不同時(shí)段高速公路特長(zhǎng)隧道入口視覺(jué)特性研究

梅家林 杜志剛 王首碩

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

地處復(fù)雜山區(qū)高速公路的橋隧路段，駕駛?cè)嗽隈側(cè)牒婉偝鏊淼罆r(shí)，外部環(huán)境在強(qiáng)視覺(jué)參照系和弱視覺(jué)參照系之間急劇變化，會(huì)引起“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”，是交通事故多發(fā)地段[1].隧道洞門(mén)附近的事故率高于隧道中間段，隧道交通事故以追尾和碰撞為主[2-3].相比于白天的隧道出口段，隧道入口段在白天有明顯的“黑洞效應(yīng)”，給駕駛?cè)水a(chǎn)生更為嚴(yán)重的視覺(jué)負(fù)荷，因此針對(duì)隧道入口區(qū)域進(jìn)行改善研究，是隧道安全改善工作的重心.

目前隧道入口交通安全改善措施以照明改善研究為主，但是實(shí)際上很多高速公路隧道在運(yùn)營(yíng)中全天均采用相同的照明方案，造成了巨大的能源浪費(fèi).近年來(lái)對(duì)夜間節(jié)能照明研究取得了一些進(jìn)展[4].文獻(xiàn)[5]提出，在長(zhǎng)度500 m

目前針對(duì)隧道入口區(qū)域研究有駕駛?cè)说囊曈X(jué)負(fù)荷[9]、隧道內(nèi)不同場(chǎng)景下的視覺(jué)特性[10]等，大多是針對(duì)白天隧道入口進(jìn)行研究，對(duì)于夜間駕駛?cè)艘曈X(jué)特性較少，其中多為亮度與駕駛?cè)藢?duì)障礙物的視認(rèn)距離的研究[11].現(xiàn)有研究主要是針對(duì)白天隧道入口的駕駛?cè)说耐酌娣e變化、隧道與其他道路的視覺(jué)特性對(duì)比等方面，對(duì)于隧道入口區(qū)域的劃分較為籠統(tǒng)，并且對(duì)于隧道入口區(qū)域不同區(qū)段的視覺(jué)特性研究不夠細(xì)致、詳細(xì)，對(duì)夜間駕駛?cè)说囊曈X(jué)特性的研究較少，缺乏對(duì)不同時(shí)段的駕駛?cè)艘曈X(jué)特性的對(duì)比研究.

隧道入口段的“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”引起的瞳孔面積快速變化，將影響到駕駛?cè)俗⒁曅袨楹蛼咭曅袨?為深入分析入口區(qū)域“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”對(duì)駕駛?cè)双@取信息的影響，文中將分析正午(11：00—14：00)和夜晚(20：00—23：00)時(shí)段，并將傍晚(16：00—19：00)的數(shù)據(jù)作為對(duì)照，選取注視點(diǎn)分布范圍、平均注視時(shí)間、注視持續(xù)時(shí)間、注視次數(shù)、掃視幅度和平均掃視時(shí)間等指標(biāo)對(duì)隧道入口區(qū)域的視覺(jué)特性進(jìn)行分析.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集

1.1 實(shí)驗(yàn)隧道

某特長(zhǎng)隧道為雙向四車(chē)道的分離式隧道，長(zhǎng)度為4 060 m，設(shè)計(jì)車(chē)速80 km/h.依照《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》對(duì)隧道分段的規(guī)定，按照設(shè)計(jì)車(chē)速80 km/h計(jì)算，可得接近段為110 m，入口段為85 m，過(guò)渡段為295 m.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及駕駛?cè)?/h3>

實(shí)驗(yàn)車(chē)型為別克GL8，車(chē)輛性能良好.眼動(dòng)數(shù)據(jù)的采集設(shè)備為德國(guó)某公司的Dikablis Professional眼動(dòng)儀，其采樣率為60 Hz，視線(xiàn)追蹤精度為0.1°～0.3°，可配合數(shù)據(jù)分析軟件D-Lab采集和分析數(shù)據(jù).

