基于眼动指标的公路隧道洞口景观设计舒适性及安全性评价

2021-03-19

同济大学学报（自然科学版） 2021年2期

（长安大学公路学院，陕西西安 710064）

随着物质文化水平的提高，人们对各类人工构筑物的要求不仅满足于结构安全，还对其景观舒适性愈发重视。隧道洞口作为一种特殊结构的建筑物，是隧道工程外露的脸面和窗口，其景观设计对通行者的视觉感受和驾驶体验有直接的影响。恰到好处的洞口景观设计一方面可以给驾乘人员带来美的享受，放松身心；另一方面也可作为文化的载体以及环境中的象征符号，展示地方文化，体现时代精神。因此，隧道洞口景观设计广受国内外关注。

关于隧道洞口景观，国内外相关学者已开展了大量研究。贾玲利等［1］统计了欧美、中国和日本隧道洞口景观的研究现状，并指出已有研究大多围绕景观的设计原则及方法，而关于隧道洞口景观评价方面的研究甚少，仅占4%。在隧道洞口景观设计方面，关宝树［2］强调了隧道洞口景观设计的重要性，并对隧道洞口景观基本概念、景观设计因素、景观实用设计方法进行了详细介绍；熊世龙［3］提出了景观设计构思原则，并对隧道洞口景观设计的洞门规划、装饰应用等方面进行了论述；Peila 等［4］对隧道洞口设计的技术以及建筑和景观等方面进行了分析和探讨，给出了隧道洞口景观的设计流程图；Ye等［5］结合大量典型公路隧道洞口景观案例，分别从乡土人情、人文精神、周边景色与洞门的交融、景区主题强调以及个性彰显等方面，分别阐述了隧道洞口景观构造方式及实际效果。在隧道洞口景观评价方面，关向群［6］强调了隧道洞口景观设计的重要性和发展趋势，并探讨了如何评价隧道洞口景观等；关宝树［2］详细分析了SD（semantic differential）法，并介绍了日本学者利用SD法进行的隧道洞口景观评价试验；张威振等［7］采用定性与定量相结合的分析方法并结合具体案例，指出隧道洞口设计应全方位综合考量；贾玲利等［8］以层次分析法为基本理论，同时考虑结构安全性、艺术性、经济性和生态安全性等因素，建立了评价指标体系；刘飞［9］详细分析了洞门选型的主要影响因素，并以安全、环保、经济为一级评级指标，采用层次分析法对不同类型洞门进行了评价。Lee等［10］提出，长大隧道中应将洞口亮度、洞门形状、壁画装饰纳入主要评价因素，并对韩国仓湾隧道洞口景观设计展开了评价。由于隧道洞口本身的特殊性，该路段事故发生率较高，因此隧道洞口行车安全也引起了相关学者的广泛关注。陈芳［11］从洞口的三大功能（基本功能、安全功能、景观功能）出发，采用SD法，分析洞外亮度对驾驶员行车安全性和舒适性的影响。胡江碧等［12］利用真车驾驶试验建立了洞口亮度折减系数、行车速度与驾驶员瞳孔面积变化率之间的关系模型，反映这些参数对行车安全性的影响；苑郁林［13］从驾驶员的生理和心理特性出发，以洞门构造物、洞门颜色、洞口铭牌设置等因素作为评价指标，对隧道洞口景观设计提出了建议。李国锋等［14］、叶飞等［15］基于隧道洞口美学的已有研究，对隧道洞口美学进行了较为全面的分析，并提出了隧道洞口美学设计评价体系，实现了评价结果由定性向定量的转化。陈孟柯等［16］利用三维仿真软件UCWin/Road对景观设计方案进行建模分析，采用驾驶模拟试验从驾驶员心率的角度对景观设计方案的合理性进行了评价。

