照度與縱坡耦合作用下海底隧道出入口段駕駛?cè)艘曈X(jué)特征分析與建模

潘福全，泮海濤，王錚，張麗霞，馬昌喜，楊金順

(1.青島理工大學(xué)，機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，山東青島266520；2.蘭州交通大學(xué)，交通運(yùn)輸學(xué)院，蘭州730070)

0 引言

海底隧道具有封閉、視線(xiàn)差、空間小、救援困難等特性，其內(nèi)一旦發(fā)生交通事故，整個(gè)隧道段的通行能力和安全性都將受到影響。對(duì)于山體隧道內(nèi)駕駛生理特性及駕駛行為的研究，國(guó)外做了較多研究[1]。Narisada[2]運(yùn)用角膜反射眼球運(yùn)動(dòng)追蹤儀記錄了駕駛員在靠近隧道口時(shí)的眼部運(yùn)動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)在隧道入口段，駕駛員的注視點(diǎn)會(huì)慢慢落在隧道口。Manser 等[3]通過(guò)駕駛模擬器研究了隧道的直觀(guān)形象對(duì)駕駛行為的影響，發(fā)現(xiàn)駕駛員對(duì)速度的感知及感知后的反應(yīng)受隧道直觀(guān)形象影響。國(guó)內(nèi)研究隧道駕駛生理與安全的起步較晚，但進(jìn)展較為迅速。胡月琦等[4]選取山區(qū)高速公路隧道進(jìn)行實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)，分析不同車(chē)速下駕駛?cè)藙?dòng)態(tài)視野變化規(guī)律。杜志剛等[5]研究了不同環(huán)境條件下公路隧道出入口駕駛?cè)送酌娣e變化速度及注視點(diǎn)變化規(guī)律。

人的因素是交通事故發(fā)生的主要因素[6]。在各感官提供給駕駛?cè)说慕煌ㄐ畔⒅?，視覺(jué)信息所占比例約為80%。海底隧道因其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和地理位置的特殊性與山體隧道在線(xiàn)形設(shè)計(jì)、行車(chē)安全等多方面有許多差異。探究照度及縱坡坡度耦合作用下海底隧道出入口段駕駛?cè)艘曈X(jué)特性變化規(guī)律，對(duì)提高海底隧道運(yùn)營(yíng)安全具有重要意義。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路

選擇青島膠州灣海底隧道中黃島區(qū)至市南區(qū)4個(gè)往返隧道出入口。實(shí)驗(yàn)路線(xiàn)為：漓江東路入口-云南路出口、莘縣路入口-漓江東路出口。將漓江東路入口段、漓江東路出口段、莘縣路入口段、云南路出口段簡(jiǎn)稱(chēng)隧道1～4 段。為使實(shí)驗(yàn)在交通流環(huán)境與環(huán)境照度盡可能相近的情況進(jìn)行，選擇非交通高峰、非霧天、非雨天等天氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)駕駛?cè)藛T與實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)挑選不同年齡、不同駕齡的26 名駕駛?cè)诉M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中，男性21名，女性5名，視力(含矯正視力)為4.6～5.0。實(shí)驗(yàn)儀器主要為Facelab 5.0眼動(dòng)儀，TES-1339R照度計(jì)。實(shí)驗(yàn)車(chē)輛為雪佛蘭景程自動(dòng)擋轎車(chē)。還有行車(chē)記錄儀、攝像機(jī)、筆記本電腦等輔助實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

眼瞼閉合度指左、右眼，上、下眼瞼閉合覆蓋的虹膜部分，其在一定程度上反映駕駛?cè)水?dāng)時(shí)疲憊狀況和緊張狀況，即

式中：ec為眼瞼閉合度；c0為上眼瞼閉合權(quán)重系數(shù)；e0為上眼瞼閉合度；c1為下眼瞼閉合權(quán)重系數(shù)；e1為下眼瞼閉合度。ec取值介于0～1，1表示上下眼瞼完全覆蓋虹膜部分，即完全閉合；0表示上下眼瞼沒(méi)有覆蓋虹膜部分，即未閉合。

