高速公路隧道口綠化對駕駛員心理的影響

肖代全，申振武，徐學才

(華中科技大學　土木工程與力學學院，湖北　武漢　430074)

高速公路隧道口綠化對駕駛員心理的影響

肖代全，申振武，徐學才

(華中科技大學土木工程與力學學院，湖北武漢430074)

摘要：高速公路隧道進出口環(huán)境的復雜性是隧道口事故率高于隧道其他路段的重要原因。選取30條典型公路隧道，利用照度儀、動態(tài)心電圖機，對高速公路隧道處的照度變化及駕駛員心理變化進行了行車試驗研究。根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)，建立了隧道進出口綠化形式與隧道內外照度差、駕駛員心率變化之間的定量關系。利用照度系數(shù)與心率增長率來評價隧道照度變化及駕駛員心率變化。結果表明：隨著隧道口綠化程度的加深，照度系數(shù)下降，隧道口綠化設置能有效地減少隧道內外的照度差；駕駛員心率增長率呈現(xiàn)下降趨勢，駕駛員在隧道路段行駛的心理緊張程度不斷緩解。

關鍵詞：交通工程；心理影響；心率檢測；高速公路隧道；綠化

0引言

隨著我國公路建設的發(fā)展，交通事故也層出不窮，公路隧道路段尤其是公路隧道口附近的交通安全狀況很不樂觀。據(jù)統(tǒng)計資料，各等級隧道洞口附近的事故遠遠高于隧道內部路段[1-2]，在隧道入口200～400 m路段內發(fā)生的事故占事故總數(shù)的70%以上[3]。

駕駛員在出入隧道口時會經(jīng)歷較長時間的明暗適應過程。當駕駛員驟然間從明亮的環(huán)境進入黑暗的環(huán)境或從黑暗的環(huán)境進入明亮的環(huán)境時，會覺得眼睛在一瞬間看不見東西，這就是人眼的明暗適應性，即對光線明暗突變的視覺適應。調查研究表明，高速公路隧道進出口亮度的急劇變化會造成駕駛員明暗適應困難，是形成隧道進出口事故黑點的重要原因[4]。

針對隧道出、入口明暗適應性問題，目前國內外學者的研究主要集中在駕駛員視覺效應、隧道照明及減光柵、遮光棚等方面。K. Katja等[5]調查了隧道設計的諸多因素對駕駛行為的影響，得出了隧道設計和照明對駕駛員行為存在影響且照明是關鍵因素的結論。W. Zhao等[6]研究了長隧道夜間照明與行車安全的關系，并基于行車試驗和模糊評價法建立了模型，得出了夜間照明應該被控制在9 lx以下的結論。杜志剛等[7-10]利用EMR—8眼動儀系統(tǒng)，對公路隧道出、入口駕駛員的瞳孔變化進行了試驗研究，在大量試驗的基礎上，建立了基于駕駛員瞳孔面積及面積變化速度的行車安全評價指標，在此基礎上利用瞳孔面積速度/瞳孔面積臨界速度比率來評價隧道路段的視覺負荷，最終得到隧道長度與視覺明暗適應時間的定量關系。丁光明等[11]運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡模擬視覺特征參數(shù)的變化，建立了出口區(qū)段駕駛員注視時間、注視次數(shù)和掃視幅度等參數(shù)變化的網(wǎng)絡模型。李英濤等[12]從分析公路隧道出、入口駕駛員視力恢復時間入手，研究隧道出、入口減光隔柵段合理長度的計算模型與合理取值問題，給出了不同設計速度的隧道出、入口減光隔柵段設計長度的建議值。

但對于通過綠化來改善隧道口明暗環(huán)境問題，國內外少有學者提及。美國在 1965 年就制訂了《公路美化規(guī)定》，日本在 1976 年制訂了《公路綠化技術基準》。美國聯(lián)邦公路管理局的《公路靈活性設計指南》(AASHTO FHD-1-2004)[13]中提到公路景觀設計中的一個重要的方面是對樹木的處理。張強等[14]論述了綠化在視線誘導、線形預告、消除緊張、明暗過渡、緩沖栽植等方面的作用，同時也分析了公路綠化中存在的影響視線、侵占道路、加重事故后果、造成眩目、視覺污染、視線誤導等影響安全的問題，提出了符合交通安全要求的公路綠化基本方法，但皆缺少行車試驗的支持。

