超特長(zhǎng)隧道特殊光環(huán)境的對(duì)比試驗(yàn)研究

吳小麗，張 琦，潘 勇

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

車輛在高速公路超特長(zhǎng)隧道行駛時(shí)，駕駛員長(zhǎng)時(shí)間處于封閉冗長(zhǎng)的單一環(huán)境，其生理和心理承受較大壓力，易產(chǎn)生疲勞和認(rèn)知錯(cuò)誤，影響隧道的行車安全。目前，國(guó)內(nèi)外多采用間隔一定距離設(shè)置特殊光環(huán)境區(qū)段來(lái)改善超特長(zhǎng)隧道中駕駛員的單一視覺(jué)場(chǎng)景，減少因單調(diào)引起的駕駛疲勞，以提高行車安全性與舒適性[1]。隧道內(nèi)特殊光環(huán)境設(shè)置形式多樣，但特殊光環(huán)境的效果至今缺乏評(píng)價(jià)指標(biāo)及體系，國(guó)內(nèi)對(duì)超特長(zhǎng)隧道不同特殊光環(huán)境的對(duì)比研究較少。施盧丹[2]通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析，提出特設(shè)的燈光帶對(duì)駕駛?cè)俗⒁暢掷m(xù)時(shí)間、瞳孔面積、注視點(diǎn)分布規(guī)律影響顯著，能夠有效緩解駕駛?cè)艘曈X(jué)疲勞，提高駕駛?cè)俗⒁饬?；鄭展驥等[3]開展心理物理試驗(yàn)，分析公路隧道內(nèi)部視覺(jué)環(huán)境對(duì)駕駛?cè)诵熊嚢踩挠绊?，提出了利用?biāo)志標(biāo)線構(gòu)建公路隧道韻律型標(biāo)線系統(tǒng)的改善措施；吳玲[4]對(duì)高速公路特長(zhǎng)隧道環(huán)境下駕駛?cè)说男碾娭笜?biāo)空間變化特性進(jìn)行了分析；胡月琦等[5]在高速公路特長(zhǎng)隧道開展實(shí)車試驗(yàn)，分析了職業(yè)與非職業(yè)駕駛員在高速公路隧道不同段與普通路段的注視轉(zhuǎn)移規(guī)律與注意力分配特性。本文為了研究超特長(zhǎng)隧道不同特殊光環(huán)境下，駕駛員的視覺(jué)行為特征及生理反應(yīng)，選取光源色溫改變、彩色燈光帶、LED點(diǎn)光源像素矩陣、高清圖像投影等典型特殊光環(huán)境方案，開展真實(shí)環(huán)境下的實(shí)車對(duì)比試驗(yàn)，以提出隧道特殊光環(huán)境方案的選擇建議。

1 視覺(jué)特性及心電反應(yīng)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)擬訂了常用的4個(gè)特殊光環(huán)境方案，分別為色溫改變方案、彩色燈光帶方案、LED點(diǎn)光源像素矩陣方案、高清圖像投影方案[8-12]。試驗(yàn)利用眼動(dòng)儀來(lái)測(cè)試駕駛員的駕駛行為，記錄駕駛員觀看、未觀看的位置及觀看的時(shí)間，并追蹤記錄注視和掃視的過(guò)程，完整地判斷出眼睛瀏覽和停留的路徑，并借助于多導(dǎo)生理儀對(duì)駕駛員生理狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)車試驗(yàn)及室外實(shí)車試驗(yàn)結(jié)合的方式。在200 m長(zhǎng)1∶1實(shí)體隧道進(jìn)行隧道常規(guī)LED照明方案、方案1、方案2的實(shí)車試驗(yàn)；在雅康高速二郎山隧道(長(zhǎng)13 459 m)進(jìn)行隧道常規(guī)LED照明方案、方案3、方案4的實(shí)車試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用SMI眼動(dòng)儀、BIOPAC 多導(dǎo)生理儀(含皮電測(cè)試、心電測(cè)試模塊)，以及配套的分析軟件，眼動(dòng)儀生成的圖表包括掃描路徑、熱點(diǎn)圖、屏幕位置注視信息、時(shí)間柱狀圖、線性圖等，多導(dǎo)生理儀生成的圖表包括心電波形圖及皮電波形圖等。掃描路徑圖逐點(diǎn)連續(xù)顯示注視點(diǎn)位置及各個(gè)注視相對(duì)時(shí)間等信息。時(shí)間柱狀圖以時(shí)間為X軸，注視時(shí)間百分比為Y軸，顯示在每個(gè)固定的時(shí)間段內(nèi)，注視點(diǎn)在各個(gè)興趣區(qū)停留的時(shí)間占當(dāng)前時(shí)間間隔的百分比，不同的顏色代表不同的興趣區(qū)域之內(nèi)的注視點(diǎn)。

