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        彩色路面環(huán)境下隧道駕駛視覺空間研究

        2019-05-18 02:24:56楊龍清王家主修玲艾
        福建交通科技 2019年2期
        關(guān)鍵詞:注視點(diǎn)視距眼動

        ■楊龍清 江 建 王家主 修玲艾 卓 曦

        (1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所,福州 350004;2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院,福州 350108)

        0 引言

        作為一個封閉式的車輛通行環(huán)境,隧道駕駛舒適性和誘導(dǎo)性要求較高。近年來,由于亮度系數(shù)和醒目度較高,彩色路面在隧道環(huán)境中得到推廣。然而彩色路面環(huán)境下隧道照明設(shè)施和交通安全設(shè)施設(shè)置常依據(jù)黑色瀝青路面環(huán)境下隧道設(shè)計規(guī)范,鮮有考慮彩色路面影響下駕駛視覺特征,易導(dǎo)致設(shè)施與路面協(xié)調(diào)性不足。彩色路面環(huán)境下隧道駕駛視覺空間是駕駛員注視點(diǎn)分布空間,其研究有助于定量化駕駛視覺特征。

        國外對隧道駕駛視覺空間的相關(guān)研究集中于隧道設(shè)計對駕駛行為的影響分析。Katja Kircher等人[1]通過模擬實(shí)驗(yàn),探討了隧道側(cè)壁顏色與燈具照度影響下駕駛視覺特性,發(fā)現(xiàn)相比照度,淺色的隧道側(cè)壁更有助于提高駕駛視覺注意力。M.P.Manser等人[2]基于駕駛視覺特征分析,研究了不同隧道設(shè)計對駕駛員車速選擇的影響。國內(nèi)研究側(cè)重于隧道空間對駕駛特性的影響分析。戴憂華等人[3]在隧道線形、駕駛員視覺特性等方面,分析了空間通視性對隧道駕駛行為的影響。田晶晶等人[4]綜合考慮多種眼動參數(shù),探討了公路隧道環(huán)境下駕駛視覺特性。師曉鴿[5]以彩色路面注目性、色澤質(zhì)地均勻性、景觀協(xié)調(diào)性、情緒反應(yīng)等特征參數(shù)作為觀感質(zhì)量評價的指標(biāo),并采用打分法評價觀感質(zhì)量??梢妵鴥?nèi)外相關(guān)研究較少討論彩色路面環(huán)境下隧道駕駛視覺空間,不利于明確彩色路面環(huán)境下隧道設(shè)施優(yōu)化方案。

        本文基于隧道照明區(qū)段劃分,分析彩色路面環(huán)境下隧道駕駛注視特征,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合駕駛員視點(diǎn)位置、視野角度、視距等視覺參數(shù),構(gòu)建彩色路面環(huán)境下隧道駕駛視覺空間,并以某市的松毛嶺彩色路面隧道為例,進(jìn)行成果應(yīng)用和分析。本文提出的駕駛視覺空間構(gòu)建方法,有助于完善駕駛視覺理論,進(jìn)而為彩色路面環(huán)境下隧道設(shè)施優(yōu)化提供一定的理論指導(dǎo)。

        1 隧道照明區(qū)段

        考慮隧道封閉程度、照明條件等環(huán)境,駕駛視覺特性在各隧道照明區(qū)段中呈現(xiàn)一定差異。依據(jù)《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》[6],隧道分為5個照明區(qū)段,包括接近段、入口段、過渡段、中間段、出口段。

