隧道駕駛疲勞喚醒段設(shè)置長度研究

岳 振， 馬 森， 劉力力， 賀大朋， 胡江碧， *，于建游

(1. 北京市公聯(lián)公路聯(lián)絡(luò)線有限責任公司， 北京 100161； 2. 北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部， 北京 100124；3. 河北省高速公路延崇籌建處， 河北 張家口 075000)

0 引言

近年來我國隧道建設(shè)數(shù)量越來越多、長度越來越大，隧道內(nèi)較長的中間段行車環(huán)境單調(diào)、封閉，線形、交通量及照明環(huán)境條件單一[1]，導(dǎo)致隧道內(nèi)交通安全形勢越來越嚴峻[2]。駕駛員在長隧道中間段行駛較長時間后大腦接收的刺激量少，思維判斷少，操作量小，會導(dǎo)致反應(yīng)遲鈍、知覺減弱、意識水平下降、警覺性降低、心理壓抑，逐漸產(chǎn)生駕駛疲勞[3-4]。產(chǎn)生駕駛疲勞的駕駛員在駛出隧道時還易出現(xiàn)超速逃逸等不良駕駛行為，給行車帶來安全風(fēng)險[5]。

現(xiàn)有研究表明，第3類感光細胞即本征感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞(ipRGC)在外界光源不同時，可以控制人體的褪黑素等激素的分泌，調(diào)節(jié)人體的生物節(jié)律，從而影響駕駛員的喚醒水平，稱為非視覺光生物效應(yīng)[6]。Christian等采用440～600 nm不同波長的光源對被試人員進行照射試驗，分析不同光源對人體激素、體溫、血壓、心率等生理參數(shù)的影響，得到不同人體生理參數(shù)的波長響應(yīng)曲線[7-8]。結(jié)果表明，ipRGC對460～490 nm的藍色光源最為敏感，相對于傳統(tǒng)的明視覺函數(shù)，函數(shù)曲線明顯向短波方向偏移，采用藍色等短波長的燈光對人體進行刺激可有效喚醒人體疲勞。居家奇[9]采用440～530 nm短波長低照度燈光對不同年齡被試人員進行試驗發(fā)現(xiàn)，相對于老年人，年輕人心率更易受到短波長燈光的影響。

因此，國內(nèi)外針對長隧道內(nèi)駕駛員產(chǎn)生駕駛疲勞采取的工程改善措施大多是在隧道側(cè)壁設(shè)置一定長度的疲勞喚醒段，即在一定位置設(shè)置一定長度、不同顏色的燈光對駕駛員進行疲勞喚醒。挪威學(xué)者Kvaale等通過仿真試驗及主觀評價方法提出在限速80 km/h、全長24.5 km的挪威洛達爾隧道內(nèi)設(shè)置3處疲勞喚醒段，平均每隔6 km設(shè)置1處，每處疲勞喚醒段長200 m，全斷面采用藍色燈光為主色調(diào)[10-11]。臺灣學(xué)者Zheng[12]通過仿真試驗并結(jié)合主觀評價的方法提出在長12.9 km、設(shè)計速度60 km/h的雪山隧道出入口設(shè)置約3 km長的疲勞喚醒段，其以藍色、白色為主色調(diào)，并點綴色彩不一的隧道側(cè)壁圖案。我國的雅康高速二郎山隧道，長13 459 m，限速80 km/h，隧道疲勞喚醒景觀帶利用交通轉(zhuǎn)換帶進行布設(shè)，設(shè)置長度參考“555原則”，將隧道分為3個部分，每部分疲勞喚醒景觀帶長120 m，采用LED點光源進行布設(shè)，可對駕駛員進行5.4 s喚醒[13]。集通高速公路五女峰特長隧道，全長約7.9 km，限速80 km/h，在隧道洞內(nèi)K24+500處設(shè)置1處藍色疲勞喚醒段，長120 m，分為過渡1區(qū)、顯示區(qū)、過渡2區(qū)，各40 m，采用LED燈進行設(shè)置[14]。設(shè)計速度80 km/h的城開高速旗桿山隧道，上下行分別在7.63 km和7.66 km處設(shè)置了300 m長的疲勞喚醒段，采用藍色調(diào)設(shè)計[15]。秦嶺終南山隧道、湖南雪峰山隧道、太古高速西山隧道、寶天高速大坪里隧道等均設(shè)有疲勞喚醒景觀段，長度100～300 m[16]。這些疲勞喚醒段的長度設(shè)置均未充分考慮駕駛員駕駛疲勞的特性及需求，其有效性值得探討。