試驗(yàn)車輛為4輛：豐田越野車1輛、沃爾沃轎車1輛、長(zhǎng)城轎車1輛、福特轎車1輛。

2.3 測(cè)試人員

由于部分試驗(yàn)需要在真實(shí)隧道場(chǎng)景中行車，存在一定的危險(xiǎn)性，因此本次試驗(yàn)選擇了5名在公路當(dāng)中較為典型的駕駛員作為被試者，未考慮不同性別、年齡等因素。駕駛員均為男性，年齡25～35歲左右，有5年以上的駕齡，技術(shù)嫻熟，生理及心理素質(zhì)較好，無(wú)明顯駕駛偏好，無(wú)重大事故經(jīng)歷，視力良好，精神狀態(tài)較好。

3 實(shí)驗(yàn)室實(shí)車試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

200 m長(zhǎng)1∶1實(shí)體隧道為2車道隧道，凈空高度為7.3 m，路面寬度為8.4 m。由1名試驗(yàn)人員駕駛車輛對(duì)常規(guī)白光LED照明光環(huán)境、色溫改變光環(huán)境、彩色燈光帶光環(huán)境3種工況進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)眼動(dòng)儀及配套軟件的數(shù)據(jù)采集和分析，常規(guī)白光LED照明方案、色溫改變方案及彩色燈光帶方案掃描路徑及時(shí)間柱狀圖如圖1～圖6所示。

圖1 常規(guī)白光LED照明方案掃描路徑

圖2 色溫改變方案掃描路徑

圖3 彩色燈光帶方案掃描路徑

圖4 常規(guī)白光LED照明方案時(shí)間柱狀圖

圖5 色溫改變方案時(shí)間柱狀圖

圖6 彩色燈光帶方案時(shí)間柱狀圖

由圖1～圖6可見，常規(guī)白光LED照明方案、色溫改變方案中駕駛員注視點(diǎn)均長(zhǎng)時(shí)間集中分布在正前方路面區(qū)域；彩色燈光帶方案中駕駛員注視點(diǎn)主要分布在正前方路面區(qū)域，在左右側(cè)墻的彩色燈光帶區(qū)域也有短暫停留。由此說(shuō)明，僅改變隧道內(nèi)燈具色溫，駕駛員注視點(diǎn)無(wú)明顯變化[13-15]；設(shè)置彩色燈光帶后，駕駛員視點(diǎn)大部分時(shí)間仍分布在正前方路面區(qū)域，對(duì)兩側(cè)墻區(qū)域有短暫的關(guān)注。對(duì)掃描路徑圖及時(shí)間柱狀圖的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，可得到3種方案的屏幕位置注視信息，結(jié)果如表1所示。

表1 不同方案的屏幕位置注視信息

由表1可知，駕駛員雖關(guān)注了兩側(cè)墻特殊燈光區(qū)域，但仍以獲取駕駛所需的前方路面信息為主，即駕駛員受彩色燈光帶的吸引，同時(shí)未過(guò)多關(guān)注彩色燈光帶的具體細(xì)節(jié)。改變隧道內(nèi)燈具色溫，駕駛員注視點(diǎn)無(wú)明顯變化；設(shè)置彩色燈光帶后，駕駛員注視點(diǎn)增多，平均注視時(shí)間減少，駕駛員眼動(dòng)行為變活躍，受彩色燈光帶的吸引，同時(shí)未過(guò)多關(guān)注彩色燈光帶的具體細(xì)節(jié)，這有利于消除駕駛疲勞。

秉持“房子是用來(lái)住的，不是用來(lái)炒的”理念，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外城市關(guān)于住房發(fā)展與民生改善的一般經(jīng)驗(yàn)，使用人均住房面積、房?jī)r(jià)收入比、住房消費(fèi)占總消費(fèi)比三個(gè)指標(biāo)分別從住房使用價(jià)值、住房支出負(fù)擔(dān)、整個(gè)消費(fèi)結(jié)構(gòu)三個(gè)方面反映住房民生的狀況。因此，筆者對(duì)改革開放以來(lái)上海市民生改善狀況和新時(shí)代上海市住房民生改善趨勢(shì)的考察和預(yù)測(cè)也是從這三個(gè)方面進(jìn)行。

4 二郎山隧道實(shí)車試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)過(guò)程

二郎山特長(zhǎng)隧道長(zhǎng)13 459 m，雙洞共設(shè)置了4處特殊燈光帶(每間隔4.5 km左右設(shè)置1處)，其中2處為L(zhǎng)ED點(diǎn)光源像素矩陣方案，另2處為高清圖像投影方案。試驗(yàn)對(duì)5位駕駛員依次通過(guò)LED點(diǎn)光源像素矩陣段、高清圖像投影段及常規(guī)路段的掃描路徑、注視信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試、分析，共計(jì)15個(gè)工況。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

4.2.1 掃描路徑及注視信息

根據(jù)眼動(dòng)儀及配套軟件的數(shù)據(jù)采集和分析，LED點(diǎn)光源像素矩陣方案、高清圖像投影方案及常規(guī)白光LED照明方案掃描路徑及時(shí)間柱狀圖如圖7～圖12所示。