注視點(diǎn)位置和次數(shù)在一定程度上反映駕駛?cè)艘曈X(jué)搜索捕捉目標(biāo)物體的位置，次數(shù)的多少及注視時(shí)間在一定程度上反映駕駛?cè)双@取交通信息的難易程度。

1.4 數(shù)據(jù)采集

為方便實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，將海底隧道出入口按150 m劃分，以1 s為間隔采集、記錄照度數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于照度計(jì)內(nèi)，其具體位置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集區(qū)域Fig.1 Test data collection area

利用坡度儀得到隧道1～4段坡度分別為0.5%、3.2%、3.1%、0.5%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，剔除異常數(shù)據(jù)。利用Origin軟件分析照度、坡度與視覺(jué)特征數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

2.1 眼瞼閉合度變化特征分析

駕駛?cè)笋{車(chē)經(jīng)過(guò)海底隧道過(guò)程中，駕駛?cè)说难鄄€閉合度與照度、坡度的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 駕駛?cè)笋{車(chē)通過(guò)海底隧道過(guò)程中照度、縱坡和眼瞼閉合度Fig.2 Illumination,longitudinal slope and eyelid closure during driving in undersea tunnel

由圖2可知，車(chē)輛在海底隧道入口段前150 m行駛過(guò)程中，縱坡坡度值較小，照度值波動(dòng)性較小，駕駛?cè)搜鄄€閉合度下降至0.5；當(dāng)車(chē)輛在海底隧道入口段行駛時(shí)，照度值銳減至100 lux以下，駕駛?cè)搜鄄€閉合度降至0.4 左右；當(dāng)車(chē)輛在海底隧道入口段后150 m 行駛時(shí)，縱坡坡度值為0.3%左右，照度值較低，維持在90～200 lux，駕駛?cè)搜鄄€閉合度上升至0.7，精神相對(duì)放松；當(dāng)車(chē)輛在海底隧道出口段前150 m 行駛時(shí)，縱坡坡度增加至3.2%左右，照度值激增至45000 lux左右，駕駛?cè)搜鄄€閉合度下降，精神緊張；當(dāng)車(chē)輛在海底隧道出口段行駛時(shí)，坡度保持在3.2%左右，照度保持在45000 lux左右，駕駛?cè)搜鄄€閉合度仍維持較低水平，注意力持續(xù)集中，精神緊張；當(dāng)車(chē)輛在海底隧道出口段后150 m行駛時(shí)，縱坡坡度減小至0.5%，駕駛?cè)搜鄄€閉合度上升，精神相對(duì)放松。

對(duì)不同照度及坡度范圍下的駕駛?cè)搜鄄€閉合度作多因素方差分析，該實(shí)驗(yàn)工況條件下，駕駛?cè)搜鄄€閉合度受照度作用效果顯著(P=0.005)，受縱坡坡度作用效果不顯著(P=0.154)，受照度及縱坡耦合作用效果不顯著(P=0.415)。

