低等級公路隧道視線誘導設施綜合評估分析

摘要：為明確單個視線誘導設施在單洞雙向公路隧道不同路段對駕駛行為的影響，文章基于駕駛模擬技術提出了針對低等級公路隧道視線誘導設施綜合評估的一般性方法。采用UC-win/Road軟件構建低等級公路隧道突起路標、輪廓標、反光環以及側壁涂料的仿真場景，并對33名駕駛人展開模擬駕駛試驗，獲得眼動數據以及駕駛行為數據，以此選取7項評估指標；采用單因素重復測量方差分析，排除無效指標后采取TOPSIS方法實現量化評估。研究結果表明，在低等級公路隧道小半徑彎道段、直線段、大半徑彎道段對應的最優方案依次是反光環方案、側壁涂料方案、輪廓標方案。

關鍵詞：交通工程；視線誘導設施；駕駛模擬；優劣解距離（TOPSIS）評估方法

中圖分類號：U491.5

0 引言

隧道視線誘導設施在提高隧道交通安全方面發揮著十分重要的作用［1］，正確評估隧道視線誘導設施的情況并進行優化設置，能夠提升隧道交通的安全性水平，降低交通事故的風險，保障交通運輸的暢通與安全。但是目前針對隧道視線誘導設施的研究以及相關規范標準比較缺乏，針對隧道不同路段如何使用、評估、優化視線誘導設施缺乏科學有效的、客觀的、綜合的評估方法。TOPSIS綜合評價法主要利用數據的信息［2］，客觀準確地揭示各方案之間的優劣水平差距。趙曉華等［3］針對國省干道無信號交叉口的交通安全設施配套設置問題，采用TOPSIS方法從交叉口安全性、預見性、舒適性3個方面實現交叉口組合方案的單目標量化評估。戶佐安等［4］構建了TOPSIS法和灰色關聯分析的多屬性決策模型，以成都市為例，對其交通信息網絡布局模式進行了優選。劉丹等［5］從道路交通事故視角出發，將因子分析引入TOPSIS法，建立區域交通安全評價指標體系，以動態評價道路交通安全水平。江福才等［6］為對不同類型的水上交通風險對象進行準確而高效的評價，綜合考慮現有風險評價方法及軟件的優劣，基于熵權TOPSIS模型，開發一種水上交通風險評價軟件，發現基于熵權TOPSIS模型的水上交通風險評價軟件功能正常、操作簡便、準確性好，具有較強的實用性。

綜上所述，TOPSIS評價方法在各個領域都有廣泛的應用，具有良好的適應性與合理性。通過與其他評價方法的比較可以發現［7］，TOPSIS法在目標量化評估方面具有明顯的優勢，其結果更加準確、可靠，而且可以很好地反映不同指標之間的關系和權重。鑒于此，本文基于駕駛模擬技術運用TOPSIS方法對低等級公路隧道不同路段視線誘導設施的設置效果進行綜合評估，結果具有較強的客觀性和科學性，可為隧道視線誘導設施的優化設置提供依據。

1 駕駛模擬試驗

1.1 隧道參數的選取

本次試驗搭建單洞雙向兩車道隧道模型，如圖1所示。隧道全長2 000 m，設計速度為50 km/h，車道寬度為2×3.75 m。

1.2 場景設計

在分析低等級隧道不同路段交通運行環境特征的基礎上，搭建了空白組以及分別設置輪廓標、反光環以及側壁涂料的仿真場景如圖2所示。

1.3 試驗流程

本次試驗共招募33名持照駕駛人作為受試者，其中男性駕駛人23名，女性駕駛人10名，年齡分布在24～54歲，駕齡均gt;2年，受試者均視力正常或佩戴眼鏡后視力正常，身體健康，且都有過在隧道中的行駛經歷。

試驗采用基于UC-win/Road的駕駛模擬器采集駕駛績效指標，通過眼動儀采集試驗所需的瞳孔數據。

在正式試驗開始前，每個被試者都會從上述4個場景中隨機抽取2個進行預試驗，確保被試者熟悉試驗的流程。為了減少誤差，被試者的試驗場景順序是隨機分布的。為避免被試者長時間駕駛造成疲勞，被試者一次只駕駛1個場景，每次駕駛至少間隔10 min。

2 低等級公路隧道視線誘導設施評估指標

本文在考慮視線誘導設施對駕駛人駕駛行為和視覺影響的基礎上選取7項指標構建評價體系。

2.1 評估指標數據分析

2.1.1 速度特性分析

平均速度可以反映整個行駛過程中的速度變化和行駛效率，研究表明較為緩慢的平均速度有利于駕駛安全［8］。由圖3可知，在直線段，空白組方案的平均速度高于其他3種方案的對應值；在彎道路段，相較于視線誘導設施方案，空白組速度降低幅度大，減速程度急劇，說明視線誘導設施可以輔助駕駛人控制速度。

