基于安全視認(rèn)的夜間公路隧道入口段光環(huán)境研究

胡江碧， 張曉芹， 郭達(dá)

(北京工業(yè)大學(xué) 城市交通學(xué)院，北京 100124)

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基于安全視認(rèn)的夜間公路隧道入口段光環(huán)境研究

胡江碧1， 張曉芹2， 郭達(dá)3

(北京工業(yè)大學(xué) 城市交通學(xué)院，北京 100124)

為使駕駛員在夜間安全舒適駛?cè)胨淼?，?duì)駕駛員駕駛車輛從隧道外暗環(huán)境駛?cè)胨淼纼?nèi)明環(huán)境的照明需求進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究. 分析了夜間隧道入口段由暗到明的光環(huán)境變化與交通安全的關(guān)系. 設(shè)計(jì)不同運(yùn)行速度情況下的目標(biāo)物視認(rèn)試驗(yàn)，采集了隧道的光環(huán)境信息、駕駛員的視認(rèn)信息與車輛的運(yùn)行狀態(tài)信息，并建立了視認(rèn)距離與隧道內(nèi)外亮度差的關(guān)系模型，計(jì)算出不同設(shè)計(jì)速度下夜間隧道入口段的亮度差閾值.

隧道工程；光環(huán)境；安全視認(rèn)；認(rèn)知特性；行為特性

在車輛行駛過(guò)程中，駕駛員不斷釆集道路交通和環(huán)境信息，做出判斷、決策，以修正駕駛行為. 駕駛員的視覺(jué)在感知交通條件中起著重要的作用，在駕駛員驅(qū)車前進(jìn)的過(guò)程中，有80%以上的所需信息來(lái)自視覺(jué)，駕駛員視覺(jué)功能的好壞直接影響著行車的安全性[1]. 而駕駛員能否在進(jìn)出隧道時(shí)獲得足夠的視覺(jué)信息，就取決于隧道洞口處的光環(huán)境條件.

光環(huán)境的色溫、顯色性、路面平均亮度對(duì)駕駛員的視認(rèn)效果起綜合影響作用. 色溫高的光源所發(fā)出的光顏色偏藍(lán)，色溫低的光源所發(fā)出的光顏色偏黃. 不同顯色性的光環(huán)境對(duì)路面上可能存在的障礙物的顏色的還原度不同，當(dāng)兩個(gè)物體表面亮度值相同時(shí)，顯色性好的光源，視亮度(主觀亮度)高；顯色性差的光源，視亮度(主觀亮度)低[2]. 當(dāng)隧道內(nèi)外亮度差異超過(guò)一定的閾限時(shí)，駕駛員無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)眼睛獲取足夠的道路、交通和環(huán)境信息.

從國(guó)內(nèi)外對(duì)于夜間入口段的照明規(guī)范來(lái)看，它們只規(guī)定了夜間入口段與中間段的亮度關(guān)系，并未考慮隧道內(nèi)的人工光源照明對(duì)已習(xí)慣隧道外光環(huán)境的駕駛員造成的影響. 目前的研究成果已經(jīng)證明采用中間視覺(jué)原理對(duì)隧道照明質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)更加符合人體視覺(jué)感知的要求，但主要是針對(duì)隧道中間段與白天入口段的靜態(tài)試驗(yàn)研究，對(duì)于夜間隧道入口段的視認(rèn)研究較少，更沒(méi)有學(xué)者進(jìn)行動(dòng)態(tài)情況下的視認(rèn)研究[3-8].

隧道光環(huán)境應(yīng)滿足駕駛員視覺(jué)信息采集和行車安全舒適的需要，文中通過(guò)采集小客車在高速公路上運(yùn)行的狀態(tài)和駕駛員的生理、心理參數(shù)對(duì)其認(rèn)知特性和行為特性進(jìn)行分析，研究了夜間暗明光環(huán)境的變化對(duì)駕駛員視認(rèn)的影響，并通過(guò)視認(rèn)試驗(yàn)得出不同設(shè)計(jì)速度下駕駛員對(duì)暗明光環(huán)境差異的需求閾值.

1 駕駛員認(rèn)知和行為特征分析

1.1 認(rèn)知過(guò)程中的眼動(dòng)特性

夜間隧道外亮度很低，駕駛員一直處于一個(gè)黑暗且單調(diào)的行車環(huán)境中，在行車過(guò)程中注視點(diǎn)絕大多數(shù)時(shí)間停留在前方車燈照亮的路面上；由于隧道入口段光環(huán)境的可見(jiàn)，駕駛員逐漸將注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移至隧道內(nèi)的路面上，并且通過(guò)不斷地掃視觀察隧道入口處的環(huán)境條件.

