基于驾驶员视觉负荷的格栅式减光罩频闪效应研究*

陈培焱 吴 刚 马小翔 潘晓东 苏贵民

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室1) 上海 201804)(上饶经济技术开发区建设交通局2) 上饶 334000) (上海电科智能系统股份有限公司3) 上海 200063)

0 引 言

相对正常路段，隧道口光环境的突变易造成驾驶员视觉和心理等方面的不适，存在巨大的安全隐患，导致其成为隧道事故高发路段.近年来，在隧道口路段设置一定的减光设施改善剧烈变化的光环境，得到业内人士的广泛关注.这一方法既减少光环境剧烈变化对驾驶人视觉造成的干扰，也能起到降低隧道口照明的作用，从而降低隧道工程运营能耗[1].在众多形式的减光设施中，格栅式减光设施具有结构设计简单、抗风、使用周期长、维护方便等优势，是目前应用最广泛的减光设施[2].然而，对于格栅式减光设施的设置形式、相关评价指标仍缺少国家及行业的相关技术规范.尤其对于设置格栅式减光设施后所产生新的驾驶视觉问题，如频闪效应，没有很好的解决.因此，研究格栅式减光设施产生的频闪效应对驾驶员视觉和心理的影响，对减光设施设置和隧道口行车安全具有重要意义.

国内外研究人员均对隧道口减光设施展开了研究.在减光设施及减光路段光环境研究方面，国外研究主要集中在验证减光设施对隧道口光环境的改善效果，和如何实现隧道口光环境逐渐减弱[3-5]，其他研究人员从节能减排的角度对减光设施设置的必要性和节能效果进行理论分析[6-8].国内研究主要集中在减光设施的设计长度、视觉特性等方面如：李英涛等[9]以驾驶人视力恢复时间为基础，提出了不同设计速度条件下隧道口路段减光设施设置长度计算模型.艾杰等[10]以甘肃省某高速公路隧道洞口为例，通过对几种不同洞门减光防眩构造物的比较研究，指出遮光棚不仅可解决减光过渡的问题，还可达到防眩的效果，提出了遮光棚设计应注意的事项，如拱肋间距、铝合金管环向间距、亮度等.刘少群等[11]基于人眼视觉特性曲线，利用隧道口加强照明对隧道口亮度梯度变化展开研究.玮宝等[12]论述了在入口接近段遮光构件的设计方法，在隧道口形成光环境过渡，并在此基础上根据人眼暗适应曲线，应用模型模拟实验进行光环境实测，对光环境过渡效果及节能效率进行量化分析.杜志刚等[13]利用隧道口等比例微缩模型多次测量隧道进口瞳孔照度，利用视觉负荷指标，获得理想照度曲线，并用于对6种不同形式的正削竹、反削竹减光设施的遮光效果进行分析和比选.

已有成果对于设置减光设施后，所形成新的光环境对驾驶员的影响研究较少.文中拟从格栅式减光设施频闪效应的形成机理出发，分析格栅式减光设施频闪效应对驾驶人视觉和心理的影响规律，明确控制频闪效应的最优阈值，从而为格栅式减光设施的设计方法提供理论依据.

1 实验方法

1.1 实验对象

本次驾驶模拟实验，通过发布招募广告的形式，共招募20名被试参与实验，为了综合考虑驾驶员自身因素的影响，选取不同年龄段的被试进行了实验，其中20～25岁10名，26～30岁5名，31～40岁5名.所有被试均持有有效的驾驶证件，且视力良好，无疲劳及药物误用等情况.

1.2 格栅式减光设施微缩模型

实物模型相似理论是人造等尺寸或微缩等比例模型为研究基础的相似理论，以物理相似、几何模型相似为基础，主要包括实物模型的几何相似、运动学相似、动力学相似.本研究实验中，为实现改变格栅式减光设施的频闪频率，达到真实可控的实验效果，制作1∶43格栅式减光设施路段等比例微缩模型，模型长3.92 m、宽1.5 m，见图1.此模型可以调整减光格栅的间距，在保证高照条件相同的条件下，实现格栅路段不同频闪频率的控制.