在以往的研究中，疲勞喚醒段的長度多基于仿真或仿真環(huán)境下的主觀評價試驗，仿真的光環(huán)境與真實的燈光顏色、亮度特性及駕駛員的實際駕駛感受等具有較大差異[17-19]。現(xiàn)有的疲勞喚醒段的設(shè)置方法難以滿足駕駛員在長隧道內(nèi)運行的安全性及喚醒需求，且目前我國也沒有針對疲勞喚醒段設(shè)置長度的相關(guān)規(guī)范。因此，以喚醒駕駛員駕駛疲勞為依據(jù)，對長隧道駕駛疲勞喚醒段的設(shè)置長度進行研究，對保障長隧道內(nèi)的行車安全具有重要指導(dǎo)意義。

1 長隧道駕駛疲勞機制及表征方法

駕駛員在長隧道中間段內(nèi)行車時，道路、交通、環(huán)境信息相對單調(diào)，提供給駕駛員的刺激較少，駕駛員警覺性低，駕駛工作負荷小，知覺減弱，反應(yīng)和判斷能力較差，易產(chǎn)生駕駛疲勞，產(chǎn)生交通安全隱患。駕駛員駕駛疲勞時，感覺器官、中樞神經(jīng)系統(tǒng)以及運動器官將產(chǎn)生一定的應(yīng)激反應(yīng)，會體現(xiàn)在駕駛行為、身體及生理心理信號上。國內(nèi)外很多針對道路駕駛疲勞量測方法的研究也證實，駕駛員的疲勞程度可以用量化生理、心理指標的方法來表達，其中，心電信號精準可靠且易于測量[20]。駕駛疲勞時，駕駛員心率會減慢，可用心率變異性HRV(heavt rate variability)指標來表征。HRV指標是指心跳周期差異的變化情況，能反映駕駛員的駕駛疲勞程度。HRV指標包括時域指標和頻域指標，HRV頻域指標包括HF、LF、HFnorm、LF/HF、VLF等。HF、LF、HFnorm、LF/HF指標均能有效表征駕駛疲勞[21-22]。因此，選取駕駛員心率變異性(HRV)LF/HF指標定量評價長隧道駕駛員的駕駛疲勞，并稱其為疲勞喚醒程度，其計算公式如式(1)所示。

W=[HRVb-HRVa]/HRVa。

(1)

式中：W為疲勞喚醒程度； HRVb為駕駛員在疲勞喚醒段刺激后30 s時的HRV值； HRVa為駕駛員在疲勞喚醒段刺激前的HRV值。

根據(jù)胡江碧等[23]的研究成果，駕駛員正常駕駛車輛進入隧道后，心率變異性(HRV)LF/HF值開始增大，當其增大為平靜狀態(tài)下LF/HF值的3.02倍后，便認為駕駛員處于駕駛疲勞狀態(tài)。當發(fā)生異常事件導(dǎo)致駕駛員緊張時，LF/HF值也會突然上升，因此要結(jié)合道路交通狀況對駕駛員疲勞狀態(tài)進行綜合判斷。

2 疲勞喚醒段長度影響因素

長隧道中間段疲勞喚醒段的設(shè)置長度決定了疲勞喚醒段刺激持續(xù)時間； 疲勞喚醒段的刺激持續(xù)時間及視覺刺激強度(即色彩與亮度)共同決定了視覺刺激量，影響駕駛員駕駛疲勞的喚醒程度及喚醒維持時間。因此，為研究得到疲勞喚醒段的設(shè)置長度，需研究滿足駕駛員所需喚醒維持時間的刺激量，根據(jù)最佳設(shè)置色彩及亮度計算刺激時間，進而得到疲勞喚醒段的設(shè)置長度。疲勞喚醒段設(shè)置長度與各因素間的相關(guān)關(guān)系如圖1所示。

