特长隧道群出入口段驾驶员瞳孔大小变化规律

白婧荣，齐宏娇，毕辉云

(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074)

隧道群路段隧道密集、隧道间距短，连续进、出隧道口驾驶人将经历“暗适应”和“明适应”的快速转换，使得隧道群成为公路上的敏感区域。人对外界信息的感知中80%以上是通过视觉通道进行的，瞳孔反应与人的视觉认知加工密切相关，不仅可以反映人的心理活动变化，也是衡量认知负荷的重要指标[1]。瞳孔直径变化规律能一定程度上反映驾驶员在通过隧道群路段的视觉感受，表述其视觉适应性及驾驶视觉负荷程度，正常人瞳孔直径在自然光下为2～8 mm，暗环境中为4～8 mm。在隧道群的研究方面，林志等[2]从“人-车-路-管理-环境”5个方面梳理了运营风险源，体现在隧道群总体、路面结构、交通量及交通形态等。王志杰等[3]建立了高速公路特长隧道及隧道群评价体系指标评分标准，研发出基于Web的风险评估系统，实现对动态风险因素的实时监测。钱宇彬等[4]研究了夜间长途客车进出高速公路隧道群的车速和油门踏板行程变化特征，发现上坡隧道比下坡隧道运行速度协调性好的比例高。闫彬等[5]分析了高速公路隧道群对驾驶员感知特性的影响，对160名驾驶员进行实地测试,发现驾龄、连续行车时间对驾驶员的深视力准确性有显著影响。在驾驶员瞳孔大小研究方面，陈芳等研究[6]发现，瞳孔直径大小随着入光量的多少发生变化，在照明质量好的工况下行驶时，隧道内的光效高，驾驶员的瞳孔直径较小，负荷较低，安全性高。Lee等[7]研究表明，当光照增加时，瞳孔大小减小。Lin等[8]使用德布尔评定量表评估眩光不适感，发现眩光不适的主观评价与眼动和瞳孔收缩高度相关。田会娟等[9]提出了标准化瞳孔直径可用于衡量视觉舒适度。李俊德等[10]提出了对驾驶员瞳孔直径变化的隧道明暗适应距离分析，可以为隧道明暗过渡段的照明设计提供参考。吕贞等[11]对比分析了草原公路驾驶员注视、眨眼和瞳孔直径等数据，发现在超车时驾驶员精神负荷突变性最大。袁景玉等[12]采用虚拟实验手段，发现高速公路特殊路段铺设彩色路面可提高行车安全性，且驾驶员在黄色路面行驶的警惕性最高。胡英奎等[13]指出驾驶员的瞳孔大小主要与亮度变化有关，同时受驾驶员心理等因素的影响。Pokorny等[14]认为影响瞳孔大小的因素主要包括外部刺激和观察者自身因素。Carwford[15]记录了人眼瞳孔直径在不同光刺激条件下随时间的变化情况。已有研究对隧道群的研究侧重于梳理运营风险源和分析不同驾驶员在隧道群路段的交通行为，在驾驶员瞳孔直径研究分析了照度、景观类型和色彩等对瞳孔收缩的影响，对山区高速公路隧道群路段的驾驶员瞳孔变化真实情况的研究可以深入分析山区驾驶员的驾驶行为行为模型，现选择雅康高速公路2段特长隧道群路段进行实车试验，采集驾驶员在特长隧道群行驶时的瞳孔直径数据，分析在不同隧道出入口处瞳孔大小变化规律。

1 实验设计及数据采集

1.1 试验道路选择

试验道路喇叭河隧道群位于雅康高速公路，全长10.9 km，包括喇叭河隧道、水獭坪隧道、前碉1号隧道、前碉2号隧道、前碉3号隧道、大柏牛隧道和两路口隧道7个隧道；全长28.77 km，桥隧比例达99.53%；全线采用四车道高速公路建设，80 km/h。隧道群道路环境如图1所示。

