袁景玉，焦墨雪，姚 勝，朱敏清

(河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津 300130)

0 引言

近年來，我國(guó)公路網(wǎng)逐漸向崇山峻嶺地區(qū)延伸，快速、高效、安全、便捷的道路交通需求越來越突出。截至2019年，我國(guó)公路隧道已多達(dá)19 067處，共計(jì)1 896.66萬 m。其中,特長(zhǎng)隧道有1 175處，共計(jì)521.75萬m[1]。由于隧道空間狹小，一旦發(fā)生事故，交通中斷時(shí)間較長(zhǎng)，事故處理難度大，因此隧道交通安全問題已成為社會(huì)熱點(diǎn)之一。路面作為隧道內(nèi)環(huán)境的重要部分，其材料和顏色都會(huì)影響駕駛員的視覺功效及行駛安全。

20世紀(jì)60年代美國(guó)公路研究院針對(duì)彩色路面開始了大量實(shí)驗(yàn)，并在洛杉磯等一些城市進(jìn)行彩色路面鋪筑[2]。我國(guó)在20世紀(jì)80年代初開始對(duì)彩色路面進(jìn)行研究，起步較晚但發(fā)展迅速。1998年我國(guó)建成第1條彩色瀝青路面——廈門彩色環(huán)島路。霍立山[3]針對(duì)彩色瀝青混凝土的配合比進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研制了一種新型彩色瀝青膠結(jié)材料，這種材料的抗老化性和耐久性優(yōu)于現(xiàn)有的石油瀝青指標(biāo)； 鄧?yán)倮賉4]認(rèn)為雖然初期投資較高，但是彩色瀝青路面可以誘導(dǎo)交通、緩解駕駛疲勞，極大地提高道路行駛率及行駛的安全性、舒適性，可以有效降低道路全生命周期費(fèi)用; 王家主[5]研究了彩色路面不同路段的色度坐標(biāo)和亮度因數(shù)的變化規(guī)律; 朱沁茹[6]提出改善隧道路面材料的反射特性可以有效地調(diào)整隧道空間的亮度; 李炳杰[7]認(rèn)為駕駛員在行駛過程中出現(xiàn)視覺疲勞或行駛環(huán)境惡劣的情況均會(huì)造成瞳孔面積、視點(diǎn)移動(dòng)軌跡等眼動(dòng)數(shù)據(jù)的變化； 許世勇等[8]對(duì)受試者的瞳孔面積、平均注視時(shí)間等眼動(dòng)指標(biāo)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)彩色路面能有效影響駕駛員的舒適性及警示性； Tao等[9]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在隧道入口段設(shè)置紅色警示路面對(duì)駕駛員的視覺舒適性有顯著的影響; F. Nakamichi等[10]于1967年首次提出視覺功效法，通過記錄駕駛員的眼動(dòng)特征對(duì)行駛過程中駕駛員的生理指標(biāo)進(jìn)行分析，從而獲得更準(zhǔn)確客觀的量化結(jié)果，目前已被廣泛應(yīng)用于隧道照明的研究中。

綜上，目前關(guān)于彩色路面的研究主要集中在路用性能、工藝材料等方面，而關(guān)于公路隧道內(nèi)尤其是中間段彩色路面的物理性能及其對(duì)駕駛員視覺特征的影響研究有待完善。本文搭建一套路面樣品亮度系數(shù)簡(jiǎn)易測(cè)量裝置，以獲取4種路面樣品的亮度系數(shù)，進(jìn)而通過虛擬駕駛實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同亮度系數(shù)的彩色路面下駕駛員的眼動(dòng)特征進(jìn)行量化分析，研究彩色路面鋪裝對(duì)隧道中間段駕駛員視覺特征的影響程度，并從彩色路面的反光性能、駕駛員的視覺舒適性、駕駛警示性等方面對(duì)公路隧道內(nèi)路面的色彩適宜性進(jìn)行研究。

1 路面樣品亮度系數(shù)測(cè)量

路面亮度對(duì)駕駛員的視功能與視覺舒適都具有重要的作用，是由燈具射向路面的光線和該路面的反光性能決定的；而路面的反光性能取決于鋪設(shè)材料、材料磨損程度和路面干濕度[11]，可以采用亮度系數(shù)來表示路面的反光性能，從物理性能的角度對(duì)比分析哪種顏色的路面更適用鋪設(shè)在隧道中間段。