总体而言，国内外对隧道洞口景观的研究越来越多，但在景观评价中很少将景观与驾驶人的动态视觉特征联系起来，忽视景观带给驾驶人的感受，并且评价样本以图片为主，缺乏真实体验感和空间层次感；隧道洞口段行车安全方面的研究，主要集中在洞口亮度对行车安全的影响，关于隧道洞口景观是否会分散驾驶人注意力，影响驾驶舒适性及行车安全性方面的研究相对较少。因此，依托板仑隧道洞口景观设计方案，通过改变洞门线型、洞门颜色、洞口绿化和洞门肌理设计，利用驾驶模拟试验及ETG（eye tracking glasses）眼动仪设备来评价隧道洞口景观对驾驶人驾驶舒适性和安全性的影响，并对隧道洞口景观设计中发挥空间较大的影响因子进行分析。

1 隧道洞口景观评价试验方案

1.1 依托工程概况

板仑隧道坐落于云南省富宁县，隧道全长1 977.5 m。隧道穿越地段属于中国地势的第二阶梯，植株整体呈丛生状，外貌不整齐，岩石出露，次生特征明显。板仑隧道进口洞门为端墙式洞门，端墙长59.85 m、高13.25 m，洞门进口宽11.00 m、高8.55m。

1.2 试验方案设计

公路隧道洞口属于交通敏感地段，其景观设计要保证驾驶过程的舒适性及安全性，不能过于华丽而分散驾驶人注意力，影响行车安全。本试验以板仑隧道洞口景观设计为基础（见图1），结合文献［15］提出的隧道美学设计思路和设计人员的设计习惯，选取端墙式洞门景观设计中对洞门装饰造型影响较大的4个因子（洞门线型（A）、洞门颜色（B）、洞口绿化（C）、洞门肌理（D））对隧道洞口景观设计展开研究。

本试验基于L9（34）正交表（见表1），设计4 个因子在3 个水平下的9 种试验设计方案（见表2），并建立对应的隧道洞口景观模型（见图2）。

表1 各因子及水平列表Tab.1 List of factors and levels

表2 正交试验设计方案Tab.2 Design schemes of orthogonal experiment

2 驾驶模拟试验

2.1 试验原理

2.1.1 隧道洞口景观设计舒适性评价原理

在行车过程中，驾驶人有80%的信息靠视觉获得。通过瞳孔在视网膜成像，随后身体机能对信息做出反馈。众多研究表明，瞳孔是衡量人体生理和心理负荷的灵敏指标［17］。当驾驶人瞳孔面积增大时，表明视觉和心理上受到较大的负荷压力［18］。因此，采用驾驶模拟试验，对驾驶员的眼动指标瞳孔直径进行测定，利用眼动仪记录并分析驾驶人瞳孔直径的变化规律，瞳孔直径越大则表明驾驶人心理负荷越重，对应设计的洞口景观舒适性就越差。

2.1.2 隧道洞口景观设计安全性试验原理

驾驶人视线偏离前方道路时间是判断驾驶分心最直接、最有效的指标。通过眼动仪提取驾驶人注视点、注视时间等视觉特性参数分析隧道洞口景观设计安全性。隧道洞口景观设计安全性评价借鉴Klauer 等［19］的研究成果，利用眼动仪记录驾驶人在行驶过程中视线轨迹，并统计视线总偏离道路时间。若视线偏离道路时间超过2 s（包括6 s时间段内视线多次离开前方道路的总时间超过2 s），则判定该隧道洞口景观会分散驾驶人注意力，威胁行车安全。

2.2 试验设备

2.2.1 驾驶模拟系统

采用自主研发的隧道洞口景观环境仿真驾驶模拟系统（见图3）。系统基于赛车游戏Euro Truck Simulator 2，并通过代码编写使得建模软件Blender、SpeedTree Cinema和操纵设备等软硬件平台之间得以兼容，构建逼真的隧道洞口驾驶模拟场景。此系统最大的优势是可以随机生成汽车流，使得试验过程沉浸感较强，最大程度还原真实驾驶的心理状态。

图2 9种模型方案效果Fig.2 Renderings of nine model schemes

图3 驾驶模拟系统Fig.3 Driving simulation system

2.2.2 眼动仪

利用德国制造的ETG眼动仪采集眼动数据，如图4所示。ETG眼动仪具有造型小巧、便于携带、佩戴舒适等特点，并且对设备使用环境要求低；同时，数据采集可靠，自动补偿偏差，便于后期动态视频数据处理。

