基于駕駛員視覺負荷的格柵式減光罩頻閃效應(yīng)研究*

陳培焱 吳 剛 馬小翔 潘曉東 蘇貴民

(同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室1) 上海 201804)(上饒經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)建設(shè)交通局2) 上饒 334000) (上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司3) 上海 200063)

0 引 言

相對正常路段，隧道口光環(huán)境的突變易造成駕駛員視覺和心理等方面的不適，存在巨大的安全隱患，導(dǎo)致其成為隧道事故高發(fā)路段.近年來，在隧道口路段設(shè)置一定的減光設(shè)施改善劇烈變化的光環(huán)境，得到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注.這一方法既減少光環(huán)境劇烈變化對駕駛?cè)艘曈X造成的干擾，也能起到降低隧道口照明的作用，從而降低隧道工程運營能耗[1].在眾多形式的減光設(shè)施中，格柵式減光設(shè)施具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、抗風(fēng)、使用周期長、維護方便等優(yōu)勢，是目前應(yīng)用最廣泛的減光設(shè)施[2].然而，對于格柵式減光設(shè)施的設(shè)置形式、相關(guān)評價指標仍缺少國家及行業(yè)的相關(guān)技術(shù)規(guī)范.尤其對于設(shè)置格柵式減光設(shè)施后所產(chǎn)生新的駕駛視覺問題，如頻閃效應(yīng)，沒有很好的解決.因此，研究格柵式減光設(shè)施產(chǎn)生的頻閃效應(yīng)對駕駛員視覺和心理的影響，對減光設(shè)施設(shè)置和隧道口行車安全具有重要意義.

國內(nèi)外研究人員均對隧道口減光設(shè)施展開了研究.在減光設(shè)施及減光路段光環(huán)境研究方面，國外研究主要集中在驗證減光設(shè)施對隧道口光環(huán)境的改善效果，和如何實現(xiàn)隧道口光環(huán)境逐漸減弱[3-5]，其他研究人員從節(jié)能減排的角度對減光設(shè)施設(shè)置的必要性和節(jié)能效果進行理論分析[6-8].國內(nèi)研究主要集中在減光設(shè)施的設(shè)計長度、視覺特性等方面如：李英濤等[9]以駕駛?cè)艘暳謴?fù)時間為基礎(chǔ)，提出了不同設(shè)計速度條件下隧道口路段減光設(shè)施設(shè)置長度計算模型.艾杰等[10]以甘肅省某高速公路隧道洞口為例，通過對幾種不同洞門減光防眩構(gòu)造物的比較研究，指出遮光棚不僅可解決減光過渡的問題，還可達到防眩的效果，提出了遮光棚設(shè)計應(yīng)注意的事項，如拱肋間距、鋁合金管環(huán)向間距、亮度等.劉少群等[11]基于人眼視覺特性曲線，利用隧道口加強照明對隧道口亮度梯度變化展開研究.瑋寶等[12]論述了在入口接近段遮光構(gòu)件的設(shè)計方法，在隧道口形成光環(huán)境過渡，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)人眼暗適應(yīng)曲線，應(yīng)用模型模擬實驗進行光環(huán)境實測，對光環(huán)境過渡效果及節(jié)能效率進行量化分析.杜志剛等[13]利用隧道口等比例微縮模型多次測量隧道進口瞳孔照度，利用視覺負荷指標，獲得理想照度曲線，并用于對6種不同形式的正削竹、反削竹減光設(shè)施的遮光效果進行分析和比選.

已有成果對于設(shè)置減光設(shè)施后，所形成新的光環(huán)境對駕駛員的影響研究較少.文中擬從格柵式減光設(shè)施頻閃效應(yīng)的形成機理出發(fā)，分析格柵式減光設(shè)施頻閃效應(yīng)對駕駛?cè)艘曈X和心理的影響規(guī)律，明確控制頻閃效應(yīng)的最優(yōu)閾值，從而為格柵式減光設(shè)施的設(shè)計方法提供理論依據(jù).

