特長隧道群出入口段駕駛員瞳孔大小變化規律

白婧榮，齊宏嬌，畢輝云

(1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074；2.重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074)

隧道群路段隧道密集、隧道間距短，連續進、出隧道口駕駛人將經歷“暗適應”和“明適應”的快速轉換，使得隧道群成為公路上的敏感區域。人對外界信息的感知中80%以上是通過視覺通道進行的，瞳孔反應與人的視覺認知加工密切相關，不僅可以反映人的心理活動變化，也是衡量認知負荷的重要指標[1]。瞳孔直徑變化規律能一定程度上反映駕駛員在通過隧道群路段的視覺感受，表述其視覺適應性及駕駛視覺負荷程度，正常人瞳孔直徑在自然光下為2～8 mm，暗環境中為4～8 mm。在隧道群的研究方面，林志等[2]從“人-車-路-管理-環境”5個方面梳理了運營風險源，體現在隧道群總體、路面結構、交通量及交通形態等。王志杰等[3]建立了高速公路特長隧道及隧道群評價體系指標評分標準，研發出基于Web的風險評估系統，實現對動態風險因素的實時監測。錢宇彬等[4]研究了夜間長途客車進出高速公路隧道群的車速和油門踏板行程變化特征，發現上坡隧道比下坡隧道運行速度協調性好的比例高。閆彬等[5]分析了高速公路隧道群對駕駛員感知特性的影響，對160名駕駛員進行實地測試,發現駕齡、連續行車時間對駕駛員的深視力準確性有顯著影響。在駕駛員瞳孔大小研究方面，陳芳等研究[6]發現，瞳孔直徑大小隨著入光量的多少發生變化，在照明質量好的工況下行駛時，隧道內的光效高，駕駛員的瞳孔直徑較小，負荷較低，安全性高。Lee等[7]研究表明，當光照增加時，瞳孔大小減小。Lin等[8]使用德布爾評定量表評估眩光不適感，發現眩光不適的主觀評價與眼動和瞳孔收縮高度相關。田會娟等[9]提出了標準化瞳孔直徑可用于衡量視覺舒適度。李俊德等[10]提出了對駕駛員瞳孔直徑變化的隧道明暗適應距離分析，可以為隧道明暗過渡段的照明設計提供參考。呂貞等[11]對比分析了草原公路駕駛員注視、眨眼和瞳孔直徑等數據，發現在超車時駕駛員精神負荷突變性最大。袁景玉等[12]采用虛擬實驗手段，發現高速公路特殊路段鋪設彩色路面可提高行車安全性，且駕駛員在黃色路面行駛的警惕性最高。胡英奎等[13]指出駕駛員的瞳孔大小主要與亮度變化有關，同時受駕駛員心理等因素的影響。Pokorny等[14]認為影響瞳孔大小的因素主要包括外部刺激和觀察者自身因素。Carwford[15]記錄了人眼瞳孔直徑在不同光刺激條件下隨時間的變化情況。已有研究對隧道群的研究側重于梳理運營風險源和分析不同駕駛員在隧道群路段的交通行為，在駕駛員瞳孔直徑研究分析了照度、景觀類型和色彩等對瞳孔收縮的影響，對山區高速公路隧道群路段的駕駛員瞳孔變化真實情況的研究可以深入分析山區駕駛員的駕駛行為行為模型，現選擇雅康高速公路2段特長隧道群路段進行實車試驗，采集駕駛員在特長隧道群行駛時的瞳孔直徑數據，分析在不同隧道出入口處瞳孔大小變化規律。

1 實驗設計及數據采集

1.1 試驗道路選擇

試驗道路喇叭河隧道群位于雅康高速公路，全長10.9 km，包括喇叭河隧道、水獺坪隧道、前碉1號隧道、前碉2號隧道、前碉3號隧道、大柏牛隧道和兩路口隧道7個隧道；全長28.77 km，橋隧比例達99.53%；全線采用四車道高速公路建設，80 km/h。隧道群道路環境如圖1所示。

