超特长隧道特殊光环境的对比试验研究

吴小丽，张 琦，潘 勇

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

车辆在高速公路超特长隧道行驶时，驾驶员长时间处于封闭冗长的单一环境，其生理和心理承受较大压力，易产生疲劳和认知错误，影响隧道的行车安全。目前，国内外多采用间隔一定距离设置特殊光环境区段来改善超特长隧道中驾驶员的单一视觉场景，减少因单调引起的驾驶疲劳，以提高行车安全性与舒适性[1]。隧道内特殊光环境设置形式多样，但特殊光环境的效果至今缺乏评价指标及体系，国内对超特长隧道不同特殊光环境的对比研究较少。施卢丹[2]通过神经网络模型分析，提出特设的灯光带对驾驶人注视持续时间、瞳孔面积、注视点分布规律影响显著，能够有效缓解驾驶人视觉疲劳，提高驾驶人注意力；郑展骥等[3]开展心理物理试验，分析公路隧道内部视觉环境对驾驶人行车安全的影响，提出了利用标志标线构建公路隧道韵律型标线系统的改善措施；吴玲[4]对高速公路特长隧道环境下驾驶人的心电指标空间变化特性进行了分析；胡月琦等[5]在高速公路特长隧道开展实车试验，分析了职业与非职业驾驶员在高速公路隧道不同段与普通路段的注视转移规律与注意力分配特性。本文为了研究超特长隧道不同特殊光环境下，驾驶员的视觉行为特征及生理反应，选取光源色温改变、彩色灯光带、LED点光源像素矩阵、高清图像投影等典型特殊光环境方案，开展真实环境下的实车对比试验，以提出隧道特殊光环境方案的选择建议。

1 视觉特性及心电反应

2 试验设计

试验拟订了常用的4个特殊光环境方案，分别为色温改变方案、彩色灯光带方案、LED点光源像素矩阵方案、高清图像投影方案[8-12]。试验利用眼动仪来测试驾驶员的驾驶行为，记录驾驶员观看、未观看的位置及观看的时间，并追踪记录注视和扫视的过程，完整地判断出眼睛浏览和停留的路径，并借助于多导生理仪对驾驶员生理状态进行监测。

2.1 试验场地

试验采用实验室实车试验及室外实车试验结合的方式。在200 m长1∶1实体隧道进行隧道常规LED照明方案、方案1、方案2的实车试验；在雅康高速二郎山隧道(长13 459 m)进行隧道常规LED照明方案、方案3、方案4的实车试验。

2.2 试验设备

试验设备采用SMI眼动仪、BIOPAC 多导生理仪(含皮电测试、心电测试模块)，以及配套的分析软件，眼动仪生成的图表包括扫描路径、热点图、屏幕位置注视信息、时间柱状图、线性图等，多导生理仪生成的图表包括心电波形图及皮电波形图等。扫描路径图逐点连续显示注视点位置及各个注视相对时间等信息。时间柱状图以时间为X轴，注视时间百分比为Y轴，显示在每个固定的时间段内，注视点在各个兴趣区停留的时间占当前时间间隔的百分比，不同的颜色代表不同的兴趣区域之内的注视点。

试验车辆为4辆：丰田越野车1辆、沃尔沃轿车1辆、长城轿车1辆、福特轿车1辆。

2.3 测试人员

由于部分试验需要在真实隧道场景中行车，存在一定的危险性，因此本次试验选择了5名在公路当中较为典型的驾驶员作为被试者，未考虑不同性别、年龄等因素。驾驶员均为男性，年龄25～35岁左右，有5年以上的驾龄，技术娴熟，生理及心理素质较好，无明显驾驶偏好，无重大事故经历，视力良好，精神状态较好。

3 实验室实车试验

3.1 试验过程

200 m长1∶1实体隧道为2车道隧道，净空高度为7.3 m，路面宽度为8.4 m。由1名试验人员驾驶车辆对常规白光LED照明光环境、色温改变光环境、彩色灯光带光环境3种工况进行实车试验。

3.2 试验数据及分析

根据眼动仪及配套软件的数据采集和分析，常规白光LED照明方案、色温改变方案及彩色灯光带方案扫描路径及时间柱状图如图1～图6所示。

图1 常规白光LED照明方案扫描路径

图2 色温改变方案扫描路径

图3 彩色灯光带方案扫描路径

图4 常规白光LED照明方案时间柱状图

图5 色温改变方案时间柱状图

图6 彩色灯光带方案时间柱状图

由图1～图6可见，常规白光LED照明方案、色温改变方案中驾驶员注视点均长时间集中分布在正前方路面区域；彩色灯光带方案中驾驶员注视点主要分布在正前方路面区域，在左右侧墙的彩色灯光带区域也有短暂停留。由此说明，仅改变隧道内灯具色温，驾驶员注视点无明显变化[13-15]；设置彩色灯光带后，驾驶员视点大部分时间仍分布在正前方路面区域，对两侧墙区域有短暂的关注。对扫描路径图及时间柱状图的数据进一步分析，可得到3种方案的屏幕位置注视信息，结果如表1所示。

