧道的安全运营提供有效的理论基础，并为后期制定低等级光学长隧道的安全改善措施提供依据。

1 试验设计

1.1 试验道路

本文所述驾驶员实车试验地点位于云南省临沧市云县境内的昔宜隧道，隧道结构为单洞双向双车道，隧道内为非直线线形，交通量较小，试验时天气均为晴朗白天。昔宜隧道进口如图1所示，隧道基本信息如表1所示。实车试验的起终点为澜沧江大桥观景平台，试验车辆保持自由流状态。

图1昔宜隧道进口

Fig. 1 Entrance section of Xiyi Tunnel

表1 昔宜隧道基本信息

1.2 被试者选取

因为山区公路隧道的特殊性，为了确保试验的安全性和记录数据的科学性，本次试验进行了小汽车与货车实车试验，要求所有被试者持有准驾车型的执照，均有3年及以上的驾龄经验，无色盲与色弱，视力均高于或等于5.0(包含矫正视力)，且无心理与生理缺陷，并无重大交通安全事故经历，被试者按照自身习惯根据车况和道路环境自由控制车速。共招募22人为被试者，选取持有C1执照的小汽车驾驶员12人，持有B2执照的货车驾驶员10人。

1.3 试验设备与车辆

试验所用眼动仪为德国ERGONEERS公司生产的头戴式Dikablis Professional眼动仪，采样率为60 Hz；瞳孔追踪精度为0.05°；视线追踪精度为0.1°～0.3°；场景摄像头分辨率为1 920×1 080 Full HD，清晰记录场景视频的图像；场景摄像头范围为40°～90°。通过配备的D-Lab 3.51软件进行被试者眼部数据的采集，后期数据使用SPSS软件进行处理。实车试验小汽车型号为别克GL8自动挡7座车，货车型号为陕汽轩德X6，如图2和图3所示，试验前检查车辆性能良好。其他设备有笔记本电脑、加速度计和车载电源等。

图2 小汽车驾驶员

图3 货车驾驶员

1.4 试验方法

为了避免主试者与被试者意识当中的主观偏差和个人偏好影响试验结果，本次试验采用双盲原则，旨在试验过程中测验者与被测验者都不知道被测者所属的组别，并竭尽可能避免其他因素对被试者驾驶造成影响。试验前告知驾驶员必定按照个人平时的驾驶习惯通过试验路段，在遵循交通规则的前提下自由行驶上行与下行隧道路段。试验具体步骤如下：

1)主试者将试验车辆开至试验起点，并安装好电源、行车记录仪等各项设备。

2)在进行正式试验之前，主试者选取1名被试者按照既定的试验方案进行预试验，确保试验过程无误后再进行正式试验。

3)预试验和正式试验开始前主试者配合被试者进行眼动仪的佩戴，调整到眼动仪瞳孔镜头和场景镜头能正常工作下的被试者最舒适的角度，减少因眼动仪的不适对被试者造成影响。

4)主试者与被试者配合通过4点标定的方式对被试者注视点进行校正，校正过后指定车外某处让被试者注视，然后主试者通过电脑软件D-Lab查看被试者的注视点是否落在指定位置；多次核对后若注视点位置无偏差则可进行试验，若注视点位置有偏差则重新进行4点标定再进行核对，直到被试者注视点位置无偏差后方可进行试验。

5)主试者在D-Lab里点击START开始试验数据采集，被试者按照既定路线开始进行试验，被试者回到起终点后主试者点击STOP则完成试验数据收集。试验过程中主试者不断检查眼动仪是否正常工作，若试验中途设备无法正常工作，则停止试验数据收集，返回起点让被试者休息2 min后重新开始试验。

6)主试者在D-Lab中点击录制的同一时刻，另一名主试者将安装好的加速度计配套的软件同时点击开始收集数据，用以收集车辆的车速与行驶距离。

7)试验过程中，对向行驶车辆的车灯会使被试者瞳孔面积产生不规律的变动，则视该次试验无效，同时，为了消除外部环境造成的误差，每名被试者进行5次有效试验，取多次试验数据平均值作为被试者眼动数据，以提高行车试验的可信度和有效性。

2 试验数据分析

驾驶员开车在进入或离开隧道的过程中，由于照度的剧烈过渡，驾驶员的视觉容易受“黑洞”、“白洞”效应的影响，瞳孔面积随之急剧增大[14]。研究发现，基于驾驶员瞳孔面积变化速率可有效地评价驾驶员在隧道进出口环境下的安全性[15]。因此，本文将以瞳孔面积变化速率作为指标，评价光学长隧道驾驶员的驾驶负荷和行车安全性。

