萬 利，王虹婷，張長安，閻 瑩，王孝冬

(1.山東省交通規(guī)劃設計院集團有限公司, 山東 濟南 250031； 2.長安大學 運輸工程學院，陜西 西安 710064； 3.廣州越路交通科技有限公司, 廣東 廣州 510630)

0 引言

截至2021年末，我國公路隧道數(shù)量為23 268處，增加1 952處，其中特長隧道1 599處，長隧道6 211處。近年來，隧道內發(fā)生事故的數(shù)量逐年增加，由于隧道特殊的半封閉式的結構，一旦發(fā)生事故會造成嚴重傷亡和財產損失，已成為交通事故的熱點之一，這對公路隧道的運營管理提出了全新的挑戰(zhàn)。

不同的交通環(huán)境對駕駛人負荷會產生顯著影響[1]，當負荷過高時會增大交通事故的風險[2]。由于隧道環(huán)境的特殊性，駕駛人在經過隧道時會有緊張感[3]，尤其是在隧道出入口段[4-5]，因此隧道交通環(huán)境的合理化設計對緩解駕駛人行車緊張度、保證行車安全等方面有著重要的意義。

近年來，國內外學者圍繞著隧道交通環(huán)境和駕駛負荷展開了深入研究。駕駛負荷研究主要集中在視覺性能和心率指標2個方面[6]。學者們針對隧道交通安全研究多從隧道線形、照度和側墻等方面展開。趙曉華等[7]以微觀駕駛行為和眼動數(shù)據(jù)為基礎，發(fā)現(xiàn)隧道突起路標對駕駛行為及心理、生理具有較顯著的作用。Fang等[8]分析超長隧道內駕駛人的視覺特征，指出隧道半徑越小，駕駛人的心理壓力越大，行車安全性越低。Qin等[9]發(fā)現(xiàn)通過設置隧道墻體色彩裝飾方案，駕駛人特性可得到明顯改善。羅杰等[10]發(fā)現(xiàn)在隧道出入口段駕駛人負荷與隧道照度存在較強相關性。Lorenzo等[11]采集速度、橫向位置和駕駛人對障礙物反應時間等數(shù)據(jù)，分析了不同照明系統(tǒng)對交通安全的影響。Han等[12]分析了隧道中不同輪廓標設置場景和不同路線下駕駛人的視覺特征。

然而隧道復雜的環(huán)境因素除了上述方面外，側向寬度也是不容忽視的因素之一。Calvi等[13]基于駕駛模擬試驗發(fā)現(xiàn)進入隧道后駕駛人會遠離右側隧道墻體并有減速行為。Xu等[14]基于駕駛模擬試驗，發(fā)現(xiàn)駕駛人在隧道入口前250 m和出口前50 m處，車輛傾向于向左移動。相似研究成果[12,15-16]均表明駕駛人會受隧道側墻影響而改變其車輛橫向位置和速度。

綜上所述，國內外研究成果為提升隧道安全水平奠定了基礎，雖已有學者指出隧道側墻會對駕駛人造成影響，但目前針對隧道側向寬度對駕駛人負荷影響的定量分析較少。為此，本研究基于實車試驗，設計多種隧道側向寬度試驗方案，通過采集被試人心率、動態(tài)視覺性能等數(shù)據(jù)，分析不同隧道側向寬度下駕駛負荷的變化規(guī)律，研究不同側向寬度對駕駛人負荷的影響差異。

1 試驗方案設計

1.1 試驗設備及樣本

試驗中分別采用接觸式眼動儀、力康68 B心率表、CAN-OBD分析儀、方向盤轉角儀和照度計采集駕駛人心生理數(shù)據(jù)、車輛運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和隧道運行環(huán)境數(shù)據(jù)，其他設備包括攝像機、逆變器、筆記本電腦等。試驗車輛選用技術工況良好的重汽汕德卡車型。

試驗通過雇傭形式共招募30名男性駕駛人，年齡在34～52歲之間，平均年齡44.3歲，駕齡在10～30 a 之間，平均駕齡22.1 a。被試人均有高速及隧道駕駛經驗，持有效駕照，健康狀況良好，無生理缺陷及不良駕駛記錄，試驗時間集中于9:00—17:00。