圖1 隧道群

1.2 試驗駕駛員與設備情況

實車駕駛試驗于2020年11月中旬開展，試驗期間雅安段氣溫為11～19 ℃，天氣為小雨或多云，康定段氣溫為0～19 ℃，天氣為多云或晴；為正常天氣，由于雅康高速公路路線總長度較長，冬季行駛路況復雜，易有暗冰、團霧等復雜情形，且通過在服務區調研發現該路段女性駕駛員占比較低，因此，本文研究對象均選取為男性駕駛員，從雅安當地付費招募10名男性駕駛員作為被試；10名駕駛員年齡分布在27～49歲，平均年齡為35.9歲。駕齡分布在3～16年，平均駕齡8年，駕駛里程分布在21～130 km，平均駕駛里程為65.4 km。

試驗中選用高清運動攝像機記錄實時車輛位置與時間，相比行車記錄儀記錄的視頻更為清晰穩定；Tobii Glasses 2超輕且堅固的非侵入式頭戴追蹤模塊，可以保證駕駛員佩戴的舒適性和行為自由度，采集駕駛員瞳孔大小相關數據，試驗車輛為北京現代汽車。

1.3 試驗流程

步驟1記錄試驗對象的基本信息(年齡、身高、體重、性別等)，試驗對象填寫各個負荷評估量表，對自身狀態進行評估。

步驟2為試驗對象說明試驗起終點及佩戴試驗設備。

步驟3試驗對象在雅康高速公路中駕駛，期間使用運動攝像機記錄駕駛環境，眼動儀設備記錄駕駛員眼動數據。

步驟4試驗對象結束駕駛，再次填寫各個負荷評估量表，記錄駕駛后的狀態，至此完成一次駕駛行駛試驗。

1.4 試驗數據預處理

如圖2所示，通過不同數據預處理方法得到的數據曲線。在眼動儀數據輸出軟件ErgoLAB 3.0中輸出瞳孔直徑數據，將由于被試者眨眼等情況造成的0值數據按照前后10 ms內的數據平均值進行替換，再結合數據平滑處理方法(smooth函數)和快速傅立葉變換(fast fourier transform,FFT)數字濾波，保證曲線平滑且幅值不失真。

圖2 數據預處理

2 駕駛員瞳孔直徑大小分析

2.1 喇叭河隧道群基本情況

喇叭河橋隧群共有4座連接橋梁和7座隧道；其中特長隧道有喇叭河隧道，長隧道有前碉3號隧道和大柏牛隧道，中隧道有水獺坪隧道和前碉2號隧道，短隧道有前碉1號隧道和兩路口隧道。針對每座隧道進出口，選取每位駕駛員瞳孔直徑變化明顯的區域，然后將全部駕駛員的瞳孔直徑變化曲線疊加顯示在一起，將不同被試的瞳孔直徑變化曲線按照與隧道洞口的距離疊加到同一坐標系中，并對距離隧道洞口的距離數進行定義，在隧道入口處(即隧道入口為0 m)，駛向隧道洞口處的距離為負距離，駛入隧道后行駛的距離為正距離；在隧道出口處(即隧道出口為0 m)，駛向隧道洞口處的距離為負距離，駛出隧道后行駛的距離為正距離。將不同駕駛員的瞳孔直徑隨著與隧道洞口距離的變化曲線進行疊加，紅色實線為線性擬合趨勢線，可以發現在喇叭河隧道群路段，不同隧道入口段的瞳孔直徑均呈線性增長規律，在喇叭河隧道、前碉1號隧道、前碉2號隧道、前碉3號隧道和兩路口隧道的隧道出口段瞳孔直徑呈線性降低規律，且根據統計規律發現該函數的常數值為該區域的瞳孔直徑平均值；其中水獺坪隧道出口段的瞳孔直徑變化趨勢較為平緩，因水獺坪隧道出口與前碉1號隧道入口的距離只有45 m，且還有棚洞遮蓋，因此該隧道出口變化不明顯，即駕駛員負荷未有明顯改變；在大柏牛隧道出口段，瞳孔直徑變化趨勢線為線性降低趨勢，但趨勢線相關系數不高，分析原因為駕駛員在隧道群內行駛時間較長，造成隧道視覺不敏感，且與下一隧道入口較近，駕駛員瞳孔直徑變化幅度較小。

