雷永晨， 高　瓊， 林　朋， 董　城

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順　416700；　2.湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙　410015)

?

隧道路段駕駛員視覺變化規(guī)律研究

雷永晨1， 高瓊2， 林朋1， 董城2

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順416700；2.湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙410015)

摘要：駕駛員在隧道路段長(zhǎng)時(shí)間行駛時(shí)，因其封閉的空間環(huán)境，在心理與身理上都會(huì)發(fā)生一些變化。為了更好地了解駕駛員在隧道路段與一般普通路段行駛時(shí)的變化特點(diǎn)，有必要采取一定的試驗(yàn)手段來研究駕駛員的這種人為變化，以便提高隧道路段的行車安全。采取眼動(dòng)儀對(duì)不同長(zhǎng)度的隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)駕駛與試驗(yàn)?zāi)M，分析駕駛員的眼動(dòng)變化規(guī)律，以此來評(píng)價(jià)該路段的行車安全。

關(guān)鍵詞：隧道； 駕駛員； 視覺變化； 眼動(dòng)行為； 安全評(píng)價(jià)

0前言

近年來，安全生產(chǎn)已受到了前所未有的重視高度，但道路安全事故還是不可遏制。究其原因，除了道路本身設(shè)計(jì)存在部分缺陷外，駕駛員的人為因素占了很重要的比重。為提高道路交通安全水平，2004年交通運(yùn)輸部頒布了《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)指南》(JTG/T B05)(以下簡(jiǎn)稱《指南》)，其評(píng)價(jià)依據(jù)主要是以汽車行駛理論為依據(jù)針對(duì)道路線形各項(xiàng)指標(biāo)開展的相應(yīng)評(píng)價(jià)，基本沒有考慮周邊環(huán)境對(duì)駕駛員的影響。本文以駕駛員在隧道路段的眼動(dòng)行為作為基本研究對(duì)象，通過研究駕駛員在不同長(zhǎng)度隧道內(nèi)的視覺變化，分析隧道各項(xiàng)環(huán)境對(duì)駕駛員的影響程度，進(jìn)而用來評(píng)價(jià)該路段的行車安全性，并結(jié)合現(xiàn)行《指南》相應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)論進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證眼動(dòng)變化評(píng)價(jià)方法的可行性與準(zhǔn)確性。

1試驗(yàn)原理

不同駕駛員根據(jù)自身的駕駛經(jīng)驗(yàn)與駕駛習(xí)慣，在高等級(jí)公路行駛時(shí)，根據(jù)當(dāng)前道路及其環(huán)境狀況，以期望車速在限速范圍內(nèi)行駛。當(dāng)?shù)缆窏l件產(chǎn)生突變時(shí)，為了獲取足夠的道路信息，駕駛員對(duì)其視野范圍內(nèi)的注視目標(biāo)及關(guān)注時(shí)間會(huì)發(fā)生一定程度的改變，即眼動(dòng)行為會(huì)發(fā)生一定的變化。這種行為變化反映了駕駛員在不同狀況下對(duì)周邊道路環(huán)境獲取不同信息的需求變化。將這種變化用特定的儀器記錄下來，從記錄數(shù)據(jù)來分析駕駛員在不同道路環(huán)境下駕駛車輛時(shí)的眼動(dòng)特性。

2試驗(yàn)方案

為了準(zhǔn)確記錄駕駛員在不同特征路段時(shí)的視覺變化，本次試驗(yàn)采用Garmin GPS與Smart-Eye Pro 5.7眼動(dòng)儀共同置于駕駛室內(nèi)，利用GPS 定義當(dāng)前試驗(yàn)路段坐標(biāo)、眼動(dòng)儀自帶攝像機(jī)對(duì)駕駛員眼動(dòng)行為及視野內(nèi)的道路情況進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉與記錄。試驗(yàn)路段選取湖南省已通車的某2條高速公路長(zhǎng)、中、短3種長(zhǎng)度范圍內(nèi)的隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。具體試驗(yàn)?zāi)Ｐ图奥范吻闆r如圖1、表1所示。

圖1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c現(xiàn)場(chǎng)捕捉界面

表1 試驗(yàn)段隧道基本情況m路段路段長(zhǎng)度123長(zhǎng)隧道140523751790中隧道623594870短隧道470425263

3數(shù)據(jù)分析

目前，對(duì)眼動(dòng)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，大多數(shù)學(xué)者[1-6]對(duì)指標(biāo)參數(shù)的選取主要集中在駕駛員對(duì)周邊景物的注視時(shí)間、注視點(diǎn)數(shù)目、掃視范圍、掃視速度等幾個(gè)方面上，即體現(xiàn)在駕駛員在行車過程中對(duì)某一特定點(diǎn)的關(guān)注程度。根據(jù)本次試驗(yàn)儀器記錄的數(shù)據(jù)，將駕駛員的眼動(dòng)行為從注視時(shí)間、掃視速度、瞳孔面積變化及視點(diǎn)位置分布4個(gè)指標(biāo)來分析。

