彩色路面環境下隧道駕駛視覺空間研究

■楊龍清 江 建 王家主 修玲艾 卓 曦

(1.福建省交通科學技術研究所，福州 350004；2.福州大學土木工程學院，福州 350108)

0 引言

作為一個封閉式的車輛通行環境，隧道駕駛舒適性和誘導性要求較高。近年來，由于亮度系數和醒目度較高，彩色路面在隧道環境中得到推廣。然而彩色路面環境下隧道照明設施和交通安全設施設置常依據黑色瀝青路面環境下隧道設計規范，鮮有考慮彩色路面影響下駕駛視覺特征，易導致設施與路面協調性不足。彩色路面環境下隧道駕駛視覺空間是駕駛員注視點分布空間，其研究有助于定量化駕駛視覺特征。

國外對隧道駕駛視覺空間的相關研究集中于隧道設計對駕駛行為的影響分析。Katja Kircher等人[1]通過模擬實驗，探討了隧道側壁顏色與燈具照度影響下駕駛視覺特性，發現相比照度，淺色的隧道側壁更有助于提高駕駛視覺注意力。M.P.Manser等人[2]基于駕駛視覺特征分析，研究了不同隧道設計對駕駛員車速選擇的影響。國內研究側重于隧道空間對駕駛特性的影響分析。戴憂華等人[3]在隧道線形、駕駛員視覺特性等方面，分析了空間通視性對隧道駕駛行為的影響。田晶晶等人[4]綜合考慮多種眼動參數，探討了公路隧道環境下駕駛視覺特性。師曉鴿[5]以彩色路面注目性、色澤質地均勻性、景觀協調性、情緒反應等特征參數作為觀感質量評價的指標，并采用打分法評價觀感質量。可見國內外相關研究較少討論彩色路面環境下隧道駕駛視覺空間，不利于明確彩色路面環境下隧道設施優化方案。

本文基于隧道照明區段劃分，分析彩色路面環境下隧道駕駛注視特征，在此基礎上，結合駕駛員視點位置、視野角度、視距等視覺參數，構建彩色路面環境下隧道駕駛視覺空間，并以某市的松毛嶺彩色路面隧道為例，進行成果應用和分析。本文提出的駕駛視覺空間構建方法，有助于完善駕駛視覺理論，進而為彩色路面環境下隧道設施優化提供一定的理論指導。

1 隧道照明區段

考慮隧道封閉程度、照明條件等環境，駕駛視覺特性在各隧道照明區段中呈現一定差異。依據《公路隧道照明設計細則》[6]，隧道分為5個照明區段，包括接近段、入口段、過渡段、中間段、出口段。

(1)接近段

接近段指與隧道入口緊連的一段道路。該區段是駕駛視覺調節的空間，便于駕駛員看清隧道內物體。

(2)入口段

入口段是車輛進入隧道后第一個照明區段。該區段路面亮度急劇變化，導致駕駛員視覺常無法迅速適應。

(3)過渡段

過渡段是隧道內緊接入口段的照明區段。該區段為駕駛員提供了視覺暗適應時間，促使其逐步恢復視覺能見度和舒適度。

(4)中間段

中間段是在車流前進方向緊接過渡段的照明區段。該區段遠離外部自然光照影響，且駕駛員各項眼動特征較為穩定。

(5)出口段

出口段指隧道內接近出口的照明區段。在單洞雙向通行隧道中，出口段與入口段照明條件一致。該區段駕駛員視覺受洞外光線影響較大，易出現視覺震蕩現象。

2 彩色路面環境下隧道駕駛注視特征

(1)基于車型的駕駛視點位置

視點為駕駛員眼睛位置，即視覺空間的起始方向點，可根據車型而定。不同車型的外廓尺寸和底盤高度不同，導致駕駛員視點高度差異。

(2)基于車速的駕駛視野

1)視野與車速的關系

在靜止狀態下，駕駛員眼睛視野的水平角范圍為160°～180°，垂直角范圍為 100°～130°。 而在車輛行駛狀態下，車速越高，駕駛員注意力越集中且難于轉移，此時注視點越遠，兩眼凝視遠方并集中于一點，形成 “隧道視覺”，使視野變窄。若高速狀態下駕駛員視野過于窄小，將影響駕駛員對車輛兩側情況的感知。

