肖代全，申振武，徐學(xué)才

(華中科技大學(xué)　土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北　武漢　430074)

高速公路隧道口綠化對(duì)駕駛員心理的影響

肖代全，申振武，徐學(xué)才

(華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北武漢430074)

摘要：高速公路隧道進(jìn)出口環(huán)境的復(fù)雜性是隧道口事故率高于隧道其他路段的重要原因。選取30條典型公路隧道，利用照度儀、動(dòng)態(tài)心電圖機(jī)，對(duì)高速公路隧道處的照度變化及駕駛員心理變化進(jìn)行了行車試驗(yàn)研究。根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了隧道進(jìn)出口綠化形式與隧道內(nèi)外照度差、駕駛員心率變化之間的定量關(guān)系。利用照度系數(shù)與心率增長(zhǎng)率來(lái)評(píng)價(jià)隧道照度變化及駕駛員心率變化。結(jié)果表明：隨著隧道口綠化程度的加深，照度系數(shù)下降，隧道口綠化設(shè)置能有效地減少隧道內(nèi)外的照度差；駕駛員心率增長(zhǎng)率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，駕駛員在隧道路段行駛的心理緊張程度不斷緩解。

關(guān)鍵詞：交通工程；心理影響；心率檢測(cè)；高速公路隧道；綠化

0引言

隨著我國(guó)公路建設(shè)的發(fā)展，交通事故也層出不窮，公路隧道路段尤其是公路隧道口附近的交通安全狀況很不樂(lè)觀。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，各等級(jí)隧道洞口附近的事故遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于隧道內(nèi)部路段[1-2]，在隧道入口200～400 m路段內(nèi)發(fā)生的事故占事故總數(shù)的70%以上[3]。

駕駛員在出入隧道口時(shí)會(huì)經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的明暗適應(yīng)過(guò)程。當(dāng)駕駛員驟然間從明亮的環(huán)境進(jìn)入黑暗的環(huán)境或從黑暗的環(huán)境進(jìn)入明亮的環(huán)境時(shí)，會(huì)覺(jué)得眼睛在一瞬間看不見(jiàn)東西，這就是人眼的明暗適應(yīng)性，即對(duì)光線明暗突變的視覺(jué)適應(yīng)。調(diào)查研究表明，高速公路隧道進(jìn)出口亮度的急劇變化會(huì)造成駕駛員明暗適應(yīng)困難，是形成隧道進(jìn)出口事故黑點(diǎn)的重要原因[4]。

針對(duì)隧道出、入口明暗適應(yīng)性問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在駕駛員視覺(jué)效應(yīng)、隧道照明及減光柵、遮光棚等方面。K. Katja等[5]調(diào)查了隧道設(shè)計(jì)的諸多因素對(duì)駕駛行為的影響，得出了隧道設(shè)計(jì)和照明對(duì)駕駛員行為存在影響且照明是關(guān)鍵因素的結(jié)論。W. Zhao等[6]研究了長(zhǎng)隧道夜間照明與行車安全的關(guān)系，并基于行車試驗(yàn)和模糊評(píng)價(jià)法建立了模型，得出了夜間照明應(yīng)該被控制在9 lx以下的結(jié)論。杜志剛等[7-10]利用EMR—8眼動(dòng)儀系統(tǒng)，對(duì)公路隧道出、入口駕駛員的瞳孔變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了基于駕駛員瞳孔面積及面積變化速度的行車安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上利用瞳孔面積速度/瞳孔面積臨界速度比率來(lái)評(píng)價(jià)隧道路段的視覺(jué)負(fù)荷，最終得到隧道長(zhǎng)度與視覺(jué)明暗適應(yīng)時(shí)間的定量關(guān)系。丁光明等[11]運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬視覺(jué)特征參數(shù)的變化，建立了出口區(qū)段駕駛員注視時(shí)間、注視次數(shù)和掃視幅度等參數(shù)變化的網(wǎng)絡(luò)模型。李英濤等[12]從分析公路隧道出、入口駕駛員視力恢復(fù)時(shí)間入手，研究隧道出、入口減光隔柵段合理長(zhǎng)度的計(jì)算模型與合理取值問(wèn)題，給出了不同設(shè)計(jì)速度的隧道出、入口減光隔柵段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的建議值。

