具有視覺誘導功能的隧道進出口道路標線設計

崔曉宇， 肖慶一*， 楊萌， 袁景玉

(1. 河北工業大學土木與交通學院， 天津 300401； 2． 天津市交通工程綠色材料技術工程中心， 天津 300401； 3． 天津市海順交通工程設計有限公司， 天津 300060； 4． 河北工業大學 建筑與藝術設計學院， 天津 300401)

公路隧道的不斷建設與發展，克服了中國山區公路建設中出現的線性不良、高程不利等問題，同時也帶來了一些行駛安全問題。其中隧道內外的環境、光線、空間感、設計車速等存在差異[1]，勢必會使駕駛員產生心理和生理上的影響，由此導致的危險性將上升[2]。鑒于公路隧道進出口的特殊性[3]，在隧道進出口鋪設一段具有視覺誘導作用的交通標線，可以有效規范行車速度，降低交通事故的發生率[4]。

近年來，對于隧道進出口處的行車安全問題，國內外學者通過研究隧道內外的明暗環境、交通設施的設置位置與數目、交通標線顏色和突起路標等方面的措施進行改善。He等[5]研究隧道動態照明對駕駛員的行車安全的影響，建議合理設計照明空間。鄧敏等[6]研究隧道照明設施顯色性對駕駛員視覺的影響，研究表明照明光源顯性指數越高，駕駛員的行車安全性越好。杜志剛等[7]研究發現立體的標志、標線和多色彩的視覺誘導設施可以有效緩解駕駛員的是錯覺感。朱守林等[8]通過研究交通標志對駕駛員的視野關注區域的影響，發現當交通標志對駕駛員的視覺產生的信號水平在10 ～20 bits 條件下，行車最為安全。卓曦等[9]究了隧道內不同的彩色路面對駕駛員的行車舒適性的影響，研究表明黃、紅色系路面較優，能有效提高提高駕駛舒適性。秦利瓊[10]研究發現隧道進出口處路側振動帶能有效降低事故發生率。

綜上所述，針對山區高速隧道進出口處的行車安全問題，多數學者通過設置照明設施、標線顏色、立體標志等措施對駕駛人員進行視覺誘導，而在利用標線設計和誘導效應對駕駛員視覺產生影響的方面研究較少。

現通過分析透視原理與閃現率原理，確定交通標線的尺寸與間距，利用虛擬駕駛技術和眼動特征指標，開展標線誘導設計方案比選與優化，服務山區高速建設。

1 研究方案設計

在同一隧道進口處設計兩種不同類型的道路交通標線，一種方案按常規等間距法設置，另一種按視覺誘導理論設置，并與未設置標線的原路面作對比。視覺誘導標線設置參考以下內容。

1.1 具有誘導效應的標線設計

1.1.1 基于透視原理的標線間距設計

圖1為道路透視原理工作圖，由圖1可以看出駕駛員的注視點與相鄰兩個標線間距之間的關系[11]。

H表示駕駛員注視點的高度；D1表示駕駛員注視點到標段1之間的水平距離；S表示相鄰兩個標段之間的間距；α表示駕駛員注視 點到標段1的俯角；β表示注視點到標段1與標段2的夾角 圖1 透視原理圖Fig.1 Perspective schematic diagram

根據圖1，可以推斷出各變量之間的關系為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：變量β、H、D根據實際應用確定取值，本文取視角β=1.4′；取H=1.5 m[2]；停車視距取值范圍D為100～140 m[12]。通過式(1)～式(5)可確定基于透視理論的標線間距值取值范圍為2.79～5.53 m。

1.1.2 基于閃現率原理的間距值設計

隧道進口處設置間距逐漸減小的交通標線可以使勻速行駛的駕駛員視野范圍內的標線條數增多，讓駕駛員的視覺受到刺激而自動降低速度[13]。研究表明當閃現率為4 bps時[14]，交通標線能更好地發揮減速效果。基于閃現率原理的交通標線如圖2所示。

