劉 穎，張 龍，史玲娜，劉貞毅

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067)

引言

藏區(qū)高速公路具有隧道多、隧道長的特點，從而導(dǎo)致高速公路機電設(shè)備用電多、用電貴、運營負(fù)擔(dān)重。相較東部沿海發(fā)達(dá)地區(qū)高速公路，藏區(qū)高速車流量明顯偏少，車輛呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，有時甚至幾十分鐘才有一輛車經(jīng)過，常規(guī)照明方式將造成很多無效照明。為節(jié)約電費開支、減少運營成本，周公山隧道采用無極調(diào)光智能控制技術(shù)，此技術(shù)將無級調(diào)光與車輛檢測技術(shù)動態(tài)組合，以達(dá)到“車走燈熄、與車隨行”的隧道照明節(jié)能效果。

為研究采用無極調(diào)光智能控制技術(shù)對駕駛員眼動特征參數(shù)的影響，本文通過在采用此技術(shù)的隧道環(huán)境進(jìn)行試驗，利用眼鏡式眼動儀研究在采用此技術(shù)的照明環(huán)境下和未采用此技術(shù)的照明環(huán)境下的駕駛員眼動特征參數(shù)變化情況。

1 無極調(diào)光智能控制技術(shù)原理

無極調(diào)光智能控制系統(tǒng)主要由洞外亮度檢測儀、洞內(nèi)亮度檢測儀、車流量檢測器、光電車檢器、車檢控制器、亮度可控型公路隧道LED照明燈具等組成[1]。

系統(tǒng)通過檢測得到洞外亮度、隧道外車流量信息，隧道入口段和中間段亮度等信息，計算出入口段的加強照明和基本照明相應(yīng)的調(diào)光功率[2]，再將其轉(zhuǎn)為調(diào)光信號輸出至車檢控制器。控制器根據(jù)光電車檢器檢測的車輛信號，控制所屬區(qū)段是采用按需照明信號還是最小照明信號。當(dāng)隧道某區(qū)段有車到來時，車檢控制器即控制所屬的下一區(qū)段按需求調(diào)光；車輛離開后，車檢控制器延遲若干分鐘，若無車輛到來，則將調(diào)光信號由按需調(diào)光切換至最小亮度；若有車輛到來，則繼續(xù)延遲。

2 眼動特征參數(shù)選取

駕駛員駕駛車輛接近隧道時，洞內(nèi)燈具明暗變化明顯，無車經(jīng)過時，隧道內(nèi)燈具處于最小亮度狀態(tài)(即基本亮度)，如圖1(a)所示，當(dāng)檢測到車輛接近時，隧道內(nèi)照明燈具根據(jù)系統(tǒng)檢測到的信號調(diào)至需求亮度(即設(shè)計亮度)，如圖1(b)所示。

圖1 隧道內(nèi)燈具明暗變化圖

通過駕駛員眼動特征參數(shù)能一定程度上反映出隧道內(nèi)燈具明暗變化過程中人的視覺感受，評價無極調(diào)光智能控制系統(tǒng)對駕駛員行車安全的影響程度。

駕駛員在行駛過程中的眼動是一個復(fù)雜的過程，這里結(jié)合公路隧道環(huán)境特點和試驗的實際情況主要研究以下幾個指標(biāo)。

1)注視特征參數(shù)。包括注視興趣區(qū)域、注視次數(shù)和持續(xù)時間。駕駛員通過隧道時，其眼動特征參數(shù)的變化能真實反映行車的安全性。一般來說，駕駛員在隧道行駛過程中，為了保證行車安全，注視區(qū)域應(yīng)集中于車輛行駛的正前方車道及旁邊車道。因此，將車輛行駛的正前方車道及周邊車道標(biāo)定為注視興趣區(qū)域，其他區(qū)域為非注視興趣區(qū)域，如圖2所示。通過對駕駛員注視點落在兩個區(qū)域的次數(shù)進(jìn)行定量的統(tǒng)計分析，可對兩種照明環(huán)境下駕駛員通過隧道的安全性進(jìn)行評價。

圖2 安全注視區(qū)域

研究表明，駕駛員在隧道照明質(zhì)量較好的環(huán)境下行駛時，其眼動形式表現(xiàn)為以注視為主，伴隨短時間的掃視；而駕駛員在較差的照明環(huán)境下，眼動形式表現(xiàn)為以掃視為主，伴隨短時間注視，在這種照明工況下，駕駛員對前方危險事故反應(yīng)延遲，危害行車的安全性。

因此可通過注視特征參數(shù)表示駕駛過程中的安全性，即駕駛員在行駛過程中注視安全區(qū)域的次數(shù)越多，持續(xù)時間越長，行車越安全性。

2)掃視特征參數(shù)。主要包括掃視幅度、掃視持續(xù)時間、掃視平均速度等。掃視平均速度指的是每次掃視的幅度(角度)與掃視持續(xù)時間的比值，其計量單位是°/s[4]。掃視平均速度是駕駛員視覺搜索的一個重要指標(biāo)，掃視平均速度越快也就是駕駛員搜索目標(biāo)花費的時間越短，說明駕駛員的搜索效率較高、注意力集中[5]。

