基于驾驶仿真的海底隧道出入口段视觉减速标线有效性

潘福全， 梁雪， 王琳， 陈德启， 杨晓霞， 张丽霞

(青岛理工大学机械与汽车工程学院， 青岛 266000)

随着通行需求的不断扩大，交通事故频繁发生。在公路隧道交通事故的研究中发现，超速是引发交通事故的重要因素之一，且隧道出入口段事故发生率最高[1]。而海底隧道又因行车环境相对闭塞、内外光照差异、遇难疏散困难等问题，造成了众多交通安全隐患。若在海底隧道设置传统的减速设施，驾驶舒适性和稳定性欠佳，甚至会带来危险。但视觉减速标线能弥补上述不足，它是利用视错觉原理来引起驾驶员心理和生理变化，促使驾驶员主动采取减速措施，同时还具有驾驶舒适性较好、稳定性较强、噪声较小、易于维护等优点。

国外对于视觉减速标线在普通公路的研究较早，但缺少视觉减速标线在海底隧道应用的研究。Balde[2]通过实验研究视觉减速标线对车速和车速离散性的影响，结果表明变间距视觉标线减速效果优于等间距标线，且白天的视觉减速标线效果优于夜晚。Lee等[3]研究视觉减速标线设置下韩国高速环坡道行驶速度的变化，结果表明该标线能显著控制高速环坡道的车速。Pratyaksa[4]为研究亚特兰大市两条坡道上设置鱼刺形减速标线的安全效益，分析了坡道的交通事故数据，结果表明设置鱼刺形减速标线可有效减少坡道的碰撞事故。Arien等[5]基于驾驶仿真实验研究横向减速标线和倒向人字形标线对弯道内和附近弯道中的速度和横向控制的影响，结果表明两种标线都影响平均速度和平均加速度，但不影响横向控制。Hussein等[6]采用贝叶斯法分析了加拿大3个管辖区中38个公路段的交通事故数据，结果表明较宽的纵向减速标线可减少碰撞。Calvo-Poyo等[7]通过实验研究纵向减速标线宽度与车速的关系，结果表明较宽的纵向减速标线有助于降低车速。Yotsutsuji等[8]发现将横向减速标线设置在与缓和曲线部分相邻的直车道上，有助于车辆减速进入弯道。

国内对视觉减速标线的研究较晚，且在隧道等特殊路段方面的研究较少。张冬梅[9]根据隧道出入口段行车环境、驾驶员视觉特征以及车速，分别建立了隧道出入口段视觉减速标线的参数计算模型。段萌萌[10]运用UC-win/Road对视觉减速标线方案进行仿真实验并筛选出效果较优的标线方案，通过实验验证其有效性和安全性。陶盼盼等[11]通过对隧道入口段横向减速标线和红色警示路面的驾驶仿真实验，建立趋势面模型，分析其对车速和行车舒适性的影响。施兹国等[12]为研究减速标线、彩色路面等控制措施对驾驶员车速的影响，建立了驾驶员视觉负荷模型。尚婷等[13]为研究视觉减速标线横向宽度的安全性和舒适性对驾驶员瞳孔变化的影响，建立了二者之间的回归模型。潘福全等[14]通过实验分析了驾驶员在海底隧道出入口段受不同照度和纵坡耦合作用下眼动特征变化规律，建立了相应的数学模型。白婧荣等[15]通过实验采集分析了纵向减速标线设置下山区城市道路交叉口路段驾驶员瞳孔指标和区间速度等数据，结果表明驾驶员在设置纵向减速标线的山区城市道路交叉口路段可提前减速。

目前中国现有相关规范[16]中没有明确规定海底隧道视觉减速标线的设置，基于此，现设计6种视觉减速标线方案，通过驾驶仿真实验，运用驾驶模拟器及眼动仪等设备采集分析所设计的视觉减速标线方案下驾驶员眼动特征参数的变化规律，对提高海底隧道行车安全性具有重要意义。

1 视觉减速标线方案设计

以胶州湾海底隧道黄岛—团岛方向收费站处到隧道入口内150 m作为隧道入口段研究路段，隧道出口内200 m到隧道出口外100 m作为隧道出口段研究路段。胶州湾海底隧道划分区段示意图如图1所示。参考最新交通标线标准规范，结合已有视觉减速标线研究成果，共设计了6种海底隧道出入口段视觉减速标线方案。

1.1 海底隧道入口段视觉减速标线方案设计

1.1.1 方案1：鱼刺形减速标线与红色警示路面组合设计

隧道入口外30 m至隧道内20 m设置红色警示路面，隧道入口外50 m设置等间距2 m的白色倒向鱼刺形减速标线，其设计参数为单个标线夹角为60°，横向宽度W=3 m，线宽h=30 cm，闪现率f=8 Hz，共15条标线，如图2所示。

