潘福全，牛遠(yuǎn)征，張麗霞，李 敏，楊金順，康國祥

(青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520)

0 引言

海底隧道作為隧道的特殊形式，相比常規(guī)公路隧道，其空間較小、環(huán)境更加密閉，發(fā)生交通事故時更容易導(dǎo)致隧道內(nèi)交通癱瘓，造成人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計，由于海底隧道空間封閉、視線差、道路景觀單一等不良駕駛環(huán)境，導(dǎo)致80%以上交通事故發(fā)生與駕駛員有關(guān)[1]。

關(guān)于駕駛員生理對駕駛行為的影響，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究：馮忠祥等[2]構(gòu)建城市下穿隧道上下縱坡、車輛速度和駕駛員心率增長率關(guān)系度量模型，并量化其指標(biāo)間關(guān)系；Pan等[3]分析海底隧道出入口駕駛員的腦電數(shù)據(jù)，建立照明、縱向坡度及其耦合效應(yīng)模型；段萌萌等[4]以瞳孔面積變化最大瞬態(tài)速度值及換算視覺震蕩持續(xù)時間作為評判視覺負(fù)荷的依據(jù)，以瞳孔面積變化最大瞬態(tài)速度為評價指標(biāo)，判斷隧道出入口駕駛員視覺危險程度；潘福全等[5]分析隧道不同照度與縱坡耦合作用下駕駛員視覺特征，發(fā)現(xiàn)駕駛員眼瞼閉合度及注視時長受隧道內(nèi)照度影響顯著；Jiao等[6]通過統(tǒng)計分析連續(xù)時間序列條件下，駕駛員白天駕駛車輛通過隧道時瞳孔面積和隧道照度等數(shù)據(jù)，構(gòu)建瞳孔面積隨時間變化的數(shù)學(xué)模型；Katja等[7]研究隧道內(nèi)不同照明、任務(wù)負(fù)荷和隧道壁顏色對駕駛員行為的影響，發(fā)現(xiàn)隧道設(shè)計和照明對駕駛員的視覺注意力影響最大；Liang等[8]通過實驗?zāi)M得到隧道內(nèi)不同亮度、相關(guān)色溫(CCT)、偏心率和對比度值下駕駛員反應(yīng)時間，分析得出通過增加光源的CCT來改善駕駛員視覺性能；Mousa等[9]根據(jù)不同小波和分類器，利用無線腦電圖信號對駕駛員分心程度進(jìn)行分類。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對駕駛行為的研究主要集中在隧道內(nèi)駕駛員心率特征、眼動特征以及隧道縱坡、行車速度等方面，關(guān)于隧道入口段駕駛員行為影響的研究很少。因此，本文基于Facelab眼動儀，選取青島膠州灣海底隧道入口段進(jìn)行道路實車實驗，研究駕駛員眼動特征、行車速度與行車位置的變化特性，分析各區(qū)段駕駛員眼動特征對行車安全的影響，為海底隧道入口段安全管理提出更好的建議。

1 實驗方案設(shè)計

1.1 實驗線路

實驗道路選擇青島膠州灣海底隧道收費站至入口，實驗線路為漓江東路入口-云南路出口。為減少不良因素對駕駛員生理特性的影響，實驗避開雨天、大風(fēng)、霧天等不良天氣，避開交通高峰期。

本文根據(jù)道路線型、車輛行車特征、駕駛員眼動特征、路段標(biāo)志標(biāo)線設(shè)置，對海底隧道收費站至入口進(jìn)行范圍劃分，如圖1所示，共分為提速駛離段、換道減速段、緩和段、過渡段4部分。

圖1 海底隧道收費站至入口范圍劃分Fig.1 Range division from toll station to entrance of subsea tunnel

青島膠州灣海底隧道收費站共有4個ETC窗口、7個人工收費窗口，收費站距離隧道入口600 m，中間設(shè)有隧道提示標(biāo)志、減速標(biāo)線、限速標(biāo)志，隧道內(nèi)照明通風(fēng)條件良好，隧道前入口段最高限速為60 km/h，隧道前緩和段與過渡段均為3車道。實驗道路主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 青島膠州灣海底隧道入口段實驗道路基本情況Table 1 Basic information of experimental road at entrance section of Qingdao Jiaozhou Bay Subsea Tunnel