速度標準差值越小，表明速度波動越小，駕駛行為越平穩，車輛行駛越穩定。由圖4可知，反光環和側壁涂料場景速度標準差小，輪廓標場景在直線段的速度標準差明顯高于大半徑和小半徑輪廓標場景的對應值，可能是因為輪廓標設置在直線段駕駛人的速度錯覺程度較高；在大半徑和小半徑輪廓標的表現良好說明輪廓標設置在彎道有較好的局部方向感，降低了駕駛人的彎道錯覺。

2.1.2 加速度特性分析

研究表明，加速度能體現駕駛者心理上的緊張感，體現駕駛舒適性［9］。加速度絕對值越小，表明駕駛人掌控速度的能力越強，可以用來評估車輛行駛的穩定性。由圖5可知，加速度在小半徑分布最為離散，是因為相比于直線路段與大半徑彎道，駕駛人的駕駛任務更復雜。總體來說，視線誘導設施場景的加速度指標值優于空白組，駕駛人在視線誘導設施場景減速行為更少，表明駕駛人掌控速度的能力越強。

加速度標準差越小，表明加速度變化越平穩，駕駛人控制車輛的能力越強，不容易出現危險的駕駛行為。由圖6可知，反光環方案的加速度以及加速度標準差指標在小半徑段均表現良好，反光環屬于大尺寸誘導設施，具有較強的可視性，在小半徑彎道段可以給駕駛人提供較好的距離感和整體方向感，提升了駕駛人對道路線形變化的感知。

2.1.3 軌跡偏移特性分析

軌跡偏移是指車輛在行駛過程中相對于預定道路中心線的偏離程度，其值越小，意味著駕駛人能夠更加精確地判斷車輛與道路之間的相對位置，保持在所需的車道或道路中心位置上，駕駛人對車輛的操控越容易，轉向響應準確性越高。由圖7～8可知，在大半徑彎道和直線路段空白組的軌跡偏移均高于視線誘導設施場景，說明在隧道內設置視線誘導設施之后增強了駕駛人對車輛橫向位置的感知，提升了車輛行駛的穩定性。

2.1.4 瞳孔面積特性分析

瞳孔面積即駕駛人對外界環境的適應程度，能夠反映駕駛人心理、生理的負荷程度［10］，其值越小，表明駕駛人的視覺負荷越小，緊張程度越低，駕駛舒適性越高。由圖9可知，空白組的瞳孔面積均高于視線誘導設施場景，說明設置不同視線誘導設施會降低駕駛人的心理負荷，減少駕駛人的緊張程度以及提升駕駛舒適性。值得注意的是，側壁涂料場景的瞳孔面積指標表現優秀，可能是因為在建模場景中，側壁涂料加強了場景整體亮度，駕駛模擬雖然有較高的保真度，但是無法避免與實車試驗存在一定感官上的差異。

2.2 評估指標統計學意義分析

采用單因素重復測量方差分析對4種方案對應的評價指標進行顯著性分析，結果顯示平均速度指標在大半徑未通過球形檢驗，在直線段和小半徑彎道段沒有顯著性差異，不具備統計學意義；其余6項指標在隧道不同路段不同視線誘導設施方案間均存在顯著性差異，具備良好或一定程度上的統計學意義。

故在排除無效指標平均速度的基礎上選取瞳孔面積、速度標準差、加速度、加速度標準差、橫向偏移、偏移標準差6個評估指標來反映其對駕駛行為的影響。

3 TOPSIS綜合評估

不同指標下視線誘導設施方案的優劣不同。為全面客觀反映不同視線誘導設施對駕駛人駕駛行為的影響，采取TOPSIS方法實現低等級隧道不同路段不同視線誘導設施對提高駕駛績效的量化評估。

3.1 TOPSIS基本原理

（1）數據預處理。首先確定需要進行評估的決策對象，以及參考的評價指標。利用原始試驗數據構建決策矩陣X=Xiji= …，n；j= …，m。

（2）原始矩陣指標正向化。極大型指標X#ij=Xij，極小型指標采用公式X#ij=1/Xij進行轉換。

（3）正向化矩陣標準化。為了消除不同指標量綱的影響，對矩陣中的每一個元素有：

可知，0≤C*i≤ 且C*i越大，說明該視線誘導設施方案越接近該路段的理想方案，反之則與最劣方案越接近。

3.2 基于TOPSIS方法的視線誘導設施綜合評估

以大半徑彎道段為例敘述各視線誘導設施方案的TOPSIS綜合評估過程，試驗數據如表1所示。

根據表2可以得出，TOPSIS綜合評估模型顯示，在各個路段3種視線誘導設施方案均優于空白組，說明輪廓標、反光環和側壁涂料等視線誘導設施能提高駕駛人在隧道行駛過程中的安全性、舒適性與穩定性。