由于實(shí)驗(yàn)需要采集正午、傍晚、夜晚的數(shù)據(jù)，且在高速公路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，難以安排大量駕駛?cè)诉M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此安排單個(gè)駕駛?cè)嗽诿總€(gè)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行至少3次實(shí)驗(yàn)，最終結(jié)果取平均值.本次實(shí)驗(yàn)選取8名男性駕駛?cè)撕?名女性駕駛?cè)?，平均駕齡為5～10年，校正視力均在0.8以上，無(wú)生理缺陷和重、特大事故經(jīng)歷.實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前確保駕駛?cè)苏５纳钭飨ⅲ噜彆r(shí)段實(shí)驗(yàn)保證有充足時(shí)間供駕駛?cè)诵菹?，避免疲?

1.3 實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為6月底的正午、傍晚、夜晚，保證隧道洞門(mén)內(nèi)外亮度在不同時(shí)段之間有較大差異，見(jiàn)圖1.

圖1 不同時(shí)段的隧道入口

對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析，若經(jīng)過(guò)Shapiro-Wilk檢驗(yàn)表明，各組數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布(P>0.05)，且符合方差齊次性(P>0.05)，則進(jìn)行單因素方差分析；若數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，或不符合方差齊次性，則采用非參數(shù)檢驗(yàn)(friedman檢驗(yàn))來(lái)判斷數(shù)據(jù)的差異性.

2 注視點(diǎn)分布特征

2.1 不同時(shí)段注視點(diǎn)分布情況

選用典型駕駛?cè)藬?shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同時(shí)段下駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)分布見(jiàn)圖2.

圖2 不同時(shí)段下駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)分布

由圖2可知:入口區(qū)域不同區(qū)段的駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)分布并不一樣，主要在水平X軸坐標(biāo)上呈現(xiàn)較大差異.受隧道本身封閉環(huán)境的影響，在正午和傍晚時(shí)段，駕駛?cè)嗽谶^(guò)渡段的注視點(diǎn)會(huì)比其他路段的更為分散，分布范圍更廣，而在夜晚時(shí)段，駕駛?cè)嗽谌肟诙蔚淖⒁朁c(diǎn)分布范圍更廣.這說(shuō)明駕駛?cè)嗽谶M(jìn)入隧道過(guò)程中的注視點(diǎn)分布會(huì)受行駛時(shí)段的影響.

2.2 水平及垂直方向注視點(diǎn)位置范圍

在行駛一段距離過(guò)程中，駕駛?cè)藭?huì)發(fā)生多次注視點(diǎn)停留行為.為減少注視點(diǎn)中的異常值(駕駛?cè)藭?huì)注視車(chē)內(nèi)、后視鏡或道路環(huán)境之外的區(qū)域)影響，選用X85-X15值來(lái)評(píng)定駕駛?cè)嗽谒絏軸上的注視點(diǎn)范圍，選用Y85-Y15值來(lái)評(píng)定駕駛?cè)嗽诖怪盰軸上的注視點(diǎn)范圍.水平方向上的注視點(diǎn)范圍和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 水平方向上的注視點(diǎn)范圍顯著性檢驗(yàn)

水平X軸上的注視點(diǎn)范圍反映了水平視覺(jué)搜索范圍，也反映了駕駛?cè)藢?duì)路側(cè)信息的關(guān)注度.對(duì)表1進(jìn)行分析，可得：

1)入口段的水平X軸注視點(diǎn)范圍：夜晚>傍晚>正午，說(shuō)明駕駛?cè)嗽谝雇頃?huì)比白天更為關(guān)注隧道入口段的洞門(mén)和側(cè)壁情況.

2)在正午和傍晚時(shí)段，不同區(qū)段的X軸注視點(diǎn)范圍呈現(xiàn)顯著性差異，過(guò)渡段>接近段>入口段，說(shuō)明駕駛?cè)嗽谡绾桶頃r(shí)，在過(guò)渡段上受隧道的側(cè)墻效應(yīng)更為明顯，促使駕駛?cè)瞬粩嚓P(guān)注側(cè)墻，并保持一定的距離以避免與其相撞.其中入口段的X軸注視點(diǎn)范圍最小，可認(rèn)為是正午和傍晚時(shí)段駕駛?cè)嗽谌肟诙螘?huì)因黑洞效應(yīng)影響，對(duì)道路正前方信息更為關(guān)注.

