隧道洞口景觀色彩安全性研究

尚　婷， 陶盼盼， 徐志祥

(1.重慶交通大學 交通運輸學院， 重慶　400074；　2.重慶交通大學 土木工程學院， 重慶　400074)

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隧道洞口景觀色彩安全性研究

尚婷1， 陶盼盼2， 徐志祥2

(1.重慶交通大學 交通運輸學院， 重慶400074；2.重慶交通大學 土木工程學院， 重慶400074)

[摘要]從駕駛員視覺角度出發(fā)，利用UC-winRoad軟件模擬了隧道洞口不同景觀色彩場景，采用Tobii Studio Installer 3.2.2.130眼動儀軟件檢測并記錄了8名被測試者的眼動數(shù)據(jù)，分析了隧道洞口不同景觀色彩對駕駛員瞳孔直徑指標的影響，并建立二者的關(guān)系模型。結(jié)果表明：隧道洞口設(shè)置紅色和黃色時，駕駛員瞳孔直徑最大，且處于安全范圍之內(nèi)，能更好的誘導(dǎo)駕駛員視線，提高駕駛員的警覺性；隧道洞口設(shè)置藍色和綠色時，駕駛員瞳孔直徑變化較?。凰淼蓝纯跓o色彩設(shè)置時，隨著駕駛員靠近隧道洞口，其瞳孔直徑逐漸增大，給駕駛員造成一定的壓抑感，不利于行車安全。

[關(guān)鍵詞]隧道洞口； UC-winRoad； 景觀色彩； 瞳孔直徑

1概述

截至2013年底的統(tǒng)計，我國已有公路隧道11 359座，總長9 606 km。而1979年，我國公路隧道通車里程僅為374座，52 km[1]。進入新世紀以來，公路隧道年均增長率高達20%，且有逐年增速加快的趨勢[2]。中國土木工程學會隧道及地下工程分會公布的統(tǒng)計表明，我國已成為世界隧道及地下工程建設(shè)規(guī)模和建設(shè)速度第一大國。伴隨著公路隧道建設(shè)的迅猛發(fā)展的同時，隧道交通安全形勢愈加嚴峻。2010年，中國某山區(qū)高速公路隧道在入口段發(fā)生的交通事故數(shù)占該隧道事故總數(shù)的54.5%[3]；某省份公路隧道的交通事故率是洞外的3～4倍，且隧道交通事故傷亡程度更加嚴重[4]。因此，公路隧道洞口的安全性應(yīng)受到高度重視。

瑞典在阿爾卑斯山上的某些特別危險的路段涂上了紅顏色，結(jié)果交通事故減少了85%～90%[5]，此研究表明一定的色彩對交通安全具有促進作用。近年來，國內(nèi)外的專家學者們逐漸將生理指標引入交通安全的研究中，Healey[6]通過測量車速、駕駛?cè)搜蹌雍托穆首兓葏?shù)，比較兩條具有相同線形參數(shù)但交通事故量卻差異較大的兩條S形道路；Elizarova[7]在林區(qū)道路上測試行駛的駕駛?cè)?，研究林區(qū)道路的線形結(jié)構(gòu)、汽車的行駛速度對駕駛?cè)搜獕?、心率和注視行為的影響以及相關(guān)性；Tal[8]選取混合路段、單一路段作為試驗路段，測量了駕駛員不同路段的心率變異并進行分析。胡江碧[3]分析了駕駛?cè)藢λ淼廊肟诙握彰鞯鸟{駛視覺需求特性及照明條件對駕駛?cè)税踩孢m性駕駛瞳孔面積變化率的影響。丁光明[9]研究了高速公路隧道環(huán)境對駕駛員視覺、心率等生理指標的影響。

上述研究大多集中在隧道的通風、照明和明暗過渡，鮮少有從駕駛員心理生理的角度來研究隧道洞口色彩對駕駛行為的影響。鑒于此，本文基于色彩心理學原理，通過室內(nèi)仿真試驗，采用Tobii眼動儀對駕駛員生理特征進行測量，對動態(tài)視域下隧道洞口色彩進行研究具有重要意義和現(xiàn)實價值。

