高速公路隧道進(jìn)出口彩色路面視覺特征研究

袁景玉，劉曉健，姚 勝，高 源，張志濤，王智德

(河北工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 天津 300130)

0 引 言

由于高速公路里程長，在長時(shí)間、單調(diào)的駕駛環(huán)境中，駕駛員極易出現(xiàn)精神懈怠、注意力不集中等狀態(tài)。當(dāng)接近隧道入出口時(shí)，因存在強(qiáng)烈的亮度改變，導(dǎo)致駕駛員瞳孔發(fā)生變化，這時(shí)需要駕駛員通過對路面、隧道環(huán)境、交通標(biāo)識和周圍車輛等復(fù)雜因素進(jìn)行觀察、判斷并作出反應(yīng)，否則易造成視覺認(rèn)知困難和駕駛失誤，從而引發(fā)交通事故[1-5]。故應(yīng)采取多方面措施，使駕駛員盡快從懈怠、疲倦恢復(fù)，保持安全駕駛狀態(tài)。其中：彩色路面被認(rèn)為是對安全駕駛有利的措施之一[6-7]。

傳統(tǒng)高速公路及隧道多為瀝青路面，顏色單一；若長時(shí)間注視，則會使駕駛者視覺靈敏度和關(guān)注力下降，引發(fā)視覺疲勞[8]。20世紀(jì)50年代，荷蘭一些專家首先將彩色路面應(yīng)用于自行車道上，提升道路美觀的同時(shí)提高了交通安全性[9]。日本在彩色路面鋪裝上有許多案例，如日本北九州市199號國道(街道段)靠邊的兩側(cè)車道為鐵紅色路面[10]。我國對彩色瀝青路面這一領(lǐng)域也有所研究。我國第一條彩色瀝青路面在廈門鋪設(shè)并投入使用[11]；2006年重慶某高速公路彩色路面投入使用，其采用全鋪方式，行車道顏色為綠色，應(yīng)急車道為紅色[12]；徐建閩等[13]指出逆向可變車道和漸變段鋪設(shè)彩色路面，宜為綠色。張曉昆[14]以某城市實(shí)際道路為例，對彩色瀝青混凝土路面進(jìn)行了分析，表明彩色瀝青混凝土路面具有穩(wěn)定性，且能對交通進(jìn)行誘導(dǎo)；陶盼盼等[15]通過構(gòu)建高速公路隧道入口段無減速設(shè)施、設(shè)置橫向減速標(biāo)線或紅色警示路面等模擬實(shí)驗(yàn)，表明在隧道入口段設(shè)置橫向減速標(biāo)線與紅色警示路面均對車輛行駛狀態(tài)及行車舒適性有顯著影響。

國內(nèi)外學(xué)者對彩色路面耐久性、防滑性等性能進(jìn)行了分析，指出現(xiàn)有彩色路面在抗滑、阻燃、降噪等方面都有所提高[16-19]；張東長等[20]研究了在滲透式抗滑材料中添加色粉配制成彩色路面抗滑薄層的性能。在彩色路面警示效果方面，XU Ming等[21]考慮到顏色對駕駛員心理影響，選用黃色作為隧道薄層防滑彩色路面，通過實(shí)驗(yàn)得出加有玻璃珠的薄層防滑黃色路面可使隧道入口路面亮度提高40%～60%，從而降低駕駛員進(jìn)入隧道時(shí)的視覺亮度變化。A.RYOSUKE等[22]通過分析十字路口處不同顏色標(biāo)識對交通安全性影響，得出有色路面可改變駕駛員意識，降低車速，從而提高行車安全性。H.Abou-Senna等[23]通過模擬器測試駕駛員在不同顏色標(biāo)記路面下的駕駛反應(yīng)，得出白色、黃色是道路標(biāo)記的最佳顏色。K.KIRCHER等[24]通過對駕駛員的仿真模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)淺色隧道墻壁涂層比強(qiáng)烈照明更能使駕駛員視覺注意力集中于前方。杜志剛等[25]指出：視覺誘導(dǎo)系統(tǒng)通過調(diào)控駕駛員視錯(cuò)覺，可有效提升公路隧道安全。