1.2 實驗對象及數(shù)據(jù)采集

實驗挑選不同年齡、駕齡的非職業(yè)駕駛員24名，其中男性18名，女性6名；年齡24～50歲，平均年齡為35歲；駕齡為1～10 a，平均駕齡為4.5 a。

本文實驗采用Facelab眼動儀實時采集駕駛員注視時長、左右眼眼瞼閉合度、眨眼頻率、注視點位置等眼動特征。

實驗過程中，每位駕駛員輪流在實驗路段行駛2次，利用Facelab眼動儀采集每位駕駛員注視時長、左右眼眼瞼閉合度、眨眼頻率等眼動數(shù)據(jù)，同時利用錄像機(jī)拍攝車速儀表盤和駕駛環(huán)境。

1.3 評價指標(biāo)

眼瞼閉合度指左、右眼及上、下眼瞼閉合覆蓋的虹膜部分。駕駛員通過海底隧道入口段時，受道路線性變化、減速換道等視覺刺激，眼瞼閉合度發(fā)生相應(yīng)變化，反映駕駛員精神緊張、注意力集中程度。眨眼頻率指固定時間內(nèi)人眨眼次數(shù)，反映駕駛員生理及心理狀態(tài)。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 車速變化特征分析

以駕駛員距收費站距離為基礎(chǔ)，利用Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理。通過實車實驗，采集海底隧道入口段行車速度和位置數(shù)據(jù)，計算樣本總體在不同路段的最大速度、最小速度、平均速度、速度標(biāo)準(zhǔn)差，分析駕駛員在不同位置車速變化情況，各路段速度特征值見表2。

表2 海底隧道入口段行車速度特征值Table 2 Characteristic values of driving speed at entrance section of subsea tunnel km/h

通過采集海底隧道入口段車速變化數(shù)據(jù)，分析各段車速變化規(guī)律，并以隧道前收費站所在位置為坐標(biāo)原點，橫坐標(biāo)正向為車輛行進(jìn)方向。由于駕駛員駕駛習(xí)慣、心理生理特性等影響，使駕駛員在各個位置的行車速度不同，海底隧道入口段行車速度分布如圖2所示，駕駛員車速呈上升-下降-上升-下降趨勢。

圖2 海底隧道入口段行車速度Fig.2 Driving speed at entrance section of subsea tunnel

由圖2可知，在200～300 m灰色部分突出，此處車道數(shù)逐漸減小，車輛合流沖突對駕駛員影響較大；在550～650 m灰色部分突出，此處為黑洞效應(yīng)路段，對駕駛員影響較大。

由圖2和表2可知，在提速駛離段行駛時，車道數(shù)不變，駕駛員受其他車輛影響較小，要盡快駛離收費站出口，平均車速由靜止?fàn)顟B(tài)提升至30.03 km/h，速度標(biāo)準(zhǔn)差為10.28 km/h；換道減速段行駛時，在換道減速段前半段，車道數(shù)減少對駕駛員影響較小，車速呈上升趨勢；在進(jìn)入緩和段前，駕駛員受車輛合流影響較大，平均車速在30.03～44.25 km/h內(nèi)波動，速度標(biāo)準(zhǔn)差為3.67 km/h；在緩和段行駛時，車道數(shù)穩(wěn)定，駕駛員受路段其他車輛影響較小，平均速度上升至52.45 km/h，速度標(biāo)準(zhǔn)差為6.34 km/h；在過渡段行駛時，因即將進(jìn)入隧道，駕駛員視覺受減速標(biāo)線、黑洞效應(yīng)等影響，平均速度降至50.53 km/h，速度標(biāo)準(zhǔn)差為4.06 km/h。

2.2 眼瞼閉合度變化特征分析

駕駛員駕車經(jīng)過海底隧道入口段時，駕駛員左、右眼瞼閉合度變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 眼瞼閉合度變化規(guī)律Fig.3 Change law of eyelid closure

