公路隧道群不同區(qū)段駕駛?cè)艘曈X特征差異性研究

譚 婷，王羽塵，宗晨宏，王祉祈

（南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京210037）

0 引言

隨著交通事業(yè)的發(fā)展，我國公路隧道通車?yán)锍讨鹉暝黾?，隧道群?shù)量也隨之增加。截至2018年末，已建成公路隧道17 738處，總長1 723.61萬米[1]。隧道作為公路的瓶頸路段，具有封閉性、不可及性、聯(lián)絡(luò)與救援困難等特性。隧道群路段隧道密集、隧道間距短，連續(xù)進(jìn)、出隧道口駕駛?cè)藢⒔?jīng)歷“暗適應(yīng)”和“明適應(yīng)”的快速轉(zhuǎn)換，使得隧道群成為公路上的敏感區(qū)域[2]。

國內(nèi)外學(xué)者對隧道駕駛?cè)说囊曈X特征研究主要集中在行車安全評價指標(biāo)的建立以及視覺特性參數(shù)的變化兩方面。部分學(xué)者基于瞳孔面積變化對隧道行車視覺特征展開研究，例如分析環(huán)境光照與瞳孔面積的關(guān)系[3]、建立隧道出入口行車安全評價指標(biāo)[4]以及運用數(shù)學(xué)模型分析隧道出口的眩光效應(yīng)[5]等。通過研究駕駛?cè)说难蹌訁?shù)以表征視覺特性的變化，如運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬視覺特征參數(shù)變化[6]，以及利用動態(tài)聚類理論分析不同注視點的視覺區(qū)域并建立眼動參數(shù)與隧道距離的關(guān)系模型[7]等。

綜上所述，已有研究主要是通過建立隧道行車安全評價指標(biāo)以表征隧道路段的交通安全性，針對隧道群駕駛?cè)说囊曈X特征研究集中在出入口段，而對各個區(qū)段的整體研究較少。本文在劃分公路毗鄰隧道群不同區(qū)段的基礎(chǔ)上，分析各個區(qū)段駕駛?cè)艘曈X特征指標(biāo)變化特點，結(jié)合隧道群交通環(huán)境分析變化差異性，有利于駕駛?cè)怂淼廊盒熊嚢踩脑u價。

1 隧道群定義及間距劃分

目前，國內(nèi)外關(guān)于隧道群尚未給出統(tǒng)一的定義。在《公路照明設(shè)計細(xì)則》（JTG/T D70/2-01-2014）以及《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG3370.1-2018）中皆稱之為“連續(xù)隧道”，并未界定距離的長短。

王少飛綜合隧道間通風(fēng)、照明、交通安全以及防火安全等因素，建議當(dāng)兩隧道間距L≤250m時，定義為毗鄰隧道；當(dāng)兩隧道間距L＞250m且L≤1 000m時，定義為連續(xù)隧道；毗鄰隧道和連續(xù)隧道統(tǒng)稱為隧道群[8]。諸文江基于駕駛?cè)嗣靼颠m應(yīng)時間推算出不同車速下隧道之間的極限距離，如表1所示[9]。

隧道群的分段根據(jù)杜志剛對隧道路段駕駛員最小注視時間的研究，將隧道群劃分為入口段、中間段、出口段以及開敞段，并將隧道入口前約15s行駛距離作為普通路段（該路段終點與隧道入口間的距離應(yīng)大于10s行程）[10]。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗路段

試驗路段選取S38常合高速公路茅山隧道群路段，雙向分離式隧道，每個方向由兩個隧道組成，開敞段長度在200～250m之間，屬于毗鄰隧道。設(shè)計速度120km/h，隧道內(nèi)限速80km/h，試驗車輛速度控制在75km/h±5km/h。隧道內(nèi)部為LED照明。

2.2 試驗儀器與對象

試驗車輛為大眾邁騰1.8T轎車，選擇在晴朗的白天進(jìn)行試驗。選取5名駕駛?cè)俗鳛樵囼瀸ο螅囼瀸ο缶辽贀碛?年的駕駛年限，無不良駕駛習(xí)慣且矯正視力正常。為保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及人員安全，要求實驗前駕駛?cè)瞬坏蔑嬀苹虺运?，且保證充足睡眠。使用Tobii Glasses 2便攜式眼動儀采集駕駛?cè)嗽谠囼灺范瓮敌熊囘^程中的試驗數(shù)據(jù)，該眼動儀帶有無線實時觀察功能，可獲得最自然的視覺行為數(shù)據(jù)。

3 隧道群不同區(qū)段駕駛?cè)艘曈X差異性分析

3.1 視覺特征表征指標(biāo)