目前的研究多集中在彩色路面材質(zhì)組分、性能及提高交通安全作用等方面。關(guān)于彩色路面在高速公路隧道進(jìn)出口段對駕駛員視覺特征影響方面的研究較少，對高速公路隧道出入口處安全性是否有改進(jìn)作用有待研究。筆者基于模擬駕駛中駕駛員眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析，研究了不同色彩的彩色路面鋪裝對隧道接近段和出口段兩部分駕駛員視覺特征影響程度，為隧道進(jìn)出口段彩色路面應(yīng)用與推廣提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

當(dāng)受試者進(jìn)行虛擬駕駛模擬時(shí)，使用眼動(dòng)儀對眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，待實(shí)驗(yàn)完成后，分析其眼動(dòng)特征結(jié)果，探究不同顏色路面對駕駛員視覺特征的影響，找出最有利于受試者視覺特征的方案。

所用眼動(dòng)儀為青研EyeLab眼動(dòng)測試儀，通過該儀器所配備的軟件得出視點(diǎn)注視圖和軌跡圖。視點(diǎn)注視圖顯示不同受試者注視區(qū)域分布情況；軌跡圖中，注視以點(diǎn)表示，眼跳是連接點(diǎn)的線，注視點(diǎn)編號顯示注視順序，注視點(diǎn)大小表明注視持續(xù)時(shí)間。眼動(dòng)儀可同時(shí)記錄受試者原始眼動(dòng)坐標(biāo)、眼睛瞳孔面積等數(shù)據(jù)。通過瞳孔面積變化率可判斷受試者眼動(dòng)特征[26]。實(shí)驗(yàn)所用眼動(dòng)儀參數(shù)如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用眼動(dòng)測試儀相關(guān)參數(shù)Table 1 Relevant parameters of eye movement tester for experiment

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)路段彩色路面鋪設(shè)范圍如圖1，包括到達(dá)隧道入口前的接近段和隧道出口段兩部分。圖1中：深色矩形框表示彩色路面，距離隧道入口103 m處開始間斷進(jìn)行鋪設(shè)，隧道內(nèi)平鋪長度為20 m，距離隧道口85 m處開始間斷鋪設(shè)出口處彩色路面，鋪設(shè)長度為45 m。矩形彩色路面長度用l表示，寬度用w表示，彩色路面間的間距用s表示。彩色路面具體鋪設(shè)參數(shù)如表2。入口段彩色路面鋪裝序號從左側(cè)開始依次為1～9號；出口段彩色路面鋪裝序號從左側(cè)開始依次為10～16號。

圖1 彩色路面鋪設(shè)方案Fig. 1 Paving scheme of the colored pavement

表2 彩色路面鋪設(shè)方案的具體參數(shù)Table 2 Specific parameters of the paving scheme ofthe colored pavement m

在顏色選擇中，考慮到駕駛員心理和視覺上刺激顯著性需要，選用紅、黃兩種顏色為實(shí)驗(yàn)方案中彩色路面顏色[27]，并以RGB參數(shù)取值，紅色路面的RGB值為(119,45,34)；黃色路面的RGB值為(159,126,63)；原始黑色路面的RGB值為(72,69,62)。

汽車在高速行駛中會有產(chǎn)生很多聲音，主要分為固體噪聲和氣體噪聲兩部分[28-29]。由于隧道內(nèi)比較封閉，噪聲可達(dá)到90 dB左右[30]，且聲音不易消散，會增加駕駛員緊張感并影響行車安全[31]。筆者考慮到彩色路面鋪裝有3 mm左右的厚度增量，在測試視頻中設(shè)置行車噪聲，模擬真實(shí)行駛時(shí)的聲環(huán)境。

