湯振農(nóng) 周土瑤 鄭號染 杜志剛

(1.金華市公路管理局 金華 321001; 2.磐安縣公路管理局 磐安 322300;3.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

隧道是兩側(cè)開口的管狀結(jié)構(gòu)，其特性導(dǎo)致隧道出入口路段環(huán)境與普通路段存在明顯差異。從空間分布角度而言，隧道出入口為公路事故黑點位置，事故率顯著高于隧道其他路段，事故比例高達(dá)58%，其中隧道入口事故率高于出口路段[1]。從時間分布角度出發(fā)，在夜間環(huán)境下，車輛駛?cè)胨淼肋^程中，視覺環(huán)境與空間環(huán)境存在劇烈的變化，駕駛?cè)藦幕璋档钠胀范务側(cè)胝彰鳁l件良好的隧道內(nèi)，瞳孔劇烈增大。與此同時，夜間行車駕駛?cè)艘桩a(chǎn)生疲勞困倦，注意力不集中，易產(chǎn)生撞擊端墻、追尾前車、側(cè)翻等事故。如秦嶺一號隧道“8·10”特大交通事故，造成車內(nèi)36人死亡、13人受傷，事故形態(tài)為大客車碰撞隧道洞口，事發(fā)于2017年8月10日23時，正值夜間駕駛?cè)艘曈X條件受限且駕駛?cè)艘灼跁r段。

目前對隧道交通事故的研究多集中于交通事故空間分布關(guān)系上。K.Robatsch等[2]分析了隧道事故受單、雙向交通的影響關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隧道雙向交通的危險性遠(yuǎn)高于隧道單向交通，事故率、事故成本分別比單向通行隧道高28%與66%。Meng Qiang[3]分析了隧道出入口追尾交通事故特征，并定義了交通沖突暴露時間這一概念，發(fā)現(xiàn)交通沖突暴露時間與隧道出入口追尾事故頻率之間服從負(fù)二項分布特征。文獻[1]統(tǒng)計了2 193起隧道交通事故，發(fā)現(xiàn)：①周末的事故發(fā)生數(shù)占事故總數(shù)約40%；②事故主要形態(tài)為追尾，占事故總數(shù)60.1%。

關(guān)于隧道出入口安全問題，主要從降低眩光、照明技術(shù)、誘導(dǎo)技術(shù)等方面提出了保障隧道出入口交通安全的措施[4-5]。Buraczynski等[6]提出采取對隧道入口處增強光照以緩解日間“黑洞效應(yīng)”對駕駛?cè)艘曈X的影響，并得到隧道出入口段照明強度隨速度、交通量變化的數(shù)學(xué)公式。吳玲等[7]通過實車試驗分析了隧道出入口段車速及瞳孔變化規(guī)律，并建立了視錯覺減速標(biāo)線設(shè)置參數(shù)模型。

總的來說，關(guān)于隧道出入口交通安全，國內(nèi)外學(xué)者的研究多集中于燈光照明，而視線誘導(dǎo)可高效、低成本地保障隧道交通安全，近年來已在云南、貴州、浙江等地廣泛應(yīng)用。但是，隧道入口仍存在針對性措施缺乏，視線誘導(dǎo)設(shè)施設(shè)置雜亂、無統(tǒng)一規(guī)范、缺乏理論指導(dǎo)等問題，特別是夜間隧道入口存在過渡劇烈、洞門不易識別、方向感不足等問題。故本文從夜間不良環(huán)境出發(fā)，結(jié)合隧道入口駕駛?cè)说鸟{駛?cè)蝿?wù)與視覺需求，提出隧道入口誘導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化方法，保障隧道入口行車安全。