解決隧道出、入口的明暗適應性問題，除了可通過隧道照明來降低隧道內外的明暗差異之外，合理的綠化配置對明暗突變也可起到緩沖作用，但這種方式在隧道口綠化或景觀設計中很少得到應用。本文利用動態(tài)心電圖機、照度儀等儀器，通過行車試驗，獲取駕駛員在進出隧道口時的生理心理指標及隧道口環(huán)境指標等，以實現(xiàn)用定量分析方法研究隧道口綠化對駕駛員心理的影響，探討綠化應用于改善隧道口事故的可能性。

1試驗設計與數(shù)據(jù)采集

1.1試驗設計

(1)試驗車輛

試驗車輛為沃爾沃XC-60型轎車，該車性能良好，能完成試驗要求。且駕駛員對該車車況比較熟悉。

(2)試驗隧道

試驗路段為滬蓉西高速公路(又稱湖北滬渝高速公路)。選取長186～9 000 m共30組隧道，主要以中長、長隧道為主，各隧道之間間距較遠，隧道路段環(huán)境相似性較大。隧道路段限速60～80 km/h。試驗隧道交通量較小，保證駕駛員在比較自由的車流里行駛。

(3)試驗駕駛員

試驗選擇了不同駕齡的男性駕駛員兩名，矯正視力均在5.0以上，年齡分別為34歲、22歲，對試驗路段均不熟悉。

1.2試驗要素測定

(1)隧道照度

試驗采用某公司生產(chǎn)的UNI-T UT382系列照度計，測量車輛駛入、駛出隧道整個過程中的照度值。該儀器能對數(shù)據(jù)進行實時的存儲和分析，并能將數(shù)據(jù)傳輸至PC利用專門的軟件進行分析。測量時間為白天，天氣為多云。

(2)駕駛員心電數(shù)據(jù)

在駕駛的認知過程中，駕駛員會因外界環(huán)境的刺激而產(chǎn)生心理和生理的變化。當外界環(huán)境較簡單、信息密度小時，駕駛員會處于比較放松的狀態(tài)，心率較低；而當外界環(huán)境復雜，信息密度大時，駕駛員會處于較緊張的狀態(tài)，心率相對較高。因此，可采用連續(xù)的心率檢測來評定不同行車階段駕駛員的工作負荷。試驗采用深圳某公司生產(chǎn)的清心L8動態(tài)心電圖機測量駕駛員的連續(xù)心率。與心率相比，心率增長率可以更真實地表征駕駛員行車時心、生理的變化程度。心率增長率可以采用如下的計算公式表示：

(1)

本文所研究的是隧道這一特殊道路交通環(huán)境對駕駛員的影響，所以將式(1)改進如下：

(2)

2隧道口綠化對駕駛員心理影響的分析

由于各試驗隧道口綠化形式不一，為了更好地分析綠化對駕駛員心理的影響，將試驗隧道分類為無綠化隧道、單側綠化(高路塹)隧道、雙側綠化(高路塹)隧道。本文采用平均心率增長率指標來描述綠化對駕駛員心理的影響，定義心率增長率峰值所在時刻前后10 s的心率增長率平均值作為描述駕駛員暗適應過程的平均心率增長率，記為D。

2.1不同綠化形式下的隧道口照度變化

在天氣晴朗的情況下，隧道外部照度能達到上萬lx，而洞內照度只有幾十勒克斯。選取3種綠化形式隧道各1條，做出隧道內外照度變化圖。定義照度系數(shù)作為描述隧道內外照度變化的指標，具體計算公式為：

(3)

式中，ΔI為照度系數(shù)；Iout為車輛進入隧道之前一段時間內(取5 s)的照度平均值；Iin為車輛進入隧道之后一段時間內(取5 s)的照度平均值，T為車輛進入隧道前后之間的時間(取10 s)。

根據(jù)式(3)和圖1至圖3可以計算得到3種類型隧道照度系數(shù)。

圖1　入口無綠化隧道實測照度變化曲線Fig.1　Curve of illuminance variation in tunnel without virescence at entrance

圖2　入口單側綠化(高路塹)隧道照度變化曲線Fig.2　Curve of illuminance variation in tunnel with unilateral virescence(high cutting)at entrance

圖3　入口雙側綠化(高路塹)隧道照度變化曲線Fig.3　Curve of illuminance variation in tunnel with bilateral virescence(high cutting)at entrance

通過對比發(fā)現(xiàn)，隨著隧道口綠化程度的加深，照度系數(shù)下降。其中無綠化隧道到單側綠化隧道的照度系數(shù)減小了56.6%；無綠化隧道到雙側綠化隧道的照度系數(shù)減小了68.3%。

表1　入口不同綠化類型隧道照度系數(shù)

