基于視覺負(fù)荷指標(biāo)的隧道進(jìn)口合理遮光設(shè)施設(shè)置研究＊

陶鵬鵬 馮 超 杜志剛 王明年

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1） 武漢 430063）（湖北省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)院2） 武漢 430070）

（西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3） 成都 610031）

0 引 言

公路隧道作為高速公路重要通道節(jié)點(diǎn)，對于高速公路安全順暢通行起著極其重要的作用.隧道路段事故率遠(yuǎn)高于正常路段，白天晴天為事故多發(fā)期［1］.這是由于視覺信息是駕駛員判斷道路環(huán)境的主要方式［2］，而隧道進(jìn)口瞳孔照度劇烈過渡，引起“黑洞效應(yīng)”，誘發(fā)駕駛員瞳孔出現(xiàn)劇烈擴(kuò)張，使駕駛員視覺負(fù)荷增加，導(dǎo)致難以有效辨析道路信息，從而交通事故發(fā)生.

隧道行車視覺負(fù)荷主要為視覺認(rèn)知負(fù)荷和視覺生理負(fù)荷.視覺認(rèn)知負(fù)荷主要是由認(rèn)知過程中刺激信息而引起的信息處理負(fù)荷；視覺生理負(fù)荷則主要為由眼動(dòng)而引起的生理性瞳孔反應(yīng)［3］.瞳孔反應(yīng)主要包括瞳孔光反應(yīng)及認(rèn)知工作反應(yīng).瞳孔光反應(yīng)是一種控制瞳孔的直徑在回應(yīng)任何光線的強(qiáng)度，落在眼睛的視網(wǎng)膜上，協(xié)助適應(yīng)各種級別的黑暗和光明反應(yīng).認(rèn)知工作瞳孔反應(yīng)是由于周圍神經(jīng)系統(tǒng)的副交感神經(jīng)活動(dòng)減少誘發(fā)人的認(rèn)知負(fù)荷所引起的瞳孔反應(yīng)［4］.

瞳孔尺寸主要是受瞳孔對光反應(yīng)影響［5-6］.Cheng等［7］測量從0.04～4lx各種低照度水平的瞳孔尺寸，結(jié)果表明瞳孔尺寸與照度極其相關(guān).胡英奎等［8］測量從0.1～3.5cd／m2的13種照度水平的瞳孔尺寸，并評價(jià)合理背景亮度在0.7～3.5 cd／m2之間.

隧道進(jìn)口遮光設(shè)施是用來緩和照度劇烈過渡（一般陰天、雨天則不存在劇烈的照度過渡）的主要方式，而現(xiàn)狀削竹式遮光設(shè)施形式多樣，作用效果并不相同，因此有必要對削竹式遮光設(shè)施遮光效果進(jìn)行探究.本文利用隧道微縮模型模擬真實(shí)隧道，多次測量不同形式的削竹式隧道進(jìn)口瞳孔照度，并利用視覺負(fù)荷指標(biāo)對削竹式遮光設(shè)施進(jìn)行分析和比選，以評價(jià)各種遮光設(shè)施的優(yōu)劣，為設(shè)計(jì)削竹式洞門提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］，采用設(shè)計(jì)速度80km／h以上、上下分離式的公路隧道，每車道寬度不小于3.75 m，建筑界限高取5.0 m，檢修道取0.75m.據(jù)以上規(guī)范要求，設(shè)計(jì)比例尺為1∶20的公路隧道微縮模型見圖1.

圖1 公路隧道微縮模型設(shè)計(jì)圖

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量可靠性，本次實(shí)驗(yàn)選取的自然環(huán)境與真實(shí)隧道照度測量的環(huán)境相近，以減少實(shí)驗(yàn)誤差.因此實(shí)驗(yàn)選在無遮擋物的室外開闊地，5月晴朗的10：00～17：00.

1.3 實(shí)驗(yàn)器材

TESTO 545照度儀、微縮模型、筆記本電腦等.