垂直Y軸上的注視點(diǎn)范圍反映了駕駛?cè)舜怪币曈X(jué)的搜索范圍，見(jiàn)表2.由表2可知，行駛時(shí)段和區(qū)段并沒(méi)有對(duì)駕駛?cè)说拇怪币曈X(jué)搜索范圍造成顯著性影響.

表2 垂直方向上的注視點(diǎn)范圍顯著性檢驗(yàn)

3 注視行為特征

3.1 注視持續(xù)時(shí)間

注視持續(xù)時(shí)間是指行駛過(guò)程中注視活動(dòng)持續(xù)的時(shí)間，反映了駕駛?cè)双@取目標(biāo)信息的難易程度.持續(xù)注視時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)明駕駛?cè)嗽谛旭傔^(guò)程中越難獲取信息，處理信息難度更大.駕駛?cè)嗽谌肟趨^(qū)域的注視持續(xù)時(shí)間比例見(jiàn)圖3.

圖3 隧道入口區(qū)域注視持續(xù)時(shí)間比例

由圖3可知，正午駕駛?cè)擞懈弑壤? 000 ms以上的注視持續(xù)時(shí)間，說(shuō)明駕駛?cè)嗽谡鐣r(shí)段獲取信息難度較高，其中在正午入口段的獲取信息難度最大.

3.2 平均注視時(shí)間

平均注視時(shí)間，是指駕駛?cè)藢?duì)某區(qū)域的累計(jì)注視時(shí)間除以注視次數(shù)后得到的時(shí)間，可以反映駕駛?cè)颂崛≡搮^(qū)域交通環(huán)境信息的難易程度.因此統(tǒng)計(jì)不同時(shí)段駕駛?cè)嗽谒淼廊肟趨^(qū)域不同區(qū)段下的平均注視時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)圖4，其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

圖4 不同時(shí)段隧道入口區(qū)域駕駛?cè)似骄⒁晻r(shí)間

表3 平均注視時(shí)間顯著性檢驗(yàn)

由圖4和表3可知:在正午時(shí)段，駕駛?cè)嗽谶M(jìn)入隧道過(guò)程中，平均注視時(shí)間先增加后減少，說(shuō)明駕駛?cè)嗽谌肟诙胃y提取相應(yīng)的交通信息，駕駛?cè)嗽谡缛肟诙问堋昂诙葱?yīng)”影響更為嚴(yán)重，難以看清前方交通信息，使注視時(shí)間增長(zhǎng).

3.3 平均注視次數(shù)

統(tǒng)計(jì)不同時(shí)段駕駛?cè)嗽谒淼廊肟趨^(qū)域不同區(qū)段下的平均注視次數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖5.其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，行駛時(shí)段和區(qū)段對(duì)平均注視次數(shù)均無(wú)顯著性影響.

圖5 不同時(shí)段隧道入口區(qū)域駕駛?cè)似骄⒁暣螖?shù)

表4 平均注視次數(shù)顯著性檢驗(yàn)

4 掃視行為特征

4.1 掃視幅度

掃視幅度指的是一次掃視過(guò)程從開(kāi)始到結(jié)束所覆蓋的范圍，反映了駕駛?cè)送ㄟ^(guò)掃視行為獲取信息的覆蓋范圍.駕駛?cè)藪咭暦群惋@著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 平均掃視幅度顯著性檢驗(yàn)

由表5可知，不同時(shí)段駕駛?cè)嗽谌肟诙蔚膾咭暦瘸尸F(xiàn)較大差異，其中夜晚>正午>傍晚，與水平X軸上的注視點(diǎn)范圍呈現(xiàn)相同的規(guī)律，可解釋為夜晚受隧道入口段的發(fā)光誘導(dǎo)設(shè)施影響，獲得交通信息的范圍增加，更為關(guān)注隧道入口段的洞門(mén)和側(cè)壁.傍晚時(shí)段的不同區(qū)段的駕駛?cè)藪咭暦鹊囊?guī)律與水平X軸上的注視點(diǎn)范圍呈現(xiàn)相同的規(guī)律.由此可以認(rèn)為駕駛?cè)说膾咭暦仍酱?，水平X軸上的注視點(diǎn)范圍也越大.