但對(duì)于通過(guò)綠化來(lái)改善隧道口明暗環(huán)境問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外少有學(xué)者提及。美國(guó)在 1965 年就制訂了《公路美化規(guī)定》，日本在 1976 年制訂了《公路綠化技術(shù)基準(zhǔn)》。美國(guó)聯(lián)邦公路管理局的《公路靈活性設(shè)計(jì)指南》(AASHTO FHD-1-2004)[13]中提到公路景觀設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要的方面是對(duì)樹(shù)木的處理。張強(qiáng)等[14]論述了綠化在視線誘導(dǎo)、線形預(yù)告、消除緊張、明暗過(guò)渡、緩沖栽植等方面的作用，同時(shí)也分析了公路綠化中存在的影響視線、侵占道路、加重事故后果、造成眩目、視覺(jué)污染、視線誤導(dǎo)等影響安全的問(wèn)題，提出了符合交通安全要求的公路綠化基本方法，但皆缺少行車試驗(yàn)的支持。

解決隧道出、入口的明暗適應(yīng)性問(wèn)題，除了可通過(guò)隧道照明來(lái)降低隧道內(nèi)外的明暗差異之外，合理的綠化配置對(duì)明暗突變也可起到緩沖作用，但這種方式在隧道口綠化或景觀設(shè)計(jì)中很少得到應(yīng)用。本文利用動(dòng)態(tài)心電圖機(jī)、照度儀等儀器，通過(guò)行車試驗(yàn)，獲取駕駛員在進(jìn)出隧道口時(shí)的生理心理指標(biāo)及隧道口環(huán)境指標(biāo)等，以實(shí)現(xiàn)用定量分析方法研究隧道口綠化對(duì)駕駛員心理的影響，探討綠化應(yīng)用于改善隧道口事故的可能性。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)車輛為沃爾沃XC-60型轎車，該車性能良好，能完成試驗(yàn)要求。且駕駛員對(duì)該車車況比較熟悉。

(2)試驗(yàn)隧道

試驗(yàn)路段為滬蓉西高速公路(又稱湖北滬渝高速公路)。選取長(zhǎng)186～9 000 m共30組隧道，主要以中長(zhǎng)、長(zhǎng)隧道為主，各隧道之間間距較遠(yuǎn)，隧道路段環(huán)境相似性較大。隧道路段限速60～80 km/h。試驗(yàn)隧道交通量較小，保證駕駛員在比較自由的車流里行駛。

(3)試驗(yàn)駕駛員

試驗(yàn)選擇了不同駕齡的男性駕駛員兩名，矯正視力均在5.0以上，年齡分別為34歲、22歲，對(duì)試驗(yàn)路段均不熟悉。

1.2試驗(yàn)要素測(cè)定

(1)隧道照度

試驗(yàn)采用某公司生產(chǎn)的UNI-T UT382系列照度計(jì)，測(cè)量車輛駛?cè)?、駛出隧道整個(gè)過(guò)程中的照度值。該儀器能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)和分析，并能將數(shù)據(jù)傳輸至PC利用專門的軟件進(jìn)行分析。測(cè)量時(shí)間為白天，天氣為多云。

(2)駕駛員心電數(shù)據(jù)

在駕駛的認(rèn)知過(guò)程中，駕駛員會(huì)因外界環(huán)境的刺激而產(chǎn)生心理和生理的變化。當(dāng)外界環(huán)境較簡(jiǎn)單、信息密度小時(shí)，駕駛員會(huì)處于比較放松的狀態(tài)，心率較低；而當(dāng)外界環(huán)境復(fù)雜，信息密度大時(shí)，駕駛員會(huì)處于較緊張的狀態(tài)，心率相對(duì)較高。因此，可采用連續(xù)的心率檢測(cè)來(lái)評(píng)定不同行車階段駕駛員的工作負(fù)荷。試驗(yàn)采用深圳某公司生產(chǎn)的清心L8動(dòng)態(tài)心電圖機(jī)測(cè)量駕駛員的連續(xù)心率。與心率相比，心率增長(zhǎng)率可以更真實(shí)地表征駕駛員行車時(shí)心、生理的變化程度。心率增長(zhǎng)率可以采用如下的計(jì)算公式表示：