根據(jù)以上分析得出結論：隧道口綠化設置能有效地減少隧道內外的照度差。

2.2不同綠化形式下的駕駛員心理變化

選取3種綠化形式共12條符合條件的隧道為例，得到駕駛員在隧道內部及出、入口附近行駛時心率隨時間的變化圖,如圖4至圖6所示。圖中實線位置表示隧道入口，虛線位置表示隧道出口。圖(a)、(b)表征駕駛員1的心率變化，圖(c)、(d)表征駕駛員2的心率變化。駕駛員1的平均心率為77次/min，駕駛員2的平均心率為93次/min。

圖4　入口無綠化隧道路段駕駛員心率變化圖Fig.4　Curves of drivers’ heart rate variation in tunnels without virescence at entrance

圖5　入口單綠化隧道路段駕駛員心率變化圖Fig.5　Curves of drivers’ heart rate variation in tunnels with unilateral virescence at entrance

圖6　入口雙綠化隧道路段駕駛員心率變化圖Fig.6　Curves of drivers’ heart rate variation in tunnels with bilateral virescence at entrance

從圖4至圖6可以得出：

(1)駕駛員通過隧道時，在隧道的進口與出口心率變化劇烈，隧道內部心率大于隧道外部心率。

(2)在靠近隧道入口處，駕駛員心率迅速上升，隨后到達峰值之后逐漸降低到平穩(wěn)水平；在靠近隧道出口處，駕駛員心率上升幅度較小。

(3)每條曲線都表現(xiàn)出隨著時間的延長而心率增長率逐漸降低的趨勢。這表明駕駛員駛入隧道時比駛出隧道時心理緊張。這是由于暗適應要比明適應困難的緣故。

由圖4至圖6計算得到心率增長率指標，見表2。

由表2可以得出，3種不同綠化形式的隧道隨著綠化程度的不斷加深，兩名駕駛員的心率增長率均呈現(xiàn)下降趨勢，駕駛員在隧道路段行駛的心理緊張程度不斷緩解。

根據(jù)以上針對3種綠化類型隧道行車環(huán)境下駕駛員心理的分析得出，隧道口設置綠化能有效緩和駕駛員進出隧道時的緊張心理，進而提高行車安全。

表2　駕駛員隧道路段行駛心率增長率指標

3結論

本文通過大量行車試驗，得到了駕駛員在進出隧道口時的心率數(shù)據(jù)及隧道口的環(huán)境照度數(shù)據(jù)，進行了定量分析，得出以下結論：

(1)隧道口綠化設置能有效減少隧道內外的照度差，緩和照度變化，改善駕駛員明暗適應過程。隨著綠化程度的加深，3種綠化形式的隧道照度系數(shù)逐漸減小，無綠化隧道至雙側綠化隧道的照度系數(shù)減少達到68.3%。

(2)隧道口綠化設置能顯著緩和駕駛員進出隧道時的緊張心理，提高行車安全。隨著綠化程度的加深，3種綠化隧道環(huán)境下兩位駕駛員的心率增長率均逐漸減小，無綠化隧道至雙側綠化隧道的駕駛員心率增長率減少平均達到52.1%。

參考文獻：

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Impact of Virescence at Expressway Tunnel Portal on Driver’s Psychology

XIAO Dai-quan, SHEN Zhen-wu, XU Xue-cai

(School of Civil Engineering & Mechanics, Huazhong University of Science &Technology, Wuhan Hubei 430074, China)

Abstract：The complexity of expressway tunnel portals’ environment is the major cause for a higher accident rate at tunnel portal than other tunnel roads. By using illuminance meter and dynamic electrocardiograph, we researched the illuminance change on expressway tunnels and drivers’ psychological change based on driving tests in 30 well-selected typical tunnels. According to a large number of experimental data, we established the quantitative relationship of the virescence form of the tunnel portal with the illuminance difference and driver’s heart rate change inside and outside the tunnel. Using illuminance coefficient and heart rate increase, we evaluated tunnel illuminance change and driver’s psychological change. The result shows that (1) virescence at tunnel portals can effectively narrow the illuminance gap; (2) drivers’ heart rate increase exhibit a decreasing trend and drivers are mentally released because of the greening settings when traveling in a tunnel section.

Key words：traffic engineering; psychological impact; heart rate measurement; expressway tunnel; virescence

收稿日期：2015-06-18

基金項目：國家自然科學基金項目(51308242/E080702)

作者簡介：肖代全(1980-)，男，四川遂寧人，博士研究生.(xiaodaiquan@yeah.net)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.06.016

中圖分類號：U491.2+54

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)06-0101-06