基于閃現率的相鄰路面間距值的計算如圖2所示。A0表示第1條交通標線的位置，設定為初始位置零處，A1到An-1表示第2條到第n條交通標線的位置，L表示相鄰兩條交通標線間的距離；設車速為v(m/s)，行駛時間為t(s)，汽車加速度為a(m/s2)，由此可得標線間的間距計算公式為

(6)

(7)

Ln=An-An-1

(8)

據實際應用取v0=80 km/h；a=-3 m/s2；A0=0；f=4 bps 。求得各間距值如表1所示。

圖2 交通標線間距示意圖Fig.2 Schematic diagram of traffic line spacing

表1 基于閃現率原理的交通標線間距取值Table 1 Value of traffic line spacing based on the principle of flash rate

1.1.3 標線方案選定

方案一根據常規等間距法設計的隧道進口處道路交通標線。特點是標線間距及寬度一致，便于施工，但不能起到視覺誘導功能，標線未延伸進隧道內，不能很好地緩解隧道進口處明暗變化帶來的不適應感。交通標線布置如圖3所示，標線寬度及間距取值見表2。

方案二根據第1.1節中，基于透視原理與閃現原理設計的標線范圍，取兩者交集確定出的具有視覺誘導功能的交通標線。視覺頻閃效應不僅能起到提示和警醒作用，而且可以讓駕駛員感到速度過快而自覺控速[15]，設計標線如圖4所示，標線寬度及間距見表3、表4。

表2 標線寬度及間距取值(方案一)Table 2 Values of line width and spacing (Scheme 1)

表3 標線寬度取值(方案二)Table 3 Value of line width (Scheme 2)

表4 標線間距取值(方案二)Table 4 Value of line spacing (Scheme 2)

1.2 實驗設計

1.2.1 眼動特征指標

在行車過程中，駕駛員眼動形式主要包括注視[16]、掃視和眨眼。眼動信號的三種基本形式不僅是人體應對外界刺激的一種生理現象，而且還能反映駕駛員生理狀態和工作負荷。選擇眼動信號為試驗指標，具體表現為瞳孔面積變化率和注視區域。

(1)瞳孔面積變化率。視覺系統是人體獲得外部信息的途徑之一，是通過瞳孔獲得影像。瞳孔的大小可以使用直徑或面積來表示[13]，在交叉神經和副交叉神經的共同作用下，瞳孔將產生放大或縮小的反應[17-18]。由于不同個體瞳孔的大小是不一樣的，因此，采用瞳孔變化率反映駕駛員在行駛過程中的緊張程度[19]，瞳孔變化率計算公式為

圖3 交通標線布置示意圖(方案一)Fig.3 Schematic diagram of traffic marking layout (Scheme 1)

圖4 交通標線布置示意圖(方案二)Fig.4 Values of line width and spacing (Scheme 2)

(9)

式(9)中：ρ為瞳孔面積變化率，%；S1為模擬駕駛試驗前駕駛員瞳孔面積，mm2；S2為模擬駕駛試驗時駕駛員瞳孔面積，mm2。

(2)注視區域熱力圖。在行駛過程中，分析駕駛員的注視區域[20]，研究駕駛員前方視線范圍內注視區域的分布特征，需采用視覺吸引力。試驗過程中，采用眼動實驗儀捕捉瞳孔位置，利用注視點位置表征視覺吸引力。通過繪制眼動軌跡圖和熱力圖，研究在行車過程中，駕駛員視覺關注點的重疊區，以此判斷視覺重點關注區域。根據相關研究可得，駕駛員注視區域可劃分為如下五個區域(圖5)。

路面熱力圖利用顏色編碼，通過不同的顏色表示駕駛員的注視頻率和注視時間的長短[21]，如圖6所示，淡藍色表示駕駛員注視頻率低少且注視時間短，紅色表示注視頻率高且注視時間長，中間穿插著其他顏色，無顏色區域表示駕駛員注視時間極短或未注視。注視時間大于100 ms時，熱力圖上就會顯示顏色，隨著注視時間增長顏色加深，當注視時間超過255 ms時，熱力圖上的注視點顏色不再變化。顏色越深表示注視時間越長，對駕駛員的吸引力也越好。