图1 隧道入口段1∶43微缩模型

1.3 眼动仪和心率仪

实验采用德国开发的D-LAB头戴式眼动仪对驾驶人的视觉特征数据进行采集，该型号眼动仪主要功能为获取驾驶人的眼动数据，包括：视点注视时间、视点注视频率、视点分布、瞳孔面积等.眼动仪的采样率为60 Hz.

心率仪型号为Prince-100H，该仪器能记录并储存包括脉搏血氧饱和度值和心率值，其采集频率为1 Hz.自带管理系统软件，通过与计算机连接记录数据并进行数据管理和分析，方便用户对历史数据进行查看、分析和归档处理.

1.4 实验方案

1) 实验场景录制用亮度仪及照度计对格栅减光模型路面亮暗区域进行亮度值及照度值测量.控制具有摄影功能的模型车，多次经过隧道口段模型，以接近驾驶员视角的角度，录制通过格栅路段模型时的场景视频.调整格栅间距进而控制行车场景的频闪频率分别为：3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13 Hz，根据微缩模型缩尺比例不同频闪频率对应的格栅间距分别为：21.5，16.1，12.9，10.7，9.2，8.0，7.2，6.4，5.9，5.4，4.9 cm.

2) 驾驶模拟实验为实现驾驶模拟实验连续性，将不同频闪频率下录制的行车场景视频进行拼接，得到约5 min的连续视频.本实验研究目的仅为不同频闪频率的隧道口减光路段行车环境对驾驶人生理和心理的影响研究.考虑隧道入口段为直线路段，不需要驾驶人有额外的驾驶操作，同时也尽可能排除因周围车辆或驾驶员自身的操作对实验目的的影响，本研究设计的驾驶模拟实验可满足实验目的需求.让被试驾驶人利用处理后的视频进行驾驶模拟实验，同时记录实验过程中驾驶人眼动及心率变化数据.

2 视觉心理指标选择及分析方法

2.1 眼动分析方法选定

眨眼是人眼眼睑快速地打开和闭合，眨眼频率是单位时间内人眼完全闭合的次数.在人处于安静状态下，人眼平均眨眼频率为10～15 次/min，眨眼持续时间约0.2 s.当驾驶人处于消极的负面情绪或者紧张、焦虑疲劳状态下，驾驶人的眨眼频率一般处于较高的水平；当驾驶人情绪稳定、心情愉悦、无驾驶疲劳，处于积极的情绪状态时，其眨眼频率一般会维持在正常的水平，保持眼睛基本眨眼次数维持眼球的湿润及润滑度即可.因此，应用眨眼频率检测驾驶人疲劳能较客观反映驾驶人驾驶时真实的心理活动情况.

驾驶人个体因个人身体素质不同而导致视觉感受水平存在一定的差异性，仅仅使用眨眼频率增加值难以描述每个驾驶人的心理变化情况.因此，为消除个体之间的差异性，更加准确描述眨眼频率的变化，提出驾驶人眨眼频率增加值计算方法.本文主要研究格栅式减光设施的设置对驾驶人眨眼频率的影响，通过对比在没有设置格栅式减光设施时眨眼次数，计算驾驶人眨眼次数增加值，其计算公式为

f(t)=F(t)-f

(1)

式中：f(t)为某一时间内在格栅路段眨眼频率增加值，次/min；F(t)为某一时间内在格栅路段的眨眼频率，次/min；f为驾驶人平静时的眨眼频率，次/min.

2.2 心电信号分析方法选定

心率是反映人体紧张程度的有效指标，当驾驶人进出隧道时隧道口路段光环境突变，使驾驶人产生不同程度的紧张感，从而导致心率增加.因此，在分析隧道路段光环境对驾驶人的影响时，可以通过分析驾驶人驾车通过隧道口路段的心率变化情况，从而分析光环境环境变化对驾驶人生理心理的影响.此外，由于驾驶人之间心率变化会因个体不同而存在差异，仅仅从心率增加数难以描述隧道口光环境对驾驶造成的生理心理影响.因此，本研究利用心率增长率概念来衡量隧道口路段驾驶人心率变化情况，其值等于驾驶人驾驶状态下的心率值与该驾驶人平静状态下的心率值之差再除以平静状态下的心率值所得的比值.计算公式为

(2)

3 结果分析

采用驾驶仿真模拟对比实验方法，即让被试驾驶员分别观看利用微缩模型在同一速度及光照条件下不同频闪频率的视频，然后观察其生理心理状态的差异.本次实验共有20名被试，其中部分被试因实验过程中仪器佩戴出现问题导致数据不完整，为保证数据的准确性和有效性，经过筛选得到16组有效数据.