圖1 疲勞喚醒段設(shè)置長度與各因素間的相關(guān)關(guān)系

采用喚醒程度W及喚醒維持時間T2個指標分別建立與刺激量的相關(guān)關(guān)系。疲勞喚醒段的視覺刺激量決定了駕駛員駕駛疲勞的喚醒程度以及喚醒維持時間，視覺刺激量越大，駕駛員的疲勞喚醒程度越高，喚醒維持時間也越長。疲勞喚醒段視覺刺激量Q為視覺刺激強度I與刺激持續(xù)時間t的乘積，如式(2)所示。

Q=I×t。

(2)

式中：Q為隧道疲勞喚醒段視覺刺激量，cd·s/m2；I為隧道疲勞喚醒段視覺刺激強度，即疲勞喚醒段的色彩及亮度，cd/m2；t為隧道疲勞喚醒段刺激持續(xù)時間，即駕駛員在隧道疲勞喚醒段的行車時間，s。

3 不同刺激量疲勞喚醒試驗方案設(shè)計

為研究駕駛員疲勞喚醒所需的刺激量及喚醒維持時間，通過營造不同刺激量水平的疲勞喚醒段，采集喚醒前后駕駛員的生理心理指標，研究其在不同刺激量疲勞喚醒段喚醒后的喚醒程度及喚醒維持時間，建立疲勞喚醒段刺激量與喚醒程度及喚醒維持時間的相關(guān)關(guān)系，最后提出不同運行速度下長隧道內(nèi)疲勞喚醒段的設(shè)置長度。

3.1 試驗環(huán)境

1)模擬長隧道中間段試驗場景條件。為實現(xiàn)試驗?zāi)繕?，剔除其他環(huán)境因素的影響，試驗選擇在某燈具廠家的光學(xué)實驗室進行。試驗場地尺寸為15 m×7.5 m×7 m，受空間限制，試驗僅模擬隧道單洞左半側(cè)部分(左檢修道0.75 m+左側(cè)向?qū)挾?.5 m+行車道3.75 m=5 m)。

2)疲勞喚醒段光環(huán)境及視覺刺激條件。按現(xiàn)行規(guī)范JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計細則》要求，布設(shè)模擬長隧道中間段燈具，使路面平均亮度為1 cd/m2，側(cè)壁亮度為0.6 cd/m2，并保證路面亮度的均勻性； 隧道照明光源色溫選取4 000 K，顯色指數(shù)選取70。

根據(jù)現(xiàn)有研究，選擇疲勞喚醒段色彩為3種喚醒程度最高的色彩，即藍、紫、青[7-8]。根據(jù)隧道亮度安全過渡的需要，隧道內(nèi)疲勞喚醒段側(cè)壁亮度不能超過中間段普通環(huán)境側(cè)壁亮度的3倍[24]。因此，選取設(shè)置靜態(tài)感知的疲勞喚醒段側(cè)壁亮度為1.8、1.7、1.5 cd/m2。同時，根據(jù)駕駛員心率變化時間，選擇4、6、8、10、12 s 5種刺激持續(xù)時間進行刺激喚醒試驗。試驗共涉及疲勞喚醒段色彩、疲勞喚醒段側(cè)壁亮度以及疲勞喚醒段刺激持續(xù)時間3種變量因素，共45種刺激量，刺激量為6.0～21.6 cd·s/m2。

3.2 試驗對象

目前國際上在道路視覺認知方面采用的被試駕駛員數(shù)量尚未達成共識，一般為4～8名[25]。為防止不同性別、年齡、駕齡和性格的駕駛員對試驗結(jié)果造成差異性影響，根據(jù)試驗?zāi)康?，隨機招募12名身體狀況良好，無心血管、心臟病等病史的被試駕駛員，視力或矯正視力需正常，無色盲等眼部疾病，試驗前需休息良好，試驗期間不能飲酒、服用藥物等。試驗選取了男性8人、女性4人，年齡平均分布在26～50歲[26]。

采用單因素方差檢驗對12名被試駕駛員的試驗結(jié)果進行試驗因素顯著性分析，當置信區(qū)間為95%時，單因素方差檢驗結(jié)果P<0.05，表明試驗因素即疲勞喚醒刺激量對被試駕駛員具有顯著性影響，試驗結(jié)果可靠。

3.3 試驗儀器和設(shè)備

試驗中，為測量長隧道中間段疲勞喚醒段側(cè)壁的不同亮度及不同色彩的波長值，采用CS-150型可用于測量光源和表面亮度的單反型點式亮度計，亮度測量范圍為0.001～299 900 cd/m2。