3.1注視時(shí)間

隨著道路周邊運(yùn)行環(huán)境的不同，駕駛員在行駛過程中對(duì)關(guān)注點(diǎn)的注視持續(xù)時(shí)間也在不斷變化。從駕駛員在試驗(yàn)過程中對(duì)長(zhǎng)、中、短3種隧道注視持續(xù)時(shí)間的不同，來分析駕駛員在隧道路段眼動(dòng)行為特性。

從圖2可以看出，3種長(zhǎng)度的隧道路段在0～100 ms的注視時(shí)間所占比例都較高，說明駕駛員在隧道路段對(duì)某一目標(biāo)的關(guān)注時(shí)間都相對(duì)較少。跟中、短隧道相比，長(zhǎng)隧道路段駕駛員在0～200 ms的范圍內(nèi)注視持續(xù)時(shí)間相對(duì)較少，這主要是因?yàn)殚L(zhǎng)隧道路段由于其距離長(zhǎng)、穩(wěn)定段光線相對(duì)昏暗、隧道內(nèi)能見度下降引起的。駕駛員長(zhǎng)時(shí)間在隧道內(nèi)行駛，需要更多的時(shí)間來獲取周邊道路信息，對(duì)某一個(gè)視點(diǎn)的關(guān)注就會(huì)相對(duì)減少。

圖2　不同長(zhǎng)度隧道路段駕駛員注視時(shí)間分布圖

3.2掃視速度

當(dāng)駕駛員在觀察某一重要目標(biāo)或者為了獲取清楚信息時(shí)，眼睛視野會(huì)對(duì)感興趣目標(biāo)所在區(qū)間進(jìn)行視覺切換，急對(duì)區(qū)域內(nèi)的信息進(jìn)行掃視以獲取自己所需信息。掃視速度能夠反映駕駛員對(duì)所需信息關(guān)注程度。圖3是駕駛員在長(zhǎng)、中、短隧道段的掃視平均速度分布圖。

圖3　不同長(zhǎng)度隧道路段駕駛員掃視平均速度分布圖

從圖3可以看出，駕駛員在0～30區(qū)間段的百分比值最高，說明駕駛員在封閉的隧道路段行駛時(shí)，均以慢速掃視為主。其中，慢速掃視百分比最高的是長(zhǎng)隧道路段。究其原因，是因?yàn)轳{駛員在長(zhǎng)隧道內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間行駛時(shí)，由于隧道內(nèi)環(huán)境相對(duì)單一，洞內(nèi)景觀較少或者沒有涉及，同時(shí)洞內(nèi)光線相對(duì)較弱，駕駛員識(shí)別目標(biāo)相對(duì)困難造成的。

3.3瞳孔面積變化

當(dāng)?shù)缆分苓叚h(huán)境光線的強(qiáng)弱發(fā)生較大變化時(shí)，會(huì)刺激駕駛員的眼皮張開程度，也即瞳孔面積會(huì)發(fā)生變化。在強(qiáng)光照射時(shí)，人體的生理反應(yīng)會(huì)主動(dòng)縮小瞳孔以減小光線對(duì)眼睛的刺激；當(dāng)光線較弱時(shí)，會(huì)將瞳孔放大以便清楚看清目標(biāo)。同時(shí)，根據(jù)目標(biāo)距離的遠(yuǎn)近，瞳孔面積也會(huì)相應(yīng)地?cái)U(kuò)大或縮減。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中，根據(jù)攝像機(jī)對(duì)駕駛員采集的瞳孔面積變化描繪成如圖4～圖6所示的變化趨勢(shì)圖。

圖4　長(zhǎng)隧道路段瞳孔變化趨勢(shì)圖

圖5　中隧道路段瞳孔變化趨勢(shì)圖

圖6　短隧道路段瞳孔變化趨勢(shì)圖

從圖4～圖6可以看出，駕駛員在隧道進(jìn)出口處由于亮度變化，其瞳孔面積發(fā)生了明顯變化。進(jìn)隧道時(shí)，由于隧道內(nèi)外光線強(qiáng)度差別，“黑洞”效應(yīng)引起瞳孔面積放大以便更能清楚地獲取前方隧道內(nèi)道路信息；出隧道時(shí)由于“白洞”效應(yīng)產(chǎn)生了一個(gè)明適應(yīng)過程，瞳孔面積相對(duì)變小，周邊道路信息獲取相對(duì)輕松。由于隧道長(zhǎng)度引起的駕駛員瞳孔面積變化，對(duì)于長(zhǎng)隧道穩(wěn)定段，瞳孔面積值保持在一個(gè)較高的值，大致在0.005～0.006之間，而中隧道瞳孔面積值相對(duì)較小，短隧道最小。

3.4視點(diǎn)位置

駕駛員在駕駛車輛行進(jìn)過程中，由于對(duì)不同信息的獲取需求不同，其眼睛注視點(diǎn)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。主要是集中在車內(nèi)(儀表盤)、路面、車行方向的左右側(cè)及上方。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布如圖7所示。