        (1)接近段

        接近段指與隧道入口緊連的一段道路。該區(qū)段是駕駛視覺調(diào)節(jié)的空間,便于駕駛員看清隧道內(nèi)物體。

        (2)入口段

        入口段是車輛進(jìn)入隧道后第一個照明區(qū)段。該區(qū)段路面亮度急劇變化,導(dǎo)致駕駛員視覺常無法迅速適應(yīng)。

        (3)過渡段

        過渡段是隧道內(nèi)緊接入口段的照明區(qū)段。該區(qū)段為駕駛員提供了視覺暗適應(yīng)時間,促使其逐步恢復(fù)視覺能見度和舒適度。

        (4)中間段

        中間段是在車流前進(jìn)方向緊接過渡段的照明區(qū)段。該區(qū)段遠(yuǎn)離外部自然光照影響,且駕駛員各項(xiàng)眼動特征較為穩(wěn)定。

        (5)出口段

        出口段指隧道內(nèi)接近出口的照明區(qū)段。在單洞雙向通行隧道中,出口段與入口段照明條件一致。該區(qū)段駕駛員視覺受洞外光線影響較大,易出現(xiàn)視覺震蕩現(xiàn)象。

        2 彩色路面環(huán)境下隧道駕駛注視特征

        (1)基于車型的駕駛視點(diǎn)位置

        視點(diǎn)為駕駛員眼睛位置,即視覺空間的起始方向點(diǎn),可根據(jù)車型而定。不同車型的外廓尺寸和底盤高度不同,導(dǎo)致駕駛員視點(diǎn)高度差異。

        (2)基于車速的駕駛視野

        1)視野與車速的關(guān)系

        在靜止?fàn)顟B(tài)下,駕駛員眼睛視野的水平角范圍為160°~180°,垂直角范圍為 100°~130°。 而在車輛行駛狀態(tài)下,車速越高,駕駛員注意力越集中且難于轉(zhuǎn)移,此時注視點(diǎn)越遠(yuǎn),兩眼凝視遠(yuǎn)方并集中于一點(diǎn),形成 “隧道視覺”,使視野變窄。若高速狀態(tài)下駕駛員視野過于窄小,將影響駕駛員對車輛兩側(cè)情況的感知。

        2)基于道路線形和車速的視野水平角

        如圖1所示,單洞雙車道隧道公路的駕駛員視野為兩側(cè)隧道壁視線范圍。

        圖1 隧道空間視野平面

        根據(jù)圖1,可知隧道的視野水平角 α(°)為

        式中:A1O1——駕駛員視線在行車方向右側(cè)隧道壁的最遠(yuǎn)注視點(diǎn)A1至車輛行駛車道中線的距離(m),其中 O1為A1在車輛行駛車道中線的垂足;

        A2O2——駕駛員視線在行車方向左側(cè)隧道壁的最遠(yuǎn)注視點(diǎn)A2至車輛行駛的車道中線的距離(m),其中O2為A2在車輛行駛車道中線的垂足;

        L1——O1與車輛的距離(m);

        L2——O2與車輛的距離(m)。

        3)視野仰角

        以視點(diǎn)和最高處注視點(diǎn)連接線、路面水平線為邊,可得出視野仰角。

        (3)駕駛視距

        基于眼動試驗(yàn),根據(jù)最近和最遠(yuǎn)注視點(diǎn),明確駕駛員視距范圍。

        3 彩色路面環(huán)境下隧道三維駕駛視覺空間

        由于駕駛員注視點(diǎn)散布于視野立體空間,駕駛視覺空間為三維形狀。為構(gòu)建視覺空間,提出假設(shè)為:1)忽略駕駛員對視野中偏遠(yuǎn)目標(biāo)的注視行為,因而存在一個形似扇形的視場,而駕駛員僅感知該視場內(nèi)空間;2)駕駛員視線的中線始終保持水平狀態(tài);3)駕駛員注視點(diǎn)全部落在該視覺空間中。

        通過眼動試驗(yàn),獲取駕駛員注視點(diǎn)分布位置。進(jìn)而如圖2所示,將立體空間中注視點(diǎn)與視點(diǎn)連線,形成隧道三維駕駛視覺空間。該三維空間包括駕駛員視點(diǎn)、視距、視野水平角和仰角等視覺參數(shù),是在路面和隧道側(cè)壁約束下,多個曲面組合而成的錐體。