图1 隧道群

1.2 试验驾驶员与设备情况

实车驾驶试验于2020年11月中旬开展，试验期间雅安段气温为11～19 ℃，天气为小雨或多云，康定段气温为0～19 ℃，天气为多云或晴；为正常天气，由于雅康高速公路路线总长度较长，冬季行驶路况复杂，易有暗冰、团雾等复杂情形，且通过在服务区调研发现该路段女性驾驶员占比较低，因此，本文研究对象均选取为男性驾驶员，从雅安当地付费招募10名男性驾驶员作为被试；10名驾驶员年龄分布在27～49岁，平均年龄为35.9岁。驾龄分布在3～16年，平均驾龄8年，驾驶里程分布在21～130 km，平均驾驶里程为65.4 km。

试验中选用高清运动摄像机记录实时车辆位置与时间，相比行车记录仪记录的视频更为清晰稳定；Tobii Glasses 2超轻且坚固的非侵入式头戴追踪模块，可以保证驾驶员佩戴的舒适性和行为自由度，采集驾驶员瞳孔大小相关数据，试验车辆为北京现代汽车。

1.3 试验流程

步骤1记录试验对象的基本信息(年龄、身高、体重、性别等)，试验对象填写各个负荷评估量表，对自身状态进行评估。

步骤2为试验对象说明试验起终点及佩戴试验设备。

步骤3试验对象在雅康高速公路中驾驶，期间使用运动摄像机记录驾驶环境，眼动仪设备记录驾驶员眼动数据。

步骤4试验对象结束驾驶，再次填写各个负荷评估量表，记录驾驶后的状态，至此完成一次驾驶行驶试验。

1.4 试验数据预处理

如图2所示，通过不同数据预处理方法得到的数据曲线。在眼动仪数据输出软件ErgoLAB 3.0中输出瞳孔直径数据，将由于被试者眨眼等情况造成的0值数据按照前后10 ms内的数据平均值进行替换，再结合数据平滑处理方法(smooth函数)和快速傅立叶变换(fast fourier transform,FFT)数字滤波，保证曲线平滑且幅值不失真。

图2 数据预处理

2 驾驶员瞳孔直径大小分析

2.1 喇叭河隧道群基本情况

喇叭河桥隧群共有4座连接桥梁和7座隧道；其中特长隧道有喇叭河隧道，长隧道有前碉3号隧道和大柏牛隧道，中隧道有水獭坪隧道和前碉2号隧道，短隧道有前碉1号隧道和两路口隧道。针对每座隧道进出口，选取每位驾驶员瞳孔直径变化明显的区域，然后将全部驾驶员的瞳孔直径变化曲线叠加显示在一起，将不同被试的瞳孔直径变化曲线按照与隧道洞口的距离叠加到同一坐标系中，并对距离隧道洞口的距离数进行定义，在隧道入口处(即隧道入口为0 m)，驶向隧道洞口处的距离为负距离，驶入隧道后行驶的距离为正距离；在隧道出口处(即隧道出口为0 m)，驶向隧道洞口处的距离为负距离，驶出隧道后行驶的距离为正距离。将不同驾驶员的瞳孔直径随着与隧道洞口距离的变化曲线进行叠加，红色实线为线性拟合趋势线，可以发现在喇叭河隧道群路段，不同隧道入口段的瞳孔直径均呈线性增长规律，在喇叭河隧道、前碉1号隧道、前碉2号隧道、前碉3号隧道和两路口隧道的隧道出口段瞳孔直径呈线性降低规律，且根据统计规律发现该函数的常数值为该区域的瞳孔直径平均值；其中水獭坪隧道出口段的瞳孔直径变化趋势较为平缓，因水獭坪隧道出口与前碉1号隧道入口的距离只有45 m，且还有棚洞遮盖，因此该隧道出口变化不明显，即驾驶员负荷未有明显改变；在大柏牛隧道出口段，瞳孔直径变化趋势线为线性降低趋势，但趋势线相关系数不高，分析原因为驾驶员在隧道群内行驶时间较长，造成隧道视觉不敏感，且与下一隧道入口较近，驾驶员瞳孔直径变化幅度较小。