1.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h3>

實(shí)驗(yàn)根據(jù)太行山高速公路邯鄲段東坡隧道右洞項(xiàng)目建設(shè)方案以及相關(guān)規(guī)范要求建立隧道外部環(huán)境及內(nèi)部空間模型[32]。路面為3.75 m寬的兩車道，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，停車視距取值140 m。隧道內(nèi)部顏色選擇，根據(jù)圖紙要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，各項(xiàng)指標(biāo)設(shè)計(jì)均按照規(guī)范要求布置。根據(jù)該方案，運(yùn)用SketchUp和Lumion兩款軟件建立符合隧道環(huán)境的計(jì)算機(jī)虛擬模型[33]。使用Adobe Premiere制作虛擬行車資源，視頻時(shí)長為32 s，其中6～12 s為入口段視野存在彩色路面的時(shí)間段，22～26 s為出口段視野存在彩色路面的時(shí)間段。行駛過程以80 km/h的速度從距離彩色路面接近段160 m處開始計(jì)時(shí)。選用紅、黃兩種顏色作為虛擬隧道接近段、出口段彩色路面鋪設(shè)顏色，與原始黑色路面形成對比實(shí)驗(yàn)。彩路面鋪設(shè)形式如圖1，接近段鋪設(shè)效果如圖2，出口段鋪設(shè)效果如圖3。

圖2 彩色路面接近段鋪設(shè)效果Fig. 2 Paving effect of the colored pavement in theapproaching segment

為滿足色彩對比實(shí)驗(yàn)需要，筆者在視頻制作中各段場景采用均勻光照使色彩準(zhǔn)確還原，避免高光或暗區(qū)過多造成色彩失真，從而充分體現(xiàn)色彩對駕駛員視覺的影響。實(shí)驗(yàn)中選擇0～10 s和20～24 s兩段視頻分別再現(xiàn)由洞外開敞環(huán)境至接近洞口和由洞內(nèi)中間段到出口過程，其中第1段為明視覺，第2段為中間視覺。視頻中17～20 s時(shí)間段用漸變黑屏緩和視覺緊張感并實(shí)現(xiàn)明視覺到中間視覺的轉(zhuǎn)變[34]。使用XYL-Ⅲ型亮度計(jì)測量實(shí)驗(yàn)室亮度及測試視頻各時(shí)間點(diǎn)的屏幕亮度。實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境亮度為2.1 cd/m2。

1.4 測試人員選擇

實(shí)驗(yàn)總共有42名受試者，其中男性19名，女性23名。受試者年齡分布情況如下：18～25歲有26人，占61.9%；26～30歲有13人，占30.95%；31～40歲有1人，占2.38%；41～50歲有2人，占4.76%；所有受試者均持有駕駛執(zhí)照，且有一年以上駕齡，身體健康。為避免佩戴眼鏡者測試結(jié)果產(chǎn)生誤差，故實(shí)驗(yàn)要求受試者不佩戴眼睛且裸眼視力在4.8以上，無失眠障礙，實(shí)驗(yàn)前24 h未飲用酒精類飲品，實(shí)驗(yàn)前12 h未飲用含咖啡飲品，實(shí)驗(yàn)前1 h未進(jìn)行激烈運(yùn)動(dòng)。

2 實(shí)驗(yàn)過程

測試前，受試者分批進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，首先經(jīng)歷30 min的當(dāng)前光環(huán)境適應(yīng)，然后再進(jìn)行測試。測試開始后，禁止無關(guān)人員出入實(shí)驗(yàn)室，避免室外雜散光對受試者產(chǎn)生影響。

