王亞楠

（招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 404100）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)公路建設(shè)事業(yè)快速發(fā)展，截至2021年年底我國(guó)公路總里程達(dá)到528 萬(wàn)km，穩(wěn)居世界第一位。伴隨公路項(xiàng)目的快速建設(shè)，隧道作為一種基礎(chǔ)交通設(shè)施也獲得了快速發(fā)展，到2020年我國(guó)公路長(zhǎng)隧道總數(shù)達(dá)到了5541 處。既有調(diào)查顯示，公路隧道進(jìn)出口是引起事故“黑點(diǎn)”的主要路段，進(jìn)出口明暗度驟然改變，以致車(chē)輛駕駛員視覺(jué)、生理及心理負(fù)荷均顯著增加，很容易出現(xiàn)不良的駕駛操作行為，嚴(yán)重時(shí)引起交通事故。過(guò)去國(guó)內(nèi)很多學(xué)者針對(duì)公路隧道進(jìn)行的研究多集中在線形安全設(shè)計(jì)及行車(chē)視距理論分析上，但是缺少可靠的行車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，對(duì)駕駛?cè)藛T視覺(jué)反應(yīng)帶來(lái)的影響關(guān)注度不夠。本文以大量的隧道進(jìn)出口行車(chē)試驗(yàn)研究作為支撐，闡明駕駛員瞳孔對(duì)光照改變做出的反應(yīng)，研究視覺(jué)反應(yīng)特性，以闡明隧道進(jìn)出口這一特殊路段內(nèi)交通事故頻繁的成因。

1 采集分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1 隧道

選擇數(shù)條隧道作為研究對(duì)象，被選擇隧道的限速范圍60.0～80.0km/h。該研究中選定的試驗(yàn)隧道長(zhǎng)度集中在1500.0～2440.0m 范圍內(nèi)，水泥、瀝青路面隧道各5 組。

1.2 設(shè)備和人員

以EMR-8B 型眼動(dòng)儀（日本）測(cè)定駕駛員的動(dòng)態(tài)視覺(jué)資料；以MS6610 型照度儀配合應(yīng)用自主研發(fā)的車(chē)輛三軸加速采集儀測(cè)定車(chē)輛加速狀況。研究的車(chē)輛是比亞迪G3。

1.3 試驗(yàn)比較要素

正式進(jìn)行試驗(yàn)研究之前，提取晝間不同時(shí)間段內(nèi)和隧道進(jìn)出口照度相關(guān)的資料，并且嚴(yán)格按照規(guī)范要求逐一測(cè)出行車(chē)加速度、駕駛員瞳孔直徑大小，借此方式更合理地分析車(chē)速、駕駛員瞳孔面積等數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性[1]。

2 照度和駕駛員瞳孔變化的關(guān)系

2.1 瞳孔變化和駕駛負(fù)荷大小的關(guān)系

個(gè)體瞳孔擴(kuò)大預(yù)示著其產(chǎn)生的心理生理負(fù)荷偏大。駕駛員在駕車(chē)活動(dòng)中，依賴(lài)瞳孔獲得80.0%～90.0%的外部信息，95.0%的視覺(jué)信息處于動(dòng)態(tài)變化中，駕駛員自身的動(dòng)態(tài)視覺(jué)特性直接關(guān)系著是否會(huì)發(fā)生交通事故。對(duì)于駕駛員而言，瞳孔面積變化能較好地闡釋其視覺(jué)適應(yīng)及駕駛負(fù)荷程度。隧道進(jìn)出口路段照度驟然改變，導(dǎo)致車(chē)輛駕駛員瞳孔面積出現(xiàn)較明顯的變動(dòng)，可以應(yīng)用眼動(dòng)儀完整地記錄分析這種變化，在此基礎(chǔ)上更科學(xué)地評(píng)估實(shí)際駕駛負(fù)荷及車(chē)輛行駛環(huán)境的舒適度。