1.1.2 方案2：横向减速标线与红色警示路面组合设计

隧道入口外30 m至隧道内20 m设置红色警示路面，隧道入口外50 m处设置白色横向减速标线，其设计参数为横向宽度W=3 m，线宽h=45 cm，两条一组，沿行车方向相邻标线间隔依次为20 m和17 m，共6条标线，如图3所示。

图1 胶州湾海底隧道划分区段示意图Fig.1 Schematic diagram for division of Jiaozhou Bay undersea tunnel

图2 标线方案1平面图Fig.2 Plan of marking scheme 1

图3 标线方案2平面图Fig.3 Plan of marking scheme 2

1.1.3 方案3：纵向减速标线与红色警示路面组合设计

隧道入口外30 m至隧道内20 m设置红色警示路面，隧道入口外50 m设置白色纵向减速标线，与道路边缘线基本保持平行的菱形块沿行车方向由窄变宽，菱形块长1 m，宽30 cm，标线间距1 m，标线与行车道夹角为45°，与道路边缘线相距5 cm，如图4所示。

图4 标线方案3平面图Fig.4 Plan of marking scheme 3

1.2 海底隧道出口段视觉减速标线方案设计

1.2.1 方案4：基于车速增加原理的黄色鱼刺形减速标线设计

隧道出口内100 m处设置变间距黄色倒向鱼刺形减速标线，闪现率为8 Hz，标线间距依次为2.4、2.4、2.4、2.3、2.3、2.3、2.2、2.2、2.2、2.1、2.1、2 m，共13条，如图5所示。

图5 标线方案4平面图Fig.5 Plan of marking scheme 4

1.2.2 方案5：基于车速增加原理的白色鱼刺形减速标线设计

隧道出口内100 m处设置变间距白色倒向鱼刺形减速标线，闪现率为8 Hz，标线间距依次为2.4、2.4、2.4、2.3、2.3、2.3、2.2、2.2、2.2、2.1、2.1、2 m，共13条，如图6所示。

图6 标线方案5平面图Fig.6 Plan of marking scheme 5

1.2.3 方案6：基于车道视觉变窄原理的纵向减速标线设计

隧道出口100 m处设置白色纵向减速标线，相邻标线间距为100 cm，宽度依次为10、11.3、12.6、13.9、15.2、16.5、17.8、19.1、20.4、21.7、23、24.3、25.6、26.9 m，共14条标线，如图7所示。

图7 标线方案6平面图Fig.7 Plan of marking scheme 6

2 仿真实验

基于上述方案设计，运用UC-win/Road和Sketch Up建模工具，根据胶州湾海底隧道实际设计文件构建了海底隧道仿真实验场景模型，并选取年龄在25～50岁，均具有一定海底隧道路段驾驶经验的26名驾驶员，其中女性驾驶员8名。运用 Blue Tiger驾驶模拟器和FaceLab眼动仪进行驾驶仿真实验，实时采集所有驾驶员眼动特征数据和车速等信息，以此来分析海底隧道视觉减速标线方案的有效性。

2.1 海底隧道入口段视觉减速标线仿真场景

方案1～方案3的仿真实验场景如图8～图10所示。

2.2 海底隧道出口段视觉减速标线仿真场景

方案4～方案6的仿真实验场景如图11～图13所示。

2.3 实验过程

实验分为4个部分。

(1)预实验：让驾驶员试驾5 min以适应仿真实验驾驶环境。

图8 方案1仿真实验场景Fig.8 Simulation experiment scene of scheme 1

图9 方案2仿真实验场景Fig.9 Simulation experiment scene of scheme 2

图10 方案3仿真实验场景Fig.10 Simulation experiment scene of scheme 3

图11 方案4仿真实验场景Fig.11 Simulation experiment scene of scheme 4

(2)采集无标线设置仿真场景下眼动参数：在更换标线方案实验场景前，驾驶员需要在无视觉减速标线方案的海底隧道仿真场景下进行实验，记录此时驾驶员的眼动数据和车速，作为对照组。