2.2 隧道群不同隧道入口段瞳孔直径大小变化

在进入喇叭河隧道前的开放路段，驾驶员瞳孔直径基本处于2.8～3.5 mm，从图3可以看出，在隧道入口前后2 s内部分驾驶员会产生视觉障碍，行车速度较低且经验丰富的驾驶员则没有视觉振荡现象，所有驾驶员整体上瞳孔直径大小都在增加，且在距离隧道入口越近的位置瞳孔直径大小增加程度越快，驾驶员通过瞳孔直径的迅速增大的形式来适应明暗反应，使得驾驶员可以适应隧道内低亮度的行驶环境。

图3 喇叭河隧道入口段

水獭坪隧道作为喇叭河桥隧群路段中的第二座隧道，长度898 m，属中隧道，其入口与喇叭河隧道出口通过202 m的水獭坪中桥连接，且在水獭坪隧道入口前设置有50 m长的遮阳棚洞，棚洞长度按照设计速度80 km/h行驶需要2 s，从图4可以看出，在进入喇叭河隧道前的开放路段，驾驶员瞳孔直径基本处于2.8～4.0 mm，在接近隧道入口前的棚洞时，驾驶员瞳孔直径大小逐渐向3 mm集中，有明显的“黑洞效应”，使得驾驶员瞳孔直径急剧减小，但进入隧道入口后，驾驶员瞳孔直径稳定增长，直至适应隧道内的暗行驶环境，使得瞳孔直径大小维持在4.0～5.0 mm。

图4 水獭坪隧道入口段

前碉1号隧道作为喇叭河桥隧群路段中的第三座隧道，长度337 m，属短隧道，其入口与水獭坪隧道出口相距45 m左右，且在水獭坪隧道与该隧道入口的过渡距离设有遮阳棚洞，从图5可以看出，在进入前碉1号隧道前的过渡路段，由于遮光棚洞的设置，驾驶员瞳孔直径没有太大变动，部分驾驶员在进入隧道入口前10 m时有轻微的视觉障碍，在进入隧道入口后，驾驶员瞳孔直径增长趋势较缓，很快就适应隧道内的暗行驶环境，瞳孔直径大小维持在3.0～5.0 mm。

图5 前碉1号隧道入口段

前碉2号隧道作为喇叭河桥隧群路段中的第四座隧道，长度566 m，属中隧道，其入口与前碉1号隧道出口通过80 m的海子沟中桥连接，且在前碉1号隧道与该隧道入口的过渡距离设有遮阳棚洞，从图6可以看出，在进入前碉1号隧道前的过渡路段，由于遮光棚洞的设置，驾驶员瞳孔直径没有太大变动，在进入隧道入口后，驾驶员瞳孔直径增长趋势较缓，很快就适应隧道内的暗行驶环境，瞳孔直径大小维持在3.0～5.0 mm。

图6 前碉2号隧道入口段

前碉3号隧道作为喇叭河桥隧群路段中的第五座隧道，长度1 708 m，属长隧道，其入口与前碉2号隧道出口通过200 m的前碉大桥连接，且该隧道入口前设有遮阳棚洞，从图7可以看出，在进入前碉3号隧道前100 m，由于遮光棚洞的设置，驾驶员瞳孔直径没有太大变动，在隧道入口前后10 m内，驾驶员瞳孔直径迅速增大，很快就适应隧道内的暗行驶环境，瞳孔直径大小维持在3.0～5.0 mm。