1.1 實(shí)試原理

亮度系數(shù)為單一燈具照射下路面某點(diǎn)的亮度值與照度值的比值，其值取決于路面材料性質(zhì)、觀察者和燈具與路面上觀察點(diǎn)的相對(duì)位置。亮度系數(shù)測(cè)量角度關(guān)系如圖1所示。O為觀察點(diǎn)；P為被觀察點(diǎn)；α為觀察角度(觀察者視線與水平面的夾角)；β為光入射平面與觀察面之間的角度；γ為光線入射角度(光線方向與水平面對(duì)應(yīng)法線方向的夾角)；δ為觀察者視線的水平投影與垂直面法線的夾角；h為路燈的高度；Iγc為燈具指向γ與c所確定方向上的光強(qiáng)度。亮度系數(shù)q如式(1)所示[12]。

(1)

式中：L(α,β,γ)為路面上某點(diǎn)的亮度，cd/m2；E為該點(diǎn)的水平照度，lx。

實(shí)際中通常用簡(jiǎn)化后的亮度系數(shù)r代替q，如式(2)所示。

r(β,γ)=q(β,γ)cos3γ。

圖1 亮度系數(shù)測(cè)量角度關(guān)系圖

Fig.1 Angle relation diagram of luminance coefficient measurement

簡(jiǎn)化亮度系數(shù)通常以二維表的形式給出，這種表格被稱為道路表面反射表格或R表。CIE規(guī)定的β-tanγ組合值的亮度系數(shù)如圖2所示。

圖2 CIE規(guī)定的β-tan γ組合值的亮度系數(shù)

彩色路面的顏色要兼顧色彩與材料性能2個(gè)方面的要求。為保證路面顏色耐久性，顏料顏色要盡量與常見的石料(如玄武巖、輝綠巖等)顏色保持一致，一般以紅色、黃色、綠色為主。實(shí)驗(yàn)中選用的4種路面樣品的顏色信息如表1所示。其中，RGB值表示紅、綠、藍(lán)3種原色對(duì)應(yīng)的顏色值。

表1 4種路面樣品的顏色信息

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

本文搭建了一套路面樣品亮度系數(shù)測(cè)量簡(jiǎn)易裝置，如圖3所示。其主要包括360°刻度盤、支架、滑動(dòng)燈座、LED光源、可變光欄、配重、基座等。路面樣品尺寸為30 cm×30 cm×10 cm。每次測(cè)量前固定β角，同時(shí)將滑動(dòng)燈座固定在tanγ=0處，燈具垂直向下照射在樣品測(cè)點(diǎn)上，使用照度計(jì)測(cè)量照度，得到E0，然后通過Eγ=cosγ×E0計(jì)算得到光源轉(zhuǎn)到其他γ角時(shí)該測(cè)點(diǎn)處的水平照度。沿著半圓支架上刻度將滑動(dòng)燈座依次從tanγ=0移動(dòng)到tanγ=12，保證光源對(duì)準(zhǔn)樣品測(cè)點(diǎn)，并記錄亮度計(jì)測(cè)量值。待完成該β角度下所有tanγ對(duì)應(yīng)亮度值的測(cè)量后再改變?chǔ)陆沁M(jìn)行測(cè)量。通過式(1)得到每個(gè)tanγ與β對(duì)應(yīng)的照度與亮度的比值，再通過式(2)得到每個(gè)彩色路面樣品的亮度系數(shù)表。路面樣品亮度系數(shù)測(cè)量裝置示意如圖4所示。

圖3 路面樣品亮度系數(shù)測(cè)量裝置示意圖

圖4 樣品亮度系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

1.3 實(shí)驗(yàn)條件及儀器

為避免雜散光的影響，實(shí)驗(yàn)開始前，拉上遮光窗簾，參與實(shí)驗(yàn)的人員均穿著深色衣服。將路面樣品在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下(溫度25 ℃，濕度60%，無對(duì)流空氣)放置[13]。實(shí)驗(yàn)中所用的空氣溫濕度記錄儀和彩色亮度計(jì)的具體參數(shù)分別如表2和表3所示。

表2 TR-74Ui空氣溫濕度記錄儀

表3 TOPCON BM-7A彩色亮度計(jì)參數(shù)表

2 虛擬駕駛實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

當(dāng)受試者進(jìn)行虛擬駕駛實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用眼動(dòng)儀進(jìn)行眼動(dòng)數(shù)據(jù)采集，以分析不同彩色路面對(duì)駕駛員視覺特征的影響，找到最有利于受試者在隧道內(nèi)駕駛的彩色路面鋪設(shè)方案。實(shí)驗(yàn)中選用的青研EyeLab眼動(dòng)測(cè)試儀記錄受試者的原始眼動(dòng)坐標(biāo)、眼睛瞳孔面積等數(shù)據(jù)，獲取視點(diǎn)注視圖和軌跡圖，并可以通過瞳孔面積變化率等判斷受試者的眼動(dòng)特征[14]，眼動(dòng)儀參數(shù)如表4所示。

表4 眼動(dòng)儀參數(shù)