本文试验数据分析自变量选取车型(小汽车、货车)、隧道区域(入口段、出口段)，因变量采用驾驶员瞳孔面积变化速率。

2.1 瞳孔变动描述性统计

2.1.1 瞳孔面积变化速率

研究表明，隧道出入洞门50 m范围内，车辆加速度绝对值一般在0～0.5 m·s-2，行驶时间为2 s左右[16]。为简化计算，可视车辆为匀速行驶，则瞳孔面积变化速率为

(1)

式中：Ve为瞳孔面积变化速率，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 瞳孔面积变化速率差异性分析

为研究不同车型驾驶员与隧道出入口段对瞳孔面积变化速率的影响，首先，对驾驶员瞳孔面积变化速率进行正态性检验(Kolmogorov-Smirnov检验)，若检验概率P值大于显著性水平0.05，则服从正态分布；然后，对数据进行方差齐性检验(Levene检验)，若sig.值大于0.05，则研究数据符合方差齐性；最后，对数据进行双因素方差分析，比较不同隧道区域与不同车型条件以及相互交互下的显著差异性水平。若数据无法满足方差齐性，则考虑采用非参数检验来验证数据的差异性[17]。

不同车型在隧道入口段和出口段行驶时驾驶员的瞳孔面积变化速率分布统计如图4所示，图4中数据结果为所有驾驶员的平均值。

图4 小汽车与货车驾驶员不同隧道区域瞳孔面积变化速率

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

由图4可知： 1)同种车型，隧道入口段驾驶员的瞳孔面积变化速率略微大于隧道出口段； 2)隧道入口段货车驾驶员瞳孔面积变化速率显著大于小汽车驾驶员； 3)隧道出口段货车驾驶员瞳孔面积变化速率显著大于小汽车驾驶员。

为了进一步研究不同隧道区域与不同车型对驾驶员瞳孔面积变化速率的影响程度，采用统计学进行正态性检验(Kolmogorov-Smirnov检验)及双因素方差分析，如表2和表3所示。

表2 瞳孔面积变化速率正态性检验

表3 瞳孔面积变化速率双因素方差分析

由表2可知，驾驶员驾驶不同车型在不同隧道区域行驶时的瞳孔面积变化速率数据服从正态分布，且方差齐性检验sig.=0.564>0.05。由表3可知，车型与隧道区域均对驾驶员瞳孔面积变化速率有显著影响，且车型与隧道区域之间对瞳孔面积变化速率无交互影响。

2.2 驾驶员视觉适应分析

2.2.1 视觉负荷分析

本次试验选取隧道全长175 m，对不同车型驾驶员按5 m选取1个点进行瞳孔面积变化速率的观测，计算公式所需车速值采用每个点的平均车速(加速度计获取)。图5为驾驶员瞳孔面积变化速率与洞门位置关系。图5中瞳孔面积变化速率为正数表示瞳孔面积正在变大，为负数表示瞳孔面积正在变小，数据结果为所有驾驶员的平均值。

图5 瞳孔面积变化速率与洞门位置关系

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

由图5可知：

1)不同车型驾驶员在隧道入口区域(洞内和洞外)与出口段的瞳孔面积变化速率随着洞门距离的变化情况有显著不同。

2)驾驶员进入隧道前30 m时，开始受到“黑洞”效应的影响，瞳孔面积即开始变化；进入洞门前30～20 m区间，瞳孔面积变化速率缓慢上升；进入洞门前15 m处，货车驾驶员瞳孔面积变化速率开始迅速上升，直到洞门处保持平稳，而小汽车驾驶员瞳孔面积变化速率在进入洞门前15～5 m保持平稳，表明“黑洞”效应对货车驾驶员的影响要早于小汽车驾驶员。

3)货车驾驶员在进入洞门处至洞内30 m范围，瞳孔面积变化速率即保持在1.5 mm2·s-1左右的峰值；而小汽车驾驶员从进入洞内才开始迅速上升，直到进入洞内15 m处达到峰值1.2 mm2·s-1左右，表明照度剧烈过渡对货车驾驶员的影响程度更大，货车驾驶员进入隧道的视觉负荷更严重。

4)进入洞内30 m之后，驾驶员的瞳孔面积变化速率开始逐步减小，直到进入洞内70 m开始达到平稳，在70～95 m的范围内，驾驶员处于隧道中部，此区间驾驶员瞳孔面积处于最大值，瞳孔面积变化不显著。