图12 方案5仿真实验场景Fig.12 Simulation experiment scene of scheme 5

图13 方案6仿真实验场景Fig.13 Simulation experiment scene of scheme 6

(3)正式实验：驾驶员在实验过程中不允许变道，按上述6种方案依次进行实验，直到所有视觉减速标线方案仿真实验全部完成。

(4)驾后调查问卷：驾驶员在每个驾驶场景结束后，还需填写调查问卷。

3 视觉特征变化分析与模型构建

基于仿真实验获得的眼动数据和车速等信息，分析驾驶员在隧道出入口段注视特性和瞳孔直径变化规律，分别构建车速与驾驶员瞳孔直径的回归模型。

3.1 注视特性变化数据分析

为研究视觉减速标线方案对驾驶员注视特性的影响，通过分析注视点位置和注视次数，对注视点次数进行计算，得到驾驶员注视点在减速标线区域的占比，即驾驶员注意力集中区域。

3.1.1 海底隧道入口段

对数据进行分析处理，拟合驾驶仿真实验场景和注视点分布区域，划分出隧道入口段驾驶员的可视范围，如图14所示。

视点区域划分图中，各注视区域主要的观测物，例如，A：视觉减速标线、行车道等；B：隧道顶部墙壁等；C：驾驶员所处的位置，包括仪表盘等；D：车辆左侧后视镜、左侧行车道、行车道边缘线、左侧隧驾驶员的注视点分布因道路行驶条件的不同而变化：驾驶员注视点主要分布在道路线形、道路两侧及道路前方远近不同的道路环境上，为了准确发现所设计减速标线对驾驶员的视觉影响，故不考虑其他车辆的干扰，只研究驾驶员注视点在减速标线区域的占比，计算公式为

(1)

式(1)中：Iij为i标线方案下j区域注视点占比；nij为i标线方案下j区域注视点数；Ni为i标线方案下驾驶员可视范围内全部视点。将注视点数据代入式(1)，计算得到驾驶员在海底隧道入口段不同标线方案下各区域的注视点占比，如图15所示。

当车辆行驶到隧道入口段，驾驶员视线分布区域占比排序为：A>B>D>E>C。由此可知，驾驶员在行驶过程中，注意力主要关注车前以及近处道路上的情况，故视线大部分集中在车前和近处道路的A区域；当逐渐靠近隧道入口时，光线变化较为明显，且逐渐变大的建筑物也对驾驶员造成一定的视觉冲击，故B区域的视线分布较多；由于还需关注左右视镜及两侧相邻车道情况，故驾驶员视线也分布在D、E两区域；又因驾驶员的视线主要集中在车外的道路状况，故C区域视线分布最少。

图14 隧道入口段视点区域划分图Fig.14 View area division of tunnel entrance section

图15 隧道入口段不同标线方案下各区域注视点占比图Fig.15 Proportion of view points in each area under different marking schemes at tunnel entrance section

与方案2和方案3相比，方案1下A区域驾驶员注视点占比较高，原因是驾驶员在鱼刺形减速标线行驶时，会产生车速越来越快的错觉，注意力高度集中，故注视点主要分布在视觉减速标线区域；与方案1和方案2相比，方案3下D区域和E区域驾驶员注视点占比略高，原因是驾驶员在纵向减速标线行驶时，会产生车道越来越窄的错觉，故注意力主要集中在视觉减速标线区域和车道左右两侧。

3.1.2 海底隧道出口段

对数据进行分析处理，拟合驾驶仿真实验场景和注视点分布区域，划分出隧道出口段驾驶员的可视范围，如图16所示。

将注视点数据代入式(1)计算得到驾驶员在海底隧道出口段不同标线方案下各区域的注视点占比，如图17所示。

由图17可知，在即将驶出隧道口的路段，驾驶员视线分布区域占比大小顺序与驶入隧道入口时大致相同，但驾驶员对于A、B区域的注意力分配明显增加，主要原因是“白洞”效应降低了驾驶员的视觉能力，使其无法较好地判断前方车辆与道路状况，驾驶员需集中注意力辨识行车线、交通标志牌等，故视线在A、B区域的分布占比明显增加。

图16 隧道出口段视点区域划分图Fig.16 View area division of tunnel exit section

图17 隧道出口段不同标线方案下各区域注视点占比图Fig.17 Proportion of view points in each area under different marking schemes at tunnel exit section

与方案4和方案6相比，方案5下A区域驾驶员注视点占比较高，原因是驾驶员在白色鱼刺形减速标线行驶时，会产生车速越来越快的错觉，故注意力主要集中在减速标线区域。与方案4和方案5相比，方案6下D区域和E区域驾驶员注视点占比略高，原因是驾驶员在纵向减速标线行驶时，会产生车道越来越窄的错觉，故注意力主要集中在视觉减速标线区域和车道左右两侧。

3.2 瞳孔直径变化数据分析与模型构建

当驾驶员眼睛受到外界刺激时，瞳孔直径增加；视觉负荷保持不变时，长时间的行驶使得驾驶员进入疲劳状态，瞳孔直径减小。故可通过分析驾驶员瞳孔直径数据，描述驾驶员在不同减速标线方案下的生理及心理变化。