2.2 照度和瞳孔面積的關(guān)系

將隧道內(nèi)路面照度設(shè)定為E，駕駛員試驗(yàn)瞳孔面積為S，為隧道進(jìn)出口樣本創(chuàng)建log（E）-log（ES）關(guān)系圖。于差異化控制變量之間檢驗(yàn)log（E）-log（ES）的線性關(guān)系。發(fā)現(xiàn)在顯著性水平為0.001 的情景下，log（E）-log（ES）呈明確的一次線性關(guān)系，據(jù)此可以初步認(rèn)為在隧道進(jìn)出口存在著log（ES）=alog（E）+b，即有：

式（1）中：a、b 都是常數(shù)，因路面形式、進(jìn)出口外形、駕駛?cè)藛T自身視覺(jué)特異性的不同而稍有差別。

2.3 瞳孔面積和亮度的關(guān)系

因?yàn)槁访媪炼萀 和其照度之間存在著正比例關(guān)系，有：

式（2）中：q是常數(shù),即亮度系數(shù)，與路面材料反射特性之間存在著密切的關(guān)聯(lián)性。將式（2）代入式（1），有：

式（3）表示駕駛員瞳孔面積和隧道進(jìn)出口亮度水平之間存在著冪函數(shù)關(guān)系，即和Stevens 定律保持一致。

2.4 瞳孔面積變化速度的分析

將式（1）左右兩側(cè)對(duì)時(shí)間t 進(jìn)行求導(dǎo)，就能獲得瞳孔面積變化速度：

在隧道進(jìn)出口50.0m 范疇中，行車(chē)時(shí)間約2s，因?yàn)閷?shí)際行程偏短，為了精簡(jiǎn)運(yùn)算過(guò)程，可以將其看成是勻速V（km/h）行駛，則可以用式（5）表示瞳孔面積的變化情況：

3 視覺(jué)振蕩及視覺(jué)舒適度的測(cè)評(píng)指標(biāo)

3.1 視覺(jué)振蕩現(xiàn)象

當(dāng)汽車(chē)以較高速度通過(guò)隧道進(jìn)出口時(shí)，因?yàn)榇嬖谥鴱?qiáng)烈的明暗過(guò)渡，以致駕駛員的瞳孔面積剎那間快速變化，并且瞳孔面積變化率呈快速提高的態(tài)勢(shì)；若實(shí)際超出了駕駛員的視覺(jué)適應(yīng)水平，將會(huì)造成瞳孔很難精準(zhǔn)聚焦，此時(shí)很難確保視網(wǎng)膜上成像的清晰度，進(jìn)入瞬時(shí)盲期。筆者將以上駕駛員光適應(yīng)期間出現(xiàn)的“瞬盲”現(xiàn)象叫作視覺(jué)振蕩，其成因主要包括如下三點(diǎn)。

第一，這種“瞬盲”現(xiàn)象是個(gè)體視覺(jué)適應(yīng)時(shí)形成的，主要體現(xiàn)是早期瞳孔面積暫時(shí)性快速增大及隨之而來(lái)的瞳孔面積縮小，以上是十分典型的雙相漲落式變化過(guò)程。

第二，這是經(jīng)典的視覺(jué)自適應(yīng)表象，并且和醫(yī)學(xué)臨床上的眼震之間存在著本質(zhì)性差別。

第三，這種現(xiàn)象和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的心律振蕩情況之間表現(xiàn)出較高的相似度。

3.2 視覺(jué)舒適度測(cè)評(píng)指標(biāo)

3.2.1 視覺(jué)振蕩的持續(xù)時(shí)間以及換算系數(shù)

國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)視覺(jué)振蕩持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了大量的研究，關(guān)于其持續(xù)時(shí)間普遍被認(rèn)可的是：如果個(gè)體在某一時(shí)刻自身瞳孔面積和相鄰正常時(shí)刻擴(kuò)大50.0%甚至是更多，那么可以將相應(yīng)時(shí)刻叫作視覺(jué)振蕩的開(kāi)始點(diǎn)；若某一正常時(shí)刻的瞳孔面積和前一相鄰時(shí)刻相比減小50%或更多，那么可以將該時(shí)刻叫作視覺(jué)振蕩的結(jié)束點(diǎn)，由振蕩開(kāi)始點(diǎn)至結(jié)束點(diǎn)的車(chē)輛運(yùn)行時(shí)間就是視覺(jué)振蕩的持續(xù)時(shí)間[2]。

