應急車道景觀鋪裝及對駕駛員視覺的影響研究

黃驟屹，徐建暉，秦新健，劉譽貴，董 越，盛啟錦

(1.文山州廣那高速公路投資建設開發(fā)有限公司，云南 文山 663300；2.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 400067；3.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067；4.重慶交通大學，重慶 400074)

隨著我國高速公路建設的快速發(fā)展，人們對高速公路的功能需求不僅僅是快速、通暢、便捷等，還有交通旅行。我國西部地區(qū)具有豐富的旅游資源，推進西部地區(qū)旅游交通的建設發(fā)展，不僅能改善交通狀況，還能帶動旅游經(jīng)濟發(fā)展，具有較好的經(jīng)濟效益。

旅游交通的獨特之處在于沿線景觀的營造，包括沿途綠化、標識標牌、服務區(qū)、收費站等[1-3]，主要以圖案、色彩等形式體現(xiàn)。我國技術人員在景觀設計和研究方面進行了大量探索。劉金亭等[4]運用留白手法設計景觀公路，并探討了該方法的重要作用。王璞婧[5]從景觀美學、景觀行為、景觀生態(tài)3個角度研究了青島東海路濱海道路景觀建設。任璐等[6]研究了道路立體圖案對駕駛員動視覺特征的影響，表明道路立體圖案具有較好減速效果。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前對高速公路景觀營造的研究與運用仍缺少對地域特色、人文歷史、自然風貌、景觀特色等因素的充分考慮，缺乏地域性與美學性[7]。此外，研究還表明，合理的景觀營造不僅能增強游客的觀賞體驗、增大游客量，還能起到緩解駕駛疲勞、降低駕駛員生理心理負荷[8-9]，有利于提升行車安全性。但在景觀營造設計時，若缺乏對駕駛員視覺特性的考慮，則會適得其反。

目前，采用應急車道景觀鋪裝的景觀營造方法在旅游高速公路中的應用鮮有報道，現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，已有的景觀營造方法及案例缺乏對駕駛員視覺特性的仿真研究。本文以云南省文山州廣那高速建設項目為依托，通過對廣那高速沿線地域特色的廣泛調(diào)研，確定隧道前方及匝道處應急車道的景觀營造鋪裝方案，并將利用軟件仿真模擬與模擬駕駛研究隧道前方與匝道2處關鍵位置的應急車道景觀鋪裝對駕駛員視覺特性的影響，包括駕駛員瞳孔面積變化、視野區(qū)域注視點占比、目標反應時間3項指標，最終為廣那高速的建設與安全運營提供參考方案。

1 景觀鋪裝方案

為實現(xiàn)云南省文山州的交通規(guī)劃，帶動地域經(jīng)濟發(fā)展，結合當?shù)靥赜械娘L土人情、自然風貌等，打造廣那高速旅游景觀。基礎調(diào)研主要包括：對廣那高速沿線走訪調(diào)研；針對沿線旅游資源、風土人文及物產(chǎn)等進行了圖片信息收集與資料查詢；與廣南縣旅游局、廣南縣博物館及相關專家人員進行座談；對廣那高速的工程特點，主要對工程圖紙以及目前的施工進展及地形進行考察，同時與設計院人員進行了對接。

根據(jù)調(diào)研成果，總結發(fā)現(xiàn)廣那高速沿線自然旅游資源主要為壩美世外桃源，地域文化主要為句町古國文化、桃源文化、服飾文化、節(jié)慶文化等，民族代表色彩有藍色、紅色、黃色、白色等。通過對自然、人文元素進行形象化設計，確定高速沿線文化載體的表現(xiàn)形式，并形成應急車道的景觀鋪裝布局。最終形成粉紅和靛藍2種底色、3種圖案的6種正交鋪裝方案，未作景觀鋪裝的普通路面作為對照組，其中粉色代表廣那高速沿線重要景點桃花源及桃源文化，靛藍代表廣那壯族的特色服飾色彩及服飾文化，3種圖案依次代表句町古國文化、桃源文化、節(jié)慶文化，6種彩色鋪裝圖案效果如圖1所示。圖1中，方案1、方案3、方案5底色為粉紅色，方案2、方案4、方案6底色為靛藍色。圖案滿鋪于隧道前方與匝道路段的應急車道，為不影響應急車道功能，圖案鋪設長度為500 m。