图4 眼动仪Fig.4 Eye tracker

2.3 试验过程

（1）熟悉驾驶设备

选择10 名具有3 年以上驾龄的驾驶人，要求驾驶技术娴熟，并且有良好的驾驶习惯，视觉机能正常，无心理与生理缺陷和重大交通安全事故经历。

正式试验前要求驾驶人在指定场景下驾驶20 min以上，以熟悉驾驶模拟设备的操作，如图5所示。

（2）眼动仪标定

熟悉训练完成后，进行眼动仪的标定，标定方式采用三点标定法，并通过第四点进行校验。标定合格方可进行正式试验，若不合格则重新标定，直至满足要求。标定过程如图6所示。

图5 试验者熟悉训练Fig.5 Familiarity training of participants

图6 试验者标定过程Fig.6 Calibration process of participants

（3）正式试验

为避免过多的试验要求对驾驶人造成驾驶干扰，驾驶人按照自身习惯根据车况和道路环境自由控制车速，依次通过9 个隧道模型，并进行正反2 次试验。驶过每个隧道后，试验者需休息10 min 以重新建立测试开始的心理、物理条件，重新标定，直至完成所有模拟试验。试验过程如图7所示。

3 试验结果分析

3.1 隧道洞口景观舒适性评价分析

试验结束后，利用分析软件BeGaze导出相关眼动数据，并提取每个注视事件的平均瞳孔直径。试验数据表明，驾驶人瞳孔直径变化规律近似相同，进入隧道洞口前瞳孔直径迅速增大。图8为部分驾驶人瞳孔直径变化曲线。

由于驾驶人的瞳孔直径变化趋势相同，因此将BeGaze 软件所提取的注视事件瞳孔直径平均值作为当前试验模型的驾驶人瞳孔直径，再取所有驾驶人的瞳孔直径平均值作为最终9个设计方案对应的瞳孔直径，如表3所示。

图7 试验过程Fig.7 Test process

图8 部分驾驶人瞳孔直径变化曲线Fig.8 Curve of pupil diameter for several participants

表3 驾驶人平均瞳孔直径Tab.3 Average pupil diameter of participants

3.1.1 建立评价模型

假定A（洞门线型）、B（洞门颜色）、C（洞口绿化）、D（洞门肌理）4 个因子间没有相互作用。设因子A 在3 个水平上的效应分别为aⅠ、aⅡ、aⅢ，则因子B、C 和D 这3 个因子的水平效应分别为bⅠ、bⅡ、bⅢ，cⅠ、cⅡ、cⅢ，dⅠ、dⅡ、dⅢ。数学评价模型如下所示：

式中：Yi(i=1～9)为模型评分值；εi(i=1～9)为独立同分布正态变量，分布为N(0，σ2)；μ为母体均值。对母体做如下基本假设：

若假设H01成立，则代表洞门线型对隧道洞口景观舒适性无显著影响，反之有显著影响；同理，若假设H02、H03、H04成立，则代表洞门颜色、洞口绿化、洞门肌理对隧道洞口景观舒适性无显著影响，反之则有显著影响［20］。

3.1.2 极差检验

利用极差计算方法可以计算出每一个影响因子在3个水平下驾驶人瞳孔直径的极差，极差越大，表示该因子对隧道洞口景观舒适性的影响越大。极差计算式如下所示：

式中：Rj为第j个影响因子的极差；kji为第j个因子水平为i的平均瞳孔直径。

计算因子A（洞门线型）在3 个水平下驾驶人瞳孔直径平均值，计算式如下所示：

由式（1）可得，因子A（洞门线型）在3 个水平下的瞳孔直径极差为

同理可得其他3 个因子驾驶人瞳孔直径的极差值，如下所示：

隧道洞口景观洞门线型、洞门颜色、洞口绿化、洞门肌理4 个因子3 个水平下驾驶人瞳孔直径极差分析如图9所示。

图9 各因子3个水平下瞳孔直径极差分析Fig.9 Analysis of pupil diameter range at three levels of each factor

