公路隧道内路面色彩适宜性研究

袁景玉，焦墨雪，姚 胜，朱敏清

(河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津 300130)

0 引言

近年来，我国公路网逐渐向崇山峻岭地区延伸，快速、高效、安全、便捷的道路交通需求越来越突出。截至2019年，我国公路隧道已多达19 067处，共计1 896.66万 m。其中,特长隧道有1 175处，共计521.75万m[1]。由于隧道空间狭小，一旦发生事故，交通中断时间较长，事故处理难度大，因此隧道交通安全问题已成为社会热点之一。路面作为隧道内环境的重要部分，其材料和颜色都会影响驾驶员的视觉功效及行驶安全。

20世纪60年代美国公路研究院针对彩色路面开始了大量实验，并在洛杉矶等一些城市进行彩色路面铺筑[2]。我国在20世纪80年代初开始对彩色路面进行研究，起步较晚但发展迅速。1998年我国建成第1条彩色沥青路面——厦门彩色环岛路。霍立山[3]针对彩色沥青混凝土的配合比进行了室内实验，研制了一种新型彩色沥青胶结材料，这种材料的抗老化性和耐久性优于现有的石油沥青指标； 邓蕾蕾[4]认为虽然初期投资较高，但是彩色沥青路面可以诱导交通、缓解驾驶疲劳，极大地提高道路行驶率及行驶的安全性、舒适性，可以有效降低道路全生命周期费用; 王家主[5]研究了彩色路面不同路段的色度坐标和亮度因数的变化规律; 朱沁茹[6]提出改善隧道路面材料的反射特性可以有效地调整隧道空间的亮度; 李炳杰[7]认为驾驶员在行驶过程中出现视觉疲劳或行驶环境恶劣的情况均会造成瞳孔面积、视点移动轨迹等眼动数据的变化； 许世勇等[8]对受试者的瞳孔面积、平均注视时间等眼动指标进行分析，发现彩色路面能有效影响驾驶员的舒适性及警示性； Tao等[9]通过实验发现在隧道入口段设置红色警示路面对驾驶员的视觉舒适性有显著的影响; F. Nakamichi等[10]于1967年首次提出视觉功效法，通过记录驾驶员的眼动特征对行驶过程中驾驶员的生理指标进行分析，从而获得更准确客观的量化结果，目前已被广泛应用于隧道照明的研究中。

综上，目前关于彩色路面的研究主要集中在路用性能、工艺材料等方面，而关于公路隧道内尤其是中间段彩色路面的物理性能及其对驾驶员视觉特征的影响研究有待完善。本文搭建一套路面样品亮度系数简易测量装置，以获取4种路面样品的亮度系数，进而通过虚拟驾驶实验，对不同亮度系数的彩色路面下驾驶员的眼动特征进行量化分析，研究彩色路面铺装对隧道中间段驾驶员视觉特征的影响程度，并从彩色路面的反光性能、驾驶员的视觉舒适性、驾驶警示性等方面对公路隧道内路面的色彩适宜性进行研究。

1 路面样品亮度系数测量

路面亮度对驾驶员的视功能与视觉舒适都具有重要的作用，是由灯具射向路面的光线和该路面的反光性能决定的；而路面的反光性能取决于铺设材料、材料磨损程度和路面干湿度[11]，可以采用亮度系数来表示路面的反光性能，从物理性能的角度对比分析哪种颜色的路面更适用铺设在隧道中间段。

1.1 实试原理

亮度系数为单一灯具照射下路面某点的亮度值与照度值的比值，其值取决于路面材料性质、观察者和灯具与路面上观察点的相对位置。亮度系数测量角度关系如图1所示。O为观察点；P为被观察点；α为观察角度(观察者视线与水平面的夹角)；β为光入射平面与观察面之间的角度；γ为光线入射角度(光线方向与水平面对应法线方向的夹角)；δ为观察者视线的水平投影与垂直面法线的夹角；h为路灯的高度；Iγc为灯具指向γ与c所确定方向上的光强度。亮度系数q如式(1)所示[12]。

(1)

式中：L(α,β,γ)为路面上某点的亮度，cd/m2；E为该点的水平照度，lx。

实际中通常用简化后的亮度系数r代替q，如式(2)所示。

r(β,γ)=q(β,γ)cos3γ。

图1 亮度系数测量角度关系图

Fig.1 Angle relation diagram of luminance coefficient measurement

简化亮度系数通常以二维表的形式给出，这种表格被称为道路表面反射表格或R表。CIE规定的β-tanγ组合值的亮度系数如图2所示。

图2 CIE规定的β-tan γ组合值的亮度系数

彩色路面的颜色要兼顾色彩与材料性能2个方面的要求。为保证路面颜色耐久性，颜料颜色要尽量与常见的石料(如玄武岩、辉绿岩等)颜色保持一致，一般以红色、黄色、绿色为主。实验中选用的4种路面样品的颜色信息如表1所示。其中，RGB值表示红、绿、蓝3种原色对应的颜色值。

