高速公路隧道进出口视觉振荡与行车安全研究

王亚楠

（招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 404100）

0 引言

进入21世纪以来，我国公路建设事业快速发展，截至2021年年底我国公路总里程达到528 万km，稳居世界第一位。伴随公路项目的快速建设，隧道作为一种基础交通设施也获得了快速发展，到2020年我国公路长隧道总数达到了5541 处。既有调查显示，公路隧道进出口是引起事故“黑点”的主要路段，进出口明暗度骤然改变，以致车辆驾驶员视觉、生理及心理负荷均显著增加，很容易出现不良的驾驶操作行为，严重时引起交通事故。过去国内很多学者针对公路隧道进行的研究多集中在线形安全设计及行车视距理论分析上，但是缺少可靠的行车试验数据支持，对驾驶人员视觉反应带来的影响关注度不够。本文以大量的隧道进出口行车试验研究作为支撑，阐明驾驶员瞳孔对光照改变做出的反应，研究视觉反应特性，以阐明隧道进出口这一特殊路段内交通事故频繁的成因。

1 采集分析试验数据

1.1 隧道

选择数条隧道作为研究对象，被选择隧道的限速范围60.0～80.0km/h。该研究中选定的试验隧道长度集中在1500.0～2440.0m 范围内，水泥、沥青路面隧道各5 组。

1.2 设备和人员

以EMR-8B 型眼动仪（日本）测定驾驶员的动态视觉资料；以MS6610 型照度仪配合应用自主研发的车辆三轴加速采集仪测定车辆加速状况。研究的车辆是比亚迪G3。

1.3 试验比较要素

正式进行试验研究之前，提取昼间不同时间段内和隧道进出口照度相关的资料，并且严格按照规范要求逐一测出行车加速度、驾驶员瞳孔直径大小，借此方式更合理地分析车速、驾驶员瞳孔面积等数据之间的相关性[1]。

2 照度和驾驶员瞳孔变化的关系

2.1 瞳孔变化和驾驶负荷大小的关系

个体瞳孔扩大预示着其产生的心理生理负荷偏大。驾驶员在驾车活动中，依赖瞳孔获得80.0%～90.0%的外部信息，95.0%的视觉信息处于动态变化中，驾驶员自身的动态视觉特性直接关系着是否会发生交通事故。对于驾驶员而言，瞳孔面积变化能较好地阐释其视觉适应及驾驶负荷程度。隧道进出口路段照度骤然改变，导致车辆驾驶员瞳孔面积出现较明显的变动，可以应用眼动仪完整地记录分析这种变化，在此基础上更科学地评估实际驾驶负荷及车辆行驶环境的舒适度。

2.2 照度和瞳孔面积的关系

将隧道内路面照度设定为E，驾驶员试验瞳孔面积为S，为隧道进出口样本创建log（E）-log（ES）关系图。于差异化控制变量之间检验log（E）-log（ES）的线性关系。发现在显著性水平为0.001 的情景下，log（E）-log（ES）呈明确的一次线性关系，据此可以初步认为在隧道进出口存在着log（ES）=alog（E）+b，即有：

式（1）中：a、b 都是常数，因路面形式、进出口外形、驾驶人员自身视觉特异性的不同而稍有差别。

2.3 瞳孔面积和亮度的关系

因为路面亮度L 和其照度之间存在着正比例关系，有：

式（2）中：q是常数,即亮度系数，与路面材料反射特性之间存在着密切的关联性。将式（2）代入式（1），有：

式（3）表示驾驶员瞳孔面积和隧道进出口亮度水平之间存在着幂函数关系，即和Stevens 定律保持一致。

2.4 瞳孔面积变化速度的分析

将式（1）左右两侧对时间t 进行求导，就能获得瞳孔面积变化速度：

在隧道进出口50.0m 范畴中，行车时间约2s，因为实际行程偏短，为了精简运算过程，可以将其看成是匀速V（km/h）行驶，则可以用式（5）表示瞳孔面积的变化情况：

3 视觉振荡及视觉舒适度的测评指标

3.1 视觉振荡现象

当汽车以较高速度通过隧道进出口时，因为存在着强烈的明暗过渡，以致驾驶员的瞳孔面积刹那间快速变化，并且瞳孔面积变化率呈快速提高的态势；若实际超出了驾驶员的视觉适应水平，将会造成瞳孔很难精准聚焦，此时很难确保视网膜上成像的清晰度，进入瞬时盲期。笔者将以上驾驶员光适应期间出现的“瞬盲”现象叫作视觉振荡，其成因主要包括如下三点。

第一，这种“瞬盲”现象是个体视觉适应时形成的，主要体现是早期瞳孔面积暂时性快速增大及随之而来的瞳孔面积缩小，以上是十分典型的双相涨落式变化过程。

第二，这是经典的视觉自适应表象，并且和医学临床上的眼震之间存在着本质性差别。

第三，这种现象和医学领域内的心律振荡情况之间表现出较高的相似度。

3.2 视觉舒适度测评指标

3.2.1 视觉振荡的持续时间以及换算系数

国内外大量学者对视觉振荡持续时间进行了大量的研究，关于其持续时间普遍被认可的是：如果个体在某一时刻自身瞳孔面积和相邻正常时刻扩大50.0%甚至是更多，那么可以将相应时刻叫作视觉振荡的开始点；若某一正常时刻的瞳孔面积和前一相邻时刻相比减小50%或更多，那么可以将该时刻叫作视觉振荡的结束点，由振荡开始点至结束点的车辆运行时间就是视觉振荡的持续时间[2]。