1 實驗方法

1.1 實驗對象

本次駕駛模擬實驗，通過發(fā)布招募廣告的形式，共招募20名被試參與實驗，為了綜合考慮駕駛員自身因素的影響，選取不同年齡段的被試進行了實驗，其中20～25歲10名，26～30歲5名，31～40歲5名.所有被試均持有有效的駕駛證件，且視力良好，無疲勞及藥物誤用等情況.

1.2 格柵式減光設(shè)施微縮模型

實物模型相似理論是人造等尺寸或微縮等比例模型為研究基礎(chǔ)的相似理論，以物理相似、幾何模型相似為基礎(chǔ)，主要包括實物模型的幾何相似、運動學(xué)相似、動力學(xué)相似.本研究實驗中，為實現(xiàn)改變格柵式減光設(shè)施的頻閃頻率，達到真實可控的實驗效果，制作1∶43格柵式減光設(shè)施路段等比例微縮模型，模型長3.92 m、寬1.5 m，見圖1.此模型可以調(diào)整減光格柵的間距，在保證高照條件相同的條件下，實現(xiàn)格柵路段不同頻閃頻率的控制.

圖1 隧道入口段1∶43微縮模型

1.3 眼動儀和心率儀

實驗采用德國開發(fā)的D-LAB頭戴式眼動儀對駕駛?cè)说囊曈X特征數(shù)據(jù)進行采集，該型號眼動儀主要功能為獲取駕駛?cè)说难蹌訑?shù)據(jù)，包括：視點注視時間、視點注視頻率、視點分布、瞳孔面積等.眼動儀的采樣率為60 Hz.

心率儀型號為Prince-100H，該儀器能記錄并儲存包括脈搏血氧飽和度值和心率值，其采集頻率為1 Hz.自帶管理系統(tǒng)軟件，通過與計算機連接記錄數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)管理和分析，方便用戶對歷史數(shù)據(jù)進行查看、分析和歸檔處理.

1.4 實驗方案

1) 實驗場景錄制用亮度儀及照度計對格柵減光模型路面亮暗區(qū)域進行亮度值及照度值測量.控制具有攝影功能的模型車，多次經(jīng)過隧道口段模型，以接近駕駛員視角的角度，錄制通過格柵路段模型時的場景視頻.調(diào)整格柵間距進而控制行車場景的頻閃頻率分別為：3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13 Hz，根據(jù)微縮模型縮尺比例不同頻閃頻率對應(yīng)的格柵間距分別為：21.5，16.1，12.9，10.7，9.2，8.0，7.2，6.4，5.9，5.4，4.9 cm.

2) 駕駛模擬實驗為實現(xiàn)駕駛模擬實驗連續(xù)性，將不同頻閃頻率下錄制的行車場景視頻進行拼接，得到約5 min的連續(xù)視頻.本實驗研究目的僅為不同頻閃頻率的隧道口減光路段行車環(huán)境對駕駛?cè)松砗托睦淼挠绊懷芯?考慮隧道入口段為直線路段，不需要駕駛?cè)擞蓄~外的駕駛操作，同時也盡可能排除因周圍車輛或駕駛員自身的操作對實驗?zāi)康牡挠绊?，本研究設(shè)計的駕駛模擬實驗可滿足實驗?zāi)康男枨?讓被試駕駛?cè)死锰幚砗蟮囊曨l進行駕駛模擬實驗，同時記錄實驗過程中駕駛?cè)搜蹌蛹靶穆首兓瘮?shù)據(jù).

2 視覺心理指標選擇及分析方法

2.1 眼動分析方法選定

眨眼是人眼眼瞼快速地打開和閉合，眨眼頻率是單位時間內(nèi)人眼完全閉合的次數(shù).在人處于安靜狀態(tài)下，人眼平均眨眼頻率為10～15 次/min，眨眼持續(xù)時間約0.2 s.當駕駛?cè)颂幱谙麡O的負面情緒或者緊張、焦慮疲勞狀態(tài)下，駕駛?cè)说恼Ｑ垲l率一般處于較高的水平；當駕駛?cè)饲榫w穩(wěn)定、心情愉悅、無駕駛疲勞，處于積極的情緒狀態(tài)時，其眨眼頻率一般會維持在正常的水平，保持眼睛基本眨眼次數(shù)維持眼球的濕潤及潤滑度即可.因此，應(yīng)用眨眼頻率檢測駕駛?cè)似谀茌^客觀反映駕駛?cè)笋{駛時真實的心理活動情況.