圖7 LED點(diǎn)光源像素矩陣方案掃描路徑

圖8 高清圖像投影方案掃描路徑

圖9 常規(guī)白光LED照明方案掃描路徑

圖10 LED點(diǎn)光源像素矩陣方案時(shí)間柱狀圖

圖11 高清圖像投影方案時(shí)間柱狀圖

圖12 常規(guī)白光LED照明方案時(shí)間柱狀圖

由圖7～圖12可知，常規(guī)LED照明方案中駕駛員注視點(diǎn)大部分集中在車行方向正前方路面區(qū)域，小部分分布在車內(nèi)區(qū)域；LED點(diǎn)光源像素矩陣方案及高清圖像投影方案中駕駛員注視點(diǎn)除了分布在車行方向正前方路面區(qū)域及車內(nèi)區(qū)域外，也有部分分布在拱頂特殊光環(huán)境區(qū)域。據(jù)此判斷，設(shè)置LED點(diǎn)光源像素矩陣方案及高清圖像投影方案后，駕駛員注視點(diǎn)有明顯變化，駕駛員視點(diǎn)分布變分散，對(duì)拱頂區(qū)域的關(guān)注明顯增多。對(duì)掃描路徑圖及時(shí)間柱狀圖的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，可得到3種方案的屏幕位置注視信息，結(jié)果如表2所示。

由表2屏幕位置注視信息可看出，LED點(diǎn)光源像素矩陣方案拱頂平均注視時(shí)間小于路面關(guān)注區(qū)域的平均注視時(shí)間，高清圖像投影方案拱頂平均注視時(shí)間則大于路面關(guān)注區(qū)域的平均注視時(shí)間，表明LED點(diǎn)光源像素矩陣方案中駕駛員受特殊光環(huán)境影響小于高清圖像投影方案。2方案相比而言，LED點(diǎn)光源像素矩陣方案中駕駛員受彩色燈光帶的吸引而關(guān)注了拱頂特殊燈光區(qū)域，但仍以獲取駕駛所需的前方路面信息為主，未過(guò)多關(guān)注特殊光環(huán)境的具體細(xì)節(jié)。

表2 不同方案的屏幕位置注視信息

4.2.2 心電、皮電數(shù)據(jù)

心電是心臟在每個(gè)心動(dòng)周期中伴隨產(chǎn)生的生物電的變化，是測(cè)量心臟節(jié)律的方法。皮電通過(guò)皮膚電阻或皮膚的導(dǎo)電率進(jìn)行測(cè)量，是反映人體交感神經(jīng)興奮性程度的指標(biāo)。選取試驗(yàn)中典型單個(gè)駕駛員的心電及皮電數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖13～圖18所示。

圖13 高清圖像投影方案心電波形

圖14 LED點(diǎn)光源像素矩陣方案心電波形

圖15 常規(guī)白光LED照明方案心電波形

圖16 高清圖像投影方案皮電波形

圖17 LED點(diǎn)光源像素矩陣方案皮電波形

圖18 常規(guī)白光LED照明方案皮電波形

由圖13～圖18可見，各方案心電數(shù)據(jù)無(wú)明顯不同，難以看出顯著規(guī)律，無(wú)法據(jù)此有效表征駕駛員生理狀況。常規(guī)LED照明方案在各段的皮電測(cè)試波形顯示總體平緩，變化幅度約為5.1%；LED點(diǎn)光源像素矩陣方案、高清圖像投影方案對(duì)應(yīng)的特殊光環(huán)境段則有明顯上升，變化幅度約為15.4%和22.5%，表明在特殊光環(huán)境段駕駛員皮膚導(dǎo)電率上升，興奮感增強(qiáng)，有助于緩解特長(zhǎng)隧道內(nèi)的視覺(jué)疲勞。同時(shí)該刺激在駕駛員駛過(guò)特殊光環(huán)境段后會(huì)逐漸恢復(fù)平穩(wěn)，不會(huì)導(dǎo)致駕駛員因長(zhǎng)時(shí)間刺激而產(chǎn)生緊張心理。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)常規(guī)照明、色溫改變、彩色燈光帶、LED點(diǎn)光源像素矩陣及高清圖像投影方案的實(shí)車對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可得出以下結(jié)論：

1)僅改變隧道內(nèi)燈具色溫，對(duì)駕駛員注視點(diǎn)無(wú)明顯影響；LED點(diǎn)光源像素矩陣、高清圖像投影方案及彩色燈光帶對(duì)駕駛員注視點(diǎn)有顯著影響。

2)掃描路徑及屏幕注視信息等顯示隧道特殊光環(huán)境使駕駛員眼動(dòng)行為變活躍，駕駛員未過(guò)度關(guān)注其細(xì)節(jié)，仍以獲取路面信息為主，對(duì)緩解視覺(jué)疲勞可起到一定作用。

3)隧道特殊光環(huán)境對(duì)駕駛員心電數(shù)據(jù)無(wú)顯著影響，但駕駛員皮電數(shù)據(jù)有短暫顯著變化，駕駛員興奮程度有所增加。

4)綜合考慮視覺(jué)特性參數(shù)、心電反應(yīng)等因素，特殊光環(huán)境優(yōu)先選擇LED點(diǎn)光源像素矩陣方案或高清圖像投影方案，其次為彩色燈光帶方案，色溫改變方案對(duì)緩解視覺(jué)疲勞無(wú)明顯效果。