為采集試驗過程中駕駛員的心電指標，采用KF2型動態(tài)多參數(shù)心電儀(如圖2所示)。儀器數(shù)據(jù)采集頻率為250 Hz，誤差小于3次/min，實時連續(xù)記錄時間≥24 h，可以檢測被試駕駛員在試驗過程中的HRV、心率等生理心理信號。檢測儀配備數(shù)據(jù)分析軟件，可簡化數(shù)據(jù)處理過程。

圖2 KF2型動態(tài)多參數(shù)心電儀

為記錄駕駛員在試驗過程中的注視特征信息，以輔助記錄試驗過程中引起駕駛員生理心理指標變化的異常事件，采用iViewX 1.05 build 49 HED型動態(tài)眼動儀(如圖3所示)記錄駕駛員注視點等信息。

圖3 動態(tài)眼動儀

為搭建不同色彩、不同亮度組合的不同視覺刺激強度疲勞喚醒段環(huán)境，選擇配光角30°的RGB三基色全彩色洗墻燈，低電壓(<36 V)直流供電，可實現(xiàn)任意色彩波長以及亮度的連續(xù)調(diào)控，色純度>95%。在模擬隧道中間段的檢修道上連續(xù)放置1排長5 m的LED洗墻燈。根據(jù)駕駛員識別顏色的視野范圍計算得出，從距駕駛員4.72 m處向行車方向前方布置洗墻燈(保證洗墻燈的照射范圍在駕駛員識別顏色的視野范圍內(nèi))，不出現(xiàn)斷點，無暗區(qū)拼接，均勻洗亮墻面。

3.4 試驗內(nèi)容及方法

調(diào)節(jié)疲勞喚醒段色彩為藍(RGB 0/0/255，波長463 nm)、紫(RGB 160/30/240，波長426 nm)、青(RGB 0/255/255，波長478 nm)，側(cè)壁亮度為1.8、1.7、1.5 cd/m2，模擬駕駛員在隧道駕駛，目視道路前方。洗墻燈燈光照亮側(cè)壁對駕駛員進行喚醒，刺激駕駛員周邊視覺，分別對駕駛員刺激喚醒4、6、8、10、12 s的時間，然后采集在不同刺激量水平下駕駛員的生理心理指標變化規(guī)律。為在靜態(tài)環(huán)境下營造駕駛員疲勞狀態(tài)，消除每個色彩間隔對駕駛員生理心理的影響，在每種刺激量的疲勞喚醒段刺激喚醒前，駕駛員分別在營造的長隧道中間段照明環(huán)境下視認3 min。被試駕駛員佩戴生理心理多參數(shù)心電儀以采集心電指標數(shù)據(jù)，佩戴眼動儀采集注視點等眼動指標數(shù)據(jù)，輔助剔除試驗無效數(shù)據(jù)。之后進行長隧道中間段疲勞喚醒模擬試驗。為了保證各試驗檢測儀器時間同步，每次試驗開始前必須校準各儀器和設(shè)備的時間。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗共得到45組刺激量條件下12名被試駕駛員的生理心理指標數(shù)據(jù)，將不同刺激量組合下生理心理多參數(shù)心電儀采集的參數(shù)按照1個/s進行數(shù)據(jù)處理，得到每名駕駛員在每個試驗時段的LF/HF值。依據(jù)眼動儀記錄的駕駛員注視點信息，將其與駕駛員LF/HF值進行對應(yīng)，可剔除無效和異常數(shù)據(jù)，最終共獲得102 475個有效數(shù)據(jù)樣本。

12名被試駕駛員正式開始測試前1 min內(nèi)初始平均心率為78.6～92.5次/min，長隧道中間段照明環(huán)境下視認3 min后平均心率為66.8～79.2次/min，接受疲勞喚醒段刺激30 s后平均心率為75.3～82.4次/min。駕駛員接受刺激30 s后HRV平均值為1.86～2.75，HRV平均值及心率均處于正常狀態(tài)。駕駛員心率變化如圖4所示。

