基于視覺負荷指標的隧道進口合理遮光設施設置研究＊

陶鵬鵬 馮 超 杜志剛 王明年

（武漢理工大學交通學院1） 武漢 430063）（湖北省林業勘察設計院2） 武漢 430070）

（西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室3） 成都 610031）

0 引 言

公路隧道作為高速公路重要通道節點，對于高速公路安全順暢通行起著極其重要的作用.隧道路段事故率遠高于正常路段，白天晴天為事故多發期［1］.這是由于視覺信息是駕駛員判斷道路環境的主要方式［2］，而隧道進口瞳孔照度劇烈過渡，引起“黑洞效應”，誘發駕駛員瞳孔出現劇烈擴張，使駕駛員視覺負荷增加，導致難以有效辨析道路信息，從而交通事故發生.

隧道行車視覺負荷主要為視覺認知負荷和視覺生理負荷.視覺認知負荷主要是由認知過程中刺激信息而引起的信息處理負荷；視覺生理負荷則主要為由眼動而引起的生理性瞳孔反應［3］.瞳孔反應主要包括瞳孔光反應及認知工作反應.瞳孔光反應是一種控制瞳孔的直徑在回應任何光線的強度，落在眼睛的視網膜上，協助適應各種級別的黑暗和光明反應.認知工作瞳孔反應是由于周圍神經系統的副交感神經活動減少誘發人的認知負荷所引起的瞳孔反應［4］.

瞳孔尺寸主要是受瞳孔對光反應影響［5-6］.Cheng等［7］測量從0.04～4lx各種低照度水平的瞳孔尺寸，結果表明瞳孔尺寸與照度極其相關.胡英奎等［8］測量從0.1～3.5cd／m2的13種照度水平的瞳孔尺寸，并評價合理背景亮度在0.7～3.5 cd／m2之間.

隧道進口遮光設施是用來緩和照度劇烈過渡（一般陰天、雨天則不存在劇烈的照度過渡）的主要方式，而現狀削竹式遮光設施形式多樣，作用效果并不相同，因此有必要對削竹式遮光設施遮光效果進行探究.本文利用隧道微縮模型模擬真實隧道，多次測量不同形式的削竹式隧道進口瞳孔照度，并利用視覺負荷指標對削竹式遮光設施進行分析和比選，以評價各種遮光設施的優劣，為設計削竹式洞門提供參考.

1 實驗設計與數據采集

1.1 實驗模型設計

依據《公路隧道設計規范》［9］，采用設計速度80km／h以上、上下分離式的公路隧道，每車道寬度不小于3.75 m，建筑界限高取5.0 m，檢修道取0.75m.據以上規范要求，設計比例尺為1∶20的公路隧道微縮模型見圖1.

圖1 公路隧道微縮模型設計圖

1.2 實驗條件

為保證實驗數據測量可靠性，本次實驗選取的自然環境與真實隧道照度測量的環境相近，以減少實驗誤差.因此實驗選在無遮擋物的室外開闊地，5月晴朗的10：00～17：00.

1.3 實驗器材

TESTO 545照度儀、微縮模型、筆記本電腦等.

1.4 實驗方案

考慮國內隧道線形多采用南北向，以避免陽光對駕駛員視線的直射（隧道東西方向設置，遮光設施失效），降低眩光，故本次微縮模型擺放方位選為南北向.微縮模型隧道進口瞳孔照度測量方案如下：封閉隧道出口，沿行車方向，距洞口-100，-75，-50，-25，0，25，50，75，100cm 位置點，依次測量瞳孔照度.其中遮光設施為30°，45°，60°的正反削竹式洞門.

2 實驗結果與分析

2.1 精度檢驗

為便于體現瞳孔照度下降趨勢的變化情況，與實際行車進行精度校核，本文將以微縮模型瞳孔照度變化與路上實測瞳孔照度變化所形成的夾角，檢驗二者變化趨勢精確度.若夾角超過一定閾值則視為模型的照度過渡測量值無效，本實驗將夾角閥值定為90°，檢驗結果見表1.

由表1可知，公路隧道模型實驗的實驗數據在接近隧道進口的過程中，自隧道進口斷起點開始瞳孔照度下降趨勢的精度發生逐漸減小，且進入隧道模型內部10m 以上，數據降低趨勢更大.