2.2 測(cè)試人員

選取具有不同職業(yè)、性別、年齡和駕齡的受試者共28人，其中，男女各14人，駕齡在1～5年的人數(shù)占64.29%，6～10年的人數(shù)占21.43%，10年以上的人數(shù)占14.28%。受試者需持有駕駛執(zhí)照，有良好的駕駛習(xí)慣；身體健康，無生理缺陷和重大事故經(jīng)歷；睡眠良好，實(shí)驗(yàn)前24 h未飲用酒精類飲品，12 h未飲用含咖啡因飲品，1 h內(nèi)未進(jìn)行激烈運(yùn)動(dòng)。此外，為了避免佩戴眼鏡的受試者使用眼動(dòng)儀時(shí)鏡片反光、眼球識(shí)別不精準(zhǔn)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生誤差，在本次實(shí)驗(yàn)中需佩戴隱形眼鏡。

2.3 模擬駕駛實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)根據(jù)太行山高速公路邯鄲段東坡隧道右洞建設(shè)方案以及相關(guān)規(guī)范要求建立隧道外部環(huán)境與內(nèi)部空間模型[15]。路面為2車道，單車道寬3.75 m，設(shè)計(jì)車速為80 km/h，停車視距取140 m。根據(jù)該方案以及4種路面樣品，運(yùn)用SketchUp和Lumion 2款軟件建立符合隧道環(huán)境的計(jì)算機(jī)虛擬模型[16]。

受試者隨機(jī)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，適應(yīng)10 min環(huán)境后開始測(cè)試。眼睛需保持距眼動(dòng)儀65 cm，按照紅、黃、綠3種彩色路面與原始路面的順序依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每種路面測(cè)試結(jié)束后在房間內(nèi)休息5 min再進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，再進(jìn)行調(diào)查問卷的填寫。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 亮度系數(shù)

通過上文的實(shí)驗(yàn)得到3種彩色路面樣品的亮度系數(shù)表，分別繪制3種樣品亮度系數(shù)關(guān)系圖，如圖5所示。

(a) tan γ=1時(shí)β與亮度系數(shù)的關(guān)系

(b) tan γ與亮度系數(shù)的關(guān)系

對(duì)比3種彩色路面樣品的亮度系數(shù)r與β的關(guān)系，在tanγ=1時(shí)，β處于0～40°及60～150°，黃色樣品的亮度系數(shù)整體上大于綠色與紅色樣品；當(dāng)β大于20°時(shí)，綠色樣品的亮度系數(shù)均大于紅色樣品。對(duì)比3種彩色路面樣品的亮度系數(shù)r與tanγ的關(guān)系，tanγ與亮度值整體成反比關(guān)系。當(dāng)01時(shí)亮度的變化速度；3種樣品的整體亮度值變化隨tanγ的增大而減小。從總體上看，路面樣品的亮度系數(shù)從高到低依次為黃色樣品、綠色樣品、紅色樣品。

3.2 注視點(diǎn)與軌跡圖

3.2.1 結(jié)果分析

對(duì)不同受試者注視區(qū)域的分布情況進(jìn)行分析，以視頻中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，繪制注視點(diǎn)分布圖，如圖6所示。相比于原始路面，黃色路面下駕駛員的注視點(diǎn)更為分散，紅色路面與綠色路面注視點(diǎn)的集中程度與原始路面相差不大，均較為集中，但原始路面與綠色路面有個(gè)別注視點(diǎn)位于其他區(qū)域。整體來說，駕駛員在黃色路面駕駛時(shí)視點(diǎn)最為分散。

(a) 紅色路面 (b) 黃色路面

(c) 綠色路面 (d) 原始路面

注視點(diǎn)軌跡如圖7所示。編號(hào)顯示注視的順序，相鄰2注視點(diǎn)間的連線表示眼動(dòng)軌跡。越少的目光注視與越短的眼動(dòng)軌跡代表視點(diǎn)移動(dòng)的頻率越高。受試者在路面駕駛時(shí)，眼動(dòng)軌跡范圍越大，注視點(diǎn)越分散。在相同的駕駛時(shí)間下，黃色路面受試者注視點(diǎn)數(shù)量最多，眼動(dòng)軌跡較混亂，掃描路徑長(zhǎng)且很多相互交叉，注視點(diǎn)序列分散排布。在紅色、綠色與原始路面下駕駛員的眼動(dòng)軌跡比較集中，注視點(diǎn)軌跡也較為單一。

3.2.2 參數(shù)表征

為了更加直觀和準(zhǔn)確地表示受試者在不同彩色路面上視點(diǎn)的離散程度及移動(dòng)距離的大小，運(yùn)用式(3)和式(4)分別計(jì)算受試者在不同彩色路面駕駛下視點(diǎn)與原點(diǎn)之間距離的方差以及視點(diǎn)移動(dòng)距離的平均值，綜合2個(gè)指標(biāo)分析各受試者的注視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況。