2.2 隧道群不同隧道入口段瞳孔直徑大小變化

在進入喇叭河隧道前的開放路段，駕駛員瞳孔直徑基本處于2.8～3.5 mm，從圖3可以看出，在隧道入口前后2 s內部分駕駛員會產生視覺障礙，行車速度較低且經驗豐富的駕駛員則沒有視覺振蕩現象，所有駕駛員整體上瞳孔直徑大小都在增加，且在距離隧道入口越近的位置瞳孔直徑大小增加程度越快，駕駛員通過瞳孔直徑的迅速增大的形式來適應明暗反應，使得駕駛員可以適應隧道內低亮度的行駛環境。

圖3 喇叭河隧道入口段

水獺坪隧道作為喇叭河橋隧群路段中的第二座隧道，長度898 m，屬中隧道，其入口與喇叭河隧道出口通過202 m的水獺坪中橋連接，且在水獺坪隧道入口前設置有50 m長的遮陽棚洞，棚洞長度按照設計速度80 km/h行駛需要2 s，從圖4可以看出，在進入喇叭河隧道前的開放路段，駕駛員瞳孔直徑基本處于2.8～4.0 mm，在接近隧道入口前的棚洞時，駕駛員瞳孔直徑大小逐漸向3 mm集中，有明顯的“黑洞效應”，使得駕駛員瞳孔直徑急劇減小，但進入隧道入口后，駕駛員瞳孔直徑穩定增長，直至適應隧道內的暗行駛環境，使得瞳孔直徑大小維持在4.0～5.0 mm。

圖4 水獺坪隧道入口段

前碉1號隧道作為喇叭河橋隧群路段中的第三座隧道，長度337 m，屬短隧道，其入口與水獺坪隧道出口相距45 m左右，且在水獺坪隧道與該隧道入口的過渡距離設有遮陽棚洞，從圖5可以看出，在進入前碉1號隧道前的過渡路段，由于遮光棚洞的設置，駕駛員瞳孔直徑沒有太大變動，部分駕駛員在進入隧道入口前10 m時有輕微的視覺障礙，在進入隧道入口后，駕駛員瞳孔直徑增長趨勢較緩，很快就適應隧道內的暗行駛環境，瞳孔直徑大小維持在3.0～5.0 mm。

圖5 前碉1號隧道入口段

前碉2號隧道作為喇叭河橋隧群路段中的第四座隧道，長度566 m，屬中隧道，其入口與前碉1號隧道出口通過80 m的海子溝中橋連接，且在前碉1號隧道與該隧道入口的過渡距離設有遮陽棚洞，從圖6可以看出，在進入前碉1號隧道前的過渡路段，由于遮光棚洞的設置，駕駛員瞳孔直徑沒有太大變動，在進入隧道入口后，駕駛員瞳孔直徑增長趨勢較緩，很快就適應隧道內的暗行駛環境，瞳孔直徑大小維持在3.0～5.0 mm。

圖6 前碉2號隧道入口段

前碉3號隧道作為喇叭河橋隧群路段中的第五座隧道，長度1 708 m，屬長隧道，其入口與前碉2號隧道出口通過200 m的前碉大橋連接，且該隧道入口前設有遮陽棚洞，從圖7可以看出，在進入前碉3號隧道前100 m，由于遮光棚洞的設置，駕駛員瞳孔直徑沒有太大變動，在隧道入口前后10 m內，駕駛員瞳孔直徑迅速增大，很快就適應隧道內的暗行駛環境，瞳孔直徑大小維持在3.0～5.0 mm。