在行車過程中，駕駛?cè)说囊曈X特征與駕駛?cè)说男畔@取和決策能力有著內(nèi)在的聯(lián)系[11]。由于隧道內(nèi)影響駕駛?cè)艘曈X特征參數(shù)變化的主要因素為光照條件以及封閉的空間環(huán)境[12]，故選取瞳孔面積、注視次數(shù)及注視時間作為研究駕駛?cè)艘曈X特征的表征指標(biāo)。

（1）瞳孔面積

瞳孔的大小受光線、情緒和認(rèn)知負(fù)荷等因素的影響[13]。研究表明：瞳孔大小是心理、生理負(fù)荷的靈敏指標(biāo)[14]。當(dāng)光照強度較大時，瞳孔面積會減小以降低光線對視網(wǎng)膜的刺激。當(dāng)光照強度較小時，瞳孔面積會增大使更多光照量進(jìn)入。因此，瞳孔面積的變化可以反映駕駛?cè)嗽诓煌碳l件下的注意狀態(tài)，進(jìn)一步表征駕駛?cè)艘曈X適應(yīng)性以及視覺負(fù)荷的程度[15]。

（2）注視次數(shù)及注視時間

由于隧道路段空間結(jié)構(gòu)以及光環(huán)境的變化，在隧道不同區(qū)段駕駛?cè)说淖⒁曅袨闀兴鶇^(qū)別，主要體現(xiàn)在注視次數(shù)以及注視時間兩方面。與此同時，注視的次數(shù)取決于與駕駛相關(guān)的視覺信息處理的數(shù)量，而與信息的深度無關(guān)[16]。不同區(qū)域注視次數(shù)的多少以及注視時間的長短在一定程度上反映了駕駛?cè)嗽谛熊嚟h(huán)境中對不同位置關(guān)注程度的高低[17]。

3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

由于駕駛?cè)艘曈X特征表征指標(biāo)受外界環(huán)境、主觀條件等多方面因素的影響，且相關(guān)因素難以準(zhǔn)確測量。因此需要以多個實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行人工模擬，以探究視覺指標(biāo)的變化特性。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入層、隱層及輸出層，如圖1所示。

圖2 BP模型傳遞函數(shù)

運用mapminmax算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以集中數(shù)據(jù)范圍。在模型中采用距離排序作為輸入量，按50m間隔設(shè)置觀測點并采用logsig函數(shù)作為傳遞函數(shù)以規(guī)范輸入值，如圖2所示。其中輸出層進(jìn)行5 000次訓(xùn)練，訓(xùn)練錯誤設(shè)置為不超過1%。

3.3 試驗結(jié)果分析

3.3.1 瞳孔面積

根據(jù)隧道群路段照明及結(jié)構(gòu)條件，將隧道群劃分為入口段、中間段、開敞段以及出口段，并增加隧道群以外的普通路段作為對比研究，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 隧道群駕駛?cè)送酌娣e 單位：mm2

在對瞳孔面積變化進(jìn)行BP模擬訓(xùn)練之前，應(yīng)判斷5個駕駛?cè)藰颖緮?shù)據(jù)之間不存在顯著差異以滿足數(shù)據(jù)的有效性，即單因素方差分析進(jìn)行顯著性檢驗。

單因素方差分析要求各個樣本總體滿足獨立性、正態(tài)性。試驗期間5個駕駛?cè)瞬淮嬖诟蓴_，各自獨立，因此滿足獨立性要求。利用SPSS對5個獨立樣本進(jìn)行K-S檢驗皆為P＞0.05即滿足正態(tài)性，進(jìn)一步可以進(jìn)行單因素方差分析，采用LSD法完成各組均值間的配對比較，分析結(jié)果見表3。

表3 入口平均瞳孔面積單因素方差分析結(jié)果

根據(jù)單因素方差數(shù)據(jù)檢驗結(jié)果，5個樣本數(shù)據(jù)之間不存在顯著性差異，滿足條件進(jìn)行BP模擬訓(xùn)練以整合數(shù)據(jù)變化趨勢，結(jié)果如圖3所示。

可以看出，駕駛?cè)嗽谄胀范渭八淼廊郝范蔚恼w變化主要呈現(xiàn)出“平穩(wěn)—上升—平穩(wěn)—下降—上升—平穩(wěn)—下降”的趨勢，其中瞳孔面積變化值在中間段達(dá)到最高，在普通路段最低，不同路段瞳孔面積的變化也有所不同。