1 隧道入口區(qū)域分段

根據(jù)路段環(huán)境特征，將隧道入口區(qū)域分為決策段S1、接近段S2、入口段S3、過渡段S4。

1.1 決策段與接近段

決策視距是指從駕駛?cè)藱z測到道路環(huán)境中的一個出乎意料的或難以發(fā)現(xiàn)的信息源或物體開始，之后進行識別、判斷其危害性并選擇恰當(dāng)?shù)乃俣群吐窂?，最終安全和高效地完成相應(yīng)的應(yīng)對策略所需要的距離。對于高速公路隧道入口前一般取決策視距為10 s行程，在夜間環(huán)境下交通信息難以獲取，因此以決策視距作為決策段起點至隧道洞門位置的距離。接近段為隧道洞門外一個停車視距，故定義決策段為隧道洞門外決策視距與停車視距的差值距離，如圖1。

圖1 決策段及接近段示意

1.2 入口段和過渡段

駕駛?cè)嗽隈側(cè)胨淼赖倪^程中難以視認(rèn)垂直視野20°范圍外物體，因而洞門輪廓與視線夾角大于10°時，將無法獲取洞外視覺信息并開始適應(yīng)隧道內(nèi)環(huán)境。為保障行車安全，此時行車視距應(yīng)滿足停車視距需求，當(dāng)前位置與洞門的距離即適應(yīng)距離，則入口段長度為停車視距與適應(yīng)距離的差值，如圖2。

圖2 入口段示意

過渡段主任務(wù)為車輛控制，駕駛?cè)藢⑼瓿伤淼廊肟谥林胁康倪^渡。入口內(nèi)有強化照明段，幫助駕駛?cè)酥鸩竭m應(yīng)隧道環(huán)境，故定義過渡段為隧道內(nèi)加強照明范圍與入口段差值。

本研究試驗場景中，高速公路隧道外普通路段限速為100 km/h，隧道區(qū)域范圍內(nèi)限速為80 km/h，隧道凈空高度為7 m，坡度為0。以此為參數(shù)值，根據(jù)JTG/T D70/2-01-2014《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》的相關(guān)規(guī)定，計算得決策段、接近段、入口段及過渡段長度分別為146，160，83，294 m。

2 誘導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化

基于駕駛?cè)艘曈X特性及駕駛?cè)蝿?wù)需求，通過多頻率多尺度視覺誘導(dǎo)信息的有機組合，構(gòu)建隧道入口內(nèi)外連續(xù)的視線誘導(dǎo)系統(tǒng)，幫助駕駛?cè)丝焖偻瓿神{駛?cè)蝿?wù)決策，具體方案如下。

1) 決策段。為強化夜間道路線形，擴大駕駛?cè)艘曊J(rèn)范圍，于決策段終點前100 m開始布設(shè)線形誘導(dǎo)，標(biāo)于道路兩側(cè)硬路肩，其設(shè)置示意見圖3。

圖3 決策段視線誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置

2) 接近段。為提高夜間環(huán)境下駕駛?cè)藢Χ撮T視認(rèn)性，在洞門設(shè)置立面標(biāo)記；洞門外設(shè)置線形誘導(dǎo)標(biāo)；道路中心線及道路邊線均設(shè)置一組突起路標(biāo)；洞門前道路兩側(cè)布設(shè)防撞桶及警示柱，其設(shè)置示意見圖4。

圖4 接近段視線誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置

3) 入口段。為提高駕駛?cè)藢λ淼纼?nèi)環(huán)境感知能力，自洞門內(nèi)20 m處開始布設(shè)反光環(huán)；路中心線及道路邊線均設(shè)置1組突起路標(biāo)；檢修道側(cè)緣布設(shè)輪廓標(biāo)；側(cè)壁反光環(huán)高度約3 m處布設(shè)應(yīng)急誘導(dǎo)燈，其設(shè)置示意見圖5。

圖5 入口段視線誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置(單位：m)

4) 過渡段。為幫助駕駛?cè)嗣鞔_與前車距離，增強隧道內(nèi)行車舒適感，過渡段交叉布設(shè)反光環(huán)與反光條；路中心線及道路邊線均設(shè)置一組突起路標(biāo)；檢修道側(cè)緣布設(shè)輪廓標(biāo)；隧道側(cè)壁高度約3 m處布設(shè)應(yīng)急誘導(dǎo)燈，與反光環(huán)、反光條同步設(shè)置，見圖6。