3.2.1 海底隧道入口段

(1)隧道入口段瞳孔直径描述统计量分析。由表1可知，瞳孔直径均值排序为：方案1>方案3>方案2>对照组，表明在设置视觉减速标线的情况下，驾驶员视觉负荷增加、瞳孔直径变大，有助于驾驶员主动降低车速。

(2)隧道入口段误差值条图分析。在海底隧道入口段选取16个瞳孔直径观测断面，计算26名驾驶员在16个观测断面的瞳孔直径平均数值和标准值，运用Origin分析处理瞳孔直径统计参数，绘制出海底隧道入口段视觉减速标线方案下驾驶员瞳孔直径变化的误差条图，如图18所示。

由图18可知，驾驶员从注意到减速标线到隧道入口外25 m的减速标线处，瞳孔直径增加。进入隧道后，由于隧道内环境较暗于隧道外环境，故隧道内驾驶员瞳孔直径大于隧道外。在无减速标线的情况下，驾驶员瞳孔直径偏小、警惕性较低。比较三种不同的标线方案，发现驾驶员在经过视觉减速标线方案1时，所受到的视觉冲击最大，瞳孔直径数值最高，注意力高度集中，有助于行车安全。

(3)隧道入口段模型构建与分析。根据上述实验数据和回归分析理论，在隧道入口段建立视觉减速标线方案1下车速与驾驶员瞳孔直径的回归模型，如图19所示。

计算得出车辆行驶速度和瞳孔直径的非线性回归模型为

y=-838.142 06+715.975 87x-

189.318 39x2+16.554 34x3

(2)

式(2)中：y为车辆行驶速度，km/h；x为驾驶员瞳孔直径，mm。

表1 海底隧道入口段瞳孔直径描述统计量分析Table 1 Statistical analysis of pupil diameter description at tunnel entrance section

图18 隧道入口段各方案下瞳孔直径误差条图Fig.18 Error bar chart of pupil diameter under each scheme at tunnel entrance section

图19 隧道入口段车辆行驶速度与驾驶员瞳孔直径的关系Fig.19 Relationship between vehicle speed at tunnel entrance and driver’s pupil diameter

式(2)回归模型的拟合优度检验R2=0.940 78，表明回归模型对样本数据的代表性较强，可用该回归模型描述视觉减速标线方案1下车速与驾驶员瞳孔直径之间的关系。

由图19可知，从接近视觉减速标线到隧道入口处，由于受到视觉减速标线的影响，驾驶员瞳孔直径增大，车速相应减小，二者呈负相关。进入隧道后，因未设置减速标线以及光照强度较弱等原因，驾驶员瞳孔直径和车速都相应增大，二者呈正相关。故该视觉减速标线方案，有助于驾驶员提高警惕，主动降低车速。

3.2.2 海底隧道出口段

(1)隧道出口段瞳孔直径描述统计量分析。由表2可知，瞳孔直径均值排序为：方案5>方案4>方案6>对照组，表明视觉减速标线方案设置下驾驶员视觉负荷增大，驾驶警惕性提高，有助于行车安全。

(2)隧道出口段误差值条图分析。在出口段选取16个瞳孔直径观测断面，计算26名驾驶员的平均数值和标准值，运用Origin分析处理瞳孔直径统计参数，绘制出海底隧道出口段视觉减速标线方案下驾驶员瞳孔直径变化的误差条图，如图20所示。可以看出，从驾驶员接近减速标线到驶离隧道口，瞳孔直径先增加后减小。在隧道出口内100 m的范围内，由于较复杂的驾驶环境，驾驶员受到更大的视觉刺激，视觉负荷加剧，故驾驶员在这段距离的瞳孔直径最大。在无减速标线的情况下，驾驶员瞳孔直径偏小且精神集中点偏后，不利于行车安全。比较以上3种标线方案，发现方案5下驾驶员的瞳孔直径最大，警惕性最高，可有效降低行车风险。

(3)隧道出口段模型构建与分析。根据上述实验数据和回归分析理论，在隧道出口段建立视觉减速标线方案5下车速与驾驶员瞳孔直径的回归模型，如图21所示。

表2 海底隧道出口段瞳孔直径描述统计量分析Table 2 Statistical analysis of pupil diameter description at tunnel exit section

图20 隧道出口段各方案下瞳孔直径误差条图Fig.20 Error bar chart of pupil diameter under each scheme at tunnel exit section