3.1.3 讨论

（1）由式（2）和式（3）及图9可知，4个因子中，隧道洞门肌理对隧道洞口景观行车舒适性影响最大，洞门线型对隧道洞口景观行车舒适性影响最小，4个因子对隧道洞口景观行车舒适性影响排序为洞门肌理＞洞口绿化＞洞门颜色＞洞门线型。

（2）隧道洞门线型方面，以曲线型最为舒适。城墙式相比直线型，对行车舒适性并未产生显著影响。

（3）隧道洞门颜色方面，以绿色洞门最为舒适。由于整体洞口景观环境采用绿色为主体的大背景，因此隧道洞门颜色选取时需考虑周围环境因素，因地制宜，与周围环境相协调。

（4）洞口绿化方面，采用精致绿化的洞口最为舒适，因此隧道洞口景观设计时应注重绿化环境的设计，采用不同色相、季相植物相互搭配。

（5）隧道洞门肌理方面，采用壁画装饰最为舒适，但采用华丽的壁画装饰有可能分散驾驶人注意力，影响行车安全。简单的横竖条纹处理相比无肌理壁面，行车舒适性有较大提升，因此在隧道洞门肌理选择时，应优先考虑简单横竖条纹处理方式。

3.2 隧道洞口景观安全性评价分析

试验结束后，利用BeGaze软件对试验过程中的眼动视频进行分析，观察并记录试验者眼睛每次注视的位置、时间以及视线扫描路径等信息，如图10所示。

图10 眼动仪数据分析过程Fig.10 Analytical process of data from eye tracker

根据文献［19］，将视频以6 s 为1 个单位进行回放。若发现试验者视线偏移道路则标记事件并编号，最后统计分析试验者视线偏移道路的事件及总时间，若方案中出现视线偏离大于2 s的事件则视为不安全方案。9 个方案试验者视线偏移道路统计结果如图11 所示。图案数量表示试验者在对应方案中出现的偏离事件次数，其中黑色表示视线偏离大于2 s的事件，灰色表示视线偏离为1～2 s（不含2 s）的事件，白色表示视线偏离小于1 s（不含1 s）的事件。对应的景观安全性评价结果如表4所示。

由图11 可知，方案5、方案9 中部分试验者视线偏离道路持续时间超过了2 s，出现了驾驶分心情况，表示该设计方案存在不安全因素。

从视频回放及驾驶人视线偏移道路的位置来看，方案5 试验者产生分心的主要原因是观看洞门墙面壁画——郑和下西洋（见图12），而方案1 也采用了壁画装饰的手法，却没有出现驾驶分心的状况。通过对比分析发现，方案5 洞门颜色（绿色）与周围环境融为一体，而壁画采用混凝土颜色，在整个以绿色为主的大环境下，混凝土颜色的壁画特别明显，过分吸引了驾驶人的注意力，而方案1 洞门颜色采用蓝色，在洞门衬托下壁画就显得不那么突兀，因此隧道洞口景观设计万万不可出现“万绿丛中一点红”的现象。

图11 9种方案试验者视线偏移道路统计（单位：s）Fig.11 Summary of line deviation of participants’sight for nine models（unit:s）

表4 9种方案景观安全性评价结果Tab.4 Safety evaluation results for nine models

另外，方案9 试验者产生分心的主要原因是关注洞门上方曲线和注视壁画装饰（见图13）。方案7和方案8端墙洞门顶部也采用了曲线形状，方案1洞门壁面也采用了壁画装饰，然而试验者未出现分心情况。这说明曲线形状、壁画装饰在一定程度上吸引了试验者注意力，但不是十分严重。当2 个因素叠加时，就会造成景观设计过于繁琐而使驾驶人分心，因此隧道洞口景观设计应力求简洁明了，不可过于繁琐。

方案1、方案6 和方案8 的隧道洞口中央分隔带绿化装饰比较精致，但这3 个模型下驾驶人出现视线偏离道路的情况较少，并且没有出现驾驶人分心的现象；方案5 和方案9 采用简单的绿化装饰，却出现不同程度的驾驶分心情况，这表明隧道洞口前设置绿化装饰带一般不会过分吸引驾驶人，造成驾驶分心。因此，在景观设计中要合理设置绿化装饰来美化隧道洞口。