圖4 駕駛員心率變化

4.1 刺激量與喚醒程度相關(guān)關(guān)系

將12名被試駕駛員心率變異性(HRV)LF/HF指標值進行配對t檢驗，在0.05顯著性水平下，P皆大于0.05，說明12名被試駕駛員心率變異性(HRV)LF/HF指標值不具有顯著差異。因此，采用相同刺激量下12名被試駕駛員喚醒程度的平均值作為疲勞喚醒段該刺激量下駕駛員喚醒程度的表征值。依據(jù)式(1)計算得到不同色彩疲勞喚醒段條件下，不同刺激量(Q=I×t)疲勞喚醒段刺激喚醒后駕駛員的喚醒程度W。喚醒程度與隧道疲勞喚醒段側(cè)壁亮度及刺激持續(xù)時間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 喚醒程度與隧道疲勞喚醒段側(cè)壁亮度及刺激持續(xù)時間的關(guān)系

由圖5可知，特定疲勞喚醒段色彩下，隨著疲勞喚醒段側(cè)壁亮度增大及喚醒段刺激持續(xù)時間增長，駕駛員的喚醒程度逐漸升高，疲勞喚醒段側(cè)壁亮度和刺激持續(xù)時間組合的刺激量共同影響著駕駛員的疲勞喚醒程度。根據(jù)式(1)和式(2)計算得到的駕駛員疲勞喚醒程度W和刺激量Q，研究刺激量與駕駛員疲勞喚醒程度之間的相關(guān)關(guān)系。喚醒程度與疲勞喚醒段刺激量之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，如圖6所示。但由于駕駛員生理心理存在閾限，隨著刺激量的增大，喚醒程度增長速率越來越慢，直至不再增加。采用Pearson相關(guān)分析方法分析得到喚醒程度與刺激量之間偏相關(guān)系數(shù)為0.96，P值為1.17×10-24。在藍、紫、青3種色彩疲勞喚醒段環(huán)境下，疲勞喚醒段的刺激量Q與喚醒程度具有明顯相關(guān)性，采用駕駛員心率變異性(HRV)LF/HF指標可有效對駕駛疲勞進行量測與量化。對疲勞喚醒段的刺激量與喚醒程度數(shù)據(jù)進行擬合，建立藍、紫、青3種色彩條件下疲勞喚醒段刺激量與喚醒程度之間的相關(guān)關(guān)系模型，如式(3)所示，相關(guān)系數(shù)R2=0.97，擬合程度較好。

W=0.794 8 lnQ+0.389 8。

(3)

圖6 刺激量與喚醒程度擬合曲線

由于疲勞喚醒段不同色彩的刺激，駕駛員經(jīng)過刺激后的喚醒程度一定大于0。根據(jù)模型建立所依據(jù)的樣本量，模型的適用范圍為Q=(0.61, 52.62]，W=(0, 3.5]。將85%位駕駛員喚醒程度LF/HF變化率指標值即W=2.1作為疲勞喚醒段刺激量能將駕駛員喚醒后恢復(fù)到清醒狀態(tài)的表征值，則將W=2.1代入式(3)，得到能夠把駕駛員喚醒到清醒狀態(tài)需要的最小刺激量，即Q=8.84 cd·s/m2。

4.2 刺激量與喚醒維持時間相關(guān)關(guān)系

取喚醒后所有駕駛員的LF/HF值，得到疲勞喚醒段不同刺激量喚醒后駕駛員在長隧道中間段環(huán)境下的LF/HF值變化規(guī)律，如圖7所示。駕駛員在經(jīng)歷不同刺激量疲勞喚醒段喚醒再回到隧道中間段環(huán)境后，又開始受到單調(diào)的長隧道中間段環(huán)境的影響，逐漸產(chǎn)生疲勞。駕駛員LF/HF值下降到一定程度后逐漸趨于平穩(wěn)，開始產(chǎn)生駕駛疲勞，在不同刺激量疲勞喚醒段喚醒后，駕駛員LF/HF值開始趨于平穩(wěn)的時間不同，刺激量越小，駕駛員LF/HF值開始趨于平穩(wěn)的時刻越早。