圖7 前碉3號隧道入口段

前碉3號隧道出口與大柏牛隧道入口之間有51 m的過渡段，且設有遮光棚洞。大柏牛隧道作為喇叭河橋隧群路段中的第六座隧道，長度1 266 m，屬長隧道，其入口與前碉3號隧道出口通過50 m的大柏牛中橋連接，且該隧道入口前的過渡段設有遮光棚洞，從圖8可以看出，在進入大柏牛隧道前，由于遮光棚洞的設置，駕駛員瞳孔直徑沒有太大變動，在駛入大柏牛隧道入口后10 m內，部分駕駛員存在視覺障礙，但在1 s內均能適應隧道內的暗行駛環境，使瞳孔直徑大小維持在3.5～5.0 mm。

圖8 大柏牛隧道入口段

兩路口隧道作為喇叭河橋隧群路段中的最后一座隧道，長度621 m，屬中隧道，其入口與大柏牛隧道出口有169 m的過渡段，且該隧道入口前設有遮光棚洞，從圖9可以看出，在進入兩路口隧道前，由于遮光棚洞的設置，駕駛員瞳孔直徑沒有太大變動，在駛入大柏牛隧道入口后，瞳孔直徑大小維持在3.0～5.5 mm，駕駛員視覺過渡平穩。

圖9 兩路口隧道入口段

2.3 隧道群不同隧道出口段瞳孔直徑大小變化

從圖10可以看出，在駛離喇叭河隧道的過程中，駕駛員瞳孔直徑由適應隧道暗環境所維持的瞳孔直徑大小值4.0～5.5 m逐漸減小至3 mm左右，駛出隧道出口后，駕駛員心理負荷逐漸減小，瞳孔直徑保持在2.8～3.5 mm水平，此處隧道的“白洞效應”并不明顯。

圖10 喇叭河隧道出口段

從圖11可以看出，在駛離水獺坪隧道的過程中，駕駛員瞳孔直徑大小在隧道出口附近幾乎維持水平狀態，即駛出隧道后的瞳孔直徑大小與在隧道內的瞳孔直徑大小沒有太大差異，均維持在4.0 mm附近；主要原因為水獺坪隧道出口與其連接的下一隧道前碉1號隧道入口只有35 m的距離，按照80 km/h的設計速度行駛只需要1.575 s，駕駛員在水獺坪隧道出口前已可以看清下一隧道前碉1號隧道入口，且在兩隧道的過渡距離35 m之間還有遮光棚洞連接，保證了間距較近的兩個隧道之間駕駛員視覺的平穩過渡，此處的遮光棚洞有明顯的緩解明暗反應的作用，且有效隔離了外界天氣(如雨、霧等)對該短連接段行車安全的影響。

圖11 水獺坪隧道出口段

從圖12可以看出，在駛離前碉1號隧道的過程中，隧道出口處設有遮光棚洞，駕駛員瞳孔直徑大小由隧道內的3.0～4.5 mm緩慢過渡到隧道出口外的2.5～3.5 mm，說明該處的遮光棚洞有緩解“白洞效應”的作用，明顯降低了隧道出口的視覺負荷和行車風險。

圖12 前碉1號隧道出口段

從圖13可以看出，在駛離前碉2號隧道的過程中，隧道出口處設有遮光棚洞，駕駛員瞳孔直徑大小由隧道內的3.0～4.5 mm緩慢過渡到隧道出口外的2.5～3.5 mm，說明該處的遮光棚洞有緩解“白洞效應”的作用，明顯降低了隧道出口的視覺負荷和行車風險。

圖13 前碉2號隧道出口段

從圖14可以看出，在駛離前碉3號隧道的過程中，駕駛員瞳孔直徑大小在隧道出口附近幾乎維持水平狀態，駕駛員瞳孔直徑大小由隧道內的3.0～5.0 mm緩慢過渡到隧道出口外的2.5～4.5 mm，說明該處的遮光棚洞有緩解“白洞效應”的作用，明顯降低了隧道出口的視覺負荷和行車風險。

圖14 前碉3號隧道出口段

大柏牛隧道出口與下一兩路口隧道入口之間有169 m的過渡距離，且在隧道出口段設有遮光棚洞，從圖15可以看出，在駛離大柏牛隧道的過程中，駕駛員瞳孔直徑大小在隧道出口附近幾乎維持水平狀態，說明該處的遮光棚洞有緩解“白洞效應”的作用，明顯降低了隧道出口的視覺負荷和行車風險。