2.2 注視時(shí)長(zhǎng)與位置變化特征分析

注視時(shí)長(zhǎng)在一定程度上反應(yīng)了駕駛?cè)双@得交通信息的難易程度。駕駛?cè)笋{車(chē)經(jīng)過(guò)海底隧道過(guò)程中注視時(shí)長(zhǎng)與照度、坡度的變化規(guī)律如圖3所示。車(chē)輛在海底隧道入口段前150 m行駛時(shí)，縱坡坡度值較小，照度值基本平穩(wěn)在45000 lux，駕駛?cè)藛未巫⒁晻r(shí)長(zhǎng)約為3.7 s，視認(rèn)難度較大，注意力集中；當(dāng)車(chē)輛在海底隧道入口段行駛時(shí)，縱坡坡度較小，照度值銳減至200 lux以下，駕駛?cè)藛未巫⒁晻r(shí)長(zhǎng)下降至3.0 s 左右；當(dāng)車(chē)輛在海底隧道入口段后150 m行駛時(shí)，縱坡坡度在0.3%左右，照度值較低，維持在90～200 lux，駕駛?cè)藛未巫⒁晻r(shí)長(zhǎng)無(wú)較大變化；當(dāng)車(chē)輛在海底隧道出口段前150 m 行駛時(shí)，縱坡坡度增加至3.2%左右，照度值激增至約45000 lux，駕駛?cè)藛未巫⒁晻r(shí)長(zhǎng)維持在3.0 s 左右，已適應(yīng)隧道內(nèi)駕駛環(huán)境；當(dāng)車(chē)輛在海底隧道出口段行駛時(shí)，坡度保持在3.2%左右，照度上升接近于隧道外照度，駕駛?cè)藛未巫⒁晻r(shí)長(zhǎng)維持在3.0 s；當(dāng)車(chē)輛在海底隧道出口段后150 m行駛時(shí)，縱坡坡度減小至0.5%，照度與海底隧道外照度持平，駕駛?cè)藛未巫⒁晻r(shí)長(zhǎng)逐漸增加。

對(duì)不同照度及坡度范圍下的駕駛?cè)俗⒁晻r(shí)長(zhǎng)作多因素方差分析，該實(shí)驗(yàn)工況條件下，駕駛?cè)俗⒁晻r(shí)長(zhǎng)受照度作用效果顯著(P=0.033)，受縱坡坡度作用效果不顯著(P=0.151)，受照度及縱坡耦合作用效果也不顯著(P=0.269)。

為深入探究駕駛?cè)送ㄟ^(guò)海底隧道注視變化時(shí)空分布特性，將駕駛?cè)藛未巫⒁晻r(shí)長(zhǎng)與注視點(diǎn)位置及頻次相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)主要分布于水平方向-30～70 cm及垂直方向-40～40 cm范圍內(nèi)。將虛擬坐標(biāo)系與實(shí)驗(yàn)時(shí)駕駛?cè)艘曈X(jué)可視范圍進(jìn)行擬合，并將駕駛?cè)丝梢暦秶M(jìn)行劃分，如圖4所示。其中，可視范圍1、2、3、4、5 分別為前方、左右臨近車(chē)道、左側(cè)交通標(biāo)志、右側(cè)交通標(biāo)志及上方交通標(biāo)志所提供的交通信息。

圖3 駕駛?cè)笋{車(chē)通過(guò)海底隧道過(guò)程中照度、縱坡和注視時(shí)長(zhǎng)Fig.3 Illumination,slope and gaze duration during driving in undersea tunnel

圖4 駕駛?cè)丝梢暦秶鷦澐謭DFig.4 Division of driver's visible range

分析駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)分布數(shù)據(jù)，得到海底隧道出入口段駕駛?cè)俗⒁晻r(shí)空分布，如表1所示。

將表1中數(shù)據(jù)代入

式中：Ii為i區(qū)域注視時(shí)長(zhǎng)百分比；n為i區(qū)域注視頻次；ti為i區(qū)域單次注視時(shí)長(zhǎng)；t為行車(chē)時(shí)間。

表2為海底隧道出入口段注視分布百分比。由表2可知，駕駛?cè)送ㄟ^(guò)海底隧道出入口段時(shí)更加關(guān)注前方車(chē)輛行駛狀況，同時(shí)兼顧左右臨近車(chē)道，對(duì)海底隧道出入口段內(nèi)的交通控制裝置關(guān)注度不高。

表1 海底隧道出入口段注視時(shí)空分布Table 1 Spatiotemporal distribution of entrance and exit sections of undersea tunnel

表2 海底隧道出入口段注視分布百分比Table 2 Percentage distribution of gaze distribution at entrance and exit of undersea tunnel