圖1為試驗(yàn)過(guò)程中采集到的駕駛員在夜間駛?cè)胨淼罆r(shí)典型瞳孔面積變化特征. 車輛行駛至隧道前一定距離時(shí)，駕駛員受到隧道內(nèi)人工照明光源影響，瞳孔面積迅速收縮，并在進(jìn)入隧道后繼續(xù)完成收縮，之后慢慢趨于穩(wěn)定. 說(shuō)明駕駛員在進(jìn)入隧道前就開(kāi)始了視覺(jué)認(rèn)知上的調(diào)整，直至進(jìn)入隧道后一段距離內(nèi)繼續(xù)完成調(diào)整.

1.2 駕駛行為特性

夜間駕駛車輛由一個(gè)漆黑的環(huán)境駛?cè)朊髁了淼赖倪^(guò)程中，隨著隧道環(huán)境的改變，駕駛員獲得的視覺(jué)信息不斷變化，致使駕駛員的注視點(diǎn)、瞳孔面積不斷發(fā)生改變，視覺(jué)神經(jīng)將這些信息傳送給大腦，駕駛員通過(guò)調(diào)整車輛的運(yùn)行速度以適應(yīng)不斷變化的隧道環(huán)境.

如圖2所示，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有人工照明光源營(yíng)造的光環(huán)境的隧道入口時(shí)，駕駛員視野內(nèi)的環(huán)境變得明亮，一般會(huì)采取加速措施，直至達(dá)到期望速度；駛?cè)胨淼篮螅\(yùn)行速度會(huì)繼續(xù)隨著隧道內(nèi)行車環(huán)境與道路條件的變化而發(fā)生改變. 其中貴馬隧道與大坡梁隧道為曲線隧道，駕駛員駛?cè)胨淼篮蟀l(fā)現(xiàn)線形條件不良，采取減速措施；馬腦沖隧道前半段為直線，線形條件良好，駕駛員保持原車速行駛.

2 駕駛員視認(rèn)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

通過(guò)設(shè)計(jì)目標(biāo)物視認(rèn)試驗(yàn)采集不同光環(huán)境與不同運(yùn)行速度下駕駛員能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物時(shí)車輛與目標(biāo)物之間的距離(視認(rèn)距離)，建立在工況下視認(rèn)距離與隧道內(nèi)外路面亮度差(簡(jiǎn)稱亮度差)的關(guān)系模型，通過(guò)模型計(jì)算滿足安全停車視距的視認(rèn)距離所對(duì)應(yīng)的亮度差閾值.

試驗(yàn)時(shí)段設(shè)置為夜間，天氣晴朗，能見(jiàn)度好. 在自由流情況下在色溫和顯色指數(shù)分別為5 700 K、70和5 000 K、70兩種不同隧道環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，調(diào)節(jié)不同的隧道內(nèi)路面亮度，要求駕駛員駕駛車輛以一定的速度從隧道外向隧道內(nèi)行駛，并在行駛過(guò)程中對(duì)前方目標(biāo)物進(jìn)行視認(rèn)，以能否輕松快速地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物為判別標(biāo)準(zhǔn)，記錄駕駛員對(duì)目標(biāo)物的視認(rèn)情況.

2.1.1 目標(biāo)物的選取

識(shí)別障礙物實(shí)質(zhì)性因素是目標(biāo)物的對(duì)比度，灰色目標(biāo)物與背景路面的亮度相近，對(duì)比度較低，它介于白色與黑色之間，作為障礙物的顏色最不容易被識(shí)別. 試驗(yàn)采用20 cm×20 cm×20 cm，反射率為20%的灰色立方體作為目標(biāo)物進(jìn)行試驗(yàn).

2.1.2 目標(biāo)物放置位置與路面亮度的表征值

從隧道洞口處每間隔1 m測(cè)量車行道分界線處的路面亮度，尋找到亮度不再變化路段的起點(diǎn)，以此特征點(diǎn)所在橫斷面處左側(cè)行車道的中點(diǎn)作為目標(biāo)物放置位置. 并以該點(diǎn)以內(nèi)一段區(qū)域的平均亮度作為路面亮度的表征值.

2.1.3 亮度表征值

由隧道內(nèi)向隧道外，以不受隧道內(nèi)照明光源與隧道洞口結(jié)構(gòu)物影響路段的起點(diǎn)處的平均路面亮度值作為隧道洞外路面亮度的表征值.

