基于多頻信息的城市水下特長隧道中部光環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)*

倪玉丹 杜志剛 楊理波 焦方通

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

隨著城市快速擴(kuò)張與有限土地資源間沖突的不斷加劇，城市隧道正逐漸被廣泛采用，在受到江河湖海等限制的區(qū)域，一些跨江跨海等城市水下特長隧道逐漸興起.城市水下特長隧道與普通城市隧道相比，其除了具有普通城市隧道內(nèi)視覺環(huán)境單調(diào)、參考信息匱乏等問題外，城市水下特長隧道往往里程較長，更容易導(dǎo)致駕駛員心理壓力增大、產(chǎn)生不適，長時間在特殊的環(huán)境中行駛也容易導(dǎo)致駕駛員產(chǎn)生心理和生理疲勞，具體表現(xiàn)為對車速等感知判斷能力減弱，反應(yīng)時間延長，駕駛操作失誤.因此，本文以城市水下特長隧道中部光環(huán)境為研究對象，提出隧道中部光環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對于提高城市水下特長隧道中部的交通安全具有重要研究價值.

國內(nèi)外學(xué)者對于城市隧道光環(huán)境的研究主要集中在隧道出入口及駕駛員視覺特性方面.胡江碧等[1]研究指出駕駛員長期處于動態(tài)隧道光環(huán)境中時心理負(fù)荷較大，會出現(xiàn)心煩、緊張、興奮，以及由緊張到適應(yīng)轉(zhuǎn)折等反應(yīng)；在接近隧道入口時，駕駛員注視點(diǎn)前移，視區(qū)變窄，注視時間增加，眨眼次數(shù)減少，注意力主要集中在前方隧道入口路面.潘姝等[2]發(fā)現(xiàn)相比于隧道外環(huán)境，隧道內(nèi)駕駛員獲取信息的難度更大，對同一區(qū)域的注視重復(fù)率明顯增加，視覺搜索效率變低.而在駕駛疲勞方面，Ann等[3]探究了駕駛疲勞的原因，研究指出單調(diào)的駕駛環(huán)境可能導(dǎo)致駕駛員因無聊產(chǎn)生駕駛疲勞，而壓抑的工作環(huán)境也可能使駕駛員因高度緊張產(chǎn)生精神和肌肉上的疲勞.Mcvay等[4]發(fā)現(xiàn)，隨著駕駛時間的增加駕駛員維持車速的行為會減少、轉(zhuǎn)向偏移會增加，表明駕駛員隨著駕駛時間的增加變得疲勞難以關(guān)注其駕駛行為.倪娜等[5]對終南山隧道交通事故數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，特長隧道內(nèi)駕駛疲勞和操作失誤是導(dǎo)致交通事故的主要原因.

以上研究主要側(cè)重在了解城市隧道光環(huán)境特征以及駕駛員的視覺特性等方面.而目前關(guān)于改善城市水下特長隧道中部單調(diào)的行車環(huán)境，緩解駕駛疲勞問題等方面缺乏深入研究.因此，本文基于多頻信息理論對城市水下特長隧道中部光環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在改善隧道中部單調(diào)的駕駛環(huán)境，緩解駕駛員駕駛疲勞，以期為城市水下隧道光環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新思路.

1 改善原理及優(yōu)化方法

1.1 改善原理

發(fā)光物體或逆反射物體的設(shè)置間距可形成閃現(xiàn)的視覺警示，視覺警示的頻率為時間頻率，即刺激物在單位時間內(nèi)呈現(xiàn)的周期，單位為Hz[6].時間頻率是影響駕駛員者視覺感知的重要因素，頻率過高會給駕駛員造成視覺壓力，過低則會削弱其警示作用，研究表明駕駛員行車過程中，設(shè)置圖案的頻率在2～12 Hz范圍內(nèi)最合適[7-8].因此，擬采用時間頻率理論，通過多頻信息的組合實(shí)現(xiàn)對城市水下特長隧道中部光環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計(jì).

