不同时段高速公路特长隧道入口视觉特性研究

梅家林 杜志刚 王首硕

(武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063)

0 引 言

地处复杂山区高速公路的桥隧路段，驾驶人在驶入和驶出隧道时，外部环境在强视觉参照系和弱视觉参照系之间急剧变化，会引起“黑洞效应”和“白洞效应”，是交通事故多发地段[1].隧道洞门附近的事故率高于隧道中间段，隧道交通事故以追尾和碰撞为主[2-3].相比于白天的隧道出口段，隧道入口段在白天有明显的“黑洞效应”，给驾驶人产生更为严重的视觉负荷，因此针对隧道入口区域进行改善研究，是隧道安全改善工作的重心.

目前隧道入口交通安全改善措施以照明改善研究为主，但是实际上很多高速公路隧道在运营中全天均采用相同的照明方案，造成了巨大的能源浪费.近年来对夜间节能照明研究取得了一些进展[4].文献[5]提出，在长度500 m

目前针对隧道入口区域研究有驾驶人的视觉负荷[9]、隧道内不同场景下的视觉特性[10]等，大多是针对白天隧道入口进行研究，对于夜间驾驶人视觉特性较少，其中多为亮度与驾驶人对障碍物的视认距离的研究[11].现有研究主要是针对白天隧道入口的驾驶人的瞳孔面积变化、隧道与其他道路的视觉特性对比等方面，对于隧道入口区域的划分较为笼统，并且对于隧道入口区域不同区段的视觉特性研究不够细致、详细，对夜间驾驶人的视觉特性的研究较少，缺乏对不同时段的驾驶人视觉特性的对比研究.

隧道入口段的“黑洞效应”和“白洞效应”引起的瞳孔面积快速变化，将影响到驾驶人注视行为和扫视行为.为深入分析入口区域“黑洞效应”和“白洞效应”对驾驶人获取信息的影响，文中将分析正午(11：00—14：00)和夜晚(20：00—23：00)时段，并将傍晚(16：00—19：00)的数据作为对照，选取注视点分布范围、平均注视时间、注视持续时间、注视次数、扫视幅度和平均扫视时间等指标对隧道入口区域的视觉特性进行分析.

1 实验设计和数据采集

1.1 实验隧道

某特长隧道为双向四车道的分离式隧道，长度为4 060 m，设计车速80 km/h.依照《公路隧道照明设计细则》对隧道分段的规定，按照设计车速80 km/h计算，可得接近段为110 m，入口段为85 m，过渡段为295 m.

1.2 实验设备及驾驶人

实验车型为别克GL8，车辆性能良好.眼动数据的采集设备为德国某公司的Dikablis Professional眼动仪，其采样率为60 Hz，视线追踪精度为0.1°～0.3°，可配合数据分析软件D-Lab采集和分析数据.

由于实验需要采集正午、傍晚、夜晚的数据，且在高速公路进行实验，难以安排大量驾驶人进行实验，因此安排单个驾驶人在每个时间段内进行至少3次实验，最终结果取平均值.本次实验选取8名男性驾驶人和2名女性驾驶人，平均驾龄为5～10年，校正视力均在0.8以上，无生理缺陷和重、特大事故经历.实验开始前确保驾驶人正常的生活作息，相邻时段实验保证有充足时间供驾驶人休息，避免疲劳.

1.3 实验方法与数据采集

实验时间为6月底的正午、傍晚、夜晚，保证隧道洞门内外亮度在不同时段之间有较大差异，见图1.

图1 不同时段的隧道入口

对于实验数据进行显著性差异分析，若经过Shapiro-Wilk检验表明，各组数据服从正态分布(P>0.05)，且符合方差齐次性(P>0.05)，则进行单因素方差分析；若数据不服从正态分布，或不符合方差齐次性，则采用非参数检验(friedman检验)来判断数据的差异性.

2 注视点分布特征

2.1 不同时段注视点分布情况

选用典型驾驶人数据进行分析，不同时段下驾驶人注视点分布见图2.

图2 不同时段下驾驶人注视点分布

由图2可知:入口区域不同区段的驾驶人注视点分布并不一样，主要在水平X轴坐标上呈现较大差异.受隧道本身封闭环境的影响，在正午和傍晚时段，驾驶人在过渡段的注视点会比其他路段的更为分散，分布范围更广，而在夜晚时段，驾驶人在入口段的注视点分布范围更广.这说明驾驶人在进入隧道过程中的注视点分布会受行驶时段的影响.

2.2 水平及垂直方向注视点位置范围

在行驶一段距离过程中，驾驶人会发生多次注视点停留行为.为减少注视点中的异常值(驾驶人会注视车内、后视镜或道路环境之外的区域)影响，选用X85-X15值来评定驾驶人在水平X轴上的注视点范围，选用Y85-Y15值来评定驾驶人在垂直Y轴上的注视点范围.水平方向上的注视点范围和显著性检验结果见表1.

表1 水平方向上的注视点范围显著性检验

水平X轴上的注视点范围反映了水平视觉搜索范围，也反映了驾驶人对路侧信息的关注度.对表1进行分析，可得：

1)入口段的水平X轴注视点范围：夜晚>傍晚>正午，说明驾驶人在夜晚会比白天更为关注隧道入口段的洞门和侧壁情况.