5)从进入洞内100 m(距离出洞口75 m)，驾驶员的瞳孔面积变化速率开始变大，即瞳孔面积开始减小，表明驾驶员开始受“白洞”效应的影响，货车驾驶员在离出洞口15 m时达到峰值-1.69 mm2·s-1，而小汽车驾驶员在离出洞口20 m时达到峰值-1.10 mm2·s-1，表明照度剧烈过渡对货车驾驶员的影响程度更大，货车驾驶员驶出隧道时的视觉负荷更严重，视觉适应时间基本相同。

6)货车与小汽车驾驶员在出洞外后的瞳孔面积变化不显著，基本保持平稳。

2.2.2 视觉适应能力分析

为探究不同车型驾驶员在出入口段的视觉适应能力，以进入隧道洞门和驶离隧道洞门峰值之前的瞳孔面积变化速率离散程度评价其适应能力。根据图5可知，小汽车与货车驾驶员进入隧道适应能力分析范围分别为： 进入洞门前30 m处至进入洞内10 m处、进入洞门前30 m处至洞门处；小汽车与货车驾驶员驶离隧道适应能力分析范围分别为： 进入洞内90 m处至出洞门外20 m处、进入洞内90 m处至出洞门外15 m处。借助变异系数衡量不同车型驾驶员瞳孔面积变化速率离散程度，变异系数计算公式如式(2)所示，不同驾驶员瞳孔面积变化速率变异系数如图6所示。

Cv=σ/μ。

(2)

式中：Cv为变异系数；σ为标准差；μ为均值。

变异系数可反映单位均值上的离散程度，用于总体均值不等的情况。

图6 瞳孔面积变化速率变异系数

变异系数正态性检验如表4所示，变异系数均满足正态分布(>0.05)，故再进行双因素方差分析，如表5所示，P值均小于0.05，说明不同车型驾驶员在峰值前的瞳孔面积变化速率变异系数有显著差异，且货车驾驶员的瞳孔面积变化速率离散程度高于小汽车驾驶员，入口区域的瞳孔面积变化速率离散程度高于出口区域，表明货车驾驶员在公路隧道对视觉环境较为敏感，比小汽车驾驶员更难适应照度变化，入口区域较出口区域视觉适应更加敏感。

表4 变异系数正态性检验

表5 变异系数双因素方差分析

3 结论与讨论

目前，国内对于光学长隧道的交通安全研究起步较晚，对于光学长隧道行车安全环境改善措施的研究较少。本文选取光学长隧道进行实车试验，采集了驾驶员的瞳孔面积数据，并分析了驾驶员的视觉负荷，得到以下结论。

1)隧道入口段与出口段(P=0.034)、小汽车驾驶员与货车驾驶员(P=3.465×10-10)瞳孔面积变化速率均值存在显著性差异，即为视觉负荷存在显著差异；车型与隧道区域2类因素之间对瞳孔面积变化速率无交互影响(P=0.890)。

2)不同车型驾驶员在隧道入口区域(接近段与入口段)和出口段的瞳孔面积变化速率随着洞门距离的变化情况显著不同；货车驾驶员在隧道内的瞳孔面积增大变化率峰值1.5 mm2·s-1与减小峰值-1.69 mm2·s-1均大于小汽车驾驶员1.2 mm2·s-1和-1.1 mm2·s-1；不同车型(P=0.048 7)、不同隧道区域(P=0)的驾驶员在峰值前的瞳孔面积变化速率变异系数有显著差异，货车、出口区域的驾驶员对视觉环境较为敏感；货车驾驶员的进出隧道视觉负荷更严重。

3)驾驶员在隧道内出口区域的瞳孔面积变化区间大于洞内入口区间；货车与小汽车驾驶员在出洞外后的瞳孔面积变化不显著，基本保持平稳。

4)小汽车、货车驾驶员在本次试验结果中存在差异可能与小汽车、货车驾驶员在驾驶室内眼部接收到的照度不同有关，而导致照度不同的原因可能与驾驶员视线高度、挡风玻璃的尺寸及玻璃膜等有关。

5)针对低等级公路光学长隧道的现状，应结合驾驶员视觉负荷提出以视线诱导为主的改善措施，如入口段、出口段设置贴有高强度反光膜的反光环，且同时满足小汽车、货车驾驶员的视线诱导。针对此类型隧道的改善措施，后期将组合各类型交通设施，通过驾驶模拟仿真选取最佳的改善方案。