4.2 平均掃視時(shí)間

平均掃視時(shí)間是指駕駛?cè)似骄看斡梢粋€(gè)注視點(diǎn)快速移動(dòng)到下一個(gè)注視點(diǎn)的過(guò)程的時(shí)間.不同時(shí)段隧道入口區(qū)域駕駛?cè)似骄鶔咭晻r(shí)間和其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6.

表6 平均掃視時(shí)間顯著性檢驗(yàn)

由表6可知，在接近段行駛時(shí)，駕駛?cè)嗽谡绾鸵雇淼钠骄鶔咭晻r(shí)間均高于傍晚的時(shí)段的.在接近段中，洞外景物基本消失，駕駛?cè)碎_(kāi)始適應(yīng)隧道明暗適應(yīng).受隧道入口正午的“黑洞效應(yīng)”和夜晚的“白洞效應(yīng)”影響，正午和夜晚的駕駛?cè)嗽谒淼劳獾慕咏蔚木Ρ容^集中，駕駛行為較為謹(jǐn)慎，信息搜索的精度要求更高，因此駕駛?cè)藪咭晻r(shí)間較長(zhǎng).同時(shí)“黑洞效應(yīng)”比“白洞效應(yīng)”的影響更為惡劣，且所需視覺(jué)適應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)，促使正午時(shí)段駕駛?cè)嗽谶^(guò)渡段保持較高的神經(jīng)緊張感，對(duì)道路環(huán)境的觀(guān)察更為細(xì)致，因此正午時(shí)段過(guò)渡段的駕駛?cè)说膾咭晻r(shí)間會(huì)高于傍晚和夜晚的.

5 結(jié) 論

1)行駛的時(shí)段和區(qū)段會(huì)對(duì)駕駛?cè)说乃阶⒁朁c(diǎn)范圍、注視持續(xù)時(shí)間、掃視幅度造成一定的影響.正午駕駛?cè)诵旭倳r(shí)的區(qū)段會(huì)對(duì)平均注視時(shí)間產(chǎn)生影響，行駛時(shí)段會(huì)對(duì)平均掃視時(shí)間產(chǎn)生一定的影響.不同時(shí)段、不同區(qū)段的垂直注視點(diǎn)范圍和注視次數(shù)均無(wú)顯著性差異.

2)在正午時(shí)段，駕駛?cè)嗽诮咏斡休^長(zhǎng)的掃視時(shí)間，在入口段有較長(zhǎng)的注視持續(xù)時(shí)間，平均注視時(shí)間變長(zhǎng)，水平注視點(diǎn)范圍減小，在過(guò)渡段受隧道側(cè)壁效應(yīng)影響明顯，導(dǎo)致掃視幅度變大，掃視時(shí)間較長(zhǎng).

3)夜晚時(shí)段，駕駛?cè)嗽诮咏蔚膾咭晻r(shí)間較長(zhǎng)，在入口段有著較大的水平注視點(diǎn)范圍，較為關(guān)注隧道側(cè)壁情況，掃視幅度也更大.

4)文中探討了不同時(shí)段高速公路特長(zhǎng)隧道入口區(qū)域視覺(jué)特性，為隧道入口區(qū)域的道路標(biāo)志、標(biāo)線(xiàn)的設(shè)施提供了參考依據(jù)，也為隧道入口區(qū)域交通事故成因研究提供足夠的理論依據(jù)，最終結(jié)論不僅適用于特長(zhǎng)隧道入口，也可以應(yīng)用于長(zhǎng)隧道入口區(qū)域.

5)目前僅針對(duì)一個(gè)隧道的實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，后續(xù)研究將擴(kuò)大隧道和駕駛?cè)说臉颖緮?shù)量，進(jìn)而分析隧道平曲線(xiàn)、交通設(shè)施等因素對(duì)駕駛?cè)说囊曈X(jué)特性的影響.