3.1 眨眼频率与格栅频闪效应相关性分析

选取被试的眨眼次数为分析指标，运用D-lab眼动数据分析软件，对被试眨眼次数进行统计，与被试平静状态下眨眼频率进行对比，得到各频闪频率条件下被试眨眼次数及眨眼次数平均增加值.根据样本中对应某一个频闪频率下参与实验的驾驶人的眨眼次数增加值的平均值，运用matlab软件，对被试眨眼频率增加值与频闪频率之间的关系进行拟合，采用三种数学模型(线性模型、幂函数模型、高斯模型)对频闪频率与被试眨眼次数增加值进行检验，结果见图2和表1.

图2 眨眼次数增加值与频闪频率关系拟合曲线

表1 不安全区域划分规则

由表1可知，在3种回归方程中，拟合度最好的是高斯方程(R2=0.894 1)，其次是二次项方程，线性方程的拟合度最低.因此，选择高斯方程作为表达在给定频率区间内频闪频率与被试眨眼次数增加值之间的关系最为合适.

因此，根据在不同频闪频率条件，驾驶人眨眼次数增加值与频闪频率关系拟合方程为

(3)

眨眼次数增加值与频闪频率拟合曲线见图3.根据图3拟合曲线可知：在频闪频率为3～13 Hz范围内，驾驶人眨眼次数增加值呈高斯分布，整体变化幅度较大；根据被试眨眼次数增加值的变化情况，在3～9 Hz时驾驶人眨眼次数增加值呈增加趋势，其对驾驶人视觉的影响逐渐加大；在9～13 Hz时驾驶人眨眼次数增加值呈递减趋势，频率的增加对驾驶人视觉的影响呈减弱趋势.这与人眼视觉对频率的敏感度变化规律相符合.

图3 眨眼次数增加值与频闪频率正态拟合

3.2 心率变化率与格栅频率相关性分析

根据样本中对应某一个频闪频率下参与实验的驾驶人的心率变化率平均值，运用Matlab软件，对实验员心率变化率与频闪频率之间的关系进行拟合，采用三种数学模型(线性模型、幂函数模型、高斯模型)对频闪频率与实验员心率变化率进行检验，结果见图4和表2.

图4 心率增加值与频闪频率关系拟合曲线图

表2 不安全区域划分规则

由表2可知，在3种回归方程中，拟合度最好的是高斯方程(R2=0.866 4)，其次是幂函数方程，线性方程的拟合度最低.因此，选择高斯方程作为表达在给定频率区间内频闪频率与被试驾驶员心率变化率之间的关系最为合适.

根据在不同频闪频率条件，其拟合方程如式(4)；心率变化率与频闪频率拟合曲线见图5.

图5 驾驶人心率变化与频闪频率正态拟合曲线

(4)

根据图5拟合曲线可知：在频闪频率为3～13 Hz范围内，驾驶人心率变化率呈高斯分布，整体变化幅度较小；根据实验员心率变化率平均值的变化情况，在频闪频率为3～8 Hz时驾驶人心率变化率呈增加的趋势，频闪频率对驾驶人的影响逐渐加大，在频闪频率为8～13 Hz时驾驶人心率变化率呈递减趋势，随着频率的增加，其对驾驶人的影响逐渐减小；在频闪频率8 Hz和9 Hz，格栅路段形成的频闪频率对驾驶人心率影响最大.

4 结 论

1) 从拟合曲线分析可知，随着频闪频率的增加，心率变化率与眨眼次数增加次数呈先增加后降低的变化趋势，由于格栅路段的频闪效应直接对驾驶人视觉造成干扰，频闪频率对被试的视觉影响幅度要高于对被试心率变化的影响.

2) 实验员心率变化率的平均值和眨眼增加次数的平均值与频闪频率的拟合关系均呈高斯分布规律，分别在频闪频率为8～9 Hz时，对实验员心率及眨眼频率造成最大的影响.

3) 格栅式减光设施在满足路段减光效果的同时，其在设计建造过程应考虑设计速度与格栅间距的因素，使其造成的频闪频率应满足小于6或大于11 Hz.