        圖2 隧道三維駕駛視覺空間示意圖

        圖中,V為駕駛員雙眼視點(diǎn),β為視野仰角(°),D1為最小視距,D2為最大視距,其余符號含義同前。

        4 試驗(yàn)段駕駛視覺空間

        4.1 松毛嶺隧道試驗(yàn)段概況

        選取某市的松毛嶺隧道為試驗(yàn)段。該隧道位于兩縣的交界位置,是交通走廊的關(guān)鍵路段。該隧道為單洞雙車道路段,長度為1364m,寬度為10.5m,最大縱坡為1.7%,最小平曲線半徑為100m。目前隧道限速為30km/h,交通量小于180輛/h,且主要為大型貨車和客車,而小客車相對較少,未見非機(jī)動車。

        如圖3所示,試驗(yàn)段采用甲基丙烯酸聚甲酯(Methylmethacrylate)新型彩色路用材料。隧道兩端洞外各鋪50m藍(lán)紅相間的橫向條紋,洞內(nèi)兩端前300m鋪設(shè)紅色薄層,再往里各鋪設(shè)100m灰色薄層,中間564m保留黑色瀝青路面。

        圖3 松毛嶺隧道

        4.2 試驗(yàn)段三維駕駛視覺空間

        邀請30位駕駛員進(jìn)行松毛嶺隧道駕駛眼動實(shí)驗(yàn)。駕駛員佩戴SMI眼動儀,駕駛車輛通過松毛嶺隧道。然后從SMI眼動儀導(dǎo)出駕駛員的注視點(diǎn)坐標(biāo)、注視角度等眼動數(shù)據(jù),并通過數(shù)據(jù)篩查和剔除,獲取有效眼動數(shù)據(jù)。最后運(yùn)用統(tǒng)計分析方法,利用眼動數(shù)據(jù),從視點(diǎn)、視野和視距等角度,研究試驗(yàn)段駕駛視覺空間。如圖4所示,通過松毛嶺隧道眼動數(shù)據(jù)分析,將駕駛員視點(diǎn)與空間注視點(diǎn)相連,構(gòu)建出隧道三維視覺空間。

        圖4 試驗(yàn)段的三維駕駛視覺空間示意圖

        (1)視點(diǎn)

        根據(jù)現(xiàn)場測量,小客車視點(diǎn)在距離地面高度1.2m的位置,大型客車和載重汽車的視點(diǎn)在距離地面高度2m的位置。

        (2)視野水平角和仰角

        松毛嶺隧道運(yùn)行速度為40km/h。通過該隧道駕駛員眼動實(shí)驗(yàn),結(jié)合注視點(diǎn)分布規(guī)律,根據(jù)式(1),可知駕駛員視野水平角 α 在 80°和 100°之間,仰角 β=23°。

        (3)視距

        通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,在眼動試驗(yàn)所得的注視點(diǎn)像素坐標(biāo)系中,最近注視點(diǎn)坐標(biāo)為(670.4px,722.4px),最遠(yuǎn)注視點(diǎn)坐標(biāo)為(70.1px,60px)。進(jìn)而根據(jù)注視點(diǎn)坐標(biāo),在眼動試驗(yàn)錄像截圖上定位,再換算成視野空間的實(shí)際視距范圍,得出駕駛空間視距范圍為25m~200m,即,D1=25m,D2=200m。

        4.3 試驗(yàn)段路面的注視點(diǎn)分布規(guī)律

        (1)接近段

        如圖5~圖9所示,從眼動數(shù)據(jù)中提取落在路面上的注視點(diǎn),構(gòu)建路面注視點(diǎn)像素坐標(biāo)系,從而得到隧道彩色路面的駕駛員注視點(diǎn)分布圖。圖中,Vp點(diǎn)為駕駛員視點(diǎn)在彩色路面上的投影位置,X為隧道橫斷面像素位置(px),Y為隧道縱斷面像素位置 (px),0點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),即視野所見圖像左上角點(diǎn)。