2.2 視覺負荷指標

2.2.1 視覺負荷系數

杜志剛［9］利用瞳孔面積變化得出視覺負荷系數，如式（1）～（3）所示.

表1 各測量時間段的微縮模型瞳孔照度對數變化精度及檢驗表（端墻式）

式中：S為瞳孔面積，mm2；E為駕駛員瞳孔照度，lx；ve為瞳孔面積變化速度；V為隧道入口車輛行車速度，m／s.同時得出瞳孔面積及面積變化臨界速度變化關系，見表2.

表2 瞳孔面積及面積變化臨界速度關系檢驗

由表2可得：

式中：vec為隧道進口瞳孔面積變化臨界速度.

瞳孔變化過快，則容易超過其適應能力，將引起視覺障礙，產生不良駕駛行為.因此設隧道路段t時刻瞳孔面積速度／瞳孔面積臨界速度比率為k（定義為：基于瞳孔面積臨界速度的視覺負荷系數），對于白天隧道路段，則有下式成立：

2.2.2 理想照度過渡曲線

若全過程瞳孔面積變化速度都滿足式（3），則為平均負荷系數k-，即視覺負荷恒定，則可認為過程瞳孔面積變動引起視覺負荷最合理，照度過渡最為理想.理想瞳孔面積變化速度見式（4）.

可得到進口段理想瞳孔面積見式（5）.

式中：C（1）為常數.駕駛員理想瞳孔照度如式（6）.

2.3 實驗結果

本實驗利用微縮模型對隧道進口瞳孔照度進行測量，每時段測量20 組.實驗數據利用origin7.5進行處理得出下午13：00 照度過渡最劇烈，因此選用13：00照度數據進行分析，該時間段的微縮模型實驗結果見圖1.

圖1 正／反削竹瞳孔照度曲線

為比選各設施遮光效果，采用視覺負荷系數k作為設施效果比選指標，要求各遮光設施最大視覺負荷系數最小，同時要求視覺負荷系數過渡最小.若緩解瞬時盲期的遮光設施視覺負荷k值與理想的視覺負荷k值相近，即更接近理想照度曲線，則遮光設施遮光效果好，因此采用視覺負荷偏離度Sj來度量各遮光設施的視覺負荷系數過渡，Sj越小遮光設施視覺負荷系數過渡越平緩.遮光效果最優效果評價如式（7）.

式中：Sj為第j個項目視覺負荷偏離度；為第j個項目理想視覺負荷k值；kji為項目j第i個特征點視覺負荷k值.

各種方案視覺負荷系數見表3，各遮光設施視覺負荷偏離度見表4.

表3 各種方案視覺負荷系數比較表

表4 各項目視覺負荷偏離度

由表3、表4可見：（1）60°反削竹、45°正削竹、60°正削竹、端墻式洞門視覺負荷相對較大，與理想照度偏離較大，究其原因是60°反削竹遮光長度較短，遮光效果有限，而45°削竹、60°削竹遮光中間部分為鏤空，遮光效果不佳；（2）遮光設施遮光效果由優及劣的順序依次為：30°反削竹、45°反削竹、30°正削竹、45°正削竹、60°反削竹、60°正削竹、端墻式洞門；究其原因是30°正削竹兩翼遮光部分較長，有一定的減光效果，但由于遮光多依靠中間部分，因此30°反削竹、45°反削竹的減光效果相對較佳.

3 結 論

1）經過數據有效性分析，公路隧道進口微縮模型（1∶20）能夠有效模擬真實隧道進口瞳孔照度過渡.

2）依據隧道進口視覺負荷指標，建立了隧道進口理想照度過渡曲線.

3）依據視覺負荷指標的削竹式遮光設施比選可知，30°反削竹的設施遮光效果最佳.

4）相同角度遮光設施形式，反削竹遮光設施比正削竹遮光效果好.

［1］倪洪亮，戴憂華，趙慶鑫.高速公路隧道事故分布研究［J］.公路，2010（4）：126-129.

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［3］MACDONALD J S P，LAVIE N.Visual perceptual load induces inattentional deafness［J］.Attention，Perception，&Psychophysics，2011，73（6）：1780-1789.

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