3)瞳孔變化參數(shù)。對駕駛員來說，瞳孔直徑變化能夠很好地表述其視覺適應(yīng)性及駕駛視覺負(fù)荷程度[6]。正常人瞳孔直徑在自然光下為2～8 mm，暗環(huán)境中為4～8 mm。研究表明，瞳孔直徑大小隨著入光量的多少發(fā)生變化，在照明質(zhì)量好的工況下行駛時，隧道內(nèi)的光效高，駕駛員的瞳孔直徑較小，負(fù)荷較低，安全性高。

4)眨眼持續(xù)時間。眨眼持續(xù)時間為每次眨眼時，眼睛由完全睜開到閉合再到完全睜開的全過程所用的時間。研究表明人在發(fā)生困倦的時候，眨眼速度變慢，眨眼持續(xù)時間變長[7]。一般來說，人在不疲勞狀態(tài)的時候，眨眼持續(xù)時間基本在0.25～0.7 s之間波動。因此可以通過觀察駕駛員眨眼持續(xù)時間的長短，評價行駛過程中的安全性。

3 試驗設(shè)計

3.1 試驗隧道概況

周公山隧道位于雅安至康定高速公路，右線為使用無極調(diào)光智能控制的(試驗)隧道，左線為未使用無極調(diào)光智能控制的(對比)隧道。隧道照明采用LED燈，對比隧道與試驗隧道參數(shù)、燈具布設(shè)方式均相同，僅在隧道區(qū)段劃分長度上有差別，隧道各區(qū)段長度以及亮度如表1所示。

表1 隧道工況

3.2 試驗設(shè)備

試驗車輛選用普通小轎車，采用ETG2w無線眼鏡式眼動儀，對駕駛員行駛過程中的眼動行為進(jìn)行記錄。采用眼動儀進(jìn)行試驗的優(yōu)點在于使用方便，可以實時獲得大量數(shù)據(jù)，對駕駛員沒有干擾，不需要進(jìn)行專門練習(xí)，可以在相對自然的條件下進(jìn)行研究[3]。

3.3 試驗方法

一名實驗人員按要求佩戴眼動儀，駕駛車輛分別通過試驗隧道和對比隧道，另一名實驗人員利用儀器配套的軟件記錄駕駛員的眼動特征參數(shù)數(shù)據(jù)。對兩種不同照明環(huán)境下采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。具體要求如下：

1)在白天晴天進(jìn)行試驗，保障駕駛員接近隧道時，無極調(diào)光智能控制系統(tǒng)能夠根據(jù)有車到來的信息，自動調(diào)節(jié)加強照明的亮度，以此觀察隧道內(nèi)燈具的明暗變化是否會對駕駛員行車產(chǎn)生不利影響；

2)在駕駛員精神狀況良好、心態(tài)平和的情況下進(jìn)行試驗；

3)駕駛員以設(shè)計速度為80 km/h的速度通過隧道；

4)在兩種照明情況下連續(xù)進(jìn)行多次試驗，首先對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行粗略統(tǒng)計分析，舍去差異較大值，選取穩(wěn)定性較高的一組數(shù)據(jù)作為該照明環(huán)境下的眼動特征參數(shù)變化數(shù)據(jù)。

4 試驗結(jié)果

4.1 注視特征參數(shù)

駕駛員駕駛車輛以80 km/h的速度通過兩種照明環(huán)境時，對注視點落在安全區(qū)域的次數(shù)、總次數(shù)、安全區(qū)域注視持續(xù)時間和總時間進(jìn)行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 安全區(qū)域注視點分布特征統(tǒng)計表

由表2可知，駕駛員行駛在試驗隧道照明環(huán)境下時，其安全區(qū)域的注視持續(xù)時間比重為63.2%，而在對比隧道的照明環(huán)境下，其安全區(qū)域注視持續(xù)比重為68.8%，略高于試驗隧道對應(yīng)的比重。

通過上述對比我們發(fā)現(xiàn)在兩種照明環(huán)境下，駕駛員行駛在試驗隧道的照明環(huán)境下時注視安全區(qū)域的次數(shù)、注視持續(xù)時間以及注視持續(xù)時間比重和對比隧道的照明環(huán)境下相差較小，表明使用無極調(diào)光智能控制技術(shù)對駕駛員的注視特征參數(shù)影響不大。

4.2 掃視平均速度

根據(jù)眼動儀記錄的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對兩種照明環(huán)境下的掃視平均速度進(jìn)行統(tǒng)計分析，剔除個別異常數(shù)據(jù)，由于試驗隧道中間段較長，數(shù)據(jù)選取隧道中間段第一個150 m作為分析對象，統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。