1.2 試驗場景方案

由于運營中隧道無法滿足不同側向寬度場景試驗要求，因此選取位于某高速試驗場的鳳凰山隧道和樂疃隧道作為試驗改造隧道，該路段設計速度為60 km/h，雙向四車道，隧道內橫斷面寬8.5 m，隧道基本概況如表1所示，隧道均采用LED燈照明。通過對隧道車道標線重劃線設計了多種側向寬度方案，分析不同場景下駕駛人駕駛行為特征，試驗場景如圖1所示。

表1 試驗隧道信息(舊右線)Tab.1 Experimental tunnel information (old right line)

圖1 試驗場景Fig.1 Experimental scene

1.3 隧道側向寬度方案

結合現(xiàn)行的隧道設計標準中對于隧道側向寬度的相關規(guī)定，右側側向寬度按設計速度120 km/h共擬定3種方案，包括:方案1,標準側向寬度1.25 m;方案2，加寬后側向寬度1.5 m；方案3，加寬后側向寬度1.75 m。余寬C值均為0.5 m。

1.4 實車測試步驟

為研究不同側向寬度對大型車駕駛人駕駛負荷的影響，試驗步驟流程圖如圖2所示。

圖2 試驗步驟Fig.2 Experimental steps

針對每種側向寬度的具體實施步驟如下。

(1)隧道重劃線。正式試驗前，試驗人員完成試驗隧道劃線處理，并向隧道洞口外延長100 m。

(2)試驗要求說明。被試人需知曉試驗目的和試驗過程等信息，并填寫駕駛人信息登記表，試驗路段限速120 km/h，被試人需按實際駕駛習慣沿重劃線后的車道標線自由駕駛。

(3)設備安裝調試。儀器佩戴期間積極與駕駛人溝通，盡量保證佩戴儀器對駕駛人駕駛行為影響最小。

(4)靜態(tài)心率采集。試驗人員在試驗開始前對被試人采集2 min的靜態(tài)心率數(shù)據(jù)，采樣頻率1 Hz，記錄采集時間點。

(5)正式試驗。被試人按照試驗要求開始試驗，試驗人員準確記錄被試人出入隧道的時間點，便于后期對試驗數(shù)據(jù)的提取與匹配。

(6)試驗結束。試驗人員在被試人完成單人單次試驗后及時保存試驗數(shù)據(jù)，并更換被試人重復步驟(2)～(6)。

2 數(shù)據(jù)分析

隧道環(huán)境內外差異大并存在“邊墻效應”，駕駛人行駛于隧道環(huán)境時會調整其駕駛狀態(tài)。一方面，駕駛人行駛于隧道出入口段和中間段時會不斷改變車速，車輛存在橫向偏移。另一方面，隧道內側側向凈距較小，在自然駕駛狀態(tài)下，駕駛人會下意識與隧道墻體、檢修或人行道等保持距離，車輛中心線與車道中心線發(fā)生偏移，當車道邊緣線與檢修道之間有較寬的橫向安全距離時，駕駛人駕駛負荷也會較低。

數(shù)理統(tǒng)計[17]是一種有效的定量分析方法，其目的在于通過分析數(shù)據(jù)的內在規(guī)律，進而認識事物的客觀規(guī)律。國內外學者已在多種場景[18-20]下利用數(shù)理統(tǒng)計方法分析駕駛人的心生理特性。本節(jié)將運用數(shù)理統(tǒng)計方法研究不同側向寬度場景下駕駛人心率和視覺等指標的變化規(guī)律，進而探索不同隧道側向寬度對大型車駕駛負荷影響程度的差異。

2.1 駕駛人心理負荷特征分析

右側側向寬度環(huán)境下不同駕駛人心率變化如圖3所示，其中方案1中5號駕駛人、6號駕駛人和8號駕駛人心率數(shù)據(jù)缺失。由圖3可知，同一方案下不同駕駛人之間的心率變化各有差異，駕駛人心率波動幅度不同，大多駕駛人心率值維持在70～110次/min之間；另一方面，駕駛人在不同方案下的心率變化亦有差別，例如相較于方案1，方案2中1號駕駛人經過隧道時的心率均值明顯減小。

圖3 右側側向寬度下大型車駕駛人心率變化Fig.3 Changes of heart rates of large vehicle drivers under right lateral width

為進一步分析不同側向寬度方案之間駕駛人心率變化的差異，提取駕駛人心率及心率增長率，分別繪制不同方案下駕駛人心率及心率增長率隨距隧道入口距離變化的折線圖和不同方案下心率指標整體描述統(tǒng)計柱狀圖，如圖4～5所示。從圖4中各心率指標數(shù)值可知，方案1>方案2>方案3，說明大型車駕駛人在右側側向寬度環(huán)境下的心理負荷隨著側向寬度的增加呈現(xiàn)減小趨勢。