既有晝間行車(chē)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，70.8%的隧道進(jìn)口和95.2% 的隧道出口視覺(jué)振蕩持續(xù)時(shí)間為0.05～1.00s，刺激時(shí)間均較短暫，可以將其分別定義為換算系數(shù)(μ) 與換算視覺(jué)振蕩時(shí)間(tc)，如式（6）、（7）所示。

式（6）～式（7）中：t0、tv分別為視覺(jué)振蕩開(kāi)始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間；S(t)為t 時(shí)刻的瞳孔面積；S1為瞳孔的最大面積，眼動(dòng)儀默認(rèn)成人的瞳孔最大直徑是10.0mm，所以取S1=78.54mm2。

3.2.2 創(chuàng)建視覺(jué)舒適度測(cè)評(píng)指標(biāo)

既有研究指出，當(dāng)視覺(jué)刺激＜0.1s 時(shí)不會(huì)使駕駛員產(chǎn)生不良知覺(jué)，而心理學(xué)試驗(yàn)研究中經(jīng)常選擇0.2s作為最小視覺(jué)刺激時(shí)間。在合理分析駕駛員視知覺(jué)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了表1 的測(cè)評(píng)指標(biāo)。

表1 隧道進(jìn)出口路段駕駛員視覺(jué)舒適度測(cè)評(píng)指標(biāo)

3.2.3 二次視覺(jué)振蕩

有學(xué)者在隧道進(jìn)出口路段進(jìn)行了行車(chē)試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)車(chē)速＞100.0km/h、tc＞0.2s 時(shí)，隧道進(jìn)口、出口出現(xiàn)二次視覺(jué)振蕩現(xiàn)象的占比分別達(dá)到了60.0%、44.4%，振蕩的時(shí)間間隔都不足1.5s；而將車(chē)速控制在90.0km/h 以下時(shí)，駕駛員不會(huì)出現(xiàn)二次視覺(jué)振蕩現(xiàn)象。

針對(duì)駕駛員出現(xiàn)的二次視覺(jué)振蕩現(xiàn)象，如果兩次相鄰tc≤0.2s，并且間隔時(shí)間＜1.5s 時(shí)，則可以將相鄰的兩次視覺(jué)振蕩看成是單個(gè)視覺(jué)振蕩過(guò)程。分別運(yùn)算出兩次視覺(jué)振蕩以及中間正常段對(duì)應(yīng)的tc值，累計(jì)三段tc值就是隧道進(jìn)出口行車(chē)全過(guò)程的換算視覺(jué)振蕩時(shí)間持續(xù)長(zhǎng)度。

3.3 視覺(jué)振蕩的試驗(yàn)研究

3.3.1 車(chē)速與視覺(jué)振蕩

在108 次有效隧道試驗(yàn)試樣內(nèi)，白天、夜間試樣分別有73 次、35 次。

分析隧道進(jìn)出口車(chē)速V 和換算系數(shù)μ 之間的關(guān)系，當(dāng)車(chē)速V＞90.0km/h 時(shí)，μ ≈1.0；V＜0.0km/h時(shí)，μ ＜0.85，并且在該區(qū)間內(nèi)，伴隨車(chē)速的增加，視覺(jué)振蕩強(qiáng)度水平也呈現(xiàn)出逐漸變大態(tài)勢(shì)；將車(chē)速調(diào)控在90.0km/h，則有助于弱化視覺(jué)振蕩強(qiáng)度即減少二次振蕩現(xiàn)象發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

分析隧道進(jìn)口車(chē)速和換算視覺(jué)振蕩時(shí)間持續(xù)長(zhǎng)度兩者的關(guān)系，當(dāng)車(chē)速被控制在40.0～85.0km/h 范圍時(shí)，tc值大小和車(chē)速之間存在著負(fù)相關(guān)性。而當(dāng)隧道出口車(chē)速是90.0～120.0km/h 時(shí)，tc和車(chē)速之間呈正比例關(guān)系，即伴隨車(chē)速的增加，tc值也隨之增大。