2.2 數(shù)據(jù)采集

采用隨機(jī)抽樣方法抽取了身體健康、視力正常、無(wú)腰腿病史、無(wú)心血管病史的12名駕駛員進(jìn)行視認(rèn)試驗(yàn)，以保證試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律性和可靠性. 要求每名駕駛員駕駛車輛駛過(guò)不同光環(huán)境的隧道以完成試驗(yàn). 通過(guò)機(jī)動(dòng)車非接觸速度儀實(shí)時(shí)采集車輛的運(yùn)行速度、標(biāo)記駕駛員視認(rèn)目標(biāo)物的位置以及目標(biāo)物自身的位置，通過(guò)亮度計(jì)采集駕駛位置下的路面處亮度值.

2.2.1 視認(rèn)距離與車輛運(yùn)行速度

記錄目標(biāo)物的擺放位置，利用機(jī)動(dòng)車非接觸速度儀標(biāo)記駕駛員發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物的位置與此時(shí)車輛的瞬時(shí)速度，在車輛經(jīng)過(guò)目標(biāo)物的瞬間再次記錄車輛位置；兩次記錄的位置間的距離為視認(rèn)距離，即駕駛員能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物時(shí)車輛與目標(biāo)物之間的距離.

2.2.2 隧道內(nèi)路面亮度

以水平1 m為間隔在兩燈之間分別對(duì)車行道分界線、車行道邊緣線以及車行道中間位置的亮度進(jìn)行測(cè)量，求出平均亮度.

2.2.3 隧道外路面亮度

在表征洞外亮度值的點(diǎn)處測(cè)量其車行道分界線、車行道邊緣線以及車行道中間位置的亮度，求得平均值.

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析2.3.1 亮度差與視認(rèn)距離

如圖3所示，在兩種不同照明光源情況下，駕駛員對(duì)目標(biāo)物的視認(rèn)距離都隨著隧道內(nèi)外路面亮度差的增大而增加；當(dāng)亮度差為0時(shí)(既關(guān)閉隧道內(nèi)部照明)，視認(rèn)距離保持在50～100 m之間；雖然圖3(a)、3(b)所呈現(xiàn)的增長(zhǎng)趨勢(shì)保持一致，但由于照明光源不同，它們的增長(zhǎng)幅度不同. 同樣亮度差下，色溫較低的視認(rèn)距離更遠(yuǎn)，說(shuō)明色溫(5 000 K)較低的試驗(yàn)環(huán)境優(yōu)于色溫(5 700 K)較高的環(huán)境.

2.3.2 運(yùn)行速度與視認(rèn)距離

由于夜間隧道入口外環(huán)境黑暗，隨著車輛的前進(jìn)周圍漆黑的環(huán)境基本不發(fā)生變化，導(dǎo)致駕駛員對(duì)周圍景物的感知能力下降，無(wú)法準(zhǔn)確感知車輛速度. 如圖4所示，駕駛員對(duì)目標(biāo)物的視認(rèn)距離沒(méi)有隨著運(yùn)行速度的改變而發(fā)生明顯變化，呈現(xiàn)出比較隨機(jī)的狀態(tài)，說(shuō)明視認(rèn)距離受運(yùn)行速度的影響很小，并且無(wú)明顯規(guī)律.

2.4 模 型

取運(yùn)行速度與亮度差作為因變量、視認(rèn)距離作為自變量，進(jìn)一步通過(guò)偏相關(guān)分析研究運(yùn)行速度與亮度差可能對(duì)視認(rèn)距離造成的影響.

偏相關(guān)分析結(jié)果如表1所示.

表1 偏相關(guān)分析結(jié)果

在兩種色溫顯色指數(shù)情況下視認(rèn)距離與亮度差密切相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.859、0.868，不相關(guān)概率P分別小于1.0%與2.5%；視認(rèn)距離與運(yùn)行速度的相關(guān)系數(shù)僅為0.003和0.179，不相關(guān)概率達(dá)99.4%與73.4%. 說(shuō)明在夜間隧道入口段視認(rèn)距離主要受到隧道內(nèi)外亮度差的影響，與運(yùn)行速度的大小無(wú)關(guān).

根據(jù)其分布情況分別進(jìn)行線性、二次多項(xiàng)式與指數(shù)回歸分析，分析表明，只有線性回歸模型可以通過(guò)樣本的分差分析(即樣本均數(shù)差異的顯著性檢驗(yàn))與模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn). 得到兩種色溫顯色指數(shù)情況下自變量(亮度差)與因變量(視認(rèn)距離)的擬合關(guān)系式(1)與式(2).