氣壓傳感器一旦發(fā)生了故障，就會導(dǎo)致氣象站不能夠準(zhǔn)確獲取氣壓信息，一般情況下氣壓傳感器發(fā)生了故障之后需要及時(shí)進(jìn)行斷電處理，將氣壓傳感器的供電電源快速切斷。氣壓傳感器的主要故障表現(xiàn)為氣壓值具體數(shù)值起伏不定，脫離正常的數(shù)值范圍，此時(shí)就需要查看氣壓傳感器的接線狀況。首先需要檢車各個(gè)部件的鏈接，以及通氣口是否暢通，部分的故障是由通氣口存在異物造成的。如果不是外界的因素影響到了氣壓傳感器導(dǎo)致故障的產(chǎn)生，那么可能是傳感器自身的老化和損壞，需要進(jìn)行更換新設(shè)備。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，受試者坐于眼動(dòng)儀顯示器前，調(diào)整受試者前后位置，使受試者眼睛和眼動(dòng)儀前端保持60 cm左右距離，調(diào)整眼動(dòng)儀仰角，使眼睛位置盡量位于屏幕中央播放測試視頻，保持實(shí)驗(yàn)室安靜；受試者佩戴耳機(jī)進(jìn)行測試，使用AWA5688型手持式聲級計(jì)裸露拾音器測試實(shí)驗(yàn)音頻，拾音器探頭正對耳機(jī)，距離1～2 mm，調(diào)節(jié)視頻聲音在(80±2)dB左右，左右聲道及不同受試者均保持一致；保持實(shí)驗(yàn)室安靜，受試者隨機(jī)觀看測試視頻。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 視點(diǎn)注視圖及軌跡圖

通過眼動(dòng)儀對駕駛員注視點(diǎn)情況進(jìn)行分析，以視頻中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，圖4為受試者行駛在各路面上注視點(diǎn)的分布情況。

對于接近段路面而言，受試者行駛在原始路面上時(shí)注視點(diǎn)分散，且注視點(diǎn)個(gè)數(shù)較多；在紅色路面上，受試者注視點(diǎn)比較分散，注意力不集中；而當(dāng)受試者行駛在黃色路面上，注視點(diǎn)較集中。對于出口段路面而言，受試者由于還未出隧道，視線被控制在一個(gè)管狀空間內(nèi)，相比隧道入口，注視點(diǎn)更加集中，受試者在原始路面出口段行駛時(shí)，注視點(diǎn)分散，紅色路面也有個(gè)別點(diǎn)注視其他區(qū)域，黃色路面注視點(diǎn)分布情況與紅色路面相似?？傊?，接近段受試者注視情況比較分散，出口段相對于入口段比較集中。

圖5為受試者行駛時(shí)眼動(dòng)軌跡圖。圖5中：每個(gè)顏色代表一個(gè)受試者眼動(dòng)的注視點(diǎn)，注視點(diǎn)之間連線表示眼跳，越少的目光注視與越短的關(guān)注點(diǎn)間路徑代表效率越高。受試者行駛在原始路面上時(shí)，眼動(dòng)軌跡混亂，注視點(diǎn)分散程度大；紅色路面受試者的眼動(dòng)軌跡較混亂，掃描路徑長且很多相互交叉，注視點(diǎn)序列分散排布，受試者注視點(diǎn)偏離；受試者行駛在黃色路面上時(shí)，受試者眼動(dòng)軌跡比較有規(guī)律，注視點(diǎn)軌跡單一且比較集中。

為使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確和直觀，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將受試者眼動(dòng)路線中的注視點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使用方差表示各種顏色路面上受試者注視點(diǎn)離散程度，再求平均值。對比各實(shí)驗(yàn)方差，進(jìn)而判斷各實(shí)驗(yàn)中受試者眼動(dòng)特征注視點(diǎn)離散程度，如式(1)。

(1)

實(shí)驗(yàn)中，采集到有效數(shù)據(jù)為41人。圖6為受試者在彩色路面區(qū)間注視點(diǎn)方差。

圖6 受試者在彩色路面區(qū)間注視點(diǎn)離散程度Fig. 6 Dispersion degree of fixation points of subjects in the interval ofcolored pavement

圖7為整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程受試者在3種路面上行駛時(shí)其注視點(diǎn)的方差情況。