綜合以上分析內(nèi)容，針對(duì)限速是80.0km/h 的公路隧道，在隧道進(jìn)口路段如果能將車(chē)速控制在85.0km/h 以下時(shí)，駕駛員就不會(huì)產(chǎn)生較大的視覺(jué)振蕩強(qiáng)度，并且也有助于減少或規(guī)避二次視覺(jué)振蕩這種異?，F(xiàn)象。

3.3.2 視覺(jué)振蕩的試驗(yàn)結(jié)果

表2 內(nèi)羅列出了行車(chē)試驗(yàn)分析所得的隧道進(jìn)出口的tc值，并且依照視覺(jué)舒適度測(cè)評(píng)指標(biāo)做出對(duì)比分析。

表2 隧道進(jìn)出口行車(chē)試驗(yàn)的tc 值統(tǒng)計(jì)

分析表2 內(nèi)統(tǒng)計(jì)的各類(lèi)隧道進(jìn)出口tc均值，能夠?qū)M(jìn)出口路段內(nèi)駕駛員視覺(jué)舒適度進(jìn)行排序，即夜間出口＞白天出口＞白天進(jìn)口。這就預(yù)示著駕駛員在隧道進(jìn)出口的暗適應(yīng)比明適應(yīng)困難更大，并且伴隨照度過(guò)渡斜率的增加，出現(xiàn)視覺(jué)障礙的概率也會(huì)有所增加。

3.4 基于視覺(jué)適應(yīng)的停車(chē)車(chē)距分析

駕駛員在明暗適應(yīng)過(guò)程中因出現(xiàn)視覺(jué)振蕩現(xiàn)象而產(chǎn)生了不同程度的視覺(jué)障礙問(wèn)題，帶來(lái)的最直接后果是個(gè)體認(rèn)知反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，故而在隧道進(jìn)出口這一特殊路段內(nèi)應(yīng)適度增加停車(chē)視距，從而使行車(chē)過(guò)程的安全性、可靠性得到更大保障，以視覺(jué)適應(yīng)作為基礎(chǔ)的停車(chē)視距要符合如下關(guān)系等式：

在式（8）內(nèi)，Ls表示最小行車(chē)視覺(jué)的增加，其滿(mǎn)足：

當(dāng)車(chē)速V在行車(chē)速度是100.0km/h、80.0km/h 時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)速度的85.0%，行車(chē)速度是60.0km/h 時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)速度的90.0%，依照式（8）、（9）運(yùn)算獲得基于視覺(jué)適應(yīng)的隧道進(jìn)出口的停車(chē)視距（見(jiàn)表3）。

表3 基于視覺(jué)適應(yīng)的隧道進(jìn)出口的停車(chē)視距

表3（續(xù)）

綜合分析表3 內(nèi)的數(shù)據(jù)，公路隧道進(jìn)出口的停車(chē)視覺(jué)和現(xiàn)行規(guī)范要求的數(shù)值增加了20.0～30.0m，為了能給隧道工程設(shè)計(jì)工作創(chuàng)造便利條件，可以嘗試將進(jìn)出口的停車(chē)視距進(jìn)行統(tǒng)一取值[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在分析視覺(jué)振蕩概念的基礎(chǔ)上，應(yīng)用換算視覺(jué)振蕩時(shí)間創(chuàng)建了駕駛員視覺(jué)舒適度測(cè)評(píng)指標(biāo)，嘗試應(yīng)用量化形式評(píng)估隧道進(jìn)出口行車(chē)安全性與駕駛員主觀舒適度。對(duì)于限速是80.0km/h 的隧道，要求其進(jìn)出口行車(chē)速度不可超過(guò)85.0km/h，借此方式將駕駛員的視覺(jué)振蕩強(qiáng)度維持在較低范疇內(nèi)，減少或規(guī)避二次視覺(jué)振蕩的現(xiàn)象，有助于增加視覺(jué)感官的舒適度。同時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加隧道進(jìn)出口的停車(chē)視距，建議比現(xiàn)行規(guī)范增加20.0～30.0m 左右。以此提高隧道進(jìn)出口車(chē)輛行駛安全性，保障高速公路的安全運(yùn)行。