2.3 車(chē)速變化特征分析

駕駛?cè)笋{車(chē)通過(guò)海底隧道時(shí)，速度差的大小在一定程度上反映了行車(chē)安全可靠性。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，駕駛?cè)笋{車(chē)經(jīng)過(guò)海底隧道過(guò)程中速度與照度、坡度的變化規(guī)律如圖5所示。車(chē)輛在海底隧道入口段前150 m 行駛時(shí)，縱坡坡度值較小，照度值基本平穩(wěn)在45000 lux左右，車(chē)速為55 km·h-1；車(chē)輛在海底隧道入口段行駛時(shí)，縱坡坡度較小，照度值銳減至200 lux以下，車(chē)速降低至50 km·h-1；車(chē)輛在海底隧道入口段后150 m行駛時(shí)，縱坡坡度在0.3%左右，照度值較低維持在90～200 lux，車(chē)速略微增加；當(dāng)車(chē)輛在海底隧道出口段前150 m行駛時(shí)，縱坡坡度增加至3.2%左右，照度值上升，接近出口段時(shí)，照度值激增至45000 lux 左右，平均車(chē)速降低至50 km·h-1，駕駛?cè)俗⒁饬?；?chē)輛在海底隧道出口段行駛時(shí)，坡度保持在3.2%左右，照度上升接近于隧道外照度，平均車(chē)速保持50 km·h-1的較低車(chē)速；當(dāng)車(chē)輛在海底隧道出口段150 m 行駛時(shí)，縱坡坡度減小至0.5%，照度與海底隧道外照度持平，平均車(chē)速增加。

圖5 駕駛?cè)笋{車(chē)通過(guò)海底隧道過(guò)程中照度、縱坡和行車(chē)速度Fig.5 Illumination,slope and speed during driving in undersea tunnel

對(duì)不同照度及坡度范圍下的駕駛?cè)诵熊?chē)速度作多因素方差分析。該實(shí)驗(yàn)工況條件下，行車(chē)速度受照度和縱坡坡度作用效果顯著(P=0.011，P=0.009)，但受照度及縱坡耦合作用效果不顯著(P=0.141)。

3 模型構(gòu)建

將照度、坡度定義為自變量，將視覺(jué)特征指標(biāo)與速度定義為因變量，進(jìn)行三維曲面擬合分析，擬合函數(shù)形式為z=z0+ax+by+cx2+dy2+fxy(x、y為自變量，z為因變量，z0、a、b、c、d、f為回歸系數(shù))。利用MatLab軟件分別對(duì)其進(jìn)行擬合分析，構(gòu)建關(guān)系模型。

3.1 眼瞼閉合度變化模型

擬合得到海底隧道出入口段駕駛?cè)搜鄄€閉合度、照度和坡度關(guān)系式為

式中：f1(x,y)為眼瞼閉合度值(cm)；x為照度值(lux)；y為縱坡坡度(%)。眼瞼閉合度、照度和坡度三維曲面擬合判定系數(shù)R2=0.8603，擬合模型的方差分析結(jié)果如表3所示，其中，P=2.51×10-166＜0.001，說(shuō)明擬合程度較好。

駕駛員眼瞼閉合度與照度、坡度擬合曲面如圖6所示。根據(jù)曲面擬合結(jié)果可知，海底隧道出入口段照度分布于1000～20000 lux，縱坡坡度分布于-1.5%～1.5%時(shí)，駕駛?cè)搜鄄€閉合度較低，駕駛?cè)俗⒁饬?，精神狀態(tài)緊張。

表3 駕駛員眼瞼閉合度與照度、坡度擬合模型的方差分析Table 3 Variance analysis of fitting model of driver's eyelid closure,illumination and slope

圖6 照度及縱坡耦合作用下海底隧道出入口段駕駛?cè)搜鄄€閉合度擬合曲面Fig.6 Fitting curve of driver's eyelid closure under coupling of illumination and longitudinal slope

3.2 注視時(shí)長(zhǎng)變化模型

擬合得到海底隧道出入口段駕駛?cè)俗⒁晻r(shí)長(zhǎng)、照度和坡度關(guān)系為

式中：f2(x,y)為單次注視時(shí)長(zhǎng)(s)。注視時(shí)長(zhǎng)、照度和坡度三維曲面擬合判定系數(shù)R2=0.835，擬合模型的方差分析結(jié)果如表4所示，其中，P=2.46×10-68＜0.001，說(shuō)明擬合程度較好。

