照度與縱坡耦合作用下海底隧道出入口段駕駛?cè)艘曈X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)，機械與汽車工程學(xué)院，山東青島266520；2.蘭州交通大學(xué)，交通運輸學(xué)院，蘭州730070)

0 引言

海底隧道具有封閉、視線差、空間小、救援困難等特性，其內(nèi)一旦發(fā)生交通事故，整個隧道段的通行能力和安全性都將受到影響。對于山體隧道內(nèi)駕駛生理特性及駕駛行為的研究，國外做了較多研究[1]。Narisada[2]運用角膜反射眼球運動追蹤儀記錄了駕駛員在靠近隧道口時的眼部運動情況，發(fā)現(xiàn)在隧道入口段，駕駛員的注視點會慢慢落在隧道口。Manser 等[3]通過駕駛模擬器研究了隧道的直觀形象對駕駛行為的影響，發(fā)現(xiàn)駕駛員對速度的感知及感知后的反應(yīng)受隧道直觀形象影響。國內(nèi)研究隧道駕駛生理與安全的起步較晚，但進展較為迅速。胡月琦等[4]選取山區(qū)高速公路隧道進行實車實驗，分析不同車速下駕駛?cè)藙討B(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形設(shè)計、行車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特性變化規(guī)律，對提高海底隧道運營安全具有重要意義。

1 研究方法

1.1 實驗線路

選擇青島膠州灣海底隧道中黃島區(qū)至市南區(qū)4個往返隧道出入口。實驗路線為：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、云南路出口段簡稱隧道1～4 段。為使實驗在交通流環(huán)境與環(huán)境照度盡可能相近的情況進行，選擇非交通高峰、非霧天、非雨天等天氣進行實驗。

1.2 實驗駕駛?cè)藛T與實驗儀器

實驗挑選不同年齡、不同駕齡的26 名駕駛?cè)诉M行實驗，其中，男性21名，女性5名，視力(含矯正視力)為4.6～5.0。實驗儀器主要為Facelab 5.0眼動儀，TES-1339R照度計。實驗車輛為雪佛蘭景程自動擋轎車。還有行車記錄儀、攝像機、筆記本電腦等輔助實驗設(shè)備。

1.3 評價指標

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)水敃r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表示上下眼瞼沒有覆蓋虹膜部分，即未閉合。

注視點位置和次數(shù)在一定程度上反映駕駛?cè)艘曈X搜索捕捉目標物體的位置，次數(shù)的多少及注視時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

為方便實車實驗數(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)并存儲于照度計內(nèi)，其具體位置如圖1所示。

圖1 實驗數(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 實驗結(jié)果與分析

實驗結(jié)束后，對實驗數(shù)據(jù)進行初步處理，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{車經(jīng)過海底隧道過程中，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{車通過海底隧道過程中照度、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，車輛在海底隧道入口段前150 m行駛過程中，縱坡坡度值較小，照度值波動性較小，駕駛?cè)搜鄄€閉合度下降至0.5；當車輛在海底隧道入口段行駛時，照度值銳減至100 lux以下，駕駛?cè)搜鄄€閉合度降至0.4 左右；當車輛在海底隧道入口段后150 m 行駛時，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，精神相對放松；當車輛在海底隧道出口段前150 m 行駛時，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；當車輛在海底隧道出口段行駛時，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；當車輛在海底隧道出口段后150 m行駛時，縱坡坡度減小至0.5%，駕駛?cè)搜鄄€閉合度上升，精神相對放松。

對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，該實驗工況條件下，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 注視時長與位置變化特征分析

注視時長在一定程度上反應(yīng)了駕駛?cè)双@得交通信息的難易程度。駕駛?cè)笋{車經(jīng)過海底隧道過程中注視時長與照度、坡度的變化規(guī)律如圖3所示。車輛在海底隧道入口段前150 m行駛時，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長約為3.7 s，視認難度較大，注意力集中；當車輛在海底隧道入口段行駛時，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長下降至3.0 s 左右；當車輛在海底隧道入口段后150 m行駛時，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長無較大變化；當車輛在海底隧道出口段前150 m 行駛時，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長維持在3.0 s 左右，已適應(yīng)隧道內(nèi)駕駛環(huán)境；當車輛在海底隧道出口段行駛時，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長維持在3.0 s；當車輛在海底隧道出口段后150 m行駛時，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長逐漸增加。

對不同照度及坡度范圍下的駕駛?cè)俗⒁晻r長作多因素方差分析，該實驗工況條件下，駕駛?cè)俗⒁晻r長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^海底隧道注視變化時空分布特性，將駕駛?cè)藛未巫⒁晻r長與注視點位置及頻次相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)駕駛?cè)俗⒁朁c主要分布于水平方向-30～70 cm及垂直方向-40～40 cm范圍內(nèi)。將虛擬坐標系與實驗時駕駛?cè)艘曈X可視范圍進行擬合，并將駕駛?cè)丝梢暦秶M行劃分，如圖4所示。其中，可視范圍1、2、3、4、5 分別為前方、左右臨近車道、左側(cè)交通標志、右側(cè)交通標志及上方交通標志所提供的交通信息。

圖3 駕駛?cè)笋{車通過海底隧道過程中照度、縱坡和注視時長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分布數(shù)據(jù)，得到海底隧道出入口段駕駛?cè)俗⒁晻r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)域注視時長百分比；n為i區(qū)域注視頻次；ti為i區(qū)域單次注視時長；t為行車時間。

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^海底隧道出入口段時更加關(guān)注前方車輛行駛狀況，同時兼顧左右臨近車道，對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 車速變化特征分析

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

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

對不同照度及坡度范圍下的駕駛?cè)诵熊囁俣茸鞫嘁蛩胤讲罘治?。該實驗工況條件下，行車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，將視覺特征指標與速度定義為因變量，進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軟件分別對其進行擬合分析，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，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 注視時長變化模型

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

式中：f2(x,y)為單次注視時長(s)。注視時長、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，說明擬合程度較好。

駕駛員注視時長與照度、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，駕駛?cè)祟l繁變化注視點位置，單次注視時長較低，駕駛?cè)俗⒁饬?，精神狀態(tài)緊張。

表4 駕駛員注視時長與照度、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長擬合曲面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 車速變化模型

擬合得到海底隧道出入口段行車速度、照度和坡度關(guān)系為

式中：f3(x,y)為行車速度(km/h)。行車速度、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，說明擬合程度較好。

表5 行車速度與照度、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，駕駛?cè)诵熊囁俣容^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)诵熊囁俣葦M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

通過海底隧道實車實驗，對駕駛?cè)艘曈X特性數(shù)據(jù)進行采集與分析，建立眼瞼閉合度、注視時長、車速與照度和坡度的數(shù)學(xué)模型。發(fā)現(xiàn)，駕駛?cè)笋{車通過海底隧道出入口段時眼瞼閉合度明顯降低，注視時長增加，注視點多分布于前方車輛，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長受環(huán)境照度作用效果顯著。車速呈現(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，更好地對海底隧道進行安全管理，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造成的行車突變，保障行車安全；海底隧道出入口段應(yīng)設(shè)置合理的動態(tài)漸變照明，減少照度明暗變化對駕駛?cè)说囊曈X刺激；海底隧道出入口前應(yīng)科學(xué)地設(shè)置簡潔、清晰的包含前方縱坡的可變交通標志，減少坡度變化對駕駛?cè)诵睦砼c行為的影響；駕駛員培訓(xùn)時，應(yīng)增加海底隧道段復(fù)雜行車環(huán)境方面的內(nèi)容，加強駕駛員對明暗適應(yīng)的認識。