2隧道洞口色彩及駕駛員眼動特征

隧道洞口應(yīng)用的材質(zhì)多以混凝土為主，灰色不僅給人帶來壓抑感，還不易被駕駛員所感知；但是過于鮮亮的顏色會使得原本緊張的心理平添恐懼情緒，使得本來較快的車速下增加興奮之感，起到適得其反的作用。駕駛員在行車過程中需要及時感知各種交通信息，在各種感覺器官中，視覺占80%，視覺系統(tǒng)是獲取外界信息的最重要通道[10，11]。不同的色彩會使人產(chǎn)生不同的心理、生理狀態(tài)，通過其生理狀態(tài)的變化來影響駕駛員的操作行為，是因為人的行為易受情緒的支配，且生理感受易被心理作用影響。根據(jù)環(huán)境行為學理論，行為是個人對環(huán)境認知的體現(xiàn)，計劃行為理論表明，行為可通過人的情緒態(tài)度、標準及認知直接調(diào)節(jié)[12]。因此，隧道洞口色彩是一把雙刃劍，合理的設(shè)置才能使駕駛員視覺和心理上產(chǎn)生安全感和舒適感，使之保持足夠的注意力注視前方路況。

隨著交通心理學、人因工程學和計算機科學的快速發(fā)展，人體的心理生理指標逐步被應(yīng)用到道路交通領(lǐng)域，反映駕駛員心理變化。據(jù)生理心理學研究表明，當駕駛員出現(xiàn)心理緊張情緒時，生理上就會表現(xiàn)出心跳加速、視覺敏銳性下降、視野變窄、瞳孔增大等。瞳孔的放大往往意味著認知活動中更大的加工負荷或心理努力。瞳孔的大小及反應(yīng)受交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)支配，此兩種神經(jīng)相互協(xié)調(diào)、相互作用，以控制瞳孔的變化。當機體處于緊張活動狀態(tài)時，交感神經(jīng)活動起著主要作用，能夠使心搏加強和加速、瞳孔散大、疲乏的肌肉工作能力增加等。反之，在身體放松時副交感神經(jīng)處于積極狀態(tài)，起到減慢心跳、瞳孔縮小、降低血壓的作用[13]。因此，瞳孔的變化能反映駕駛?cè)嗽隈{駛過程中遇到的不安或舒適的心理、生理狀態(tài)。由于瞳孔大小存在個體差異，而瞳孔面積變化率能更客觀地反映駕駛?cè)笋{車狀態(tài)，因此，本文中選擇該指標作為駕駛?cè)司o張程度的評價指標，來分析研究隧道洞口景觀色彩的安全問題。

3實驗方案設(shè)計

3.1UC-winRoad仿真視頻制作

為了便于研究，本文采用UC-winRoad仿真視頻軟件來模擬實驗場景，實驗選取交通標志中起禁令和警告作用的紅色、黃色，較舒適的綠色以及藍色等為實驗色彩，隧道洞口色彩的設(shè)置不宜過亮，以免影響駕駛員正常行駛。將所選色彩按相同的方式設(shè)置于隧道洞口處，駕駛員以相同方式經(jīng)過此隧道洞口，觀察隧道洞口景觀色彩對駕駛員瞳孔直徑的影響，為了便于計算色彩值，可根據(jù)式(1)計算色彩的平均值[14]。

C=(65 536×B)+(256×G)+(R)

(1)

其中：R、G、B分別表示紅綠藍3個通道的色彩值。

3.2實驗設(shè)備

采用Tobii Studio Installer 3.2.2.130眼動儀軟件來測試記錄駕駛員的眼動指標，該設(shè)備體積小(見圖1)，安裝方便，實驗過程中對被測者無干擾，能很好的記錄駕駛員全部的眼動參數(shù)并輸出相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)，其采樣頻率為60 Hz。