圖5 駕駛員注視區域劃分Fig.5 Division of driver’s gaze area

1.2.2 實驗準備

(1)試驗儀器。本試驗采用SMI iView X RED遙測式眼動儀，產品規格參數見表5。

(2)試驗對象。本次試驗充分考慮到受試者的性別、年齡、駕齡等因素，共選取85名受試者參與本次試驗。其中男性54人，女性31人，年齡分布見表6。所有參與測試的人員均持有機動車駕駛證1年以上，并且身體狀況良好。

圖6 熱點圖Fig.6 Hotspot diagram

表5 試驗儀器產品規格Table 5 Test instrument product specifications

表6 受試駕駛員年齡分布情況Table 6 Age distribution of test drivers

1.2.3 試驗流程

試驗以中長隧道為模擬場景，對于標線顏色的顏色選擇因篇幅有限不再敘述，參考相關研究本試驗的交通標線采用黃色[9]。由于隧道進口處的標線長度不一致，測試從進洞前10 s開始記錄，到進洞后30 s結束，模擬車速80 km/h。為減少試驗人員因自身狀態對測試數據產生干擾，試驗前不能將試驗意圖與目的告知受試駕駛員，應在未知的情況下進行測試，實驗步驟如下。

(1)試驗人員坐在安裝有眼動試驗儀的顯示屏前，調整座椅高度及前后距離，使受試人員的眼睛與眼動試驗儀之間的距離保持在60 cm左右。

(2)調整眼動試驗儀的仰角，使實驗人員的平視注視點位于儀器顯示屏的正中央。

(3)讓受試人員佩戴耳機，并由專人播放模擬高速上行駛的音頻和視頻，即可開始試驗。待一位受試人員完全模擬完整個行駛過程后，才可更換下一位受試者。

2 實驗結果分析

試驗過程中，受試者的瞳孔大小、注視點、注視區域等實驗指標皆由眼動儀捕獲，從眼動實驗儀中導出的數據包含了受試者編號測試時間、注視點坐標、瞳孔直徑等參數。為確保試驗的精確度，進行眼動儀對受試者眼睛運動狀態的追蹤率計算，結果顯示：最大追蹤率達到97.6%，最小達到94.7%，表明本次試驗可達到精度要求。在整個測試過程中，除受試人員正常眨眼外，還會因為疲勞而導致眼動儀捕捉瞳孔信號失敗，因此在導出的原始數據中會出現少量數據缺失。通過對缺失數據進行線性規律擬合補充預處理，以保證測試數據完整性。

2.1 瞳孔面積分析

對受試者的瞳孔面積進行統計，分析比較三種方案下瞳孔面積的變化情況，下面列出10名受試者的統計數據，見表7。

由表7的數據對比分析可得，路面鋪設交通標線后與未鋪設相比，受試者的瞳孔面積明顯較小。表明道路在鋪設交通標線后，能緩解駕駛員的緊張心理。方案二與方案一相比可得出，方案二的緩和作用優于方案一。

為進一步研究三種方案給受試者帶來的生理和心理影響，根據式(9)計算各個受試者的瞳孔面積變化率和標準差，結果見表8。

為保證計算所得的瞳孔面積變化率的有效性，將三種方案的隧道進口處駕駛員瞳孔面積變化率繪制了統計P-P圖(圖7)。由不同方案的瞳孔面積變化率P-P圖可以看出樣本點與理論參考線基本擬合，表明瞳孔面積變化率符合正態分布，具有統計學意義。

通過表8瞳孔面積變化率分析可得出，方案二受試者的瞳孔面積變化率相對較小，并且分析受試者的年齡、性別、駕齡等特點可以看出，駕齡較長、經驗豐富的駕駛人員在面對突變的環境時，瞳孔變化幅度較小，適應能力更好。分析對比標準差發現對照方案的值最大，方案二最小，方案一居中，說明對照方案的離散性高，瞳孔變化幅度大，駕駛員極易感到疲勞。為獲得駕駛員在隧道進口處過渡段瞳孔面積變化的普遍規律，現將多名受試者瞳孔面積變化率進行計算整合，并繪出平均瞳孔面積變化率曲線見圖8。