將駕駛員在長隧道中間段環(huán)境中視認3 min后喚醒刺激前疲勞時的LF/HF值與不同刺激量刺激喚醒后每30 s的LF/HF值進行配對t檢驗，確定駕駛員具體在刺激喚醒后哪個時刻產(chǎn)生了疲勞。在每組刺激量水平刺激后，檢驗得到與疲勞時駕駛員LF/HF值沒有顯著差異或者有顯著下降時停止檢驗，得到不同刺激量下駕駛員再次產(chǎn)生疲勞的時刻，即駕駛員的喚醒維持時間，并對其進行相關(guān)性分析。通過相關(guān)性分析得到兩者之間的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.91，P值為1.07×10-5，疲勞喚醒段的刺激量與喚醒維持時間具有明顯正相關(guān)關(guān)系(如圖8所示)。駕駛員經(jīng)過最小刺激量(8.84 cd·s/m2)的疲勞喚醒段刺激就可以達到45 s以上的喚醒維持時間，之后隨著疲勞喚醒段刺激量的增大，駕駛員喚醒維持時間增大，但是達到一定值(120 s)之后便不再增大。

圖7 不同刺激量疲勞喚醒段喚醒后駕駛員LF/HF值的變化規(guī)律

圖8 不同刺激量疲勞喚醒段刺激后的喚醒維持時間

由于試驗條件限制，疲勞喚醒段刺激量選擇有限，導(dǎo)致刺激量與喚醒維持時間數(shù)據(jù)離散，且喚醒維持時間與刺激量之間的相關(guān)關(guān)系符合離散選擇法模型logistic函數(shù)的分布規(guī)律。因此，對疲勞喚醒段刺激量與喚醒維持時間數(shù)據(jù)進行多元logistic回歸分析。根據(jù)不同運行速度下駕駛員在隧道中間段產(chǎn)生疲勞的時間不同[23]，得到不同運行速度下隧道疲勞喚醒段刺激量與喚醒維持時間的相關(guān)關(guān)系模型，如式(4)—(6)所示。

1)運行速度60 km/h條件下，

(4)

式中：T1為運行速度60 km/h時疲勞喚醒段喚醒后駕駛員喚醒維持時間，s；Q1為運行速度60 km/h時疲勞喚醒段刺激量，cd·s/m2。

2)運行速度80 km/h條件下，

(5)

式中：T2為運行速度80 km/h時疲勞喚醒段喚醒后駕駛員喚醒維持時間，s；Q2為運行速度80 km/h時疲勞喚醒段刺激量，cd·s/m2。

3)運行速度100 km/h條件下，

(6)

式中：T3為運行速度100 km/h時疲勞喚醒段喚醒后駕駛員喚醒維持時間，s；Q3為運行速度100 km/h時疲勞喚醒段刺激量，cd·s/m2。

5 疲勞喚醒段設(shè)置長度

長隧道中間段往往需要設(shè)置N處疲勞喚醒段，如圖9所示。在長隧道第x(x∈[1,N-1])處設(shè)置疲勞喚醒段時，刺激量應(yīng)盡可能使駕駛員喚醒維持時間達到最長，以盡可能減少疲勞喚醒段設(shè)置數(shù)量。第N處疲勞喚醒段設(shè)置時，其刺激量取決于駕駛員經(jīng)歷前幾處疲勞喚醒段刺激后再次產(chǎn)生駕駛疲勞時剩余中間段的長度，刺激量對應(yīng)的喚醒維持時間應(yīng)保證駕駛員能行駛完剩余中間段。

圖9 長隧道內(nèi)疲勞喚醒段設(shè)置示意圖

5.1 長隧道內(nèi)第x(x∈[1, N-1])處疲勞喚醒段的設(shè)置長度

根據(jù)運行速度分別為60、80、100 km/h時駕駛員產(chǎn)生駕駛疲勞的時間[23]可知，第x(x∈[1,N-1])處疲勞喚醒段的刺激量需分別滿足駕駛員喚醒維持時間達到146.60、171.02、205.22 s。將其分別代入式(4)、(5)、(6)，得到運行速度分別為60、80、100 km/h時，長隧道采用藍、紫、青3種色彩時駕駛疲勞喚醒段所需的刺激量分別為16.99、22.61、42.34 cd·s/m2。然后，將長隧道內(nèi)疲勞喚醒段側(cè)壁可設(shè)置的最高亮度I=1.8、2.7、5.4 cd/m2分別代入式(2)，得到以藍、紫、青3種色彩為主色調(diào)的長隧道疲勞喚醒段駕駛員以不同運行速度行駛時所需要的刺激持續(xù)時間。最終計算得到不同運行速度下不同刺激持續(xù)時間對應(yīng)的行車距離，即所需的疲勞喚醒段長度C1，如表1所示。