圖1　眼動儀設(shè)備

3.3測試人員

為能更準確的反映隧道洞口景觀色彩對駕駛員視覺的影響，本實驗選取身體健康、駕駛技術(shù)熟練的駕駛?cè)?名(其中有2位女性)，4位駕駛員駕齡均在3 a以上，年齡在20～45歲之間，要求被測試者在試驗前具有充足的睡眠，精神狀態(tài)良好，以免對駕駛員生理指標產(chǎn)生影響(見圖2)。

圖2　眼動實驗Figure 2　The experiment of eye tracking

4實驗結(jié)果分析

4.1色彩對駕駛員瞳孔的影響

Tobii Studio Installer 3.2.2.130的采樣頻率為60 Hz，如果將所特有的數(shù)據(jù)進行處理將會產(chǎn)生較大的工作量，且考慮到駕駛員從看到隧道到開始駛?cè)胨淼来蠹s為1 min。因此，在考慮實際情況且不會影響實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，為減少工作量，本文每隔2 s取一組數(shù)據(jù)，且將此2 s內(nèi)瞳孔直徑的平均值作為該組數(shù)據(jù)的代表值。

在實驗中測試了隧道洞口不同景觀色彩對駕駛員視覺指標的影響，由于瞳孔直徑大小能直接反應(yīng)駕駛員的精神狀態(tài)，所以圖3為駕駛員在不同隧道洞口景觀色彩下的瞳孔直徑變化情況。通過SPSS軟件對實驗提取的數(shù)據(jù)進行處理，分析了隧道洞口景觀色彩對駕駛員瞳孔直徑的影響。

圖3　駕駛員瞳孔直徑在隧道洞口不同景觀色彩下的變化情況Figure 3　The changing of drivers` pupil diameter under different landscape color on tunnel portal

從圖3可以看出：當在隧道洞口設(shè)置紅色時，隧道洞口設(shè)置黃色時，駕駛員瞳孔直徑略小于隧道洞口設(shè)置紅色時的瞳孔直徑，但二者的瞳孔直徑均大于其它色彩時的瞳孔直徑；隧道洞口設(shè)置藍色時，駕駛員的瞳孔直徑略小于隧道洞口設(shè)置紅色和黃色狀態(tài)下的瞳孔直徑，且在靠近隧道洞口時瞳孔直徑大小趨于穩(wěn)定。白色和綠色在整個過程中對駕駛員瞳孔的影響相差無幾，且一直處于平穩(wěn)狀態(tài)；當隧道洞口不設(shè)置任何色彩時，駕駛員的瞳孔直徑在靠近隧道洞口的過程中逐漸增大，這可能是由于駕駛員距離隧道洞口較遠時，對混凝土的灰色關(guān)注度不高，而在逐漸靠近隧道洞口時，混凝土的灰色會給駕駛員造成一定的壓抑感，從而駕駛員的瞳孔變大，這與色彩心理學理論一致。

為進一步分析隧道洞口景觀色彩對駕駛員瞳孔的影響情況，經(jīng)過對數(shù)據(jù)進行篩選，共選擇出15組數(shù)據(jù)進行隧道洞口色彩和駕駛員瞳孔直徑的量化研究。選取的樣本數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 隧道洞口景觀色彩均值與駕駛員瞳孔直徑Table1 Thelandscapecolorontunnelportalanddriver’spupildiameter隧道洞口景觀色彩均值瞳孔直徑/mm隧道洞口景觀色彩均值瞳孔直徑/mm17108373.2452022732.6436959103.5555266122.7344083073.4329901292.9644495233.0416665882.5828108682.6118002422.6730750663.17163824582.53136612262.92153955652.59128141212.85