由圖3可知，駕駛員在收費站停車收費過程中，眼瞼閉合度處于較低位置，駕駛員注意力集中、精神緊張；在提速駛離收費站過程中，左眼瞼閉合度上升至3.6 mm，駕駛員精神逐漸放松；在換道減速段，車道數(shù)逐漸減少，駕駛員受交織車流影響，左眼瞼閉合度降至1.5 mm，駕駛員精神緊張；在緩和段，車道數(shù)不變，駕駛員受周邊車流影響較小，左眼瞼閉合度上升至3.9 mm，駕駛員精神相對放松；在過渡段，即將進(jìn)入隧道，駕駛員受減速標(biāo)線、黑洞效應(yīng)等視覺影響，左眼瞼閉合度下降至1.4 mm，駕駛員精神相對緊張。

路段位置-行車速度-眼瞼閉合度變化三維曲面如圖4所示。由圖4可知，在加速駛離段和緩和段，行車速度不斷增大，眼瞼閉合度逐漸增大，駕駛員精神比較放松；在換道減速段和過渡段，駕駛員分別受交織車流與黑洞效應(yīng)影響，行車速度不斷減小，眼瞼閉合度逐漸減小，駕駛員精神比較緊張。綜上，隨車速增大，眼瞼閉合度增大，反之，眼瞼閉合度減小。

圖4 路段位置-行車速度-眼瞼閉合度變化規(guī)律Fig.4 Change law of road section position,driving speed and eyelid closure

2.3 眨眼頻率變化特征分析

駕駛員眨眼頻率變化如圖5所示。由圖5可知，駕駛員在收費站停車收費過程中，眨眼頻率相對較高，駕駛員注意力集中、精神緊張；在提速駛離收費站過程中，眨眼頻率逐漸下降，穩(wěn)定在0.59 Hz，駕駛員精神逐漸放松；在換道減速段，車道數(shù)逐漸減少，駕駛員受交織車流影響，眨眼頻率上升并穩(wěn)定于0.78 Hz，駕駛員精神緊張；在緩和段，車道數(shù)不變，駕駛員受周邊車流影響較小，眨眼頻率下降并穩(wěn)定在0.65 Hz，駕駛員精神相對放松；在過渡段，即將進(jìn)入隧道，駕駛員受減速標(biāo)線、黑洞效應(yīng)等視覺影響，眨眼頻率上升并穩(wěn)定于0.80 Hz，駕駛員精神相對緊張。

圖5 眨眼頻率變化規(guī)律Fig.5 Change law of blink frequency

路段位置-行車速度-眨眼頻率變化如圖6所示。由圖6可知，在距離收費站200～400 m處，既換道減速段，行車車速不斷增加，眨眼頻率不斷增大，駕駛員注意力集中，精神相對緊張；在550～600 m處，行車速度減小，眨眼頻率較大，駕駛員精神最緊張，說明黑洞效應(yīng)對駕駛員生理狀態(tài)影響較大。

圖6 路段位置-行車速度-眨眼頻率變化規(guī)律Fig.6 Change law of road section position,driving speed and blink frequency

3 模型建立

3.1 速度變化模型

對各段速度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖7所示。通過Origin軟件對路段速度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，判定系數(shù)R2=0.989 81，擬合模型方差分析結(jié)果見表3。其中，P=0<0.001，說明各路段擬合效果較好，路段位置與駕駛員行車速度數(shù)學(xué)模型如式(1)所示：

圖7 速度變化擬合Fig.7 Fitted image of speed change

(1)

式中：v為行車速度，km/h；x是距收費站的距離，m。

由圖7可知，駕駛員行車速度隨路段位置變化呈增大-減小-增大-減小趨勢；在換道減速段與過渡段，駕駛員分別受車流交織與黑洞效應(yīng)影響，行車速度減小。

3.2 眼瞼閉合度變化模型

通過Origin軟件對路段數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，路段位置與駕駛員眼瞼閉合度散點和多項式擬合曲線如圖8所示。