表1 不同方案的屏幕位置注视信息

由表1可知，驾驶员虽关注了两侧墙特殊灯光区域，但仍以获取驾驶所需的前方路面信息为主，即驾驶员受彩色灯光带的吸引，同时未过多关注彩色灯光带的具体细节。改变隧道内灯具色温，驾驶员注视点无明显变化；设置彩色灯光带后，驾驶员注视点增多，平均注视时间减少，驾驶员眼动行为变活跃，受彩色灯光带的吸引，同时未过多关注彩色灯光带的具体细节，这有利于消除驾驶疲劳。

秉持“房子是用来住的，不是用来炒的”理念，本文结合国内外城市关于住房发展与民生改善的一般经验，使用人均住房面积、房价收入比、住房消费占总消费比三个指标分别从住房使用价值、住房支出负担、整个消费结构三个方面反映住房民生的状况。因此，笔者对改革开放以来上海市民生改善状况和新时代上海市住房民生改善趋势的考察和预测也是从这三个方面进行。

4 二郎山隧道实车试验

4.1 试验过程

二郎山特长隧道长13 459 m，双洞共设置了4处特殊灯光带(每间隔4.5 km左右设置1处)，其中2处为LED点光源像素矩阵方案，另2处为高清图像投影方案。试验对5位驾驶员依次通过LED点光源像素矩阵段、高清图像投影段及常规路段的扫描路径、注视信息等数据进行测试、分析，共计15个工况。

4.2 试验数据及分析

4.2.1 扫描路径及注视信息

根据眼动仪及配套软件的数据采集和分析，LED点光源像素矩阵方案、高清图像投影方案及常规白光LED照明方案扫描路径及时间柱状图如图7～图12所示。

图7 LED点光源像素矩阵方案扫描路径

图8 高清图像投影方案扫描路径

图9 常规白光LED照明方案扫描路径

图10 LED点光源像素矩阵方案时间柱状图

图11 高清图像投影方案时间柱状图

图12 常规白光LED照明方案时间柱状图

由图7～图12可知，常规LED照明方案中驾驶员注视点大部分集中在车行方向正前方路面区域，小部分分布在车内区域；LED点光源像素矩阵方案及高清图像投影方案中驾驶员注视点除了分布在车行方向正前方路面区域及车内区域外，也有部分分布在拱顶特殊光环境区域。据此判断，设置LED点光源像素矩阵方案及高清图像投影方案后，驾驶员注视点有明显变化，驾驶员视点分布变分散，对拱顶区域的关注明显增多。对扫描路径图及时间柱状图的数据进一步分析，可得到3种方案的屏幕位置注视信息，结果如表2所示。

由表2屏幕位置注视信息可看出，LED点光源像素矩阵方案拱顶平均注视时间小于路面关注区域的平均注视时间，高清图像投影方案拱顶平均注视时间则大于路面关注区域的平均注视时间，表明LED点光源像素矩阵方案中驾驶员受特殊光环境影响小于高清图像投影方案。2方案相比而言，LED点光源像素矩阵方案中驾驶员受彩色灯光带的吸引而关注了拱顶特殊灯光区域，但仍以获取驾驶所需的前方路面信息为主，未过多关注特殊光环境的具体细节。

表2 不同方案的屏幕位置注视信息

4.2.2 心电、皮电数据

心电是心脏在每个心动周期中伴随产生的生物电的变化，是测量心脏节律的方法。皮电通过皮肤电阻或皮肤的导电率进行测量，是反映人体交感神经兴奋性程度的指标。选取试验中典型单个驾驶员的心电及皮电数据进行对比分析，如图13～图18所示。

图13 高清图像投影方案心电波形

图14 LED点光源像素矩阵方案心电波形

图15 常规白光LED照明方案心电波形

图16 高清图像投影方案皮电波形

图17 LED点光源像素矩阵方案皮电波形

图18 常规白光LED照明方案皮电波形

由图13～图18可见，各方案心电数据无明显不同，难以看出显著规律，无法据此有效表征驾驶员生理状况。常规LED照明方案在各段的皮电测试波形显示总体平缓，变化幅度约为5.1%；LED点光源像素矩阵方案、高清图像投影方案对应的特殊光环境段则有明显上升，变化幅度约为15.4%和22.5%，表明在特殊光环境段驾驶员皮肤导电率上升，兴奋感增强，有助于缓解特长隧道内的视觉疲劳。同时该刺激在驾驶员驶过特殊光环境段后会逐渐恢复平稳，不会导致驾驶员因长时间刺激而产生紧张心理。

5 结论

通过对常规照明、色温改变、彩色灯光带、LED点光源像素矩阵及高清图像投影方案的实车对比试验数据分析，可得出以下结论：

1)仅改变隧道内灯具色温，对驾驶员注视点无明显影响；LED点光源像素矩阵、高清图像投影方案及彩色灯光带对驾驶员注视点有显著影响。

2)扫描路径及屏幕注视信息等显示隧道特殊光环境使驾驶员眼动行为变活跃，驾驶员未过度关注其细节，仍以获取路面信息为主，对缓解视觉疲劳可起到一定作用。

3)隧道特殊光环境对驾驶员心电数据无显著影响，但驾驶员皮电数据有短暂显著变化，驾驶员兴奋程度有所增加。

4)综合考虑视觉特性参数、心电反应等因素，特殊光环境优先选择LED点光源像素矩阵方案或高清图像投影方案，其次为彩色灯光带方案，色温改变方案对缓解视觉疲劳无明显效果。