表1 4种路面样品的颜色信息

1.2 实验过程

本文搭建了一套路面样品亮度系数测量简易装置，如图3所示。其主要包括360°刻度盘、支架、滑动灯座、LED光源、可变光栏、配重、基座等。路面样品尺寸为30 cm×30 cm×10 cm。每次测量前固定β角，同时将滑动灯座固定在tanγ=0处，灯具垂直向下照射在样品测点上，使用照度计测量照度，得到E0，然后通过Eγ=cosγ×E0计算得到光源转到其他γ角时该测点处的水平照度。沿着半圆支架上刻度将滑动灯座依次从tanγ=0移动到tanγ=12，保证光源对准样品测点，并记录亮度计测量值。待完成该β角度下所有tanγ对应亮度值的测量后再改变β角进行测量。通过式(1)得到每个tanγ与β对应的照度与亮度的比值，再通过式(2)得到每个彩色路面样品的亮度系数表。路面样品亮度系数测量装置示意如图4所示。

图3 路面样品亮度系数测量装置示意图

图4 样品亮度系数现场测量

1.3 实验条件及仪器

为避免杂散光的影响，实验开始前，拉上遮光窗帘，参与实验的人员均穿着深色衣服。将路面样品在标准实验室环境下(温度25 ℃，湿度60%，无对流空气)放置[13]。实验中所用的空气温湿度记录仪和彩色亮度计的具体参数分别如表2和表3所示。

表2 TR-74Ui空气温湿度记录仪

表3 TOPCON BM-7A彩色亮度计参数表

2 虚拟驾驶实验

2.1 实验仪器

当受试者进行虚拟驾驶实验时，使用眼动仪进行眼动数据采集，以分析不同彩色路面对驾驶员视觉特征的影响，找到最有利于受试者在隧道内驾驶的彩色路面铺设方案。实验中选用的青研EyeLab眼动测试仪记录受试者的原始眼动坐标、眼睛瞳孔面积等数据，获取视点注视图和轨迹图，并可以通过瞳孔面积变化率等判断受试者的眼动特征[14]，眼动仪参数如表4所示。

表4 眼动仪参数

2.2 测试人员

选取具有不同职业、性别、年龄和驾龄的受试者共28人，其中，男女各14人，驾龄在1～5年的人数占64.29%，6～10年的人数占21.43%，10年以上的人数占14.28%。受试者需持有驾驶执照，有良好的驾驶习惯；身体健康，无生理缺陷和重大事故经历；睡眠良好，实验前24 h未饮用酒精类饮品，12 h未饮用含咖啡因饮品，1 h内未进行激烈运动。此外，为了避免佩戴眼镜的受试者使用眼动仪时镜片反光、眼球识别不精准导致测试结果产生误差，在本次实验中需佩戴隐形眼镜。

2.3 模拟驾驶实验

实验根据太行山高速公路邯郸段东坡隧道右洞建设方案以及相关规范要求建立隧道外部环境与内部空间模型[15]。路面为2车道，单车道宽3.75 m，设计车速为80 km/h，停车视距取140 m。根据该方案以及4种路面样品，运用SketchUp和Lumion 2款软件建立符合隧道环境的计算机虚拟模型[16]。

受试者随机进入实验室，适应10 min环境后开始测试。眼睛需保持距眼动仪65 cm，按照红、黄、绿3种彩色路面与原始路面的顺序依次进行实验，每种路面测试结束后在房间内休息5 min再进行下一组实验。整个实验结束后，再进行调查问卷的填写。

3 实验数据分析

3.1 亮度系数

通过上文的实验得到3种彩色路面样品的亮度系数表，分别绘制3种样品亮度系数关系图，如图5所示。

(a) tan γ=1时β与亮度系数的关系

(b) tan γ与亮度系数的关系

对比3种彩色路面样品的亮度系数r与β的关系，在tanγ=1时，β处于0～40°及60～150°，黄色样品的亮度系数整体上大于绿色与红色样品；当β大于20°时，绿色样品的亮度系数均大于红色样品。对比3种彩色路面样品的亮度系数r与tanγ的关系，tanγ与亮度值整体成反比关系。当01时亮度的变化速度；3种样品的整体亮度值变化随tanγ的增大而减小。从总体上看，路面样品的亮度系数从高到低依次为黄色样品、绿色样品、红色样品。