模型1：色溫5 700 K，顯色指數(shù)70，R2=0.742，

(1)

式中：D為視認(rèn)距離，m；L為夜間隧道洞內(nèi)外亮度差，cd/m2.

模型2：色溫5 000 K，顯色指數(shù)70，R2=0.759，

(2)

當(dāng)隧道內(nèi)外亮度差為0(既關(guān)閉隧道照明)時(shí)，隧道內(nèi)外均處于夜間自然照明光源的情況下，視認(rèn)距離與隧道內(nèi)照明光源的色溫、顯色性無(wú)關(guān). 故取兩模型中常數(shù)項(xiàng)的均值(65.161+69.720)/2=67.441作為該定值. 根據(jù)該定值對(duì)模型的常數(shù)項(xiàng)進(jìn)行修正得

(3)

式中a為不同光源所對(duì)應(yīng)的不同系數(shù).

從模型中可以看出在夜間隧道入口段隨著亮度差的增大，視認(rèn)距離也逐漸增大；由于受到人眼視力的限制，當(dāng)亮度差增長(zhǎng)到一定值時(shí)，視認(rèn)距離將不會(huì)再增加. 根據(jù)本模型建立所依據(jù)的樣本，該模型的適用范圍應(yīng)為D∈[67.441，266.3]，L∈[0.000，3.395].

2.5 基于安全視認(rèn)的亮度差閾值

為了使駕駛員在入口前接近隧道時(shí)能發(fā)現(xiàn)路面上的物體，并保證在車輛行駛到該物體前可以安全的停止，需要使從該物體能被看見(jiàn)時(shí)物體距離車輛的距離大于等于相應(yīng)隧道設(shè)計(jì)速度的停車距離. 通過(guò)模型計(jì)算，得出在色溫和顯色指數(shù)為5 700 K、70和5 000 K、70時(shí)，自由流情況下滿足不同設(shè)計(jì)速度所需停車視距對(duì)應(yīng)的亮度差閾值，如表2所示.

表2 不同光環(huán)境與不同運(yùn)行速度下亮度差閾值

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，夜間駕駛員在進(jìn)入隧道時(shí)的駕駛行為與隧道長(zhǎng)度沒(méi)有關(guān)系，且進(jìn)入隧道前采取加速行為；進(jìn)入隧道前就開(kāi)始了視覺(jué)認(rèn)知上的調(diào)整，直至進(jìn)入隧道后一段距離內(nèi)繼續(xù)完成調(diào)整. 在夜間入口段，視認(rèn)距離與運(yùn)行速度無(wú)關(guān). 建立了基于隧道內(nèi)外光環(huán)境差異的視認(rèn)距離與亮度需求的關(guān)系模型，得出了滿足駕駛員安全行車需求的夜間隧道入口段照明需求閾值，不僅提高了夜間隧道入口段光環(huán)境的安全性，也為隧道的運(yùn)行節(jié)能提供了參考. 下一步研究工作將進(jìn)一步擴(kuò)大不同色溫與顯色性的暗明光環(huán)境下的試驗(yàn)樣本，分析不同色溫顯色性組合時(shí)駕駛員的駕駛行為與目標(biāo)物的視認(rèn)情況，進(jìn)一步完善模型.

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(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Research on the Tunnel Entrance Night Light Environment of Highway Tunnel Based on Visual Safety

HU Jiang-bi1， ZHANG Xiao-qin2， GUO Da3

(College of Metropolitan Transportation， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China)

In order to make the driver enter the tunnel in a safe and comfortable state at night, when the driver entered bright environment from the dark environment. And the relationship was analyzed between the changes in environment from the darkness to brightness and traffic safety, a theoretical and experimental study was done for the lighting demand. A regression model of visual cognition distance and luminance difference was established with the target recognition test at different vehicle speeds. Finally, the luminance difference threshold was got for night tunnel entrance section at different vehicle speeds. The conclusions can provide a reference for the understanding and solving night entrance security issues and energy saving issues.

tunnel engineering; light environment;visual safety;cognitive characteristics; behavior characteristics

2014-11-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271371)；貴州省交通運(yùn)輸廳科技基金資助項(xiàng)目(2012-122-023)

胡江碧(1965—)，女，博士，教授，E-mail：hujiangbi@bjut.edu.cn.

張曉芹(1973—)，女，博士研究生，E-mail：1018604699@qq.com.

U 491.254

A

1001-0645(2016)05-0487-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.05.009