駕駛員注視時(shí)長(zhǎng)與照度、坡度擬合曲面如圖7所示。海底隧道出入口段照度分布于1000～20000 lux，縱坡坡度分布于-1.5%～1.5%時(shí)，駕駛?cè)祟l繁變化注視點(diǎn)位置，單次注視時(shí)長(zhǎng)較低，駕駛?cè)俗⒁饬?，精神狀態(tài)緊張。

表4 駕駛員注視時(shí)長(zhǎng)與照度、坡度擬合模型的方差分析Table 4 Variance analysis of fitting model of driver's gaze duration,illumination and slope

圖7 照度及縱坡耦合作用下海底隧道出入口段駕駛?cè)藛未巫⒁晻r(shí)長(zhǎng)擬合曲面Fig.7 Fitting curve of driver's single gaze duration at entrance and exit of undersea tunnel under coupling of illumination and longitudinal slope

3.3 車(chē)速變化模型

擬合得到海底隧道出入口段行車(chē)速度、照度和坡度關(guān)系為

式中：f3(x,y)為行車(chē)速度(km/h)。行車(chē)速度、照度和坡度三維曲面擬合判定系數(shù)R2=0.8311，擬合模型的方差分析結(jié)果如表5所示，其中，P=9.94×10-60＜0.001，說(shuō)明擬合程度較好。

表5 行車(chē)速度與照度、坡度擬合模型的方差分析Table 5 Variance analysis of fitting model of speed,illumination and slope

行車(chē)速度與照度、坡度擬合曲面如圖8所示。海底隧道出入口段照度分布于1000～20000 lux，縱坡坡度分布于-1.5%～1.5%時(shí)，駕駛?cè)诵熊?chē)速度較低，精神狀態(tài)緊張。

圖8 照度及縱坡耦合作用下海底隧道出入口段駕駛?cè)诵熊?chē)速度擬合曲面Fig.8 Fitting curve of driver's speed at entrance and exit of a undersea tunnel under coupling of illuminance and longitudinal slope

4 結(jié)論

通過(guò)海底隧道實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)，對(duì)駕駛?cè)艘曈X(jué)特性數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，建立眼瞼閉合度、注視時(shí)長(zhǎng)、車(chē)速與照度和坡度的數(shù)學(xué)模型。發(fā)現(xiàn)，駕駛?cè)笋{車(chē)通過(guò)海底隧道出入口段時(shí)眼瞼閉合度明顯降低，注視時(shí)長(zhǎng)增加，注視點(diǎn)多分布于前方車(chē)輛，精神緊張。多因素方差分析結(jié)果顯示，眼瞼閉合度及注視時(shí)長(zhǎng)受環(huán)境照度作用效果顯著。車(chē)速呈現(xiàn)下降-上升-趨于平緩-下降-上升的規(guī)律，受照度和縱坡坡度作用效果顯著。

基于研究結(jié)論，為降低海底隧道事故風(fēng)險(xiǎn)，更好地對(duì)海底隧道進(jìn)行安全管理，提出如下建議：基于駕駛?cè)松硖匦匝芯拷Y(jié)論等科學(xué)合理的設(shè)置海底隧道縱坡坡度，減少因縱坡坡度突變?cè)斐傻男熊?chē)突變，保障行車(chē)安全；海底隧道出入口段應(yīng)設(shè)置合理的動(dòng)態(tài)漸變照明，減少照度明暗變化對(duì)駕駛?cè)说囊曈X(jué)刺激；海底隧道出入口前應(yīng)科學(xué)地設(shè)置簡(jiǎn)潔、清晰的包含前方縱坡的可變交通標(biāo)志，減少坡度變化對(duì)駕駛?cè)诵睦砼c行為的影響；駕駛員培訓(xùn)時(shí)，應(yīng)增加海底隧道段復(fù)雜行車(chē)環(huán)境方面的內(nèi)容，加強(qiáng)駕駛員對(duì)明暗適應(yīng)的認(rèn)識(shí)。