基于视觉适应的高速公路高风险路段照明参数设置研究

安文娟， 黄 钢， 陶 超， 朱 凯， 何 勇， 高建平1，

(1.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074; 2.公安部交通管理科学研究所， 江苏 无锡 214151; 3.重庆交大安全科学研究院有限公司， 重庆 400074； 4.黄山学院， 安徽 黄山 245041； 5.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

国际照明委员会(Cffi)调查表明：在缺乏环境照明的情况下，夜间的交通事故率是白天的3倍[1]。高速公路夜间事故率高且事故后果更为严重，并在长直线、互通出入口、视距受限等路段形成事故多发的高风险路段[2-5]，其中环境照度不足是导致夜间交通事故多发的主要原因之一[6]。既有研究表明，改善行车环境照度可促使驾驶人兴奋、减轻驾驶人疲劳，增强驾驶人周边视野感知和行为准确性，提高驾驶人的目标视认和保证行车视距[7-8]。

行为适应理论认为，当行车环境发生变化时，驾驶人会改变其行为以适应新的行车环境，但行为适应的结果既可能有利于提高其行车安全性，也可能弱化甚至消除行车安全性提高预期[9-11]。因此，通过改进环境照度，提升高速公路夜间高风险路段的安全性，需要考虑驾驶人的行为适应特征。

张楠楠[12]通过实车试验，发现不同照度条件下驾驶人对目标物的视认时间有显著差异。程国柱等[13-14]对驾驶人在不同道路条件和不同照度(白天和夜晚)情况下的视认特性进行了试验研究，发现驾驶人在夜晚的视距较白天平均降低了8.5%。S.Plainis和I.J.Murray[15]研究发现驾驶人反应特性与照明强度有关，照明条件的改善可缩短驾驶人的反应时间。Said M.Easa等[16]研究认为，当环境照度从0.6 cd/m2提升至2.5 cd/m2时，驾驶人对交通标志的视认性显著提高，有利于驾驶人树立驾驶信心。Bo Liang等[17]以反应时间为指标，在不同环境照度条件下对相关色温(CCT)和偏心率进行了测量，研究结果发现增加光源的CCT(照度水平)可改善驾驶人行车过程中的视觉性能。

基于国内外相关研究，本文拟采用驾驶模拟方法获取不同照度条件下驾驶人眼动参数，研究夜间环境照度及其变化对高速公路驾驶人环境适应的影响，提出高速公路高风险路段照明参数设置方法。

1 高风险路段照明过渡段设置分析

为防止环境照度突变对驾驶人心理和生理产生影响，高风险路段照明应考虑驾驶人视觉适应时间，设置照明过渡段[18-19]。过渡段的设置保持了既有照明器具装置高度和间隔，通过逐渐增加或减少光源功率的方式在高风险路段及其相邻路段设置照明过渡段，如图1所示。图1中，L1～L4为路面照度递增段，L4′～L1′为路面照度递减段。

图1 高风险路段照明过渡段设置示意

2 仿真模拟试验

2.1 对象

根据我国驾驶人分布特征[20]，试验招募具有合法驾驶资格、年龄在22～56岁、驾龄1～18年的男性驾驶人20名和女性驾驶人10名，其中年龄在 21～30岁的17名，31～40岁的6名，41～50岁的4名，50岁以上3名；驾龄在1～10年的21名，10～20 年的5名，21年及以上4名。被试者身体健康，视觉机能正常，双眼视力均在1.0以上。

2.2 设备

仿真软件、驾驶模拟设备等，以小客车为试验车型，试验模式采用自然驾驶模式。

2.3 照度

根据道路行车道和交会区路面照明的规定[19]，既考虑高速公路行车条件与城市快速路的相似性，又考虑了高速公路与城市快速路的运行环境和运行速度差异性，高速公路的路面照度值应高于城市快速路。经初步测试，依据路面照度在5 lx～48 lx时，运行速度与路面照度关系，设计试验路段的环境照度试验方案，如表1所示。

表1 照度试验参数值

2.4 环境建模

利用软件设置一段长4 km的直线路段，其中前3 km为低照度路段，以保证驾驶人在正常低照度条件下适应夜间行车环境后进入试验照明路段。根据文献[19]，采用常规照明方式，在试验照明路段两侧每隔30 m对称设置1组点光源，照度依次按表1取值，同时在3.8 km处设置试验标志牌，仿真环境建模如图2所示。