(1)

本文所研究的是隧道這一特殊道路交通環(huán)境對(duì)駕駛員的影響，所以將式(1)改進(jìn)如下：

(2)

2隧道口綠化對(duì)駕駛員心理影響的分析

由于各試驗(yàn)隧道口綠化形式不一，為了更好地分析綠化對(duì)駕駛員心理的影響，將試驗(yàn)隧道分類為無(wú)綠化隧道、單側(cè)綠化(高路塹)隧道、雙側(cè)綠化(高路塹)隧道。本文采用平均心率增長(zhǎng)率指標(biāo)來(lái)描述綠化對(duì)駕駛員心理的影響，定義心率增長(zhǎng)率峰值所在時(shí)刻前后10 s的心率增長(zhǎng)率平均值作為描述駕駛員暗適應(yīng)過(guò)程的平均心率增長(zhǎng)率，記為D。

2.1不同綠化形式下的隧道口照度變化

在天氣晴朗的情況下，隧道外部照度能達(dá)到上萬(wàn)lx，而洞內(nèi)照度只有幾十勒克斯。選取3種綠化形式隧道各1條，做出隧道內(nèi)外照度變化圖。定義照度系數(shù)作為描述隧道內(nèi)外照度變化的指標(biāo)，具體計(jì)算公式為：

(3)

式中，ΔI為照度系數(shù)；Iout為車輛進(jìn)入隧道之前一段時(shí)間內(nèi)(取5 s)的照度平均值；Iin為車輛進(jìn)入隧道之后一段時(shí)間內(nèi)(取5 s)的照度平均值，T為車輛進(jìn)入隧道前后之間的時(shí)間(取10 s)。

根據(jù)式(3)和圖1至圖3可以計(jì)算得到3種類型隧道照度系數(shù)。

圖1　入口無(wú)綠化隧道實(shí)測(cè)照度變化曲線Fig.1　Curve of illuminance variation in tunnel without virescence at entrance

圖2　入口單側(cè)綠化(高路塹)隧道照度變化曲線Fig.2　Curve of illuminance variation in tunnel with unilateral virescence(high cutting)at entrance

圖3　入口雙側(cè)綠化(高路塹)隧道照度變化曲線Fig.3　Curve of illuminance variation in tunnel with bilateral virescence(high cutting)at entrance

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著隧道口綠化程度的加深，照度系數(shù)下降。其中無(wú)綠化隧道到單側(cè)綠化隧道的照度系數(shù)減小了56.6%；無(wú)綠化隧道到雙側(cè)綠化隧道的照度系數(shù)減小了68.3%。

表1　入口不同綠化類型隧道照度系數(shù)

根據(jù)以上分析得出結(jié)論：隧道口綠化設(shè)置能有效地減少隧道內(nèi)外的照度差。

2.2不同綠化形式下的駕駛員心理變化

選取3種綠化形式共12條符合條件的隧道為例，得到駕駛員在隧道內(nèi)部及出、入口附近行駛時(shí)心率隨時(shí)間的變化圖,如圖4至圖6所示。圖中實(shí)線位置表示隧道入口，虛線位置表示隧道出口。圖(a)、(b)表征駕駛員1的心率變化，圖(c)、(d)表征駕駛員2的心率變化。駕駛員1的平均心率為77次/min，駕駛員2的平均心率為93次/min。

圖4　入口無(wú)綠化隧道路段駕駛員心率變化圖Fig.4　Curves of drivers’ heart rate variation in tunnels without virescence at entrance

圖5　入口單綠化隧道路段駕駛員心率變化圖Fig.5　Curves of drivers’ heart rate variation in tunnels with unilateral virescence at entrance