（1）在普通路段行車過程中，駕駛?cè)说耐酌娣e變化平穩(wěn)。由于外界光照條件穩(wěn)定，且車輛在高速公路為自由流行駛，因此外界干擾較小，瞳孔面積呈現(xiàn)極小范圍波動的平穩(wěn)變化，其視覺負(fù)荷也相對較小。

（2）入口段駕駛?cè)说耐酌娣e逐漸上升，且第二個隧道入口段相比于第一個隧道入口段變化率大，越靠近隧道洞口截面瞳孔面積變化率越大。由于隧道的半封閉式結(jié)構(gòu)，在進(jìn)入隧道前駕駛?cè)撕茈y準(zhǔn)確通過視覺獲取隧道內(nèi)的交通信息。與此同時，隧道群入口段的光照由明到暗急劇變化，駕駛?cè)诵柙诙虝r間內(nèi)完成視覺的明暗過渡，由此造成駕駛?cè)说男睦韷毫^大從而間接影響駕駛?cè)说耐鬃兓?。因此，在光照條件以及心理壓力的影響下，駕駛?cè)说耐酌娣e將增大以便更多光線進(jìn)入獲取周邊信息，且洞口附近變化幅度最大。而毗鄰隧道群開敞段間距較短，駕駛?cè)嗽诘诙€隧道入口段的瞳孔面積變化更為劇烈。

（3）在隧道中間段，瞳孔面積變化達(dá)到最大且趨于平穩(wěn)變化。由于中間段處于封閉的空間，光照完全由隧道內(nèi)部燈光提供，此時光照環(huán)境最暗，駕駛?cè)诵柙龃笸酌娣e以獲取更多光線。此外，高速公路隧道內(nèi)禁止駕駛?cè)顺嚰白兊?，因此交通流變化較小，相比于出入口段，視覺負(fù)荷小，瞳孔面積變化平穩(wěn)。

（4）當(dāng)進(jìn)入隧道群的開敞段，光照明暗變化迅速，瞳孔面積迅速增大并立即減小，變化速率相比于入口段與出口段更大，變化的最低點略高于普通路段。由于此時駕駛?cè)艘曈X負(fù)荷較大，瞳孔面積尚未恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)就又進(jìn)入暗適應(yīng)過程。第二個隧道入口段緊鄰開敞段，駕駛?cè)嗽谶m應(yīng)明暗變化的同時需盡快集中注意力辨認(rèn)下一入口段的交通信息，因此隧道開敞段駕駛?cè)送酌娣e變化幅度大且最低點高于普通路段。

（5）在隧道出口段，駕駛?cè)送酌娣e逐漸減小，直到再次適應(yīng)外界光照條件，變化趨于平穩(wěn)，且第二個隧道出口段瞳孔面積變化率比第一個隧道出口段小，出口段瞳孔面積變化率比入口段小。由于人眼的明適應(yīng)比暗適應(yīng)更快，駕駛?cè)嗽诔隹诙芜m應(yīng)外界明亮環(huán)境更快。

3.3.2 注視分布

（1）注視區(qū)域劃分

注視區(qū)域劃分是研究駕駛?cè)俗⒁曁卣鞯幕A(chǔ)，使用聚類方法進(jìn)行駕駛?cè)俗⒁晠^(qū)域劃分可克服傳統(tǒng)注視區(qū)域劃分主觀性大的缺點[18]。K-means聚類原理即對于給定的樣本集，按照樣本間的距離大小，將樣本集劃分為K個簇，并讓簇內(nèi)的點盡量緊密的連在一起，而讓簇間的距離盡量的大[19]。

對采集到的5名試驗對象共計6 326個注視點進(jìn)行聚類分析。在對聚類數(shù)量取值分別為5、6、7、8類的情況處理比較后，最終認(rèn)為6類較為合理，并將駕駛?cè)说囊曇捌矫娣譃?個界限明顯的區(qū)域，見圖4。通過對比試驗錄像，確定各個區(qū)域的主要注視目標(biāo)如表4所示。

（2）注視次數(shù)及時間分布

在動態(tài)聚類的基礎(chǔ)上，對駕駛?cè)嗽谒淼廊焊鱾€區(qū)段行車過程中的注視次數(shù)以及注視時間進(jìn)行統(tǒng)計，并分析不同注視區(qū)域的其占比情況，見表5。