圖7 3種顏色受試者實(shí)驗(yàn)全程注視點(diǎn)離散程度Fig. 7 Dispersion degree of fixation points of subjects with three colorsin the whole experiment

通過對比受試者在彩色路面上的眼動(dòng)注視點(diǎn)情況、軌跡圖及離散程度，可知在彩色路面上行駛時(shí)，駕駛員注視點(diǎn)及軌跡圖等眼動(dòng)特征存在差異。在隧道接近段，駕駛員行駛在紅色路面上，注視點(diǎn)比較混亂，容易出現(xiàn)軌跡交叉現(xiàn)象，且注視點(diǎn)離散程度較大；行駛在黃色路面上時(shí)，注視點(diǎn)比較集中，眼動(dòng)軌跡比較一致，離散程度小。在隧道出口段，由于駕駛員視野被管狀空間控制住，眼動(dòng)注視情況比較集中；紅色路面上注視點(diǎn)離散程度反而小于黃色路面上注視點(diǎn)離散程度。從整體方案看，原始路面離散程度大于紅色路面，大于黃色路面。

3.2 瞳孔面積變化特征

共有41名受試者參加實(shí)驗(yàn)，記錄了受試者進(jìn)入隧道前后的瞳孔變化情況，由于存在測試誤差，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，其實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長，故短暫時(shí)段的異常數(shù)據(jù)可忽略不計(jì)，直接刪除即可。

經(jīng)數(shù)據(jù)整理，得到被試者平均瞳孔面積與平均瞳孔面積變化率。圖8分別記錄了受試者在經(jīng)過彩色路面與原始路面時(shí)的平均瞳孔大小變化情況。

圖8 受試者平均瞳孔面積Fig. 8 Average pupil area of the subjects9

當(dāng)受試者在入口處彩色接近段紅色路面上行駛時(shí)(8～12 s)，受試者平均瞳孔面積波動(dòng)較大，呈現(xiàn)為先減小后增大趨勢。這種情況可能是因?yàn)椴噬访娉霈F(xiàn)在視野范圍內(nèi)，駕駛環(huán)境改變，受試者會產(chǎn)生興奮感，導(dǎo)致受試者瞳孔面積先變小，逐漸接近隧道入口時(shí)(9～12 s)，行車環(huán)境發(fā)生改變，使瞳孔面積增大；受試者在進(jìn)入隧道(12 s后)，由于洞口內(nèi)外亮度值變化很大，導(dǎo)致受試者瞳孔面積產(chǎn)生較大變化。對黃色路面而言，受試者在行駛過程中瞳孔面積基本呈上升趨勢，當(dāng)受試者在實(shí)驗(yàn)路段時(shí)，1～3 s時(shí)段中，受試者瞳孔變化較大，這是由于受試者進(jìn)入新環(huán)境后，周圍影響因素較多，導(dǎo)致瞳孔面積變化大；在3～8 s過程中受試者瞳孔面積基本持平；第9 s時(shí)，受試者瞳孔面積出現(xiàn)較大變化；9～12 s時(shí)，受試者瞳孔面積逐漸增大；受試者進(jìn)入隧道(12～13 s)時(shí)，彩色路面從視野中消失，接近段測試結(jié)束。由于洞內(nèi)照明設(shè)備使得洞內(nèi)環(huán)境突然變亮，導(dǎo)致受試者瞳孔面積突然變小，這應(yīng)是模擬駕駛實(shí)驗(yàn)中未能體現(xiàn)實(shí)際亮度巨大變化而造成的結(jié)果。