表1 長隧道內(nèi)第x(x∈[1, N-1])處疲勞喚醒段設(shè)置長度

5.2 長隧道第N處疲勞喚醒段的設(shè)置長度

根據(jù)式(4)、(5)、(6)，按最短喚醒維持時間對應(yīng)計算得到刺激持續(xù)時間分別需要達到3.93、3.49、3.27 s，即疲勞喚醒段長度最短應(yīng)為65.56、77.53、90.74 m，駕駛員可在再次達到駕駛疲勞前行駛916、1 425、2 138 m的距離。

駕駛員在長隧道中間段駛?cè)胨淼莱隹诙螘?jīng)歷由暗到明亮度環(huán)境的變化，駕駛工作負荷升高，會喚醒駕駛員。因此，在第N處設(shè)置疲勞喚醒段時，若剩余中間段長度S2小于隧道不同運行速度下駕駛員產(chǎn)生駕駛疲勞的行駛距離S1，但大于上述經(jīng)過最小刺激量疲勞喚醒段喚醒后駕駛員會產(chǎn)生駕駛疲勞的行駛距離，則需要基于隧道剩余中間段的長度S2，根據(jù)式(4)、(5)、(6)分別計算需要的刺激量及刺激持續(xù)時間，最終確定疲勞喚醒段的設(shè)置長度C2。

若剩余中間段長度S2等于或小于上述經(jīng)過最小刺激量疲勞喚醒段喚醒后駕駛員會產(chǎn)生駕駛疲勞的行駛距離，則疲勞喚醒段需要按照上述計算得到的最小刺激量進行設(shè)置，即選擇藍、紫、青3種色彩為主色調(diào)，當運行速度為60、80、100 km/h，對應(yīng)最高亮度分別為1.8、2.7、5.4 cd/m2時，疲勞喚醒段設(shè)置長度分別為65、80、90 m。

6 結(jié)論與討論

采用理論分析及不同刺激量疲勞喚醒試驗對長隧道中間段駕駛疲勞喚醒段的設(shè)置長度進行了研究，主要得到以下結(jié)論。

1)分析了疲勞喚醒段設(shè)置長度的影響因素，通過疲勞喚醒段靜態(tài)喚醒試驗，研究了長隧道不同刺激量疲勞喚醒段對駕駛員的喚醒程度影響規(guī)律，建立了刺激量與喚醒程度的相關(guān)關(guān)系模型，得到了疲勞喚醒段應(yīng)設(shè)置的刺激量不能低于8.84 cd·s/m2；

2)研究得到了不同刺激量疲勞喚醒段對駕駛員的喚醒維持時間，建立了不同運行速度下疲勞喚醒段刺激量與喚醒維持時間的相關(guān)關(guān)系模型，得到了長隧道中間段不同運行速度條件下駕駛疲勞喚醒的刺激量需求及疲勞喚醒段的最佳設(shè)置長度。

本文針對疲勞喚醒段的均勻色彩亮度環(huán)境設(shè)置長度進行了靜態(tài)試驗，可有效模擬駕駛員在長隧道內(nèi)的駕駛疲勞及喚醒情況。但在實際隧道駕駛過程中，駕駛員駕駛疲勞受到道路條件、交通條件、環(huán)境條件等多種因素影響，難以進行量化，且部分駕駛員較一般駕駛員更易產(chǎn)生駕駛疲勞，試驗并未針對特殊駕駛員進行分析。因此，在實際進行長隧道疲勞喚醒段設(shè)置時，相較于本文研究得到的設(shè)置長度，可適當加長，以充分喚醒駕駛員，保障駕駛安全。同時，可根據(jù)不同隧道條件，在充分保障喚醒駕駛員及駕駛安全的基礎(chǔ)上，靈活設(shè)置疲勞喚醒段。

本文只對疲勞喚醒段的均勻色彩亮度環(huán)境設(shè)置長度進行了研究，對于隧道側(cè)壁線條、形狀等視覺圖案及色彩明暗變化等耦合情況下的疲勞喚醒段設(shè)置長度有待進一步研究。