表7 瞳孔面積統計分析Table 7 Statistical analysis of pupil area

表8 瞳孔面積變化率與標準差Table 8 Change rate and standard deviation of pupil area

圖7 瞳孔面積變化率P-P圖Fig.7 P-PFigure of change rate of pupil area

圖8 三種方案模擬場景下駕駛員的平均瞳孔面積變化率Fig.8 Change rate of average pupil area of drivers in the simulated scenarios of the three schemes

根據平均瞳孔面積變化率曲線圖可得，方案一和方案二都優于對照方案。對比分析三種方案的瞳孔面積變化率曲線圖可看出，無論哪種方案，在進入隧道前10 s內，瞳孔面積變化率普遍上升，在進入隧道后，15～25 s時達到峰值，之后瞳孔面積變化率有所下降并趨于穩定。隧道進口處若未設置交通標線，則駕駛員在行駛過程中，瞳孔面積變化率達到的峰值較大，并且瞳孔面積變化率的變化幅度范圍也較大，這說明駕駛人員的心理緊張程度較高，而受試人員通過設置有道路標線的隧道口時，瞳孔面積變化率的峰值與瞳孔面積變化率的變化幅度相對較小，表明設置的交通標線起到了警醒作用，有效地緩解了由于環境所產生的“黑白洞效應”[22-24]以及駕駛員的緊張心理。具體來看，方案二在緩解駕駛員心理緊張的情緒方面效果更好。

2.2 路面熱力圖及眼動軌跡

圖9、圖10為方案一與方案二的路面熱力圖與眼動軌跡圖。從圖9可看出，受試者在兩種方案的模擬過程中關注點比較集中。從圖10分析可得，整體上受試人員在行駛過程中眼動軌跡具有相似性，但方案一路面眼動軌跡與方案二相比，受試者的注視區域相對分散，說明在模擬行駛過程中，駕駛人員會分散自己的注意力去觀察周圍的環境。因此，方案二能更好地吸引駕駛員的注意力，有利于行車安全。

為使眼動軌跡更加具體直觀，設注視區域中心為坐標原點，進行描點，并計算各注視點到原點的距離，繪制眼動特征離散圖如圖11所示。根據式(10)求出各方案的注視點方差，對比方差可得出各方案中駕駛人員眼動特征的離散程度。

(10)

圖9 路面熱力圖Fig.9 Thermal diagram of road surface

圖10 路面眼動軌跡Fig.10 Eye-movement trajectory of road surface

圖11 眼動特征離散圖Fig.11 Discrete image of eye movement features

3 結論

提出了一種基于透視原理與閃現率原理的隧道進出口處的減速標線，通過虛擬駕駛技術，利用眼動特征對不同類型的交通標線和不設標線的路面進行檢測，通過分析研究得到以下結論。

(1)依據透視原理與閃現率原理設計的減速標線寬度為3.0、3.0、3.0、2.8、2.8、2.6、2.6、2.4、2.4 m，間距為5.1、5.1、4.9、4.7、4.5、4.3、4.1、4.0、3.8 m，標線寬度與間距沿行車方向逐漸減小。

(2)由受試者的瞳孔變化可以清晰地看出不同類型的道路標線對駕駛員的生理和心理的影響有明顯的不同。具有視覺誘導功能的標線延伸進隧道洞內20 m, 緩解了因隧道進口處行車環境的突變帶來的緊張心理，與傳統的標線相比受試人員的瞳孔面積變化率較小。

(4)本研究選取的模擬場景為限速80 km/h，對于其他限速條件下的標線寬度和間距對車速的影響規律，可采用同樣的理論和方法進行試驗驗證，更好地為山區高速的建設與發展提供參考。