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

考慮國內(nèi)隧道線形多采用南北向，以避免陽光對駕駛員視線的直射（隧道東西方向設(shè)置，遮光設(shè)施失效），降低眩光，故本次微縮模型擺放方位選為南北向.微縮模型隧道進(jìn)口瞳孔照度測量方案如下：封閉隧道出口，沿行車方向，距洞口-100，-75，-50，-25，0，25，50，75，100cm 位置點(diǎn)，依次測量瞳孔照度.其中遮光設(shè)施為30°，45°，60°的正反削竹式洞門.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 精度檢驗(yàn)

為便于體現(xiàn)瞳孔照度下降趨勢的變化情況，與實(shí)際行車進(jìn)行精度校核，本文將以微縮模型瞳孔照度變化與路上實(shí)測瞳孔照度變化所形成的夾角，檢驗(yàn)二者變化趨勢精確度.若夾角超過一定閾值則視為模型的照度過渡測量值無效，本實(shí)驗(yàn)將夾角閥值定為90°，檢驗(yàn)結(jié)果見表1.

由表1可知，公路隧道模型實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在接近隧道進(jìn)口的過程中，自隧道進(jìn)口斷起點(diǎn)開始瞳孔照度下降趨勢的精度發(fā)生逐漸減小，且進(jìn)入隧道模型內(nèi)部10m 以上，數(shù)據(jù)降低趨勢更大.

2.2 視覺負(fù)荷指標(biāo)

2.2.1 視覺負(fù)荷系數(shù)

杜志剛［9］利用瞳孔面積變化得出視覺負(fù)荷系數(shù)，如式（1）～（3）所示.

表1 各測量時(shí)間段的微縮模型瞳孔照度對數(shù)變化精度及檢驗(yàn)表（端墻式）

式中：S為瞳孔面積，mm2；E為駕駛員瞳孔照度，lx；ve為瞳孔面積變化速度；V為隧道入口車輛行車速度，m／s.同時(shí)得出瞳孔面積及面積變化臨界速度變化關(guān)系，見表2.

表2 瞳孔面積及面積變化臨界速度關(guān)系檢驗(yàn)

由表2可得：

式中：vec為隧道進(jìn)口瞳孔面積變化臨界速度.

瞳孔變化過快，則容易超過其適應(yīng)能力，將引起視覺障礙，產(chǎn)生不良駕駛行為.因此設(shè)隧道路段t時(shí)刻瞳孔面積速度／瞳孔面積臨界速度比率為k（定義為：基于瞳孔面積臨界速度的視覺負(fù)荷系數(shù)），對于白天隧道路段，則有下式成立：

2.2.2 理想照度過渡曲線

若全過程瞳孔面積變化速度都滿足式（3），則為平均負(fù)荷系數(shù)k-，即視覺負(fù)荷恒定，則可認(rèn)為過程瞳孔面積變動(dòng)引起視覺負(fù)荷最合理，照度過渡最為理想.理想瞳孔面積變化速度見式（4）.

可得到進(jìn)口段理想瞳孔面積見式（5）.

式中：C（1）為常數(shù).駕駛員理想瞳孔照度如式（6）.

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)利用微縮模型對隧道進(jìn)口瞳孔照度進(jìn)行測量，每時(shí)段測量20 組.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用origin7.5進(jìn)行處理得出下午13：00 照度過渡最劇烈，因此選用13：00照度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該時(shí)間段的微縮模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1.

圖1 正／反削竹瞳孔照度曲線

為比選各設(shè)施遮光效果，采用視覺負(fù)荷系數(shù)k作為設(shè)施效果比選指標(biāo)，要求各遮光設(shè)施最大視覺負(fù)荷系數(shù)最小，同時(shí)要求視覺負(fù)荷系數(shù)過渡最小.若緩解瞬時(shí)盲期的遮光設(shè)施視覺負(fù)荷k值與理想的視覺負(fù)荷k值相近，即更接近理想照度曲線，則遮光設(shè)施遮光效果好，因此采用視覺負(fù)荷偏離度Sj來度量各遮光設(shè)施的視覺負(fù)荷系數(shù)過渡，Sj越小遮光設(shè)施視覺負(fù)荷系數(shù)過渡越平緩.遮光效果最優(yōu)效果評價(jià)如式（7）.