折線元素在建筑空間環(huán)境設(shè)計(jì)中代表理性的元素，是秩序美與突變形態(tài)的重要來源[9]，折線圖案的銜接、起伏、高低變化，在方向上加入有規(guī)律的突變運(yùn)動，線條的變化具有一定方向性，給駕駛員流動的心理感受，具有動態(tài)美感；曲線元素因其圓潤的特點(diǎn)和弧度的變化，給流動空間賦予了容納、疏導(dǎo)、流暢等感性意義[10]，人對曲線元素天然的偏愛導(dǎo)致人的感知能力和關(guān)注力會無意識地被曲線元素吸引，鄭展驥等[11]研究中指出，在隧道側(cè)壁布設(shè)韻律型標(biāo)線可有效緩解駕駛員駕駛疲勞現(xiàn)象.因此以隧道側(cè)壁環(huán)境為中心，按不同區(qū)段不同的行車需求設(shè)置不同的側(cè)壁曲線，賦予側(cè)壁圖案階段性變化，可改善隧道中部行車環(huán)境單調(diào)性，延緩駕駛疲勞的生成，提高行車安全性.

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

根據(jù)城市水下特長隧道中部駕駛員速度感缺失以及易產(chǎn)生駕駛疲勞的特點(diǎn)，將中部劃分為安全段和喚醒段，其中安全段主要以提高駕駛員速度感為優(yōu)化目的，需要駕駛員保持理智、清楚的判斷，因此安全段通過設(shè)置高頻黃黑立面標(biāo)記，提升駕駛員速度感，同時黃黑立面標(biāo)記可以有效顯示側(cè)壁與路面分界，體現(xiàn)空間路權(quán)及路側(cè)障礙物；設(shè)置中頻心電圖案，以提升駕駛員距離感，同時也具有一定韻律性，可以有效提升隧道空間美感.喚醒段則以改善駕駛疲勞為目的，視覺環(huán)境需要富有變化，設(shè)置超低頻韻律型圖案，提升舒適感、美感，階段性設(shè)置起到規(guī)律性給予駕駛員視覺刺激，緩解駕駛疲勞，提高駕駛舒適性的作用.具體見圖1和表1.

圖1 城市水下特長隧道中部優(yōu)化設(shè)計(jì)方法效果圖

表1 城市水下特長隧道中部優(yōu)化設(shè)計(jì)方法信息表

注：黃黑立面標(biāo)記間隔-單個黃色或黑色標(biāo)記長度；h-檢修道外側(cè)寬度；設(shè)施的時間頻率-主線設(shè)計(jì)速度80 km/h的速度進(jìn)行計(jì)算；3 km設(shè)置一段喚醒段，喚醒段長度-7 s行程150 m.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在隧道中直接進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)有較高的難度和危險(xiǎn)性，且對于優(yōu)化后的場景難以實(shí)施.因此，本文使用3DSMAX仿真軟件搭建城市水下特長隧道實(shí)驗(yàn)場景，用E-prime軟件對優(yōu)化前后實(shí)驗(yàn)場景進(jìn)行心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，模擬駕駛員在隧道中部的行車過程，定量分析城市水下特長隧道中部光環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對駕駛員駕駛疲勞改善效果，并通過SPSS24和origin2017對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析.

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)共挑選20名駕駛員作為被試，其中男性測試者14人(70%)，女性測試者6人(30%)，高駕齡駕駛員共有16人，低駕齡駕駛員4人.

駕駛疲勞最直觀的表現(xiàn)就是駕駛員反應(yīng)時間的延長及判斷錯誤和操作錯誤增多，進(jìn)而導(dǎo)致駕駛員速度感知能力減弱，速度感知能力是道路交通安全的重要一環(huán)，超速是交通事故的主要原因之一，而超速主要是因?yàn)轳{駛員對自身行車速度判斷不準(zhǔn)確[12],因此,以速度錯覺程度和反應(yīng)時間作為評價指標(biāo)，定量分析優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對駕駛員駕駛疲勞的影響.實(shí)驗(yàn)中模擬視頻時長為8 min，初始行車速度為70 km/h，在駕駛員駕駛車輛5 min后的10～150 s內(nèi)隨機(jī)發(fā)生速度變化(±10 km/h)，駕駛員需要在速度變化后10 s內(nèi)做出判斷進(jìn)行按鍵操作并口述感知速度，其中刺激與反應(yīng)產(chǎn)生之間的時間間隔可以由E-prime軟件自動記錄.