駕駛?cè)藗€體因個人身體素質(zhì)不同而導(dǎo)致視覺感受水平存在一定的差異性，僅僅使用眨眼頻率增加值難以描述每個駕駛?cè)说男睦碜兓闆r.因此，為消除個體之間的差異性，更加準確描述眨眼頻率的變化，提出駕駛?cè)苏Ｑ垲l率增加值計算方法.本文主要研究格柵式減光設(shè)施的設(shè)置對駕駛?cè)苏Ｑ垲l率的影響，通過對比在沒有設(shè)置格柵式減光設(shè)施時眨眼次數(shù)，計算駕駛?cè)苏Ｑ鄞螖?shù)增加值，其計算公式為

f(t)=F(t)-f

(1)

式中：f(t)為某一時間內(nèi)在格柵路段眨眼頻率增加值，次/min；F(t)為某一時間內(nèi)在格柵路段的眨眼頻率，次/min；f為駕駛?cè)似届o時的眨眼頻率，次/min.

2.2 心電信號分析方法選定

心率是反映人體緊張程度的有效指標，當駕駛?cè)诉M出隧道時隧道口路段光環(huán)境突變，使駕駛?cè)水a(chǎn)生不同程度的緊張感，從而導(dǎo)致心率增加.因此，在分析隧道路段光環(huán)境對駕駛?cè)说挠绊憰r，可以通過分析駕駛?cè)笋{車通過隧道口路段的心率變化情況，從而分析光環(huán)境環(huán)境變化對駕駛?cè)松硇睦淼挠绊?此外，由于駕駛?cè)酥g心率變化會因個體不同而存在差異，僅僅從心率增加數(shù)難以描述隧道口光環(huán)境對駕駛造成的生理心理影響.因此，本研究利用心率增長率概念來衡量隧道口路段駕駛?cè)诵穆首兓闆r，其值等于駕駛?cè)笋{駛狀態(tài)下的心率值與該駕駛?cè)似届o狀態(tài)下的心率值之差再除以平靜狀態(tài)下的心率值所得的比值.計算公式為

(2)

3 結(jié)果分析

采用駕駛仿真模擬對比實驗方法，即讓被試駕駛員分別觀看利用微縮模型在同一速度及光照條件下不同頻閃頻率的視頻，然后觀察其生理心理狀態(tài)的差異.本次實驗共有20名被試，其中部分被試因?qū)嶒炦^程中儀器佩戴出現(xiàn)問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整，為保證數(shù)據(jù)的準確性和有效性，經(jīng)過篩選得到16組有效數(shù)據(jù).

3.1 眨眼頻率與格柵頻閃效應(yīng)相關(guān)性分析

選取被試的眨眼次數(shù)為分析指標，運用D-lab眼動數(shù)據(jù)分析軟件，對被試眨眼次數(shù)進行統(tǒng)計，與被試平靜狀態(tài)下眨眼頻率進行對比，得到各頻閃頻率條件下被試眨眼次數(shù)及眨眼次數(shù)平均增加值.根據(jù)樣本中對應(yīng)某一個頻閃頻率下參與實驗的駕駛?cè)说恼Ｑ鄞螖?shù)增加值的平均值，運用matlab軟件，對被試眨眼頻率增加值與頻閃頻率之間的關(guān)系進行擬合，采用三種數(shù)學(xué)模型(線性模型、冪函數(shù)模型、高斯模型)對頻閃頻率與被試眨眼次數(shù)增加值進行檢驗，結(jié)果見圖2和表1.

圖2 眨眼次數(shù)增加值與頻閃頻率關(guān)系擬合曲線

表1 不安全區(qū)域劃分規(guī)則

由表1可知，在3種回歸方程中，擬合度最好的是高斯方程(R2=0.894 1)，其次是二次項方程，線性方程的擬合度最低.因此，選擇高斯方程作為表達在給定頻率區(qū)間內(nèi)頻閃頻率與被試眨眼次數(shù)增加值之間的關(guān)系最為合適.