4.2模型建立

為進一步研究隧道洞口景觀色彩對駕駛員瞳孔的影響，本文將采取較為常用且有效的模型來研究隧道洞口景觀色彩與駕駛員瞳孔直徑的定量關(guān)系。

由表1數(shù)據(jù)可知：色彩均值與瞳孔直徑均值間的數(shù)量級差別較大，可能會造成擬合結(jié)果的不準確，為避免數(shù)量級差別大造成的誤差，需要對表1數(shù)據(jù)進行歸一化處理，其具體計算公式如下[15]：

(2)

式中：xi為第i組變量的數(shù)值。

設(shè)隧道洞口景觀色彩均值為自變量x，駕駛員瞳孔直徑均值為因變量y，為更好擬合二者的關(guān)系，首先在Matlab軟件中繪制其散點圖，隧道洞口景觀色彩與駕駛員心率之間的關(guān)系散點圖如圖4所示。

通過使用Matlab軟件中的擬合工具箱試算，發(fā)現(xiàn)當使用6次多項式進行擬合時，R2為0.687，能夠很好的表達隧道洞口景觀色彩與駕駛員瞳孔直徑之間的關(guān)系，擬合關(guān)系圖如圖5所示。

經(jīng)Matlab軟件中的擬合工具箱擬合的隧道洞口景觀色彩與駕駛員瞳孔直徑二者的擬合公式為：

y=-245.2x6+859.8x5-1 112x4+

640.4x3-115.2x2+12.06x+

0.062 83

(3)

圖4　景觀色彩值與瞳孔直徑均值關(guān)系散點圖Figure 4　Scatter diagram between landscape color and pupil diameter

圖5　色彩與駕駛員瞳孔直徑擬合關(guān)系圖Figure 5　Fitting-figure between landscape color on tunnel portal and driver’s pupil diameter

5結(jié)論

① 隧道洞口無色彩設(shè)置時，隨著駕駛員駛近隧道，駕駛員瞳孔直徑逐漸增大，表明在遠處駕駛員對混凝土的灰色關(guān)注度不高，在近處會給駕駛員造成一定的壓抑感，不利于行車安全。

② 隧道洞口設(shè)置紅色和黃色時，駕駛員瞳孔直徑較大，且處于安全范圍內(nèi)，表明在隧道洞口設(shè)置適當?shù)牧辽芴岣唏{駛員的關(guān)注度，提高駕駛員的緊張度。

③ 隧道洞口色彩對駕駛員的視覺具有一定的影響，建議從駕駛員視覺角度出發(fā)，通過在隧道洞口設(shè)置適宜的色彩，來誘導(dǎo)駕駛員視線，改善隧道洞口交通安全現(xiàn)狀。

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The Safety Research of Landscape Color on Tunnel Portal

SHANG Ting1， TAO Panpan2， XU Zhixiang2

(1.Institute of Transportation， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China；2.Institute of Civil Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China)

[Abstract]From driver’s visual perspective，different colors on tunnel portal have been simulated using UC-winRoad.Eight drivers’eye movement data has been checked and recorded by Tobii Studio Installer 3.2.2.130.The impact of different colors on tunnel portal on driver’s pupil diameter was analyzed and established the relational model of the color on tunnel portal and drivers` pupil diameter based these datas.The results showed that driver’s pupil diameter was the biggest and in a safe range when applied red and yellow on tunnel portal.This can induce driver’s line of sight better and improve driver’s alertness.Driver’s pupil diameter changed little when applied blue and green on tunnel portal.Driver’s pupil diameter increased gradually with the driver close to the tunnel portal when there didn’t have colors on tunnel portal.This may give the depressing feeling to the driver and are bad for safe driving.

[Key words]tunnel portal； UC-winRoad； landscape color； pupil diameter

[收稿日期]2015-11-16

[基金項目]國家自然科學基金項目(51278514)；重慶市教育委員會項目(KJ130419)

[作者簡介]尚婷(1983-)，女，重慶人，博士研究生，講師，主要研究方向：道路交通安全。

[中圖分類號]U 491

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)03-0028-03