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

步驟1在實(shí)驗(yàn)正式開始前，駕駛員需熟悉實(shí)驗(yàn)過程，并進(jìn)行一段預(yù)實(shí)驗(yàn)，保證駕駛員熟悉測試設(shè)備及操作流程.

步驟2在電腦運(yùn)行E-prime軟件，在實(shí)驗(yàn)平臺上播放仿真視頻，開始模擬實(shí)驗(yàn).

步驟3在開始播放實(shí)驗(yàn)前，設(shè)計(jì)一組倒計(jì)時為駕駛員提供準(zhǔn)備時間，避免駕駛員分心未進(jìn)入狀態(tài).

步驟4要求駕駛員目光直視視頻中的道路前方，當(dāng)發(fā)現(xiàn)行車速度發(fā)生變化時做出判斷并按下操作鍵，系統(tǒng)將自動記錄駕駛員的反應(yīng)時間，速度判斷結(jié)果由記錄員記錄.

步驟5每個視頻結(jié)束后更換駕駛員進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)，本輪實(shí)驗(yàn)的駕駛員則休息等待；由E-prime軟件輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各組實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)時間

t=T1-T0

(1)

式中：T1為判斷出速度突變的時刻；T0為速度突變的時刻

2.3 模型校核

雖然模擬實(shí)驗(yàn)場景與實(shí)際場景相比具有很高的還原度，但給駕駛員的視覺感受仍有差異，因此需要對模擬實(shí)驗(yàn)場景進(jìn)行精度校核.試驗(yàn)中仿真場景與真實(shí)場景采用城市快速路普通路段，見圖2.在速度模型校核試驗(yàn)中，真實(shí)場景車速為65 km/h，仿真場景車速為(65±20) km/h，利用極限法測得仿真場景車速為66.58 km/h，模型誤差為-2.43%，在5%的誤差允許范圍，見表2.根據(jù)單樣本T檢驗(yàn)結(jié)果分析，雙尾概率P為0.092，大于0.05，可以認(rèn)為駕駛疲勞試驗(yàn)中仿真場景與真實(shí)場景不存在顯著差異.因此，綜上采用仿真模型場景進(jìn)行試驗(yàn)是有效的.

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M場景

表2 模型精度檢驗(yàn)

行車場景設(shè)計(jì)速度/(km·h-1)相對誤差/%單個樣本統(tǒng)計(jì)量樣本N標(biāo)準(zhǔn)差單個樣本T檢驗(yàn)(α=0.05)Sig(雙側(cè))95%置信區(qū)間下限上限真實(shí)行車場景65仿真模擬場景66.582.43205.230.09264.1369.03

2.4 實(shí)驗(yàn)場景設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)場景分為優(yōu)化前實(shí)驗(yàn)場景和優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)場景，模型根據(jù)青島第二海底隧道設(shè)置，隧道照明亮度為3.5 cd/m2，長15.8 km，設(shè)計(jì)車速80 km/h時，隧道高5 m，車道寬3.75 m,側(cè)向?qū)挾?.5 m.優(yōu)化前實(shí)驗(yàn)場景是無側(cè)壁信息的城市水下特長隧道中部場景，見圖3a)，優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)場景是設(shè)置側(cè)壁誘導(dǎo)圖案后的城市水下特長隧道中部場景，見圖3b).

圖3 優(yōu)化前后實(shí)驗(yàn)場景

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

基于E-prime平臺開展室內(nèi)仿真模擬實(shí)驗(yàn)，獲取優(yōu)化前后場景下駕駛員的速度判斷錯誤率和反應(yīng)時間數(shù)據(jù)，見表3.優(yōu)化前后速度錯覺程度和反應(yīng)時間擬合曲線圖見圖4～5.