既有昼间行车试验研究发现，70.8%的隧道进口和95.2% 的隧道出口视觉振荡持续时间为0.05～1.00s，刺激时间均较短暂，可以将其分别定义为换算系数(μ) 与换算视觉振荡时间(tc)，如式（6）、（7）所示。

式（6）～式（7）中：t0、tv分别为视觉振荡开始时间、持续时间；S(t)为t 时刻的瞳孔面积；S1为瞳孔的最大面积，眼动仪默认成人的瞳孔最大直径是10.0mm，所以取S1=78.54mm2。

3.2.2 创建视觉舒适度测评指标

既有研究指出，当视觉刺激＜0.1s 时不会使驾驶员产生不良知觉，而心理学试验研究中经常选择0.2s作为最小视觉刺激时间。在合理分析驾驶员视知觉的基础上，创建了表1 的测评指标。

表1 隧道进出口路段驾驶员视觉舒适度测评指标

3.2.3 二次视觉振荡

有学者在隧道进出口路段进行了行车试验分析，发现当车速＞100.0km/h、tc＞0.2s 时，隧道进口、出口出现二次视觉振荡现象的占比分别达到了60.0%、44.4%，振荡的时间间隔都不足1.5s；而将车速控制在90.0km/h 以下时，驾驶员不会出现二次视觉振荡现象。

针对驾驶员出现的二次视觉振荡现象，如果两次相邻tc≤0.2s，并且间隔时间＜1.5s 时，则可以将相邻的两次视觉振荡看成是单个视觉振荡过程。分别运算出两次视觉振荡以及中间正常段对应的tc值，累计三段tc值就是隧道进出口行车全过程的换算视觉振荡时间持续长度。

3.3 视觉振荡的试验研究

3.3.1 车速与视觉振荡

在108 次有效隧道试验试样内，白天、夜间试样分别有73 次、35 次。

分析隧道进出口车速V 和换算系数μ 之间的关系，当车速V＞90.0km/h 时，μ ≈1.0；V＜0.0km/h时，μ ＜0.85，并且在该区间内，伴随车速的增加，视觉振荡强度水平也呈现出逐渐变大态势；将车速调控在90.0km/h，则有助于弱化视觉振荡强度即减少二次振荡现象发生的风险。

分析隧道进口车速和换算视觉振荡时间持续长度两者的关系，当车速被控制在40.0～85.0km/h 范围时，tc值大小和车速之间存在着负相关性。而当隧道出口车速是90.0～120.0km/h 时，tc和车速之间呈正比例关系，即伴随车速的增加，tc值也随之增大。

综合以上分析内容，针对限速是80.0km/h 的公路隧道，在隧道进口路段如果能将车速控制在85.0km/h 以下时，驾驶员就不会产生较大的视觉振荡强度，并且也有助于减少或规避二次视觉振荡这种异常现象。

3.3.2 视觉振荡的试验结果

表2 内罗列出了行车试验分析所得的隧道进出口的tc值，并且依照视觉舒适度测评指标做出对比分析。

表2 隧道进出口行车试验的tc 值统计

分析表2 内统计的各类隧道进出口tc均值，能够对进出口路段内驾驶员视觉舒适度进行排序，即夜间出口＞白天出口＞白天进口。这就预示着驾驶员在隧道进出口的暗适应比明适应困难更大，并且伴随照度过渡斜率的增加，出现视觉障碍的概率也会有所增加。

3.4 基于视觉适应的停车车距分析

驾驶员在明暗适应过程中因出现视觉振荡现象而产生了不同程度的视觉障碍问题，带来的最直接后果是个体认知反应时间延长，故而在隧道进出口这一特殊路段内应适度增加停车视距，从而使行车过程的安全性、可靠性得到更大保障，以视觉适应作为基础的停车视距要符合如下关系等式：

在式（8）内，Ls表示最小行车视觉的增加，其满足：

当车速V在行车速度是100.0km/h、80.0km/h 时应用设计速度的85.0%，行车速度是60.0km/h 时应用设计速度的90.0%，依照式（8）、（9）运算获得基于视觉适应的隧道进出口的停车视距（见表3）。

表3 基于视觉适应的隧道进出口的停车视距

表3（续）

综合分析表3 内的数据，公路隧道进出口的停车视觉和现行规范要求的数值增加了20.0～30.0m，为了能给隧道工程设计工作创造便利条件，可以尝试将进出口的停车视距进行统一取值[3]。

4 结语

本文在分析视觉振荡概念的基础上，应用换算视觉振荡时间创建了驾驶员视觉舒适度测评指标，尝试应用量化形式评估隧道进出口行车安全性与驾驶员主观舒适度。对于限速是80.0km/h 的隧道，要求其进出口行车速度不可超过85.0km/h，借此方式将驾驶员的视觉振荡强度维持在较低范畴内，减少或规避二次视觉振荡的现象，有助于增加视觉感官的舒适度。同时，应适当增加隧道进出口的停车视距，建议比现行规范增加20.0～30.0m 左右。以此提高隧道进出口车辆行驶安全性，保障高速公路的安全运行。