图21 隧道出口段车辆行驶速度与驾驶员 瞳孔直径的关系Fig.21 Relationship between vehicle speed at tunnel exit and driver’s pupil diameter

计算得出车速和瞳孔直径的线性回归模型为

y=74.236 15-1.323 57x

(3)

式(3)中：y为车辆行驶速度，km/h；x为驾驶员瞳孔直径，mm。

式(3)回归模型的拟合优度检验R2=0.827 79，表明回归模型对样本数据的代表性较强，可用该回归模型描述视觉减速标线方案5下车速与驾驶员瞳孔直径之间的关系。

由图21可知，车速与驾驶员瞳孔直径之间呈负相关，原因是从减速标线设置区域到靠近隧道出口处产生的“白洞”效益，均使驾驶员瞳孔直径增加，车速相应减小；驶离隧道后，因未设置减速标线且光线充足，故驾驶员瞳孔直径减小，车速相应增加。因此，该视觉减速标线方案下驾驶员警惕性高，可主动降低车速。

4 驾驶员问卷调查分析

设计者在设置减速标线时，应遵循驾驶员的心理和生理特性。故在每个驾驶场景结束后，应对驾驶员进行问卷调查，验证视觉减速标线方案的有效性。主要调查内容如下。

(1)驾驶员是否易于发现和理解减速标线。

(2)驾驶员视觉特征是否受到减速标线的影响。

(3)不同减速标线下驾驶员的错觉影响程度。

(4)不同减速标线下察觉距离的变化。

统计分析6种视觉减速标线方案下26名驾驶员的调查问卷结果。

4.1 错觉影响分析

采用5级李克特(Likert)量表对错觉影响指标进行量化处理，拟定错觉影响评价标准如下：对驾驶过程影响非常明显(5)、影响比较明显(4)、影响一般明显(3)、影响不明显(2)、毫无影响(1)。统计分析驾驶员在视觉减速标线方案下错觉感知程度的评分，如图22所示。

图22 减速标线方案错觉影响百分比堆积图Fig.22 Percentage accumulation diagram of illusion influence of deceleration marking scheme

由图22可知，在隧道入口段，视觉减速标线方案1下驾驶员的错觉感知影响最明显，验证了3.1节中驾驶员在方案1下视觉减速标线区域的注意力高于方案2和方案3的结论；在隧道出口段，视觉减速标线方案5对驾驶员的错觉感知影响最明显，验证了3.1节中驾驶员在方案5下视觉减速标线区域的注意力高于方案4和方案6的结论。综上，设置白色鱼刺形减速标线对驾驶员的错觉影响大于黄色鱼刺形减速标线、纵向减速标线及横向减速标线。

4.2 察觉距离分析

采用5级李克特(Likert)量表对察觉距离指标进行量化处理，拟定察觉感知评价标准如下：距离标线85～100 m时察觉到减速标线(5)、距离标线70～85 m时察觉到减速标线(4)、距离标线55～70 m时察觉到减速标线(3)、距离标线40～55 m时察觉到减速标线(2)、距离标线短于40 m时察觉到减速标线(1)。统计分析驾驶员在视觉减速标线方案下察觉距离程度的评分，如图23所示。

由图23可知，在隧道入口段，驾驶员在方案1下察觉距离最长，反应决策时间最多，可较早采取减速措施，验证了3.2节中方案1下驾驶员警惕性高于方案2和方案3的结论；在隧道出口段，方案5察觉距离最长，验证了3.2节中方案5下驾驶员警惕性高于方案4和方案6的结论。综上，白色鱼刺形减速标线的察觉距离长于黄色鱼刺形减速标线、纵向减速标线及横向减速标线。

图23 减速标线方案察觉距离百分比堆积图Fig.23 Percentage accumulation diagram of detection distance of deceleration marking scheme

5 结论

(1)分析了驾驶员注视特性数据，得出驾驶员在经过白色鱼刺形减速标线设置段时注视点分布最为集中，主要关注车前和近处道路的A区域。

(2)分析了驾驶员瞳孔直径数据，发现与无减速标线方案相比，视觉减速标线方案下驾驶员瞳孔直径明显增大；与其他减速标线方案相比，白色鱼刺形减速标线设置下驾驶员瞳孔直径最大、警惕性最高。在海底隧道出入口段，分别建立最优标线方案下车速和驾驶员瞳孔直径之间的回归模型，发现白色鱼刺形减速标线下驾驶员瞳孔直径增加，车速减小，有助于提高行车安全性。

(3)分析了驾驶员问卷调查数据，得出驾驶员在白色鱼刺形减速标线下错觉影响和察觉距离均大于其他视觉减速标线，其能促使驾驶员较早采取减速措施。