圖4 駕駛人心率及心率增長率變化Fig.4 Changes of driver’s heart rate and heart rate growth rate

圖5中的心率均值及心率增長率均存在類似變化規(guī)律，相較于方案1，方案2心率均值下降9.3%，心率增長率下降50.9%，方案3心率均值下降8.9%，心率增長率下降53.1%，方案3心率的離散性最大，方案2最低。

圖5 駕駛人心率指標整體描述統(tǒng)計圖Fig.5 Overall description statistical chart of drivers’heart rate indicator

根據(jù)正態(tài)檢驗結果，不同方案的駕駛人心率均值及心率增長率均不服從正態(tài)分布，故采用Friedman非參數(shù)檢驗法進行顯著性檢驗，結果顯示3種方案的心率均值(p=0.000<0.05)和心率增長率(p=0.000<0.05)均存在顯著性差異。表2和表3分別為心率均值和心率增長率的事后多重比較檢驗結

表2 事后多重比較檢驗結果(心率均值)Tab.2 Post multiple comparison test result (mean heart rate)

表3 事后多重比較檢驗結果(心率增長率)Tab.3 Post multiple comparison test result(heart rate growth rate)

果，除了方案2與方案3外，其他對比樣本的駕駛人心率及心率增長率存在顯著性差異，說明可通過增加右側側向寬度改變大型車駕駛人的心理負荷，與方案1相比，方案2與方案3駕駛人負荷均相對較小，但方案2心率離散性指標最低。

為比較不同側向寬度場景下駕駛人在不同隧道路段的心率變化差異性，繪制各方案下駕駛人的心率均值及心率增長率箱線圖，如圖6所示。

圖6 駕駛人心率均值及心率增長率Fig.6 Mean heart rate and heart rate growth rate of drivers

由圖6可知，在隧道入口段，隨側向寬度增大駕駛人心率及心率增長率呈下降趨勢；在隧道中間段，隨側向寬度增加駕駛人心率有下降趨勢，表明駕駛人負荷程度有所緩解，但方案2與方案3的負荷程度相差不大；在隧道出口段，駕駛人在方案2場景下心理負荷最小，繼續(xù)增大側向寬度駕駛人負荷有增大的趨勢。

綜上分析，通過增加右側側向寬度可有效緩解駕駛人的心理緊張情緒，特別是在隧道出入口段，駕駛人心率均值和心率增長率明顯降低。對比樣本方案2與方案3中駕駛人心理負荷無顯著差異，說明繼續(xù)增加隧道側向寬度對駕駛人心理負荷的改善效果有限，但方案2駕駛人心率變化更為穩(wěn)定。

2.2 駕駛人視覺負荷特征分析

右側側向寬度環(huán)境下大型車駕駛人平均注視持續(xù)時間整體描述統(tǒng)計圖如圖7所示，平均注視持續(xù)時間均值和標準差均呈現(xiàn)減小的變化趨勢，說明駕駛人視覺負荷隨著隧道側向寬度的增大而減小。

圖7 駕駛人平均注視時間整體描述柱狀圖Fig.7 Overall description histogram of average fixation time of drivers

不同方案平均注視持續(xù)時間均不服從正態(tài)分布，F(xiàn)riedman檢驗結果顯示3種方案的駕駛人平均注視持續(xù)時間存在顯著性差異(p=0.000<0.05)。表4為事后多重比較檢驗結果，對比樣本方案1與方案2、方案1與方案3的駕駛人平均注視持續(xù)時間存在顯著性差異，說明通過增加右側側向寬度可緩解大型車駕駛人的視覺負荷。

表4 事后多重比較檢驗結果(平均注視持續(xù)時間)Tab.4 Post multiple comparison test result (mean fixation duration)

根據(jù)30名駕駛人眼動數(shù)據(jù)繪制不同隧道路段各方案下駕駛人的平均注視持續(xù)時間箱線圖，如圖8所示。在隧道出入口段3種方案駕駛人平均注視持續(xù)時間變化相差不大；而在隧道中間段，隨著側向寬度的增大駕駛人平均注視持續(xù)時間有減小的變化趨勢；在隧道出口段，駕駛人在方案3場景下平均注視持續(xù)時間最小。