圖15 大柏牛隧道出口段

兩路口隧道出口是喇叭河橋隧群路段的最后一處隧道出口，在隧道出口段設有遮光棚洞，從圖16 可以看出，在駛離兩路口隧道的過程中，駕駛員瞳孔直徑大小逐漸降低，在駛出隧道10 m后，瞳孔直徑稍有增大，整體該隧道出口駕駛員瞳孔直徑過渡平緩，沒有明顯的“白洞效應”。

圖16 兩路口隧道出口

2.4 隧道群路段隧道出入口段駕駛員瞳孔直徑預測模型

根據駕駛員瞳孔直徑數據，擬合得到隧道群路段隧道出入口駕駛員瞳孔直徑預測公式[式(1)]。由表1可知，駕駛員瞳孔直徑大小值與該路段的瞳孔直徑樣本均值相關性較大，且受到行駛距離的影響，橋隧群路段中隧道出入口段瞳孔直徑隨與隧道洞口距離的線性相關經驗公式為

表1 喇叭河隧道群各隧道出入口瞳孔直徑變化規律

(1)

式(1)中：p為瞳孔直徑大小預測值，mm；d為與隧道洞口的距離值，m；pmax為瞳孔直徑最大值，mm；pmin為瞳孔直徑最小值，mm；dpmax為瞳孔直徑最大時對應的與隧道洞口的距離，m；dpmin為瞳孔直徑最小時對應的與隧道洞口的距離，m；pi為瞳孔直徑大小測量值，mm；α、β為修正系數。

3 討論

對表2中喇叭河橋隧群隧道出入口路段瞳孔直徑大小分布情況進行分析得出，在該橋隧群路段不同隧道出入口處的明適應與暗適應過程中，每個隧道的瞳孔直徑分布范圍都有較大差異。從圖17(a)可以看出，在隧道入口段，兩路口隧道和前碉1號隧道的瞳孔直徑的最大值和均值相對較大，駕駛員視覺負荷最大；在喇叭河隧道群中，駕駛員瞳孔直徑在喇叭河隧道和水獺坪隧道入口段基本一致，前碉1號隧道入口與前一隧道水獺坪隧道出口相距較近，且有遮光棚洞，前碉1號隧道入口段的瞳孔直徑并沒有像其他隧道入口一樣有開放路段使得駕駛員瞳孔直徑完全松弛的變化，遮光棚洞具有降低瞳孔直徑差值作用，緩解了駕駛員的“黑白洞效應”。當兩隧道間距過近時，布設遮光棚洞具有降低駕駛員視覺負荷的作用，可以減少明暗適應過程帶來的不當駕駛行為。前碉2號隧道和前碉3號隧道與前一隧道均通過約200 m的橋梁過渡段連接，且在隧道出入口均有布設遮光棚洞，其入口段的瞳孔直徑大小在逐漸減小，說明在該兩處隧道入口段駕駛員的視覺負荷在逐漸降低，駕駛員逐漸適應在橋隧群的入口段行駛，前碉3號隧道和大柏牛隧道為長隧道，在駕駛員行駛至大柏牛隧道處，由于隧道群距離較長，駕駛員逐漸著急，產生焦躁情緒，主要體現為大柏牛隧道和兩路口隧道入口段駕駛員瞳孔直徑的逐漸增大和分布分散現象。整體來說在喇叭河隧道群各隧道的入口段中，駕駛員瞳孔直徑呈現后傾向“W形”波動趨勢，駕駛員視覺負荷由剛開始的較大逐漸到中間適應，再隨著橋隧群的頻繁過渡產生煩躁感而引起視覺負荷再次增大，行駛在最后一座隧道入口段的視覺負荷最大。