式中：Sj為第j個(gè)項(xiàng)目視覺負(fù)荷偏離度；為第j個(gè)項(xiàng)目理想視覺負(fù)荷k值；kji為項(xiàng)目j第i個(gè)特征點(diǎn)視覺負(fù)荷k值.

各種方案視覺負(fù)荷系數(shù)見表3，各遮光設(shè)施視覺負(fù)荷偏離度見表4.

表3 各種方案視覺負(fù)荷系數(shù)比較表

表4 各項(xiàng)目視覺負(fù)荷偏離度

由表3、表4可見：（1）60°反削竹、45°正削竹、60°正削竹、端墻式洞門視覺負(fù)荷相對較大，與理想照度偏離較大，究其原因是60°反削竹遮光長度較短，遮光效果有限，而45°削竹、60°削竹遮光中間部分為鏤空，遮光效果不佳；（2）遮光設(shè)施遮光效果由優(yōu)及劣的順序依次為：30°反削竹、45°反削竹、30°正削竹、45°正削竹、60°反削竹、60°正削竹、端墻式洞門；究其原因是30°正削竹兩翼遮光部分較長，有一定的減光效果，但由于遮光多依靠中間部分，因此30°反削竹、45°反削竹的減光效果相對較佳.

3 結(jié) 論

1）經(jīng)過數(shù)據(jù)有效性分析，公路隧道進(jìn)口微縮模型（1∶20）能夠有效模擬真實(shí)隧道進(jìn)口瞳孔照度過渡.

2）依據(jù)隧道進(jìn)口視覺負(fù)荷指標(biāo)，建立了隧道進(jìn)口理想照度過渡曲線.

3）依據(jù)視覺負(fù)荷指標(biāo)的削竹式遮光設(shè)施比選可知，30°反削竹的設(shè)施遮光效果最佳.

4）相同角度遮光設(shè)施形式，反削竹遮光設(shè)施比正削竹遮光效果好.

［1］倪洪亮，戴憂華，趙慶鑫.高速公路隧道事故分布研究［J］.公路，2010（4）：126-129.

［2］梁廣寧.當(dāng)代認(rèn)知心理學(xué)［M］.上海：上海教育出版社，2003.

［3］MACDONALD J S P，LAVIE N.Visual perceptual load induces inattentional deafness［J］.Attention，Perception，&Psychophysics，2011，73（6）：1780-1789.

［4］KRAMER A F.Physiological metrics of mental workload：a review of recent progress［R］.Illinois Univat Urbana-Champaign，1990.

［5］KUN A L，PALINKO O，RAZUMENI C I.Exploring the effects of size and luminance of visual targets on the pupillary light reflex［C］.Proceedings of the 4th International Conference on Automotive User Interfaces and Interactive Vehicular Applications.ACM，2012：183-186.

［6］PALINKO O，KUN A L.Exploring the effects of visual cognitive load and illumination on pupil diameter in driving simulators［C］.Proceedings of the Symposium on Eye Tracking Research and Applications.ACM，2012：413-416.

［7］CHENG A C K，RAO S K，CHENG L L，et al.Assessment of pupil size under different light intensities using the Procyon pupillometer［J］.Journal of Cataract &Refractive Surgery，2006，32（6）：1015-1017.

［8］胡英奎，翁 季，李 毅，等.道路照明條件下駕駛員瞳孔大小變化規(guī)律［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（8）：85-91.

［9］重慶交通科研設(shè)計(jì)院.JTG D70-2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［10］杜志剛，潘曉東，郭雪斌.公路隧道進(jìn)口行車安全的視覺適應(yīng)指標(biāo)［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，35（7）：15-19.