高速公路隧道進出口視覺振蕩與行車安全研究

王亞楠

（招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 404100）

0 引言

進入21世紀以來，我國公路建設事業快速發展，截至2021年年底我國公路總里程達到528 萬km，穩居世界第一位。伴隨公路項目的快速建設，隧道作為一種基礎交通設施也獲得了快速發展，到2020年我國公路長隧道總數達到了5541 處。既有調查顯示，公路隧道進出口是引起事故“黑點”的主要路段，進出口明暗度驟然改變，以致車輛駕駛員視覺、生理及心理負荷均顯著增加，很容易出現不良的駕駛操作行為，嚴重時引起交通事故。過去國內很多學者針對公路隧道進行的研究多集中在線形安全設計及行車視距理論分析上，但是缺少可靠的行車試驗數據支持，對駕駛人員視覺反應帶來的影響關注度不夠。本文以大量的隧道進出口行車試驗研究作為支撐，闡明駕駛員瞳孔對光照改變做出的反應，研究視覺反應特性，以闡明隧道進出口這一特殊路段內交通事故頻繁的成因。

1 采集分析試驗數據

1.1 隧道

選擇數條隧道作為研究對象，被選擇隧道的限速范圍60.0～80.0km/h。該研究中選定的試驗隧道長度集中在1500.0～2440.0m 范圍內，水泥、瀝青路面隧道各5 組。

1.2 設備和人員

以EMR-8B 型眼動儀（日本）測定駕駛員的動態視覺資料；以MS6610 型照度儀配合應用自主研發的車輛三軸加速采集儀測定車輛加速狀況。研究的車輛是比亞迪G3。

1.3 試驗比較要素

正式進行試驗研究之前，提取晝間不同時間段內和隧道進出口照度相關的資料，并且嚴格按照規范要求逐一測出行車加速度、駕駛員瞳孔直徑大小，借此方式更合理地分析車速、駕駛員瞳孔面積等數據之間的相關性[1]。

2 照度和駕駛員瞳孔變化的關系

2.1 瞳孔變化和駕駛負荷大小的關系

個體瞳孔擴大預示著其產生的心理生理負荷偏大。駕駛員在駕車活動中，依賴瞳孔獲得80.0%～90.0%的外部信息，95.0%的視覺信息處于動態變化中，駕駛員自身的動態視覺特性直接關系著是否會發生交通事故。對于駕駛員而言，瞳孔面積變化能較好地闡釋其視覺適應及駕駛負荷程度。隧道進出口路段照度驟然改變，導致車輛駕駛員瞳孔面積出現較明顯的變動，可以應用眼動儀完整地記錄分析這種變化，在此基礎上更科學地評估實際駕駛負荷及車輛行駛環境的舒適度。

2.2 照度和瞳孔面積的關系

將隧道內路面照度設定為E，駕駛員試驗瞳孔面積為S，為隧道進出口樣本創建log（E）-log（ES）關系圖。于差異化控制變量之間檢驗log（E）-log（ES）的線性關系。發現在顯著性水平為0.001 的情景下，log（E）-log（ES）呈明確的一次線性關系，據此可以初步認為在隧道進出口存在著log（ES）=alog（E）+b，即有：

式（1）中：a、b 都是常數，因路面形式、進出口外形、駕駛人員自身視覺特異性的不同而稍有差別。

2.3 瞳孔面積和亮度的關系

因為路面亮度L 和其照度之間存在著正比例關系，有：

式（2）中：q是常數,即亮度系數，與路面材料反射特性之間存在著密切的關聯性。將式（2）代入式（1），有：

式（3）表示駕駛員瞳孔面積和隧道進出口亮度水平之間存在著冪函數關系，即和Stevens 定律保持一致。

2.4 瞳孔面積變化速度的分析

將式（1）左右兩側對時間t 進行求導，就能獲得瞳孔面積變化速度：

在隧道進出口50.0m 范疇中，行車時間約2s，因為實際行程偏短，為了精簡運算過程，可以將其看成是勻速V（km/h）行駛，則可以用式（5）表示瞳孔面積的變化情況：

3 視覺振蕩及視覺舒適度的測評指標

3.1 視覺振蕩現象

當汽車以較高速度通過隧道進出口時，因為存在著強烈的明暗過渡，以致駕駛員的瞳孔面積剎那間快速變化，并且瞳孔面積變化率呈快速提高的態勢；若實際超出了駕駛員的視覺適應水平，將會造成瞳孔很難精準聚焦，此時很難確保視網膜上成像的清晰度，進入瞬時盲期。筆者將以上駕駛員光適應期間出現的“瞬盲”現象叫作視覺振蕩，其成因主要包括如下三點。

第一，這種“瞬盲”現象是個體視覺適應時形成的，主要體現是早期瞳孔面積暫時性快速增大及隨之而來的瞳孔面積縮小，以上是十分典型的雙相漲落式變化過程。

第二，這是經典的視覺自適應表象，并且和醫學臨床上的眼震之間存在著本質性差別。

第三，這種現象和醫學領域內的心律振蕩情況之間表現出較高的相似度。

3.2 視覺舒適度測評指標

3.2.1 視覺振蕩的持續時間以及換算系數

國內外大量學者對視覺振蕩持續時間進行了大量的研究，關于其持續時間普遍被認可的是：如果個體在某一時刻自身瞳孔面積和相鄰正常時刻擴大50.0%甚至是更多，那么可以將相應時刻叫作視覺振蕩的開始點；若某一正常時刻的瞳孔面積和前一相鄰時刻相比減小50%或更多，那么可以將該時刻叫作視覺振蕩的結束點，由振蕩開始點至結束點的車輛運行時間就是視覺振蕩的持續時間[2]。