因此，根據(jù)在不同頻閃頻率條件，駕駛?cè)苏Ｑ鄞螖?shù)增加值與頻閃頻率關(guān)系擬合方程為

(3)

眨眼次數(shù)增加值與頻閃頻率擬合曲線見圖3.根據(jù)圖3擬合曲線可知：在頻閃頻率為3～13 Hz范圍內(nèi)，駕駛?cè)苏Ｑ鄞螖?shù)增加值呈高斯分布，整體變化幅度較大；根據(jù)被試眨眼次數(shù)增加值的變化情況，在3～9 Hz時駕駛?cè)苏Ｑ鄞螖?shù)增加值呈增加趨勢，其對駕駛?cè)艘曈X的影響逐漸加大；在9～13 Hz時駕駛?cè)苏Ｑ鄞螖?shù)增加值呈遞減趨勢，頻率的增加對駕駛?cè)艘曈X的影響呈減弱趨勢.這與人眼視覺對頻率的敏感度變化規(guī)律相符合.

圖3 眨眼次數(shù)增加值與頻閃頻率正態(tài)擬合

3.2 心率變化率與格柵頻率相關(guān)性分析

根據(jù)樣本中對應(yīng)某一個頻閃頻率下參與實驗的駕駛?cè)说男穆首兓势骄?，運用Matlab軟件，對實驗員心率變化率與頻閃頻率之間的關(guān)系進行擬合，采用三種數(shù)學(xué)模型(線性模型、冪函數(shù)模型、高斯模型)對頻閃頻率與實驗員心率變化率進行檢驗，結(jié)果見圖4和表2.

圖4 心率增加值與頻閃頻率關(guān)系擬合曲線圖

表2 不安全區(qū)域劃分規(guī)則

由表2可知，在3種回歸方程中，擬合度最好的是高斯方程(R2=0.866 4)，其次是冪函數(shù)方程，線性方程的擬合度最低.因此，選擇高斯方程作為表達在給定頻率區(qū)間內(nèi)頻閃頻率與被試駕駛員心率變化率之間的關(guān)系最為合適.

根據(jù)在不同頻閃頻率條件，其擬合方程如式(4)；心率變化率與頻閃頻率擬合曲線見圖5.

圖5 駕駛?cè)诵穆首兓c頻閃頻率正態(tài)擬合曲線

(4)

根據(jù)圖5擬合曲線可知：在頻閃頻率為3～13 Hz范圍內(nèi)，駕駛?cè)诵穆首兓食矢咚狗植?，整體變化幅度較??；根據(jù)實驗員心率變化率平均值的變化情況，在頻閃頻率為3～8 Hz時駕駛?cè)诵穆首兓食试黾拥内厔荩l閃頻率對駕駛?cè)说挠绊懼饾u加大，在頻閃頻率為8～13 Hz時駕駛?cè)诵穆首兓食蔬f減趨勢，隨著頻率的增加，其對駕駛?cè)说挠绊懼饾u減小；在頻閃頻率8 Hz和9 Hz，格柵路段形成的頻閃頻率對駕駛?cè)诵穆视绊懽畲?

4 結(jié) 論

1) 從擬合曲線分析可知，隨著頻閃頻率的增加，心率變化率與眨眼次數(shù)增加次數(shù)呈先增加后降低的變化趨勢，由于格柵路段的頻閃效應(yīng)直接對駕駛?cè)艘曈X造成干擾，頻閃頻率對被試的視覺影響幅度要高于對被試心率變化的影響.

2) 實驗員心率變化率的平均值和眨眼增加次數(shù)的平均值與頻閃頻率的擬合關(guān)系均呈高斯分布規(guī)律，分別在頻閃頻率為8～9 Hz時，對實驗員心率及眨眼頻率造成最大的影響.

3) 格柵式減光設(shè)施在滿足路段減光效果的同時，其在設(shè)計建造過程應(yīng)考慮設(shè)計速度與格柵間距的因素，使其造成的頻閃頻率應(yīng)滿足小于6或大于11 Hz.