圖3 掃視平均速度統(tǒng)計表

由圖3可以看出，試驗隧道的掃視平均速度在隧道各區(qū)段都存在波動較明顯的點，而對比隧道僅在出口段出現(xiàn)大幅度的波動。

表明駕駛員行駛在試驗隧道時，精神狀態(tài)較為集中，能夠?qū)δ繕?biāo)物進(jìn)行快速的搜索分析，尤其在隧道出口段，駕駛員即將駛離隧道，受外部環(huán)境影響明顯，掃視平均速度越大，駕駛員搜索目標(biāo)所用的時間越短，搜索效率越高，可見無極調(diào)光智能控制系統(tǒng)的使用，能夠營造一個較好的照明工況，駕駛員能較快的完成對目標(biāo)物的搜索。

4.3 瞳孔變化參數(shù)

利用眼動儀記錄駕駛員在行駛過程中瞳孔直徑大小變化的數(shù)據(jù)，忽略視覺震蕩行為，進(jìn)行分組整理，隧道中間段的數(shù)據(jù)選取車輛進(jìn)入隧道入口159 m后的第一個150 m作為分析對象，選取每組具有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析如圖3所示。

圖4 瞳孔直徑大小變化圖

由圖4可以觀察到，當(dāng)駕駛員行駛在試驗隧道的照明環(huán)境下時，在隧道接近段，此時駕駛員還未進(jìn)入隧道，隧道外部亮度較大，駕駛環(huán)境比較理想，瞳孔直徑的大小在3.0 mm左右。隨著隧道洞口的接近，亮度逐漸減小瞳孔直徑增大，隧道中間段亮度最暗，瞳孔直徑達(dá)到最大值為5.0 mm左右。隨著駕駛員距離隧道出口越來越近，隧道內(nèi)亮度逐漸增大，瞳孔直徑也隨之呈現(xiàn)減小的趨勢；駕駛員行駛在對比隧道的照明環(huán)境下時，瞳孔直徑的變化趨勢與試驗隧道大致相同，進(jìn)入隧道后也同樣呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

通過對比，我們發(fā)現(xiàn)駕駛員的瞳孔直徑在試驗隧道的照明環(huán)境下大致小于對比隧道，駕駛員在接近、駛?cè)牒屯ㄟ^隧道時，瞳孔直徑維持在較小值。表明隧道使用無級調(diào)光智能控制技術(shù)能夠根據(jù)洞外亮度和交通量將洞內(nèi)亮度調(diào)節(jié)至設(shè)計亮度，隧道內(nèi)的光效高，照明質(zhì)量較好。

4.4 眨眼持續(xù)時間

根據(jù)眼動儀記錄的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，我們對兩種照明環(huán)境下的眨眼持續(xù)時間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，為分析當(dāng)車輛接近隧道時，隧道內(nèi)燈具的明暗變化是否會對駕駛員視覺產(chǎn)生刺激，統(tǒng)計距離隧道洞口200 m的眨眼持續(xù)時間數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4所示。

圖5 眨眼持續(xù)時間圖

由圖5可以觀察到，駕駛員行駛在試驗隧道時，眨眼持續(xù)時間在0.3～0.4 s的正常范圍之間波動，波動不明顯，尤其在駕駛員接近隧道過程中，未出現(xiàn)眨眼持續(xù)時間異?，F(xiàn)象。這表明無極調(diào)光智能控制系統(tǒng)檢測到車輛接近時，將燈具調(diào)節(jié)到設(shè)計亮度的過程中，隧道燈具的明暗變化并不會讓駕駛員產(chǎn)生“眼前一亮”的不舒適感，無級調(diào)光智能控制技術(shù)的使用能夠營造一個較為安全、節(jié)能的行車環(huán)境。

5 結(jié)論

本文基于駕駛員眼動特征參數(shù)對使用無極調(diào)光智能控制技術(shù)的隧道和未使用無極調(diào)光智能控制技術(shù)的隧道進(jìn)行了試驗研究，得到以下結(jié)論：

1)駕駛員通過使用無級調(diào)光智能控制技術(shù)的隧道照明環(huán)境時，注視點落在安全區(qū)域的次數(shù)、注視持續(xù)時間比重與未使用此技術(shù)的環(huán)境相差不大。

2)在試驗隧道照明環(huán)境下，駕駛員的掃視平均速度較大，對目標(biāo)的搜索較迅速，能滿足安全行車的需要。

3)駕駛員的瞳孔直徑在試驗隧道的環(huán)境下較小，眨眼持續(xù)時間也未發(fā)生較大波動，表明調(diào)光并未對駕駛員視覺造成負(fù)荷。

以上研究表明，無極調(diào)光智能控制技術(shù)能夠營造一個較好的照明環(huán)境，保證駕駛員在隧道內(nèi)行駛的安全性。此技術(shù)的使用在滿足隧道照明安全性的基礎(chǔ)上，有利于實現(xiàn)隧道的節(jié)能照明。