圖6　入口雙綠化隧道路段駕駛員心率變化圖Fig.6　Curves of drivers’ heart rate variation in tunnels with bilateral virescence at entrance

從圖4至圖6可以得出：

(1)駕駛員通過(guò)隧道時(shí)，在隧道的進(jìn)口與出口心率變化劇烈，隧道內(nèi)部心率大于隧道外部心率。

(2)在靠近隧道入口處，駕駛員心率迅速上升，隨后到達(dá)峰值之后逐漸降低到平穩(wěn)水平；在靠近隧道出口處，駕駛員心率上升幅度較小。

(3)每條曲線都表現(xiàn)出隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而心率增長(zhǎng)率逐漸降低的趨勢(shì)。這表明駕駛員駛?cè)胨淼罆r(shí)比駛出隧道時(shí)心理緊張。這是由于暗適應(yīng)要比明適應(yīng)困難的緣故。

由圖4至圖6計(jì)算得到心率增長(zhǎng)率指標(biāo)，見(jiàn)表2。

由表2可以得出，3種不同綠化形式的隧道隨著綠化程度的不斷加深，兩名駕駛員的心率增長(zhǎng)率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，駕駛員在隧道路段行駛的心理緊張程度不斷緩解。

根據(jù)以上針對(duì)3種綠化類型隧道行車環(huán)境下駕駛員心理的分析得出，隧道口設(shè)置綠化能有效緩和駕駛員進(jìn)出隧道時(shí)的緊張心理，進(jìn)而提高行車安全。

表2　駕駛員隧道路段行駛心率增長(zhǎng)率指標(biāo)

3結(jié)論

本文通過(guò)大量行車試驗(yàn)，得到了駕駛員在進(jìn)出隧道口時(shí)的心率數(shù)據(jù)及隧道口的環(huán)境照度數(shù)據(jù)，進(jìn)行了定量分析，得出以下結(jié)論：

(1)隧道口綠化設(shè)置能有效減少隧道內(nèi)外的照度差，緩和照度變化，改善駕駛員明暗適應(yīng)過(guò)程。隨著綠化程度的加深，3種綠化形式的隧道照度系數(shù)逐漸減小，無(wú)綠化隧道至雙側(cè)綠化隧道的照度系數(shù)減少達(dá)到68.3%。

(2)隧道口綠化設(shè)置能顯著緩和駕駛員進(jìn)出隧道時(shí)的緊張心理，提高行車安全。隨著綠化程度的加深，3種綠化隧道環(huán)境下兩位駕駛員的心率增長(zhǎng)率均逐漸減小，無(wú)綠化隧道至雙側(cè)綠化隧道的駕駛員心率增長(zhǎng)率減少平均達(dá)到52.1%。

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Impact of Virescence at Expressway Tunnel Portal on Driver’s Psychology

XIAO Dai-quan, SHEN Zhen-wu, XU Xue-cai

(School of Civil Engineering & Mechanics, Huazhong University of Science &Technology, Wuhan Hubei 430074, China)

Abstract：The complexity of expressway tunnel portals’ environment is the major cause for a higher accident rate at tunnel portal than other tunnel roads. By using illuminance meter and dynamic electrocardiograph, we researched the illuminance change on expressway tunnels and drivers’ psychological change based on driving tests in 30 well-selected typical tunnels. According to a large number of experimental data, we established the quantitative relationship of the virescence form of the tunnel portal with the illuminance difference and driver’s heart rate change inside and outside the tunnel. Using illuminance coefficient and heart rate increase, we evaluated tunnel illuminance change and driver’s psychological change. The result shows that (1) virescence at tunnel portals can effectively narrow the illuminance gap; (2) drivers’ heart rate increase exhibit a decreasing trend and drivers are mentally released because of the greening settings when traveling in a tunnel section.

Key words：traffic engineering; psychological impact; heart rate measurement; expressway tunnel; virescence

收稿日期：2015-06-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51308242/E080702)

作者簡(jiǎn)介：肖代全(1980-)，男，四川遂寧人，博士研究生.(xiaodaiquan@yeah.net)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.06.016

中圖分類號(hào)：U491.2+54

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)06-0101-06