2)基于道路線形和車速的視野水平角

如圖1所示，單洞雙車道隧道公路的駕駛員視野為兩側隧道壁視線范圍。

圖1 隧道空間視野平面

根據圖1，可知隧道的視野水平角 α(°)為

式中：A1O1——駕駛員視線在行車方向右側隧道壁的最遠注視點A1至車輛行駛車道中線的距離(m)，其中 O1為A1在車輛行駛車道中線的垂足；

A2O2——駕駛員視線在行車方向左側隧道壁的最遠注視點A2至車輛行駛的車道中線的距離(m)，其中O2為A2在車輛行駛車道中線的垂足；

L1——O1與車輛的距離(m)；

L2——O2與車輛的距離(m)。

3)視野仰角

以視點和最高處注視點連接線、路面水平線為邊，可得出視野仰角。

(3)駕駛視距

基于眼動試驗，根據最近和最遠注視點，明確駕駛員視距范圍。

3 彩色路面環境下隧道三維駕駛視覺空間

由于駕駛員注視點散布于視野立體空間，駕駛視覺空間為三維形狀。為構建視覺空間，提出假設為：1)忽略駕駛員對視野中偏遠目標的注視行為，因而存在一個形似扇形的視場，而駕駛員僅感知該視場內空間；2)駕駛員視線的中線始終保持水平狀態；3)駕駛員注視點全部落在該視覺空間中。

通過眼動試驗，獲取駕駛員注視點分布位置。進而如圖2所示，將立體空間中注視點與視點連線，形成隧道三維駕駛視覺空間。該三維空間包括駕駛員視點、視距、視野水平角和仰角等視覺參數，是在路面和隧道側壁約束下，多個曲面組合而成的錐體。

圖2 隧道三維駕駛視覺空間示意圖

圖中，V為駕駛員雙眼視點，β為視野仰角(°)，D1為最小視距，D2為最大視距，其余符號含義同前。

4 試驗段駕駛視覺空間

4.1 松毛嶺隧道試驗段概況

選取某市的松毛嶺隧道為試驗段。該隧道位于兩縣的交界位置，是交通走廊的關鍵路段。該隧道為單洞雙車道路段，長度為1364m，寬度為10.5m，最大縱坡為1.7%，最小平曲線半徑為100m。目前隧道限速為30km/h，交通量小于180輛/h，且主要為大型貨車和客車，而小客車相對較少，未見非機動車。

如圖3所示，試驗段采用甲基丙烯酸聚甲酯(Methylmethacrylate)新型彩色路用材料。隧道兩端洞外各鋪50m藍紅相間的橫向條紋，洞內兩端前300m鋪設紅色薄層，再往里各鋪設100m灰色薄層，中間564m保留黑色瀝青路面。

圖3 松毛嶺隧道

4.2 試驗段三維駕駛視覺空間

邀請30位駕駛員進行松毛嶺隧道駕駛眼動實驗。駕駛員佩戴SMI眼動儀，駕駛車輛通過松毛嶺隧道。然后從SMI眼動儀導出駕駛員的注視點坐標、注視角度等眼動數據，并通過數據篩查和剔除，獲取有效眼動數據。最后運用統計分析方法，利用眼動數據，從視點、視野和視距等角度，研究試驗段駕駛視覺空間。如圖4所示，通過松毛嶺隧道眼動數據分析，將駕駛員視點與空間注視點相連，構建出隧道三維視覺空間。

圖4 試驗段的三維駕駛視覺空間示意圖

(1)視點

根據現場測量，小客車視點在距離地面高度1.2m的位置，大型客車和載重汽車的視點在距離地面高度2m的位置。

(2)視野水平角和仰角

松毛嶺隧道運行速度為40km/h。通過該隧道駕駛員眼動實驗，結合注視點分布規律，根據式(1)，可知駕駛員視野水平角 α 在 80°和 100°之間，仰角 β=23°。