圖1 應急車道6種景觀鋪裝方案

2 軟件仿真模擬

根據(jù)廣那高速施工設計文件，利用UC-win/Road仿真場景搭建軟件進行仿真模擬[10]，同時利用Adobe Photoshop(PS)進行效果渲染。隧道前方及匝道為高速公路慢行路段，同時事故頻率相對較高，故仿真模擬場景選擇為廣那高速沿線上的板茂隧道前方與舊莫互通匝道，具有較好的代表性[11]。隧道前方與匝道仿真場景效果圖如圖2所示。

圖2 仿真場景效果圖

3 模擬駕駛試驗設計

3.1 試驗人員組成

試驗共選擇20名駕駛員志愿者，由男女駕駛員共同組成，駕駛員年齡分布在22歲～40歲，駕齡分布在0～15年，試驗過程均保持較好的身體狀況。

3.2 硬件設備介紹

為研究應急車道景觀鋪裝對駕駛員視覺特性的影響，評價行車安全性，本文選擇眼動儀采集駕駛員在模擬駕駛過程中的眼動參數(shù)。眼動儀選用德國SMI 2.1眼動儀與瑞典Tobii眼動儀，駕駛硬件系統(tǒng)為萊仕達模擬駕駛器，眼動儀照片如圖3所示。

(a)德國SMI2.1眼動儀

3.3 模擬駕駛試驗

駕駛員通過駕駛器操控模擬場景中的車輛，隧道前方控制車速為60 km/h，匝道處控制車速為40 km/h，在行車過程中眼動儀自動記錄眼動參數(shù)，用于分析駕駛員視覺特性，如圖4所示。

圖4 試驗過程照片

3.4 異常數(shù)據(jù)剔除

利用BeGaze數(shù)據(jù)處理軟件導出采集的數(shù)據(jù)，并主要從駕駛員瞳孔面積變化率、視野區(qū)域注視點占比與目標反應時間3項指標分析應急車道景觀鋪裝設計對駕駛員視覺特性的影響。由于樣本中存在部分異常數(shù)據(jù)，會影響數(shù)據(jù)樣本的真實規(guī)律，需對異常數(shù)據(jù)剔除。本試驗采用拉依達準則法[12]對數(shù)據(jù)進行篩選，最終各項評價指標均取合格樣本的均值作為代表值。拉依達準則法的基本公式如下：

4 結果分析

4.1 瞳孔面積變化率

瞳孔變化指標用于研究人緊張反應的有效性已得到學者們的認可，瞳孔面積變化率能直觀反映駕駛員在駕駛過程中遇到的不安或舒適的心理、生理狀態(tài)。在行車過程中，駕駛員的瞳孔面積變化既受光線、視距、記憶等多重因素影響，瞳孔面積的放大表明人眼在認知活動中承受更大的加工負荷與視覺容量，交感神經(jīng)活動處于積極狀態(tài)，會使駕駛員機體處于緊張狀態(tài)[13]。本文從改變應急車道景觀鋪裝圖案的角度，研究景觀彩鋪對駕駛員視覺特性的影響，7種方案下駕駛員的瞳孔面積變化率如圖5所示，其中第7種方案為無圖案對照組。

(a)隧道前方直線段

從圖5可以看出，在隧道前方直線段和匝道曲線路段行車，駕駛員的視覺特征不同。圖5(a)7種方案中駕駛員的瞳孔面積變化率差異較大，其中方案1、2、6均較方案7有更高的瞳孔面積變化率，表明此時人眼有更大的視覺處理任務，行車舒適性受到影響；方案3、4、5中駕駛員的瞳孔面積變化率明顯較低，表明這3種鋪裝方案對駕駛員視覺刺激性較小，更利于人眼的視覺處理，有助于緩解駕駛緊張感。圖5(b)7種方案的瞳孔面積變化率差異較小，僅方案6有相對更高的瞳孔面積變化率。分析原因為匝道路段速度較低，駕駛員更易調(diào)節(jié)視距，可有效降低外界環(huán)境對視覺的影響，從而降低瞳孔面積變化率，保證行車舒適性。

4.2 注視點占比

駕駛員注視1次則稱為1個注視點，在確定時間內(nèi)，某個規(guī)定區(qū)域范圍內(nèi)注視點的數(shù)量占總注視點的比例被稱為注視點占比。為研究駕駛員視覺在關鍵區(qū)域的注視點占比，需要對駕駛員的視覺范圍進行合理劃分。本文采用動態(tài)聚類法對駕駛員視野平面進行劃分，隧道前方直線段與匝道曲線路段視覺區(qū)域劃分結果如圖6 所示。