图7 前碉3号隧道入口段

前碉3号隧道出口与大柏牛隧道入口之间有51 m的过渡段，且设有遮光棚洞。大柏牛隧道作为喇叭河桥隧群路段中的第六座隧道，长度1 266 m，属长隧道，其入口与前碉3号隧道出口通过50 m的大柏牛中桥连接，且该隧道入口前的过渡段设有遮光棚洞，从图8可以看出，在进入大柏牛隧道前，由于遮光棚洞的设置，驾驶员瞳孔直径没有太大变动，在驶入大柏牛隧道入口后10 m内，部分驾驶员存在视觉障碍，但在1 s内均能适应隧道内的暗行驶环境，使瞳孔直径大小维持在3.5～5.0 mm。

图8 大柏牛隧道入口段

两路口隧道作为喇叭河桥隧群路段中的最后一座隧道，长度621 m，属中隧道，其入口与大柏牛隧道出口有169 m的过渡段，且该隧道入口前设有遮光棚洞，从图9可以看出，在进入两路口隧道前，由于遮光棚洞的设置，驾驶员瞳孔直径没有太大变动，在驶入大柏牛隧道入口后，瞳孔直径大小维持在3.0～5.5 mm，驾驶员视觉过渡平稳。

图9 两路口隧道入口段

2.3 隧道群不同隧道出口段瞳孔直径大小变化

从图10可以看出，在驶离喇叭河隧道的过程中，驾驶员瞳孔直径由适应隧道暗环境所维持的瞳孔直径大小值4.0～5.5 m逐渐减小至3 mm左右，驶出隧道出口后，驾驶员心理负荷逐渐减小，瞳孔直径保持在2.8～3.5 mm水平，此处隧道的“白洞效应”并不明显。

图10 喇叭河隧道出口段

从图11可以看出，在驶离水獭坪隧道的过程中，驾驶员瞳孔直径大小在隧道出口附近几乎维持水平状态，即驶出隧道后的瞳孔直径大小与在隧道内的瞳孔直径大小没有太大差异，均维持在4.0 mm附近；主要原因为水獭坪隧道出口与其连接的下一隧道前碉1号隧道入口只有35 m的距离，按照80 km/h的设计速度行驶只需要1.575 s，驾驶员在水獭坪隧道出口前已可以看清下一隧道前碉1号隧道入口，且在两隧道的过渡距离35 m之间还有遮光棚洞连接，保证了间距较近的两个隧道之间驾驶员视觉的平稳过渡，此处的遮光棚洞有明显的缓解明暗反应的作用，且有效隔离了外界天气(如雨、雾等)对该短连接段行车安全的影响。

图11 水獭坪隧道出口段

从图12可以看出，在驶离前碉1号隧道的过程中，隧道出口处设有遮光棚洞，驾驶员瞳孔直径大小由隧道内的3.0～4.5 mm缓慢过渡到隧道出口外的2.5～3.5 mm，说明该处的遮光棚洞有缓解“白洞效应”的作用，明显降低了隧道出口的视觉负荷和行车风险。

图12 前碉1号隧道出口段

从图13可以看出，在驶离前碉2号隧道的过程中，隧道出口处设有遮光棚洞，驾驶员瞳孔直径大小由隧道内的3.0～4.5 mm缓慢过渡到隧道出口外的2.5～3.5 mm，说明该处的遮光棚洞有缓解“白洞效应”的作用，明显降低了隧道出口的视觉负荷和行车风险。

图13 前碉2号隧道出口段

从图14可以看出，在驶离前碉3号隧道的过程中，驾驶员瞳孔直径大小在隧道出口附近几乎维持水平状态，驾驶员瞳孔直径大小由隧道内的3.0～5.0 mm缓慢过渡到隧道出口外的2.5～4.5 mm，说明该处的遮光棚洞有缓解“白洞效应”的作用，明显降低了隧道出口的视觉负荷和行车风险。

图14 前碉3号隧道出口段

大柏牛隧道出口与下一两路口隧道入口之间有169 m的过渡距离，且在隧道出口段设有遮光棚洞，从图15可以看出，在驶离大柏牛隧道的过程中，驾驶员瞳孔直径大小在隧道出口附近几乎维持水平状态，说明该处的遮光棚洞有缓解“白洞效应”的作用，明显降低了隧道出口的视觉负荷和行车风险。