圖7　隧道路段視點(diǎn)變化圖

由于隧道內(nèi)為一封閉的行車環(huán)境，視線通透性不好，駕駛員視點(diǎn)主要停留在路面上。就隧道類型而言，中隧道與短隧道相比，路面和車內(nèi)的注視頻次分別提高了4%和11%，右側(cè)的注視頻率顯著下降。隨著隧道長(zhǎng)度的增加，車內(nèi)的注視頻次逐漸升高，右側(cè)的注視頻次逐漸下降。從停留總體時(shí)間來看，隨著隧道長(zhǎng)度的增加，路面上視點(diǎn)的停留百分比呈上升趨勢(shì)；右側(cè)的注視時(shí)間下降顯著，左側(cè)幾乎無(wú)視點(diǎn)停留。其中長(zhǎng)隧道段的視點(diǎn)停留時(shí)間達(dá)到400 ms/次?？梢娝淼婪忾]的環(huán)境對(duì)駕駛員視點(diǎn)分布的影響非常大。

4與《指南》評(píng)價(jià)對(duì)比

現(xiàn)行《指南》在對(duì)隧道路段進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)時(shí)，主要是評(píng)價(jià)隧道洞口接線段的速度協(xié)調(diào)性與線形一致性，并檢查其洞內(nèi)橫斷面布置、視距、排水及其他交通安全設(shè)施的設(shè)置是否滿足規(guī)范要求。這種安全性評(píng)價(jià)，主要是從隧道現(xiàn)有設(shè)計(jì)的線形指標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，考慮在當(dāng)前指標(biāo)情形下，車輛的運(yùn)行速度是否滿足安全行駛的需求，沒有或者較少考慮當(dāng)前線形指標(biāo)、當(dāng)前運(yùn)行速度下，駕駛員的各項(xiàng)心理與身理反應(yīng)是否滿足安全行駛的要求。以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中2號(hào)段中一長(zhǎng)隧道為例，來對(duì)比現(xiàn)行《指南》與本文眼動(dòng)行為兩種評(píng)價(jià)方法的區(qū)別。隧道平縱線形如圖8。

圖8　隧道線形指標(biāo)圖

根據(jù)《指南》評(píng)價(jià)方法，該隧道在速度預(yù)測(cè)方面，小客車最高運(yùn)行速度為120 km/h，最低113 km/h；大貨車最高運(yùn)行速度75 km/h，最低61 km/h，運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性均較好；在線形一致性方面，該隧道洞口內(nèi)外5 s行程內(nèi)的線形存在突變，協(xié)調(diào)性不良；在視距方面，縱視距在K49+060的變坡點(diǎn)路段小37.8 m，易追尾。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際限速情況，評(píng)價(jià)建議為：在隧道進(jìn)洞口存在線形突變與縱向視距不良，需要提前進(jìn)行減速提示，在容易超速的彎道前設(shè)置相應(yīng)限速標(biāo)志。

根據(jù)本文現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與眼動(dòng)行為分析相結(jié)合，K49+060～K51+435路段，駕駛員累計(jì)行程時(shí)間為285 s，信息獲取累計(jì)負(fù)荷量達(dá)到了413.6 rad，信息負(fù)荷強(qiáng)度為1.453 rad/s。依據(jù)駕駛員負(fù)荷狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)，屬于負(fù)荷強(qiáng)度“大”的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)結(jié)論為：該路段較不安全，存在一定的安全隱患。這與《指南》安全性評(píng)價(jià)結(jié)論及實(shí)際情況是一致的。

5結(jié)論

本文采取眼動(dòng)儀對(duì)不同長(zhǎng)度的隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)駕駛與試驗(yàn)?zāi)M，將駕駛員的眼動(dòng)行為從注視時(shí)間、掃視速度、瞳孔面積變化及視點(diǎn)位置分布4個(gè)指標(biāo)來分析，獲得駕駛員的眼動(dòng)變化規(guī)律，以此來評(píng)價(jià)該路段的行車安全。該方法與《指南》安全性評(píng)價(jià)結(jié)論及實(shí)際情況是一致的，同時(shí)更好地反映了當(dāng)前運(yùn)行速度下，駕駛員的各項(xiàng)心理與身理反應(yīng)是否滿足安全行駛的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王春雨.隧道路段駕駛員視覺安全技術(shù)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

[2] 張殿業(yè).駕駛員動(dòng)態(tài)視野與行車安全可靠度[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，35(3).

[3] 杜坤.長(zhǎng)大隧道駕駛員心理研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2006.

[4] 杜志剛，潘曉東，郭雪斌.高速公路隧道進(jìn)出口視覺適應(yīng)實(shí)驗(yàn)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39(12).

[5] 韓颯.山區(qū)高速公路隧道路段駕駛員眼動(dòng)特性研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

[6] 黃靜.高速公路隧道駕駛員注視點(diǎn)分布特征分析川.交通科技，2010(1).

[7] JTG/T B05-2004，公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)指南[S].

中圖分類號(hào)：U 491.2+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-844X(2016)01-0159-04