(a)隧道前方直線段

注視點占比表示駕駛員注視某范圍的頻率，從某種程度上表示該目標物對駕駛員的吸引力。在行車過程中，駕駛員對自己感興趣的區(qū)域或目標時，會頻繁注視，使其注視點出現(xiàn)在該區(qū)域的頻率就高，即該區(qū)域注視點占比高。隧道前方直線段與匝道曲線路段處駕駛員在6個區(qū)域的注視點占比分布如圖7所示。

(a)隧道前方直線段

從圖7可以看出，駕駛員在行車過程中，注視點主要集中在視野左前方與道路路面，以保證行車安全性，符合駕駛員行車過程中的注視行為。行車經(jīng)過隧道前方直線路段時，通過比較方案1～6與方案7，發(fā)現(xiàn)應急車道的景觀鋪裝使駕駛員注視點在區(qū)域1、2的占比降低，在區(qū)域3、4、5的占比升高，尤其在區(qū)域2和區(qū)域4變化十分明顯。分析原因是應急車道景觀鋪裝對駕駛員視覺具有一定的吸引作用，使得駕駛員的注視區(qū)域右移，降低了駕駛員對左側區(qū)域的注視頻率，將注視點轉向右側區(qū)域。本試驗表明應急車道景觀鋪裝具有吸引游客注意力的作用，能較好地實現(xiàn)高速公路的宣傳功能。6種方案在區(qū)域4的注視點占比明顯上升，在行車速度為60 km/h的情況下，能較好地保證行車安全。當行車經(jīng)過匝道曲線路段時，7種方案對駕駛員在同一區(qū)域的注視點占比影響較小。駕車經(jīng)過匝道曲線路段時，為保證行車安全，駕駛員會將更多的精力集中在駕駛操作上，同時較直線路段更加關注左前方路況。與方案7相比，方案3、4、6在區(qū)域2、4、5均有更高的注視點占比，可保證行車安全和實現(xiàn)應急車道景觀鋪裝功能。

4.3 目標反應時間

在行車過程中，外界環(huán)境、駕駛員生理和心理狀況會影響駕駛員的認知能力，如出現(xiàn)疲勞、警覺度降低、分心等情況，這些會降低駕駛員的注意力和反應速度，從而導致交通事故。目標反應時間指駕駛員從發(fā)現(xiàn)刺激物到采取制動措施所經(jīng)歷的時間，本文在仿真場景中設置了距駕駛車輛50 m的刺激物，采用眼動儀記錄的數(shù)據(jù)測算目標反應時間，并選擇目標反應時間作為行車過程中駕駛員注意力集中程度的評價指標。隧道前方直線路段與匝道曲線路段的目標反應時間測算結果如表1所示。

表1 目標反應時間測算結果 s

從表1可以看出，在隧道前方直線路段時，7種方案的反應時間較為接近，僅方案4有明顯較低的反應時間，表明應急車道景觀鋪裝對隧道前方直線路段行車安全影響較小。但在匝道曲線路段，駕駛員目標反應時間都較短，其中方案4的反應時間仍然最低，表明該方案用作應急車道景觀鋪裝對保證行車安全具有良好效果。

5 結論

1)在隧道前方直線段駕駛時，不同鋪裝方案對駕駛員瞳孔面積變化率影響較大，其中方案3、4、5有更小的瞳孔面積變化率，可提升行車舒適性；而在匝道曲線路段，各方案的瞳孔面積變化率差別較小，應急車道景觀鋪裝對駕駛員視覺影響較小。

2)在隧道前方直線路段駕駛時，應急車道景觀鋪裝可同時提升駕駛員在路面和應急車道的注視點占比，既能保證行車安全，又可實現(xiàn)景觀鋪裝的宣傳功能，同時方案3、4、6運用于匝道曲線路段具有同樣效果。

3)不同的應急車道景觀鋪裝方案對駕駛員反應時間有一定影響，方案4在隧道前方直線路段和匝道路段均有最低的反應時間，可有效保證行車安全。

4)應急車道不同的鋪裝方案對駕駛員視覺有不同程度的影響，在方案1～7中，方案4有較低的瞳孔面積變化率、在路面和應急車道有較高的注視點占比、目標反應時間最短，故推薦方案4作為隧道前方直線段和匝道曲線路段的應急車道鋪裝方案。