圖8 駕駛人平均注視持續(xù)時間Fig.8 Drivers’ average fixation duration

圖9為右側側向寬度環(huán)境下大型車駕駛人平均掃視持續(xù)時間整體描述統(tǒng)計圖，3種方案下駕駛人平均掃視時間均值及標準差相差不大，顯著性檢驗結果表明不同方案之間駕駛人平均掃視持續(xù)時間不存在顯著性差異。

圖9 駕駛人平均掃視持續(xù)時間整體描述柱狀圖Fig.9 Overall description histogram of average saccade duration of drivers

同樣地繪制不同隧道路段各方案下駕駛人的平均掃視持續(xù)時間變化箱線圖，如圖10所示。無論在何種隧道路段環(huán)境下，3種方案之間駕駛人平均掃視持續(xù)時間變化相差并不大，基本維持在15～35 ms之間，與整體描述結果相一致。

圖10 駕駛人平均掃視持續(xù)時間Fig.10 Average saccade duration of drivers

綜上分析，增加右側側向寬度對于大型車駕駛視覺負荷有緩解作用，就不同隧道路段而言，駕駛人在隧道中間段的視覺負荷得到改善。同樣駕駛人在方案2與方案3中的視覺負荷無顯著差異，說明繼續(xù)增加側向寬度對駕駛人視覺負荷的緩解效果并不明顯。

2.3 駕駛人心生理負荷統(tǒng)計分析

基于以上數(shù)據(jù)分析結果，總結得到如表5所示的不同側向寬度下駕駛人負荷統(tǒng)計描述表。駕駛人心生理負荷指標選取心率均值和平均注視持續(xù)時間，因其在不同側向寬度方案中存在顯著性差異，可有效表征駕駛人通過隧道時的心理和視覺負荷變化。除此之外，本研究通過配對t檢驗發(fā)現(xiàn)，方案1與方案2(p=0.345>0.05)、方案1與方案3(p=0.204>0.05)、方案2與方案3(p=0.639>0.05)之間大型車駕駛人的方向盤角速度無顯著差異，說明通過增加側向寬度，駕駛人的車道保持能力無顯著差異。

表5 不同側向寬度下駕駛負荷統(tǒng)計描述Tab.5 Statistical description of driving loads under different lateral widths

由表5可知，右側側向寬度環(huán)境下，對于大型車駕駛人而言，與方案1相比，方案2的駕駛人心率均值減小9.3%，平均注視持續(xù)時間減小9.8%，方案3的駕駛人心率均值減小8.9%，平均注視持續(xù)時間減小10.8%，方案2心理均值離散性最小，方案3平均注視持續(xù)時間離散性最小，說明通過增加側向寬度可有效緩解駕駛人通過隧道時的緊張感，但是過大的側向寬度對駕駛負荷的改善效果有限，對比發(fā)現(xiàn)方案2尤為有效。

3 結論

(1)本研究基于實車試驗，采集駕駛人在不同隧道側向寬度方案下心率和動態(tài)視覺等數(shù)據(jù)，運用數(shù)理統(tǒng)計研究了不同隧道側向寬度對大型車駕駛負荷影響差異，可為提高隧道運營安全水平提供科學依據(jù)。

(2)在右側側向寬度環(huán)境下，側向寬度由方案1增加至方案2或方案3時，均可有效改善駕駛人負荷，特別在隧道出入口段，駕駛人心理負荷得到明顯緩解，在隧道中間段，駕駛人視覺負荷有所降低。

(3)在右側側向寬度環(huán)境下，側向寬度由方案2增加至方案3時，駕駛人負荷改善效果無顯著差異，即隧道側向寬度并非越大越好。

(4)考慮到隧道路段右側車道大型車占比較大，同時基于工程造價和成本的考慮，本研究推薦右側側向寬度采用方案2設計更為適合。

(5)研究受到多方面因素的制約，存在一些不足之處，有待進一步完善，主要包括以下幾個方面：

①駕駛人心生理特征參數(shù)提取有限，導致對駕駛人的駕駛負荷分析不夠全面。未來可考慮將瞳孔變化速度、皮膚電導水平等指標納入研究范圍。

②研究對象僅針對重汽汕德卡車型，缺少其他車型對駕駛人的影響分析。未來可進一步探討更多代表車型對駕駛人的影響。

③試驗場景單一，未考慮到晝夜、隧道照明及天氣等因素對試驗結果的影響。未來可結合模擬試驗增加試驗場景，以進一步論證結論的科學性。