湯振農(nóng) 周土瑤 鄭號(hào)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(kāi)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(diǎn)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(shí)間分布角度出發(fā)，在夜間環(huán)境下，車(chē)輛駛?cè)胨淼肋^(guò)程中，視覺(jué)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(shí)，夜間行車(chē)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(chē)、側(cè)翻等事故。如秦嶺一號(hào)隧道“8·10”特大交通事故，造成車(chē)內(nèi)36人死亡、13人受傷，事故形態(tài)為大客車(chē)碰撞隧道洞口，事發(fā)于2017年8月10日23時(shí)，正值夜間駕駛?cè)艘曈X(jué)條件受限且駕駛?cè)艘灼跁r(shí)段。

目前對(duì)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(xiǎn)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(shí)間這一概念，發(fā)現(xiàn)交通沖突暴露時(shí)間與隧道出入口追尾事故頻率之間服從負(fù)二項(xiàng)分布特征。文獻(xiàn)[1]統(tǒng)計(jì)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(wèn)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(duì)隧道入口處增強(qiáng)光照以緩解日間“黑洞效應(yīng)”對(duì)駕駛?cè)艘曈X(jué)的影響，并得到隧道出入口段照明強(qiáng)度隨速度、交通量變化的數(shù)學(xué)公式。吳玲等[7]通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)分析了隧道出入口段車(chē)速及瞳孔變化規(guī)律，并建立了視錯(cuò)覺(jué)減速標(biāo)線(xiàn)設(shè)置參數(shù)模型。

總的來(lái)說(shuō)，關(guān)于隧道出入口交通安全，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究多集中于燈光照明，而視線(xiàn)誘導(dǎo)可高效、低成本地保障隧道交通安全，近年來(lái)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(duì)性措施缺乏，視線(xiàn)誘導(dǎo)設(shè)施設(shè)置雜亂、無(wú)統(tǒng)一規(guī)范、缺乏理論指導(dǎo)等問(wèn)題，特別是夜間隧道入口存在過(guò)渡劇烈、洞門(mén)不易識(shí)別、方向感不足等問(wèn)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(jué)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(chē)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(guò)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(cè)到道路環(huán)境中的一個(gè)出乎意料的或難以發(fā)現(xiàn)的信息源或物體開(kāi)始，之后進(jìn)行識(shí)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(duì)策略所需要的距離。對(duì)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(diǎn)至隧道洞門(mén)位置的距離。接近段為隧道洞門(mén)外一個(gè)停車(chē)視距，故定義決策段為隧道洞門(mén)外決策視距與停車(chē)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(guò)渡段

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

圖2 入口段示意

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

本研究試驗(yàn)場(chǎng)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(jì)細(xì)則》的相關(guān)規(guī)定，計(jì)算得決策段、接近段、入口段及過(guò)渡段長(zhǎng)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(jué)特性及駕駛?cè)蝿?wù)需求，通過(guò)多頻率多尺度視覺(jué)誘導(dǎo)信息的有機(jī)組合，構(gòu)建隧道入口內(nèi)外連續(xù)的視線(xiàn)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(qiáng)化夜間道路線(xiàn)形，擴(kuò)大駕駛?cè)艘曊J(rèn)范圍，于決策段終點(diǎn)前100 m開(kāi)始布設(shè)線(xiàn)形誘導(dǎo)，標(biāo)于道路兩側(cè)硬路肩，其設(shè)置示意見(jiàn)圖3。

圖3 決策段視線(xiàn)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?duì)洞門(mén)視認(rèn)性，在洞門(mén)設(shè)置立面標(biāo)記；洞門(mén)外設(shè)置線(xiàn)形誘導(dǎo)標(biāo)；道路中心線(xiàn)及道路邊線(xiàn)均設(shè)置一組突起路標(biāo)；洞門(mén)前道路兩側(cè)布設(shè)防撞桶及警示柱，其設(shè)置示意見(jiàn)圖4。

圖4 接近段視線(xiàn)誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置

3) 入口段。為提高駕駛?cè)藢?duì)隧道內(nèi)環(huán)境感知能力，自洞門(mén)內(nèi)20 m處開(kāi)始布設(shè)反光環(huán)；路中心線(xiàn)及道路邊線(xiàn)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(jiàn)圖5。

圖5 入口段視線(xiàn)誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置(單位：m)

4) 過(guò)渡段。為幫助駕駛?cè)嗣鞔_與前車(chē)距離，增強(qiáng)隧道內(nèi)行車(chē)舒適感，過(guò)渡段交叉布設(shè)反光環(huán)與反光條；路中心線(xiàn)及道路邊線(xiàn)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(jiàn)圖6。