圖6 過渡段視線誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置(單位：m)

3 模擬駕駛試驗

3.1 實驗場景

選取貴州省織普高速雙山隧道作為仿真場景原型，該隧道為分離式單向隧道，單向二車道，車道寬度為3.75 m，全長1 040 m，隧道內(nèi)設(shè)計速度為80 km/h，改善前后視線誘導(dǎo)設(shè)施布設(shè)情況見表1。

表1 雙山隧道視線誘導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化前后對比

取誘導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化前后隧道入口區(qū)域行車環(huán)境為試驗變量，利用3DS Max構(gòu)建仿真場景，場景中除隧道入口誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置不同外，隧道結(jié)構(gòu)、照明方案等其他條件均保持一致，夜間隧道入口前仿真場景，見圖7。

圖7 夜間隧道入口前仿真場景

3.2 試驗設(shè)備

實驗設(shè)備主要有駕駛模擬器和Dikablis眼動儀，見圖8。駕駛模擬器可根據(jù)需求定制交通情境。眼動儀可采集駕駛?cè)艘曈X特征數(shù)據(jù)，采樣頻率為60 Hz，視線追蹤精度為0.1°～0.3°。

圖8 實驗設(shè)備

3.3 被試

按照中國駕駛?cè)诵詣e比例，選取視力正常、駕駛技術(shù)良好、經(jīng)驗豐富且無重大事故史的14名男性與6名女性駕駛?cè)俗鳛楸辉?，基本信息見?。為消除偶然誤差，要求每位被試至少完成3組有效試驗。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與駕駛安全，要求被試在試驗前充分休息，保持身體及精神狀態(tài)良好。試驗過程中，被試根據(jù)自身習(xí)慣控制其駕駛行為。

表2 被試基本信息

3.4 試驗流程

1)對被試進行培訓(xùn)，告知其注意事項等，不告知其試驗?zāi)康?，以保證被試正常的搜索、感知交通環(huán)境信息并按照自身的駕駛習(xí)慣行車。

2) 被試進入模擬器并調(diào)整座椅至舒適位置，試驗工作人員為其佩戴并標(biāo)定眼動儀。

3) 工作人員確保設(shè)備正常工作后，進行預(yù)試驗，使被試熟悉并適應(yīng)模擬器。

4) 進行正式試驗，試驗過程中被試就坐于駕駛模擬器內(nèi)，每個試驗場景間休息5 min，防止視覺疲勞影響試驗結(jié)果。

5) 若試驗數(shù)據(jù)無效或被試未達(dá)到試驗要求次數(shù)則繼續(xù)試驗，若已達(dá)試驗要求次數(shù)則更換被試，進行新一輪試驗。

4 實驗結(jié)果分析

拉依達(dá)準(zhǔn)則法認(rèn)定樣本中某一數(shù)據(jù)的值與樣本均值的差大于3倍的樣本標(biāo)準(zhǔn)差時，該數(shù)據(jù)即為異常值，予以剔除，鑒于眼動數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，選取該方法對異常數(shù)據(jù)進行處理。

4.1 注視點分布

通過眼動儀采集注視點數(shù)據(jù)，注視點落在以左上角為原點，X軸為1 920像素，Y軸為1 080像素采集畫面上。若在實驗中，被試在某一區(qū)段發(fā)生N次注視點停留，視覺平面上的注視點坐標(biāo)則為(Xi,Yi)(1≤i≤n)。注視點分布可以反映駕駛?cè)嗽谛熊囘^程中對道路環(huán)境的觀察范圍，分布區(qū)域可近似看作長短軸分別為(X85-X15)及(Y85-Y15)的橢圓。其中:X85、X15、Y85、Y15分別為注視點坐標(biāo)在X及Y軸方向的85%和15%分位值，注視點分布見圖9。較多注視點落在橢圓范圍內(nèi)時，駕駛?cè)艘曊J(rèn)性提高，有利于駕駛?cè)蝿?wù)決策；在此區(qū)域外時，駕駛?cè)穗y以對交通信息進行有效感知與處理，橢圓面積越大，表明駕駛?cè)蝿?wù)決策越簡單[8]。