2)在正午和傍晚时段，不同区段的X轴注视点范围呈现显著性差异，过渡段>接近段>入口段，说明驾驶人在正午和傍晚时，在过渡段上受隧道的侧墙效应更为明显，促使驾驶人不断关注侧墙，并保持一定的距离以避免与其相撞.其中入口段的X轴注视点范围最小，可认为是正午和傍晚时段驾驶人在入口段会因黑洞效应影响，对道路正前方信息更为关注.

垂直Y轴上的注视点范围反映了驾驶人垂直视觉的搜索范围，见表2.由表2可知，行驶时段和区段并没有对驾驶人的垂直视觉搜索范围造成显著性影响.

表2 垂直方向上的注视点范围显著性检验

3 注视行为特征

3.1 注视持续时间

注视持续时间是指行驶过程中注视活动持续的时间，反映了驾驶人获取目标信息的难易程度.持续注视时间越长，说明驾驶人在行驶过程中越难获取信息，处理信息难度更大.驾驶人在入口区域的注视持续时间比例见图3.

图3 隧道入口区域注视持续时间比例

由图3可知，正午驾驶人有更高比例的1 000 ms以上的注视持续时间，说明驾驶人在正午时段获取信息难度较高，其中在正午入口段的获取信息难度最大.

3.2 平均注视时间

平均注视时间，是指驾驶人对某区域的累计注视时间除以注视次数后得到的时间，可以反映驾驶人提取该区域交通环境信息的难易程度.因此统计不同时段驾驶人在隧道入口区域不同区段下的平均注视时间，结果见图4，其显著性检验结果见表3.

图4 不同时段隧道入口区域驾驶人平均注视时间

表3 平均注视时间显著性检验

由图4和表3可知:在正午时段，驾驶人在进入隧道过程中，平均注视时间先增加后减少，说明驾驶人在入口段更难提取相应的交通信息，驾驶人在正午入口段受“黑洞效应”影响更为严重，难以看清前方交通信息，使注视时间增长.

3.3 平均注视次数

统计不同时段驾驶人在隧道入口区域不同区段下的平均注视次数，结果见图5.其显著性检验结果见表4，行驶时段和区段对平均注视次数均无显著性影响.

图5 不同时段隧道入口区域驾驶人平均注视次数

表4 平均注视次数显著性检验

4 扫视行为特征

4.1 扫视幅度

扫视幅度指的是一次扫视过程从开始到结束所覆盖的范围，反映了驾驶人通过扫视行为获取信息的覆盖范围.驾驶人扫视幅度和显著性检验结果见表5.

表5 平均扫视幅度显著性检验

由表5可知，不同时段驾驶人在入口段的扫视幅度呈现较大差异，其中夜晚>正午>傍晚，与水平X轴上的注视点范围呈现相同的规律，可解释为夜晚受隧道入口段的发光诱导设施影响，获得交通信息的范围增加，更为关注隧道入口段的洞门和侧壁.傍晚时段的不同区段的驾驶人扫视幅度的规律与水平X轴上的注视点范围呈现相同的规律.由此可以认为驾驶人的扫视幅度越大，水平X轴上的注视点范围也越大.

4.2 平均扫视时间

平均扫视时间是指驾驶人平均每次由一个注视点快速移动到下一个注视点的过程的时间.不同时段隧道入口区域驾驶人平均扫视时间和其显著性检验结果见表6.

表6 平均扫视时间显著性检验

由表6可知，在接近段行驶时，驾驶人在正午和夜晚的平均扫视时间均高于傍晚的时段的.在接近段中，洞外景物基本消失，驾驶人开始适应隧道明暗适应.受隧道入口正午的“黑洞效应”和夜晚的“白洞效应”影响，正午和夜晚的驾驶人在隧道外的接近段的精力比较集中，驾驶行为较为谨慎，信息搜索的精度要求更高，因此驾驶人扫视时间较长.同时“黑洞效应”比“白洞效应”的影响更为恶劣，且所需视觉适应时间更长，促使正午时段驾驶人在过渡段保持较高的神经紧张感，对道路环境的观察更为细致，因此正午时段过渡段的驾驶人的扫视时间会高于傍晚和夜晚的.

5 结 论

1)行驶的时段和区段会对驾驶人的水平注视点范围、注视持续时间、扫视幅度造成一定的影响.正午驾驶人行驶时的区段会对平均注视时间产生影响，行驶时段会对平均扫视时间产生一定的影响.不同时段、不同区段的垂直注视点范围和注视次数均无显著性差异.

2)在正午时段，驾驶人在接近段有较长的扫视时间，在入口段有较长的注视持续时间，平均注视时间变长，水平注视点范围减小，在过渡段受隧道侧壁效应影响明显，导致扫视幅度变大，扫视时间较长.

3)夜晚时段，驾驶人在接近段的扫视时间较长，在入口段有着较大的水平注视点范围，较为关注隧道侧壁情况，扫视幅度也更大.

4)文中探讨了不同时段高速公路特长隧道入口区域视觉特性，为隧道入口区域的道路标志、标线的设施提供了参考依据，也为隧道入口区域交通事故成因研究提供足够的理论依据，最终结论不仅适用于特长隧道入口，也可以应用于长隧道入口区域.

5)目前仅针对一个隧道的实车实验数据进行分析，后续研究将扩大隧道和驾驶人的样本数量，进而分析隧道平曲线、交通设施等因素对驾驶人的视觉特性的影响.