圖6 過(guò)渡段視線(xiàn)誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置(單位：m)

3 模擬駕駛試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

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

表1 雙山隧道視線(xiàn)誘導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化前后對(duì)比

取誘導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化前后隧道入口區(qū)域行車(chē)環(huán)境為試驗(yàn)變量，利用3DS Max構(gòu)建仿真場(chǎng)景，場(chǎng)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(chǎng)景，見(jiàn)圖7。

圖7 夜間隧道入口前仿真場(chǎng)景

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有駕駛模擬器和Dikablis眼動(dòng)儀，見(jiàn)圖8。駕駛模擬器可根據(jù)需求定制交通情境。眼動(dòng)儀可采集駕駛?cè)艘曈X(jué)特征數(shù)據(jù)，采樣頻率為60 Hz，視線(xiàn)追蹤精度為0.1°～0.3°。

圖8 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

3.3 被試

按照中國(guó)駕駛?cè)诵詣e比例，選取視力正常、駕駛技術(shù)良好、經(jīng)驗(yàn)豐富且無(wú)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?jiàn)表2。為消除偶然誤差，要求每位被試至少完成3組有效試驗(yàn)。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與駕駛安全，要求被試在試驗(yàn)前充分休息，保持身體及精神狀態(tài)良好。試驗(yàn)過(guò)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(yàn)流程

1)對(duì)被試進(jìn)行培訓(xùn)，告知其注意事項(xiàng)等，不告知其試驗(yàn)?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(chē)。

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

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

4) 進(jìn)行正式試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中被試就坐于駕駛模擬器內(nèi)，每個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)景間休息5 min，防止視覺(jué)疲勞影響試驗(yàn)結(jié)果。

5) 若試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)效或被試未達(dá)到試驗(yàn)要求次數(shù)則繼續(xù)試驗(yàn)，若已達(dá)試驗(yàn)要求次數(shù)則更換被試，進(jìn)行新一輪試驗(yàn)。

4 實(shí)驗(yàn)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(shí)，該數(shù)據(jù)即為異常值，予以剔除，鑒于眼動(dòng)數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，選取該方法對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4.1 注視點(diǎn)分布

通過(guò)眼動(dòng)儀采集注視點(diǎn)數(shù)據(jù)，注視點(diǎn)落在以左上角為原點(diǎn)，X軸為1 920像素，Y軸為1 080像素采集畫(huà)面上。若在實(shí)驗(yàn)中，被試在某一區(qū)段發(fā)生N次注視點(diǎn)停留，視覺(jué)平面上的注視點(diǎn)坐標(biāo)則為(Xi,Yi)(1≤i≤n)。注視點(diǎn)分布可以反映駕駛?cè)嗽谛熊?chē)過(guò)程中對(duì)道路環(huán)境的觀(guān)察范圍，分布區(qū)域可近似看作長(zhǎng)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(diǎn)坐標(biāo)在X及Y軸方向的85%和15%分位值，注視點(diǎn)分布見(jiàn)圖9。較多注視點(diǎn)落在橢圓范圍內(nèi)時(shí)，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(shí)，駕駛?cè)穗y以對(duì)交通信息進(jìn)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(jiǎn)單[8]。

圖9 注視點(diǎn)分布示意圖

4.2 視力角計(jì)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(lái)計(jì)算。若某路段共有n次注視點(diǎn)停留，則對(duì)于第i個(gè)(1≤i≤n)個(gè)注視點(diǎn)，從i至i+1點(diǎn)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(diǎn)分布見(jiàn)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(diǎn)分布情況

通過(guò)對(duì)駕駛?cè)嗽诓煌瑘?chǎng)景下注視點(diǎn)及視力角分布情況的觀(guān)察分析，可以發(fā)現(xiàn)：

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

2) 優(yōu)化后注視點(diǎn)停留分布范圍均大于同區(qū)段優(yōu)化前場(chǎng)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(dòng)更小，視區(qū)變動(dòng)更平緩，說(shuō)明誘導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化可緩和視區(qū)過(guò)渡。

3) 優(yōu)化后駕駛?cè)艘暳菙U(kuò)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(shuō)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(yǔ)

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

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

2) 通過(guò)線(xiàn)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(diǎn)及視力角分布為指標(biāo)，得出改善后注視點(diǎn)分布變動(dòng)更為平緩，視力角波動(dòng)幅度變小，表明通過(guò)優(yōu)化視線(xiàn)誘導(dǎo)系統(tǒng)，能夠緩和夜間進(jìn)隧過(guò)程中環(huán)境突變所帶來(lái)的視覺(jué)沖擊，保障交通安全。