3.2 注视点与轨迹图

3.2.1 结果分析

对不同受试者注视区域的分布情况进行分析，以视频中心为坐标原点，建立直角坐标系，绘制注视点分布图，如图6所示。相比于原始路面，黄色路面下驾驶员的注视点更为分散，红色路面与绿色路面注视点的集中程度与原始路面相差不大，均较为集中，但原始路面与绿色路面有个别注视点位于其他区域。整体来说，驾驶员在黄色路面驾驶时视点最为分散。

(a) 红色路面 (b) 黄色路面

(c) 绿色路面 (d) 原始路面

注视点轨迹如图7所示。编号显示注视的顺序，相邻2注视点间的连线表示眼动轨迹。越少的目光注视与越短的眼动轨迹代表视点移动的频率越高。受试者在路面驾驶时，眼动轨迹范围越大，注视点越分散。在相同的驾驶时间下，黄色路面受试者注视点数量最多，眼动轨迹较混乱，扫描路径长且很多相互交叉，注视点序列分散排布。在红色、绿色与原始路面下驾驶员的眼动轨迹比较集中，注视点轨迹也较为单一。

3.2.2 参数表征

为了更加直观和准确地表示受试者在不同彩色路面上视点的离散程度及移动距离的大小，运用式(3)和式(4)分别计算受试者在不同彩色路面驾驶下视点与原点之间距离的方差以及视点移动距离的平均值，综合2个指标分析各受试者的注视点运动情况。

(3)

(4)

(a) 红色路面 (b) 黄色路面

(c) 绿色路面 (d) 原始路面

通过对比受试者在彩色路面上的眼动注视点分布、轨迹图以及离散程度，可以发现： 1)在彩色路面上行驶时，驾驶员的注视点及轨迹图等眼动特征存在差异； 2)驾驶员行驶在黄色路面及绿色路面上，注视点比较混乱，容易出现轨迹交叉现象，且注视点离散程度较大； 3)驾驶员行驶在红色路面上及原始路面时，注视点比较集中，眼动轨迹离散程度小。

(a) 注视点方差

(b) 注视点移动半径方差

图8 4种路面受试者注视点移动情况

图9 注视点最集中的路面所占比例

综上，受试者在黄色路面上驾驶时视点最为分散，在红色路面上驾驶时视点最为集中。考虑到黄色路面样品的亮度系数整体上大于绿色和红色样品，因此可以得出，彩色路面的亮度系数越大，驾驶者的视点越分散。

3.3 瞳孔大小与面积变化率

当人体处于高度紧张时瞳孔会随之放大，通过观察人眼瞳孔的变化，可以反映出受试者在驾驶过程中的状态，选取驾驶过程中连续50 s内的数据。为更加准确直观地判断出受试者的眼动变化情况，定义瞳孔面积变化率S，如式(5)所示。

(5)

式中：A为瞳孔面积；i为时刻。

3.4 调查问卷

对调查问卷结果进行整理，主要内容和结果如表5所示。可以看出： 1)53.57%的受试者认为黄色路面的警示性最好，其次是红色，占28.57%； 2)46.43%的受试者认为绿色路面更为舒适，35.71%的受试者认为原始路面更为舒适。

综合受试者的主观评价与客观数据的结果发现，认为黄色路面警示性最好的受试者占比最多；而眼动数据显示，黄色路面下受试者的视点离散程度及视点运动半径最大。由此可知，公路隧道内当驾驶员视点分散，目光关注范围更大时，警示性更强，驾驶更为安全。

表5 问卷结果

4 结论与讨论

针对公路隧道内路面色彩适宜性研究存在的不足，通过测量路面样品亮度系数，构建虚拟实验场景，使用眼动仪测试受试者在隧道中间段彩色路面上行驶的眼动特征，与其在常规路面上行驶形成对比，分析实验结果，得到如下结论：

1)黄色路面样品的反光性能要优于绿色样品，红色样品的反光性能最差。

2)受试者在黄色路面上驾驶时视点最为分散，在红色路面上驾驶时视点最为集中。

3)隧道中间段铺设彩色路面，可以有效降低驾驶者的瞳孔面积变化率，其中红色路面的铺设效果明显优于黄色路面，绿色最差。

4)驾驶员在隧道内行驶时，视点越分散，其关注的范围越大，警示性更强，驾驶更为安全。

5)综合考虑路面样品反光性能与驾驶员视觉舒适性、驾驶警示性等因素，在公路隧道内中间段铺设黄色路面最为适宜。

本文对公路隧道内铺设路面色彩的适宜性展开了系统的研究，为进一步优化隧道内驾驶环境提供了理论依据；但由于条件所限，缺乏相应的现场驾驶实验进行结果验证，这也是今后相关研究的重要内容。