表2 喇叭河隧道群隧道洞口瞳孔直徑統計信息

數據來源：均值樣本

從圖17(b)可以看出，在隧道出口段，水獺坪隧道和大柏牛隧道的瞳孔直徑的最大值和均值相對較大，喇叭河隧道的瞳孔直徑大小分布最為分散，說明在駛出隧道群路段的第一個隧道出口時駕駛員生理負荷變化程度較大，隨著駛出隧道后視野的開闊，駕駛員視覺負荷會迅速降低。水獺坪隧道的瞳孔直徑大小分布最為集中，主要原因在其出隧道洞口后是35 m短距離的全覆蓋遮光棚洞與下一隧道入口相接，遮光棚洞的存在消除了駕駛員視覺負荷在短距離內急劇變化的可能性。前碉1號隧道和前碉1號隧道與后一隧道均通過200 m左右的橋梁過渡段連接，且在隧道出入口均有布設遮光棚洞，其出口段的瞳孔直徑大小在逐漸減小，說明在該兩處隧道出口段駕駛員的視覺負荷在逐漸降低；前碉3號隧道和大柏牛隧道為長隧道，在駕駛員行駛至大柏牛隧道出口處，由于隧道群距離較長，駕駛員逐漸著急，產生焦躁情緒，主要體現為前碉3號隧道和大柏牛隧道出口段駕駛員瞳孔直徑的逐漸增大和分布分散現象。在行駛至兩路口隧道出口段時，駕駛員瞳孔直徑大小迅速降低，視覺負荷最小；整體來說在喇叭河隧道群各隧道的出口段中，駕駛員瞳孔直徑呈現后傾向“M形”波動趨勢，駕駛員視覺負荷逐漸增大到中間受到遮光棚洞影響后逐漸適應，再隨著橋隧群的頻繁過渡產生煩躁感而再次增大直至駛離橋隧群，行駛到最后一座隧道出口段時駕駛員視覺負荷最小。

4 結論

選擇四川省雅康高速公路喇叭河隧道群作為研究對象，采用統計分析方法和多元線性模型對實車試驗數據進行系統分析，得到特長隧道群不同隧道出入口路段的駕駛員瞳孔直徑大小變化規律，并得到了橋隧群路段中隧道出入口段瞳孔直徑隨與隧道洞口距離的多元線性經驗模型。得出以下結論。

(1)在進入隧道前的開放路段，駕駛員瞳孔直徑基本處于2.8～3.5 mm，行駛至適應隧道內的暗行駛環境時瞳孔直徑大小維持在4.0～5.0 mm。在駛離隧道時駕駛員瞳孔直徑由適應隧道暗環境所維持的瞳孔直徑大小值4.0～5.5 mm逐漸減小至3 mm左右，駛出隧道出口后，駕駛員心理負荷逐漸減小，瞳孔直徑保持在2.8～3.5 mm水平。

(2)在喇叭河隧道群各隧道的入口段中，駕駛員瞳孔直徑呈現后傾向“W形”波動趨勢，駕駛員視覺負荷由剛開始的較大逐漸到中間適應，再隨著橋隧群的頻繁過渡產生煩躁感而引起視覺負荷再次增大，行駛在最后一座隧道入口段的視覺負荷最大。在喇叭河隧道群各隧道的出口段中，駕駛員瞳孔直徑呈現后傾向“M形”波動趨勢，駕駛員視覺負荷逐漸增大到中間受到遮光棚洞影響后逐漸適應，再隨著橋隧群的頻繁過渡產生煩躁感而再次增大直至駛離橋隧群，行駛到最后一座隧道出口段時駕駛員視覺負荷最小。

(3)在橋隧群路段的隧道出入口路段，相鄰隧道之間的間距越近，且全覆蓋設置遮光棚洞時，其棚洞前后的隧道出入口段的瞳孔直徑值越大，駕駛員視覺上不會產生急劇變化，有利于短間距相鄰隧道的平穩過渡；相鄰隧道之間的間距越大，在前一隧道出口的駕駛員瞳孔直徑會逐漸減小，在后一隧道入口處駕駛員瞳孔直徑會迅速增大，設置遮光棚洞有利于緩解駕駛員瞳孔直徑的迅速增大，緩解駕駛員明暗適應過程中瞳孔直徑變化的劇烈程度。