        如圖5所示,當(dāng)車輛在隧道接近段行駛時,駕駛員視野中隧道洞口景象面積急劇增大,促使其注意力較為集中,因此接近段路面注視點(diǎn)分布范圍較窄小,主要分布在駕駛員的正前方,且縱向上視距范圍較小。

        圖5 隧道接近段彩色路面注視點(diǎn)分布圖

        (2)入口段

        如圖6所示,當(dāng)車輛在隧道入口段行駛時,駕駛員視野中景象多為隧道側(cè)壁和彩色路面,此時駕駛視覺處于暗適應(yīng)階段,注意力較難集中。因此入口段路面注視點(diǎn)分布范圍變寬,主要分布在駕駛員的正前方和右前方,縱向上視距范圍較大。

        圖6 隧道入口段彩色路面注視點(diǎn)分布圖

        (3)過渡段

        如圖7所示,當(dāng)車輛在隧道過渡段行駛時,駕駛員視覺基本適應(yīng)隧道環(huán)境,注意力集中于視野的正前方。因此過渡段路面注視點(diǎn)分布范圍變窄,主要分布在駕駛員的左前方(接近中心雙黃線處)和右前方,縱向上視距范圍較小。

        圖7 隧道過渡段彩色路面注視點(diǎn)分布圖

        (4)中間段

        如圖8所示,當(dāng)車輛在隧道中間段行駛時,由于隧道亮度水平較高,環(huán)境視認(rèn)性良好,駕駛員視覺完全適應(yīng)隧道環(huán)境。因此中間段路面注視點(diǎn)分布范圍稍變寬,主要分布在駕駛員的左前方(接近中心雙黃線處)和正前方較遠(yuǎn)處,縱向上視距范圍較大。

        圖8 隧道中間段彩色路面注視點(diǎn)分布圖

        (5)出口段

        如圖9所示,雖然單洞雙向通行隧道的入口段和出口段照明條件一致,但駕駛員注視點(diǎn)分布存在較大差異。當(dāng)車輛在隧道出口段行駛時,駕駛員視覺處于明適應(yīng)階段,視野中隧道洞口景象面積增大,此時駕駛員為觀察洞外路況,注意力集中于洞外路面。因此出口段路面注視點(diǎn)分布范圍稍變窄,主要分布在駕駛員的正前方較遠(yuǎn)處,縱向上視距范圍較大。

        圖9 隧道出口段彩色路面注視點(diǎn)分布圖

        5 結(jié)語

        彩色路面環(huán)境下隧道駕駛視覺特性影響著駕駛舒適度和交通安全水平,然而國內(nèi)外相關(guān)研究鮮見彩色路面環(huán)境下隧道駕駛員注視點(diǎn)分布規(guī)律研究,尚未形成定量化的視覺分析方法,使得該類型隧道的沿線設(shè)施設(shè)置缺少足夠的理論探討。

        本文基于隧道照明區(qū)段,分析了駕駛員視點(diǎn)、視野和視距等彩色路面環(huán)境下隧道駕駛員注視特征,構(gòu)建了多個曲面組合而成的隧道三維駕駛視覺空間,最后以某市的松毛嶺彩色路面隧道為試驗(yàn)段,通過眼動試驗(yàn),獲取了注視點(diǎn)位置,從而給出了試驗(yàn)段的三維視覺空間及路面注視點(diǎn)分布規(guī)律。

        本文提出的彩色路面環(huán)境下隧道駕駛視覺空間構(gòu)建技術(shù)尚有不足,下一步將定量化研究視覺空間邊界,以及視覺空間對駕駛心理的影響,從而提出更為綜合、全面的彩色路面環(huán)境下隧道駕駛視覺空間理論。

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