图15 大柏牛隧道出口段

两路口隧道出口是喇叭河桥隧群路段的最后一处隧道出口，在隧道出口段设有遮光棚洞，从图16 可以看出，在驶离两路口隧道的过程中，驾驶员瞳孔直径大小逐渐降低，在驶出隧道10 m后，瞳孔直径稍有增大，整体该隧道出口驾驶员瞳孔直径过渡平缓，没有明显的“白洞效应”。

图16 两路口隧道出口

2.4 隧道群路段隧道出入口段驾驶员瞳孔直径预测模型

根据驾驶员瞳孔直径数据，拟合得到隧道群路段隧道出入口驾驶员瞳孔直径预测公式[式(1)]。由表1可知，驾驶员瞳孔直径大小值与该路段的瞳孔直径样本均值相关性较大，且受到行驶距离的影响，桥隧群路段中隧道出入口段瞳孔直径随与隧道洞口距离的线性相关经验公式为

表1 喇叭河隧道群各隧道出入口瞳孔直径变化规律

(1)

式(1)中：p为瞳孔直径大小预测值，mm；d为与隧道洞口的距离值，m；pmax为瞳孔直径最大值，mm；pmin为瞳孔直径最小值，mm；dpmax为瞳孔直径最大时对应的与隧道洞口的距离，m；dpmin为瞳孔直径最小时对应的与隧道洞口的距离，m；pi为瞳孔直径大小测量值，mm；α、β为修正系数。

3 讨论

对表2中喇叭河桥隧群隧道出入口路段瞳孔直径大小分布情况进行分析得出，在该桥隧群路段不同隧道出入口处的明适应与暗适应过程中，每个隧道的瞳孔直径分布范围都有较大差异。从图17(a)可以看出，在隧道入口段，两路口隧道和前碉1号隧道的瞳孔直径的最大值和均值相对较大，驾驶员视觉负荷最大；在喇叭河隧道群中，驾驶员瞳孔直径在喇叭河隧道和水獭坪隧道入口段基本一致，前碉1号隧道入口与前一隧道水獭坪隧道出口相距较近，且有遮光棚洞，前碉1号隧道入口段的瞳孔直径并没有像其他隧道入口一样有开放路段使得驾驶员瞳孔直径完全松弛的变化，遮光棚洞具有降低瞳孔直径差值作用，缓解了驾驶员的“黑白洞效应”。当两隧道间距过近时，布设遮光棚洞具有降低驾驶员视觉负荷的作用，可以减少明暗适应过程带来的不当驾驶行为。前碉2号隧道和前碉3号隧道与前一隧道均通过约200 m的桥梁过渡段连接，且在隧道出入口均有布设遮光棚洞，其入口段的瞳孔直径大小在逐渐减小，说明在该两处隧道入口段驾驶员的视觉负荷在逐渐降低，驾驶员逐渐适应在桥隧群的入口段行驶，前碉3号隧道和大柏牛隧道为长隧道，在驾驶员行驶至大柏牛隧道处，由于隧道群距离较长，驾驶员逐渐着急，产生焦躁情绪，主要体现为大柏牛隧道和两路口隧道入口段驾驶员瞳孔直径的逐渐增大和分布分散现象。整体来说在喇叭河隧道群各隧道的入口段中，驾驶员瞳孔直径呈现后倾向“W形”波动趋势，驾驶员视觉负荷由刚开始的较大逐渐到中间适应，再随着桥隧群的频繁过渡产生烦躁感而引起视觉负荷再次增大，行驶在最后一座隧道入口段的视觉负荷最大。