(3)

(4)

(a) 紅色路面 (b) 黃色路面

(c) 綠色路面 (d) 原始路面

通過對(duì)比受試者在彩色路面上的眼動(dòng)注視點(diǎn)分布、軌跡圖以及離散程度，可以發(fā)現(xiàn)： 1)在彩色路面上行駛時(shí)，駕駛員的注視點(diǎn)及軌跡圖等眼動(dòng)特征存在差異； 2)駕駛員行駛在黃色路面及綠色路面上，注視點(diǎn)比較混亂，容易出現(xiàn)軌跡交叉現(xiàn)象，且注視點(diǎn)離散程度較大； 3)駕駛員行駛在紅色路面上及原始路面時(shí)，注視點(diǎn)比較集中，眼動(dòng)軌跡離散程度小。

(a) 注視點(diǎn)方差

(b) 注視點(diǎn)移動(dòng)半徑方差

圖8 4種路面受試者注視點(diǎn)移動(dòng)情況

圖9 注視點(diǎn)最集中的路面所占比例

綜上，受試者在黃色路面上駕駛時(shí)視點(diǎn)最為分散，在紅色路面上駕駛時(shí)視點(diǎn)最為集中。考慮到黃色路面樣品的亮度系數(shù)整體上大于綠色和紅色樣品，因此可以得出，彩色路面的亮度系數(shù)越大，駕駛者的視點(diǎn)越分散。

3.3 瞳孔大小與面積變化率

當(dāng)人體處于高度緊張時(shí)瞳孔會(huì)隨之放大，通過觀察人眼瞳孔的變化，可以反映出受試者在駕駛過程中的狀態(tài)，選取駕駛過程中連續(xù)50 s內(nèi)的數(shù)據(jù)。為更加準(zhǔn)確直觀地判斷出受試者的眼動(dòng)變化情況，定義瞳孔面積變化率S，如式(5)所示。

(5)

式中：A為瞳孔面積；i為時(shí)刻。

3.4 調(diào)查問卷

對(duì)調(diào)查問卷結(jié)果進(jìn)行整理，主要內(nèi)容和結(jié)果如表5所示?？梢钥闯觯?1)53.57%的受試者認(rèn)為黃色路面的警示性最好，其次是紅色，占28.57%； 2)46.43%的受試者認(rèn)為綠色路面更為舒適，35.71%的受試者認(rèn)為原始路面更為舒適。

綜合受試者的主觀評(píng)價(jià)與客觀數(shù)據(jù)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為黃色路面警示性最好的受試者占比最多；而眼動(dòng)數(shù)據(jù)顯示，黃色路面下受試者的視點(diǎn)離散程度及視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)半徑最大。由此可知，公路隧道內(nèi)當(dāng)駕駛員視點(diǎn)分散，目光關(guān)注范圍更大時(shí)，警示性更強(qiáng)，駕駛更為安全。

表5 問卷結(jié)果

4 結(jié)論與討論

針對(duì)公路隧道內(nèi)路面色彩適宜性研究存在的不足，通過測(cè)量路面樣品亮度系數(shù)，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，使用眼動(dòng)儀測(cè)試受試者在隧道中間段彩色路面上行駛的眼動(dòng)特征，與其在常規(guī)路面上行駛形成對(duì)比，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到如下結(jié)論：

1)黃色路面樣品的反光性能要優(yōu)于綠色樣品，紅色樣品的反光性能最差。

2)受試者在黃色路面上駕駛時(shí)視點(diǎn)最為分散，在紅色路面上駕駛時(shí)視點(diǎn)最為集中。

3)隧道中間段鋪設(shè)彩色路面，可以有效降低駕駛者的瞳孔面積變化率，其中紅色路面的鋪設(shè)效果明顯優(yōu)于黃色路面，綠色最差。

4)駕駛員在隧道內(nèi)行駛時(shí)，視點(diǎn)越分散，其關(guān)注的范圍越大，警示性更強(qiáng)，駕駛更為安全。

5)綜合考慮路面樣品反光性能與駕駛員視覺舒適性、駕駛警示性等因素，在公路隧道內(nèi)中間段鋪設(shè)黃色路面最為適宜。

本文對(duì)公路隧道內(nèi)鋪設(shè)路面色彩的適宜性展開了系統(tǒng)的研究，為進(jìn)一步優(yōu)化隧道內(nèi)駕駛環(huán)境提供了理論依據(jù)；但由于條件所限，缺乏相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)駕駛實(shí)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，這也是今后相關(guān)研究的重要內(nèi)容。