圖9 注視點分布示意圖

4.2 視力角計算

視力角表示單次掃視幅度的大小，以多次掃視距離的中值來計算。若某路段共有n次注視點停留，則對于第i個(1≤i≤n)個注視點，從i至i+1點掃視角度為

Sai=sqrt[(xi-xi+1)2+(yi-yi+1)2]

(1)

則視力角(即掃視角中值)為

Ds=median(Sa1，Sa2，…，San-1)

(2)

優(yōu)化前后隧道入口區(qū)域各區(qū)段注視點分布見表3，掃視角度越大，視力角越大，則橢圓面積越大，表明駕駛?cè)蝿?wù)決策越輕松。

表3 隧道入口區(qū)域駕駛?cè)艘归g注視點分布情況

通過對駕駛?cè)嗽诓煌瑘鼍跋伦⒁朁c及視力角分布情況的觀察分析，可以發(fā)現(xiàn)：

1) 在決策段、接近段、入口段、過渡段范圍內(nèi)，誘導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化后注視點停留分布范圍均呈現(xiàn)上升趨勢，說明優(yōu)化后視區(qū)有效擴大，誘導(dǎo)系統(tǒng)可以幫助駕駛?cè)擞行ёR別道路邊界、洞門輪廓，從容完成駕駛?cè)蝿?wù)。

2) 優(yōu)化后注視點停留分布范圍均大于同區(qū)段優(yōu)化前場景，優(yōu)化后相鄰區(qū)段橢圓面積變化率分別為6.53%，9.01%，-8.47%，優(yōu)化前為17.18%，12.78%，24.44%，即優(yōu)化后各分段的視區(qū)面積變動更小，視區(qū)變動更平緩，說明誘導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化可緩和視區(qū)過渡。

3) 優(yōu)化后駕駛?cè)艘暳菙U大，掃視幅度更大，但是視力角標(biāo)準(zhǔn)差變小，信息加工水平有所提高，說明誘導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化后駕駛?cè)蝿?wù)決策難度降低，駕駛?cè)蝿?wù)分布更趨合理。

5 結(jié)語

本研究從夜間不利環(huán)境的角度出發(fā)，考慮駕駛?cè)艘?，對隧道入口區(qū)域提出了視線誘導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化方案。以注視點及視力角分布為評價指標(biāo)，通過模擬駕駛試驗證明了所提方案的有效性，所得結(jié)論如下。

1) 按照行車速度及隧道結(jié)構(gòu)對隧道入口區(qū)域進行合理分段，在保障連續(xù)性的基礎(chǔ)上，對視線誘導(dǎo)系統(tǒng)進行差異化設(shè)計，能夠滿足駕駛?cè)艘蚶碚撔枨蟆?/p>

2) 通過線形誘導(dǎo)標(biāo)、輪廓標(biāo)、突起路標(biāo)、警示柱、防撞桶、反光條、反光環(huán)、環(huán)形立面標(biāo)記等將駕駛?cè)蝿?wù)合理分解，能夠使得駕駛?cè)嗽绨l(fā)現(xiàn)，早適應(yīng)，降低夜間駕駛?cè)蝿?wù)難度。

3) 采用注視點及視力角分布為指標(biāo)，得出改善后注視點分布變動更為平緩，視力角波動幅度變小，表明通過優(yōu)化視線誘導(dǎo)系統(tǒng)，能夠緩和夜間進隧過程中環(huán)境突變所帶來的視覺沖擊，保障交通安全。