表2 喇叭河隧道群隧道洞口瞳孔直径统计信息

数据来源：均值样本

从图17(b)可以看出，在隧道出口段，水獭坪隧道和大柏牛隧道的瞳孔直径的最大值和均值相对较大，喇叭河隧道的瞳孔直径大小分布最为分散，说明在驶出隧道群路段的第一个隧道出口时驾驶员生理负荷变化程度较大，随着驶出隧道后视野的开阔，驾驶员视觉负荷会迅速降低。水獭坪隧道的瞳孔直径大小分布最为集中，主要原因在其出隧道洞口后是35 m短距离的全覆盖遮光棚洞与下一隧道入口相接，遮光棚洞的存在消除了驾驶员视觉负荷在短距离内急剧变化的可能性。前碉1号隧道和前碉1号隧道与后一隧道均通过200 m左右的桥梁过渡段连接，且在隧道出入口均有布设遮光棚洞，其出口段的瞳孔直径大小在逐渐减小，说明在该两处隧道出口段驾驶员的视觉负荷在逐渐降低；前碉3号隧道和大柏牛隧道为长隧道，在驾驶员行驶至大柏牛隧道出口处，由于隧道群距离较长，驾驶员逐渐着急，产生焦躁情绪，主要体现为前碉3号隧道和大柏牛隧道出口段驾驶员瞳孔直径的逐渐增大和分布分散现象。在行驶至两路口隧道出口段时，驾驶员瞳孔直径大小迅速降低，视觉负荷最小；整体来说在喇叭河隧道群各隧道的出口段中，驾驶员瞳孔直径呈现后倾向“M形”波动趋势，驾驶员视觉负荷逐渐增大到中间受到遮光棚洞影响后逐渐适应，再随着桥隧群的频繁过渡产生烦躁感而再次增大直至驶离桥隧群，行驶到最后一座隧道出口段时驾驶员视觉负荷最小。

4 结论

选择四川省雅康高速公路喇叭河隧道群作为研究对象，采用统计分析方法和多元线性模型对实车试验数据进行系统分析，得到特长隧道群不同隧道出入口路段的驾驶员瞳孔直径大小变化规律，并得到了桥隧群路段中隧道出入口段瞳孔直径随与隧道洞口距离的多元线性经验模型。得出以下结论。

(1)在进入隧道前的开放路段，驾驶员瞳孔直径基本处于2.8～3.5 mm，行驶至适应隧道内的暗行驶环境时瞳孔直径大小维持在4.0～5.0 mm。在驶离隧道时驾驶员瞳孔直径由适应隧道暗环境所维持的瞳孔直径大小值4.0～5.5 mm逐渐减小至3 mm左右，驶出隧道出口后，驾驶员心理负荷逐渐减小，瞳孔直径保持在2.8～3.5 mm水平。

(2)在喇叭河隧道群各隧道的入口段中，驾驶员瞳孔直径呈现后倾向“W形”波动趋势，驾驶员视觉负荷由刚开始的较大逐渐到中间适应，再随着桥隧群的频繁过渡产生烦躁感而引起视觉负荷再次增大，行驶在最后一座隧道入口段的视觉负荷最大。在喇叭河隧道群各隧道的出口段中，驾驶员瞳孔直径呈现后倾向“M形”波动趋势，驾驶员视觉负荷逐渐增大到中间受到遮光棚洞影响后逐渐适应，再随着桥隧群的频繁过渡产生烦躁感而再次增大直至驶离桥隧群，行驶到最后一座隧道出口段时驾驶员视觉负荷最小。

(3)在桥隧群路段的隧道出入口路段，相邻隧道之间的间距越近，且全覆盖设置遮光棚洞时，其棚洞前后的隧道出入口段的瞳孔直径值越大，驾驶员视觉上不会产生急剧变化，有利于短间距相邻隧道的平稳过渡；相邻隧道之间的间距越大，在前一隧道出口的驾驶员瞳孔直径会逐渐减小，在后一隧道入口处驾驶员瞳孔直径会迅速增大，设置遮光棚洞有利于缓解驾驶员瞳孔直径的迅速增大，缓解驾驶员明暗适应过程中瞳孔直径变化的剧烈程度。