進(jìn)入隧道后，駕駛員視覺特征出現(xiàn)相似性。紅色路面與黃色路面受試者的瞳孔面積逐漸變大，兩者瞳孔面積變化情況呈相似性。8～9 s時(shí)，其瞳孔面積變小，該時(shí)間段受試者第1次注視到彩色路面；13～15 s時(shí)，受試者進(jìn)入隧道內(nèi)，瞳孔面積逐漸增大；當(dāng)受試者在行駛一段時(shí)間后，在17～20 s時(shí)，由于視頻中用黑色畫面表示行駛很長時(shí)間，行駛環(huán)境變暗，瞳孔面積逐漸變大；第20 s時(shí)，視頻中突然出現(xiàn)畫面，在虛擬行駛環(huán)境突然變亮和受試者產(chǎn)生緊張感的雙重作用下，進(jìn)而導(dǎo)致瞳孔變化出現(xiàn)較大波動(dòng)。在模擬實(shí)驗(yàn)過程中，受試者經(jīng)歷了由亮變黑再變更亮的環(huán)境過程，瞳孔面積因此會產(chǎn)生改變。這說明與受試者心理負(fù)荷是否產(chǎn)生緊張感有關(guān)。

當(dāng)駕駛員行駛至接近隧道出口時(shí)，第22～26 s為駕駛員經(jīng)過出口段彩色路面的時(shí)間。在此階段，駕駛員行駛在紅色和黃色路面上時(shí)，駕駛員平均瞳孔大小相似，且差異性不大；29～32 s時(shí)，瞳孔面積變大，但當(dāng)受試者經(jīng)過紅色路面時(shí)，其變化大于黃色路面瞳孔面積變化情況，當(dāng)瞳孔面積變化過大時(shí)，會影響駕駛員行車安全。受試者在兩種彩色路面上行駛，與原始路面上行駛產(chǎn)生對照組實(shí)驗(yàn)，行駛在彩色路面上時(shí)，駕駛員注意力更加集中。

為更加準(zhǔn)確直觀的判斷出受試者眼動(dòng)變化情況，將受試者眼動(dòng)特征平均瞳孔大小數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，用瞳孔面積變化率來表示眼動(dòng)變化情況，如式(2)。

(2)

式中：A表示瞳孔面積；t表示時(shí)間；S表示瞳孔面積變化率。

圖9為受試者行駛在兩種彩色路面與原始路面時(shí)的平均瞳孔面積變化率變化情況。受試者行駛在彩色路面上時(shí)，瞳孔面積變化整體波動(dòng)情況均小于受試者行駛在原始未鋪設(shè)彩色路面上時(shí)瞳孔面積波動(dòng)情況，該結(jié)果說明彩色路面鋪設(shè)對受試者視覺特征有影響，且可降低瞳孔面積變化率。受試者行駛在黃色路面上時(shí)瞳孔變化波動(dòng)情況小于紅色路面；說明受試者在黃色路面上行駛時(shí)，瞳孔面積波動(dòng)情況更加穩(wěn)定。

圖9 受試者平均瞳孔面積變化率Fig. 9 Change rate of the subjects’ average pupil area

4 結(jié) 論

筆者通過構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)場景，使用眼動(dòng)儀測試了受試者在隧道進(jìn)出口彩色路面上行駛的視覺特征，并與其在常規(guī)黑色路面上行駛形成對比，得到如下結(jié)論：

1)相比于原始的黑色瀝青路面，彩色路面可起到降低駕駛員因緊張、行駛環(huán)境改變產(chǎn)生的瞳孔變化并提高駕駛員行車注意力的作用；

2)在隧道接近段，黃色路面優(yōu)于紅色路面，受試者駕駛注視點(diǎn)更為集中，其離散程度約為黑色路面的0.4倍，眼動(dòng)路線相似且不復(fù)雜，瞳孔面積變化率較小；而在隧道出口段，紅色路面眼動(dòng)特征注視點(diǎn)離散程度最小，約為黑色路面的0.2倍，略優(yōu)于黃色路面；

3)從所設(shè)計(jì)高速公路隧道進(jìn)出口彩色路面的整體鋪設(shè)方案來看，黃色路面優(yōu)于紅色路面，其受試者注視點(diǎn)離散程度約為黑色路面的0.7倍，且瞳孔變化波動(dòng)較小。