通過Origin軟件對路段數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，判定系數(shù)R2=0.653 11，擬合模型方差分析結(jié)果見表4，其中，P=2.122 49×10-11<0.001,說明擬合程度較好。路段位置與駕駛員眼瞼閉合度數(shù)學(xué)模型如式(2)所示：

y1=0.265 4-0.001 69x+(9.662 04×10-5)x2+
(-1.074 28×10-6)x3+(5.085 69×10-9)x4，
R2=0.653 11

(2)

式中：y1為眼瞼閉合度，mm；x是距收費站的距離，m。

表4 路段位置與駕駛員眼瞼閉合度擬合模型方差分析Table 4 Analysis of variance on fitted model of road section position and eyelid closure of drivers

由圖8可知，駕駛員眼瞼閉合度主要分布在1.9～4.5 mm；駕駛員眼瞼閉合度擬合曲線在換道減速段和過渡段出現(xiàn)極大值，眼瞼閉合度隨路段位置的改變呈增大-減小-增大-減小趨勢；在換道減速段與過渡段，駕駛員分別受車流交織與黑洞效應(yīng)影響，眼瞼閉合度減小，注意力集中，精神比較緊張。

3.3 眨眼頻率變化模型

通過Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，路段位置與駕駛員眨眼頻率散點圖和多項式擬合曲線如圖9所示。

圖9 眨眼頻率變化擬合Fig.9 Fitted image of change in blink frequency

通過Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，判定系數(shù)R2=0.791 7，擬合模型方差分析結(jié)果如表5所示，其中，P=0<0.001,說明擬合程度較好。路段位置與駕駛員眨眼頻率數(shù)學(xué)模型如式(3)所示：

(3)

式中：y2為眨眼頻率，Hz；x是距收費站的距離，m。

表5 路段位置與駕駛員眨眼頻率擬合模型方差分析Table 5 Analysis of variance on fitted model of road section position and blink frequency of drivers

由圖9可知，駕駛員眨眼頻率主要分布在0.55～0.80 Hz，眨眼頻率隨路段位置改變呈減小-增大-減小-增大趨勢；在入口段前半路段100～300 m處，駕駛員眨眼頻率不斷增大，此路段對駕駛員行車安全影響較大；在入口段后半路段500～600 m處，擬合曲線斜率不斷增大，說明駕駛員越接近隧道入口，受黑洞效應(yīng)影響越大，為保障行車安全，應(yīng)設(shè)置減光板等減小暗適應(yīng)，或在隧道建設(shè)中延長過渡段，使駕駛員擁有足夠的適應(yīng)時間。

4 結(jié)論

1)根據(jù)在海底隧道入口實車實驗所采集的數(shù)據(jù)，分別建立提速駛離段、換道減速段、緩和段和過渡段的車速、眼瞼閉合度及眨眼頻率與行車位置數(shù)學(xué)模型。駕駛員駕車通過海底隧道入口段時，車速呈上升-下降-上升-下降的變化趨勢，眼瞼閉合度呈增大-減小-增大-減小的變化趨勢，眨眼頻率呈減小-增大-減小-增大的變化趨勢，且受交織車流與黑洞效應(yīng)影響顯著。

2)在換道減速段和過渡段分別受交織車流與黑洞效應(yīng)影響，車速明顯減小、眼瞼閉合度明顯下降、眨眼頻率明顯增大，駕駛員精神緊張、注意力集中、行車風(fēng)險較高。

3)基于駕駛員生理特性研究結(jié)論，設(shè)置海底隧道入口段換道減速段長度與車道數(shù)，減少因車輛合流沖突導(dǎo)致的駕駛員精神緊張，保障行車安全；海底隧道過渡段應(yīng)設(shè)置減光設(shè)施，降低亮度突變對駕駛員視覺沖擊；海底隧道換道減速段和過渡段應(yīng)設(shè)置交通標(biāo)志或語音提示，使駕駛員進(jìn)入該路段前，調(diào)整駕駛行為，提高海底隧道入口段及隧道內(nèi)的行車順適性和安全性。