①普通路段上駕駛?cè)似毡閷h(yuǎn)方視野關(guān)注較多，注視次數(shù)及時間占比皆在80%左右。其次關(guān)注較多的是車內(nèi)儀表盤，注視次數(shù)及注視時間占比分別為10.80%和17.78%。由于在高速公路的普通路段行車時，駕駛?cè)艘环矫嬗捎谧杂山煌鬈囁佥^高，視線高度集中，且動視野隨著車速的增加視覺焦點逐漸遠(yuǎn)移，因此注視點的位置更多的落在遠(yuǎn)方視野區(qū)域內(nèi)，另一方面車速越快駕駛?cè)藢λ俣鹊母兄芰饾u降低，從而需要關(guān)注儀表盤車速變化以防超速違章。

圖3 瞳孔面積BP神經(jīng)訓(xùn)練

圖4 注視區(qū)域劃分

表4 各注視區(qū)域主要注視目標(biāo)

表5 隧道群各區(qū)段不同注視區(qū)域的注視次數(shù)及時間占比 單位：%

②在隧道群入口段，注視次數(shù)占比較高的為遠(yuǎn)方視野、前方近處視野以及車內(nèi)儀表盤，注視時間占比較高的為遠(yuǎn)方視野、車內(nèi)儀表盤以及前方近處視野。相比于普通路段，減少了對遠(yuǎn)方視野的關(guān)注度。在隧道入口段由于隧道限速的影響，駕駛?cè)嗽黾恿藢噧?nèi)儀表盤的關(guān)注以保證車速在限速范圍內(nèi)。此外，隧道入口段光照條件發(fā)生變化，駕駛?cè)藢h(yuǎn)方信息及隧道內(nèi)部的辨別更難，而前方近處即隧道洞口附近的交通信息更多，如測速區(qū)間、交通標(biāo)志、可變信息板等，因此增加了對前方近處視野信息的關(guān)注度。

③進(jìn)入隧道群中間段，遠(yuǎn)方視野的注視次數(shù)及時間占比降低，而前方近處視野的占比上升。由于隧道中部空間封閉、照度低、環(huán)境單調(diào)，會使駕駛?cè)藢λ俣取⒕嚯x的感知變?nèi)鮗20]，而隧道中間段車輛間距相比于普通路段較近，跟馳現(xiàn)象更普遍。因此相比其他路段遠(yuǎn)方的危險較少而駕駛?cè)藢η胺杰囕v的關(guān)注度較多。

④在隧道群的開敞段，駕駛?cè)诉h(yuǎn)方視野的注視次數(shù)占比為81.68%，而注視時間占比為48.55%，其次是前方近處視野為37.33%。由于毗鄰隧道群的開敞段較短（200～250m），而光照條件由暗到明再由明到暗的變化迅速，駕駛?cè)艘曈X負(fù)荷大。此時關(guān)注遠(yuǎn)方視野更多為集中注意力判斷隧道下一個入口位置以及相關(guān)交通信息，而在禁止超車及變道的限制條件下，該道路交通信息較易辨別，因此遠(yuǎn)方視野的注視次數(shù)占比多而注視時間占比少。此外，開敞段間距較小，明亮環(huán)境下對前方近處關(guān)注度也較多。

⑤隧道群的出口段不同注視區(qū)域的注視次數(shù)及時間占比大致與普通路段相似。由于明適應(yīng)的過程一般只需幾秒鐘或幾分鐘，因此駕駛?cè)说年P(guān)注度受影響較小。

4 結(jié)論

駕駛?cè)嗽谒淼廊号c單一隧道行車過程中，其視覺信息認(rèn)知模式存在較大的不同，通過分析對比隧道群（毗鄰隧道）不同區(qū)段駕駛?cè)艘曈X特征，得出以下結(jié)論：（1）隧道群不同區(qū)段上駕駛?cè)说耐酌娣e的變化趨勢大致呈現(xiàn)“上升—平穩(wěn)—下降—上升—平穩(wěn)—下降”的趨勢，其中開敞段瞳孔面積的變化速率最大且最低點略高于普通路段。（2）由于隧道群不同區(qū)段駕駛?cè)说男畔㈥P(guān)注點不同，其不同注視區(qū)域的注視次數(shù)及時間占比也有所差別，主要體現(xiàn)為遠(yuǎn)方視野、前方近處視野以及車內(nèi)儀表盤三個注視區(qū)域的占比不同。

本文研究了隧道群（毗鄰隧道）各個區(qū)段的駕駛?cè)说耐酌娣e以及注視分布特征，較為完整地對比分析了駕駛?cè)嗽谒淼廊盒熊囘^程中的視覺特征變化，為隧道群行車安全評價提供借鑒意義。在今后的研究中將進(jìn)一步增加不同類別的隧道群，并擴(kuò)大不同駕駛經(jīng)驗以及不同性別的駕駛?cè)藰颖?，以深入研究隧道群駕駛?cè)艘曈X特征的差異性。