(3)視距

通過試驗數據統計，在眼動試驗所得的注視點像素坐標系中，最近注視點坐標為(670.4px，722.4px)，最遠注視點坐標為(70.1px，60px)。進而根據注視點坐標，在眼動試驗錄像截圖上定位，再換算成視野空間的實際視距范圍，得出駕駛空間視距范圍為25m～200m，即，D1=25m，D2=200m。

4.3 試驗段路面的注視點分布規律

(1)接近段

如圖5～圖9所示，從眼動數據中提取落在路面上的注視點，構建路面注視點像素坐標系，從而得到隧道彩色路面的駕駛員注視點分布圖。圖中，Vp點為駕駛員視點在彩色路面上的投影位置，X為隧道橫斷面像素位置(px)，Y為隧道縱斷面像素位置 (px)，0點為坐標原點，即視野所見圖像左上角點。

如圖5所示，當車輛在隧道接近段行駛時，駕駛員視野中隧道洞口景象面積急劇增大，促使其注意力較為集中，因此接近段路面注視點分布范圍較窄小，主要分布在駕駛員的正前方，且縱向上視距范圍較小。

圖5 隧道接近段彩色路面注視點分布圖

(2)入口段

如圖6所示，當車輛在隧道入口段行駛時，駕駛員視野中景象多為隧道側壁和彩色路面，此時駕駛視覺處于暗適應階段，注意力較難集中。因此入口段路面注視點分布范圍變寬，主要分布在駕駛員的正前方和右前方，縱向上視距范圍較大。

圖6 隧道入口段彩色路面注視點分布圖

(3)過渡段

如圖7所示，當車輛在隧道過渡段行駛時，駕駛員視覺基本適應隧道環境，注意力集中于視野的正前方。因此過渡段路面注視點分布范圍變窄，主要分布在駕駛員的左前方(接近中心雙黃線處)和右前方，縱向上視距范圍較小。

圖7 隧道過渡段彩色路面注視點分布圖

(4)中間段

如圖8所示，當車輛在隧道中間段行駛時，由于隧道亮度水平較高，環境視認性良好，駕駛員視覺完全適應隧道環境。因此中間段路面注視點分布范圍稍變寬，主要分布在駕駛員的左前方(接近中心雙黃線處)和正前方較遠處，縱向上視距范圍較大。

圖8 隧道中間段彩色路面注視點分布圖

(5)出口段

如圖9所示，雖然單洞雙向通行隧道的入口段和出口段照明條件一致，但駕駛員注視點分布存在較大差異。當車輛在隧道出口段行駛時，駕駛員視覺處于明適應階段，視野中隧道洞口景象面積增大，此時駕駛員為觀察洞外路況，注意力集中于洞外路面。因此出口段路面注視點分布范圍稍變窄，主要分布在駕駛員的正前方較遠處，縱向上視距范圍較大。

圖9 隧道出口段彩色路面注視點分布圖

5 結語

彩色路面環境下隧道駕駛視覺特性影響著駕駛舒適度和交通安全水平，然而國內外相關研究鮮見彩色路面環境下隧道駕駛員注視點分布規律研究，尚未形成定量化的視覺分析方法，使得該類型隧道的沿線設施設置缺少足夠的理論探討。

本文基于隧道照明區段，分析了駕駛員視點、視野和視距等彩色路面環境下隧道駕駛員注視特征，構建了多個曲面組合而成的隧道三維駕駛視覺空間，最后以某市的松毛嶺彩色路面隧道為試驗段，通過眼動試驗，獲取了注視點位置，從而給出了試驗段的三維視覺空間及路面注視點分布規律。

本文提出的彩色路面環境下隧道駕駛視覺空間構建技術尚有不足，下一步將定量化研究視覺空間邊界，以及視覺空間對駕駛心理的影響，從而提出更為綜合、全面的彩色路面環境下隧道駕駛視覺空間理論。