由圖4可知：①駕駛員速度錯覺程度隨駕駛時間的增長呈上升趨勢，表明駕駛疲勞生成會影響駕駛員的行車績效，導(dǎo)致速度錯覺程度加深；②比較優(yōu)化前后駕駛員速度錯覺程度，優(yōu)化前駕駛員速度錯覺程度在速度突變時刻40～60 s增長幅度最大，表明此時段內(nèi)駕駛員疲勞累積程度加深；優(yōu)化后在100～120 s增長幅度最大，表明優(yōu)化后減小了駕駛員疲勞累積速率，駕駛員可保持相對較高的速度感知能力；③優(yōu)化前后駕駛員速度錯覺在速度突變初期(10～40 s)變化不大，但隨著駕駛時間的增多，優(yōu)化后駕駛員速度錯覺程度較優(yōu)化前降低1.80%～8.91%.

表3 城市水下特長隧道中部優(yōu)化前后駕駛員速度錯覺程度和反應(yīng)時間

圖4 優(yōu)化前后速度錯覺程度圖

圖5 優(yōu)化前后反應(yīng)時間擬合曲線圖

利用origin2017對駕駛員的反應(yīng)時間進(jìn)行Logistic擬合分析，通過擬合曲線和相關(guān)系數(shù)R2(接近1)可以判斷曲線擬合程度較高.擬合函數(shù)為

(2)

式中：A為反應(yīng)時間；x為速度突變時刻；A1為曲線上漸近線估值；A0為曲線下漸近線估值；x0為反應(yīng)時間變化的拐點(diǎn)；p為對應(yīng)的斜率.

由表3和圖5可知，優(yōu)化前駕駛員反應(yīng)時間隨著駕駛時間的增多明顯延長，說明在城市水下特長隧道中部存在明顯的駕駛疲勞現(xiàn)象.在相同的駕駛時間條件下，優(yōu)化后駕駛員反應(yīng)時間與優(yōu)化前相比減少0.06～1.21 s.

表4為優(yōu)化前后反應(yīng)時間擬合公式參數(shù)，通過logistic擬合公式的含義得知，擬合曲線拐點(diǎn)可以反映駕駛疲勞，即當(dāng)某一時段擬合曲線出現(xiàn)顯著性變化時，說明該時段駕駛產(chǎn)生疲勞.優(yōu)化前后的反應(yīng)時間變化拐點(diǎn)從40.39 s延后到108.44 s，與駕駛員速度錯覺程度結(jié)果一致，表明優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以延緩駕駛員駕駛疲勞生成.但當(dāng)駕駛時間超過7 min(速度突變時刻120 s)，優(yōu)化前后駕駛員的反應(yīng)時間差不再變化，表明隨著駕駛時間的延長，優(yōu)化方法的緩解作用有所削弱，主要是由于駕駛員對視覺刺激形成了視覺適應(yīng)性，刺激敏銳度降低.

表4 優(yōu)化前后反應(yīng)時間擬合公式參數(shù)

4 結(jié) 論

1) 優(yōu)化前駕駛時間的增加駕駛員速度錯覺程度顯著增長，表明城市水下特長隧道中部存在駕駛疲勞現(xiàn)象，駕駛員警覺性和操作靈活度降低；優(yōu)化后駕駛員速度錯覺程度降低1.80%～8.91%.

2) 駕駛員駕駛疲勞受到隧道視覺環(huán)境以及行車時間的綜合作用，優(yōu)化后駕駛員反應(yīng)時間拐點(diǎn)向后延長約68 s，說明優(yōu)化方法可以延緩駕駛疲勞生產(chǎn)；同時，在相同的行車時間下，優(yōu)化后駕駛員反應(yīng)時間比優(yōu)化前減少0.06～1.21 s，表明優(yōu)化方法階段性給予駕駛員視覺刺激，能有效緩解駕駛員駕駛疲勞，提升駕駛員注意力，有利于隧道中部行車安全.

3) 駕駛時間超過7 min(根據(jù)行車速度計(jì)算得行程為9.33 km)，優(yōu)化前后駕駛員的反應(yīng)時間差不再變化，表明該優(yōu)化方法對駕駛員駕駛疲勞的緩解效果減弱，故在長度大于9.33 km以上城市水下特長隧道應(yīng)考慮改進(jìn)優(yōu)化方法，這也是之后研究的重點(diǎn).