既有晝間行車試驗研究發現，70.8%的隧道進口和95.2% 的隧道出口視覺振蕩持續時間為0.05～1.00s，刺激時間均較短暫，可以將其分別定義為換算系數(μ) 與換算視覺振蕩時間(tc)，如式（6）、（7）所示。

式（6）～式（7）中：t0、tv分別為視覺振蕩開始時間、持續時間；S(t)為t 時刻的瞳孔面積；S1為瞳孔的最大面積，眼動儀默認成人的瞳孔最大直徑是10.0mm，所以取S1=78.54mm2。

3.2.2 創建視覺舒適度測評指標

既有研究指出，當視覺刺激＜0.1s 時不會使駕駛員產生不良知覺，而心理學試驗研究中經常選擇0.2s作為最小視覺刺激時間。在合理分析駕駛員視知覺的基礎上，創建了表1 的測評指標。

表1 隧道進出口路段駕駛員視覺舒適度測評指標

3.2.3 二次視覺振蕩

有學者在隧道進出口路段進行了行車試驗分析，發現當車速＞100.0km/h、tc＞0.2s 時，隧道進口、出口出現二次視覺振蕩現象的占比分別達到了60.0%、44.4%，振蕩的時間間隔都不足1.5s；而將車速控制在90.0km/h 以下時，駕駛員不會出現二次視覺振蕩現象。

針對駕駛員出現的二次視覺振蕩現象，如果兩次相鄰tc≤0.2s，并且間隔時間＜1.5s 時，則可以將相鄰的兩次視覺振蕩看成是單個視覺振蕩過程。分別運算出兩次視覺振蕩以及中間正常段對應的tc值，累計三段tc值就是隧道進出口行車全過程的換算視覺振蕩時間持續長度。

3.3 視覺振蕩的試驗研究

3.3.1 車速與視覺振蕩

在108 次有效隧道試驗試樣內，白天、夜間試樣分別有73 次、35 次。

分析隧道進出口車速V 和換算系數μ 之間的關系，當車速V＞90.0km/h 時，μ ≈1.0；V＜0.0km/h時，μ ＜0.85，并且在該區間內，伴隨車速的增加，視覺振蕩強度水平也呈現出逐漸變大態勢；將車速調控在90.0km/h，則有助于弱化視覺振蕩強度即減少二次振蕩現象發生的風險。

分析隧道進口車速和換算視覺振蕩時間持續長度兩者的關系，當車速被控制在40.0～85.0km/h 范圍時，tc值大小和車速之間存在著負相關性。而當隧道出口車速是90.0～120.0km/h 時，tc和車速之間呈正比例關系，即伴隨車速的增加，tc值也隨之增大。

綜合以上分析內容，針對限速是80.0km/h 的公路隧道，在隧道進口路段如果能將車速控制在85.0km/h 以下時，駕駛員就不會產生較大的視覺振蕩強度，并且也有助于減少或規避二次視覺振蕩這種異常現象。

3.3.2 視覺振蕩的試驗結果

表2 內羅列出了行車試驗分析所得的隧道進出口的tc值，并且依照視覺舒適度測評指標做出對比分析。

表2 隧道進出口行車試驗的tc 值統計

分析表2 內統計的各類隧道進出口tc均值，能夠對進出口路段內駕駛員視覺舒適度進行排序，即夜間出口＞白天出口＞白天進口。這就預示著駕駛員在隧道進出口的暗適應比明適應困難更大，并且伴隨照度過渡斜率的增加，出現視覺障礙的概率也會有所增加。

3.4 基于視覺適應的停車車距分析

駕駛員在明暗適應過程中因出現視覺振蕩現象而產生了不同程度的視覺障礙問題，帶來的最直接后果是個體認知反應時間延長，故而在隧道進出口這一特殊路段內應適度增加停車視距，從而使行車過程的安全性、可靠性得到更大保障，以視覺適應作為基礎的停車視距要符合如下關系等式：

在式（8）內，Ls表示最小行車視覺的增加，其滿足：

當車速V在行車速度是100.0km/h、80.0km/h 時應用設計速度的85.0%，行車速度是60.0km/h 時應用設計速度的90.0%，依照式（8）、（9）運算獲得基于視覺適應的隧道進出口的停車視距（見表3）。

表3 基于視覺適應的隧道進出口的停車視距

表3（續）

綜合分析表3 內的數據，公路隧道進出口的停車視覺和現行規范要求的數值增加了20.0～30.0m，為了能給隧道工程設計工作創造便利條件，可以嘗試將進出口的停車視距進行統一取值[3]。

4 結語

本文在分析視覺振蕩概念的基礎上，應用換算視覺振蕩時間創建了駕駛員視覺舒適度測評指標，嘗試應用量化形式評估隧道進出口行車安全性與駕駛員主觀舒適度。對于限速是80.0km/h 的隧道，要求其進出口行車速度不可超過85.0km/h，借此方式將駕駛員的視覺振蕩強度維持在較低范疇內，減少或規避二次視覺振蕩的現象，有助于增加視覺感官的舒適度。同時，應適當增加隧道進出口的停車視距，建議比現行規范增加20.0～30.0m 左右。以此提高隧道進出口車輛行駛安全性，保障高速公路的安全運行。