图2 仿真模拟试验场景

2.5 数据采集

为了更好地模拟夜间实际驾驶情况，选择20:00以后进行驾驶模拟试验并记录眼动数据。在正式试验之前先进行预试验，让驾驶人熟悉试验过程、指导用语、试验信息反馈。要求驾驶人按自然驾驶的方式进入试验路段，依次经过表1设计的不同等级的路面照度路段，采用记录装置自动记录驾驶人发现试验标志轮廓时的时刻及驾驶人完全识别并理解其内容时的时刻，将2次时间差作为相应试验环境下的驾驶人适应时间。

2.6 结果分析

1) 驾驶员适应时间与环境照度的关系

驾驶模拟试验结束后，采用格拉布斯(Grubbs)检验法对采集试验数据的异常值进行筛选、剔除。由Weber-Fechner定理可知，驾驶人视觉刺激的差别阈限随路面照度的变化而变化，只有当照度差别量达到一定比例时，方能引起驾驶人视觉出现感觉差异。同时，除了环境照度差以外，驾驶人自身感知环境照度变化的能力也不尽相同。驾驶人适应时间与环境照度的关系如图3所示。

图3 驾驶人适应时间与环境照度关系

图3表明，照明条件对驾驶人适应时间存在显著影响，随照明条件的提升，驾驶人适应时间及其离散性有明显改善。当试验环境照度为5 lx时，驾驶人的适应时间差最大超过了7 s，而当试验环境照度为48 lx时，驾驶人的适应时间差最大仅为1.7 s。环境照度对驾驶人适应时间影响的统计结果如表2所示。

表2 环境照度对驾驶人适应时间影响统计

由表2可知，当驾驶人依次经过不同照度的试验路段时，照度越高，驾驶员适应时间越短，照明环境对驾驶员影响的一致性也越高，对保证行车安全越有利。

2) 驾驶人适应时间分布特点

采用Kolmogorov-Smirnov检验判断不同试验照度环境下的驾驶人适应时间是否符合高斯分布，结果如表3所示。由表3可知，不同试验照度环境下驾驶人适应时间数据的统计量所对应的值均大于0.05，可认为不同试验照度环境下驾驶人的适应时间均服从高斯分布，也说明在不同试验条件下，驾驶人适应时间在均值附近出现的频率最高。

表3 试验数据的统计量及对应的相伴概率

3 驾驶人适应时间设计值确定

依据驾驶人适应时间分布特征进行高风险路段过渡段设计时，为保证驾驶人在高风险路段的行车安全，避免因驾驶人视觉适应时间不足所导致的交通事故发生，应考虑全样本适应时间的累积频率，如图4所示。

图4 不同试验照度环境下驾驶人 适应时间与累积频率关系

由图4可知，当累积频率≥5%时，不同试验照度环境下，驾驶人适应时间变化幅度均较小。为此，考虑驾驶人行车安全及工程经济性，选取85%分位数所对应的驾驶人适应时间作为设计值，5 lx～48 lx下，适应时间如表4所示。

表4 驾驶人适应时间设计值

4 高风险路段照明过渡段长度确定

按照“一定比例逐渐增大或减小光源功率”的过渡照明设置要求[19]，高风险路段及其过渡段L4、L3、L2和L1可选用试验7、试验6、试验5和试验3中的照度值进行照度设计，并将表4确定的驾驶人在这4组试验照度值下的适应时间作为高风险路段过渡段L4、L3、L2和L1的行车时间，最终确定的高风险路段过渡段驾驶人各区段的行车时间如表5所示。

表5 高风险路段照明过渡段行车时间

高风险路段过渡段L1、L2、L3和L4各区段长度的确定可表示为：

(1)

式中：L为长度，m；t为行车时间，s；v为行车车速，m/s。

驾驶人在高风险路段行车时会主动对车速进行控制，因此将高风险路段行车近似视为匀速行驶，则式(1)可表示为：

L=vt

(2)

根据表5得到的高风险路段过渡段驾驶人行车时间，依据式(2)可得到不同限速条件下高风险路段过渡段长度，如表6所示。考虑驾驶人适应及便于工程应用，照度递减过渡段的长度应不小于对应的照度递增过渡段长度。

表6 照度过渡段长度

5 结束语

1) 高速公路高风险路段的照明参数设置应由高风险路段及其上下游过渡段组成，以满足驾驶人视觉适应需求。

2) 高速公路具有较高的行驶车速，且夜间行车缺少参照，高风险路段宜采用较高的照明标准，最高可采用48 lx的照度值。

3) 驾驶人适应时间与照明环境存在相关性，照度越低，照明环境越差，则驾驶人的适应时间越长，且不同驾驶人适应时间的离散性越大，对行车安全越不利。

4) 照明过渡段长度应根据路面照度、驾驶人适应时间和行车速度确定。