在小半徑彎道段反光環方案和理想解最接近，其次是側壁涂料方案、輪廓標方案、空白組方案，說明通過設置反光環豎向路線更加明確，可以很好地顯示隧道彎道線形走向，提升駕駛人對道路線形變化的感知。反光環屬于大尺寸的誘導設施，可視距離遠，使駕駛人具有良好的可視距離。

在直線段側壁涂料方案和反光環方案與理想解都較接近，其次是輪廓標方案、空白組方案，說明側壁涂料在直線段為駕駛人提供了更好的空間感與速度能力［11］。在實際情況下，考慮到反光環設置成本較高，清洗維護較困難，一般會安裝在駕駛任務更復雜的彎道路段。

在大半徑彎道段最優方案的排序依次是輪廓標方案gt;反光環方案gt;側壁涂料方案gt;空白組方案，說明輪廓標在隧道彎道路段具有良好的視覺誘導效果，具有較好的可連續視認的速度感和局部方向感，便于駕駛人感知、決策、執行。

4 結語

（1）本文針對低等級單洞雙向公路隧道構建突起路標、輪廓標、反光環以及側壁涂料4種視線誘導設施設置方案，運用駕駛模擬技術獲取駕駛人的眼動數據以及駕駛行為數據，選取7項評估指標。

（2）結果表明在速度控制方面視線誘導設施可以輔助駕駛人控制速度，使駕駛行為更平穩；在加速度控制方面視線誘導設施可以緩解駕駛人的心理緊張程度，提高駕駛人控制車輛的能力；在軌跡偏移方面視線誘導設施能夠提升駕駛人對車輛橫向位置的感知以及操縱水平；在瞳孔面積方面，合理的視線誘導設施能夠顯著地改善駕駛人視覺環境，提升交通安全性。

（3）TOPSIS綜合評估模型顯示，視線誘導設施能提高駕駛人在隧道行駛過程中的安全性、舒適性與穩定性，在低等級公路隧道小半徑彎道段、直線段、大半徑彎道段對應的最優方案依次是反光環方案、側壁涂料方案、輪廓標方案。

（4）本文基于駕駛模擬技術提出了針對低等級公路隧道視線誘導設施綜合評估的一般性方法，結果具有較強的客觀性和科學性，可為隧道視線誘導設施的優化設置提供依據。同時，駕駛模擬雖然有較高的保真度，但是無法避免與實車試驗存在一定感官上的差異。

參考文獻

［1］杜志剛，徐彎彎，向一鳴.基于視線誘導的公路隧道光環境優化研究框架［J］.中國公路學報，2018，31（4）：122-129.

［2］王順利，王正彬，王淑偉.基于熵權TOPSIS法的客運專線引入鐵路地區方案研究［J］.武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2014，38（3）：630-633.

［3］趙曉華，樊兆董，張常奮，等.基于TOPSIS與灰色局勢決策的無信號交叉口交通安全設施綜合評估［J］.北京工業大學學報，2019，45（7）：671-678.

［4］戶佐安，蒲 政，包天雯，等.基于TOPSIS法和灰色理論的交通信息網絡布局優選［J］.交通運輸工程與信息學報，2018，16（3）：38-45.

［5］劉 丹，裴 虹，程靈希，等.基于改進TOPSIS法的區域道路交通安全評價［J］.武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2018，40（2）：136-140，146.

［6］江福才，王 晨，張 帆，等.基于熵權TOPSIS模型的水上交通風險評價軟件設計［J］.上海海事大學學報，2017，38（3）：31-35.

［7］張 靜，張智慧，李小冬，等.基于熵權的TOPSIS法的港口軍事運輸能力評估［J］.清華大學學報（自然科學版），2018，58（5）：494-499.

［8］葉斯哈提·阿扎提，王雪松，馮錫榮，等.山區高速公路多車交通事故統計分析［J］.汽車與安全，202 299（11）：92-95.

［9］焦方通，杜志剛，王首碩，等.城市水下特長隧道出入口視覺及舒適性研究［J］.中國公路學報，2020，33（6）：147-156.

［10］于 麗，羅 翔，王 松，等.基于人眼舒適性的公路隧道照明適應曲線修正［J］.現代隧道技術，202 58（S1）：73-80.

［11］何世永，梁 波，羅 紅.不同隧道側壁涂料對汽車司機視覺反應的研究［J］.現代隧道技術，2017，54（1）：48-54.

收稿日期：2023-10-17

基金項目：武漢理工大學襄陽示范區研究生創新實踐項目“基于心理旋轉的城市交叉口中分帶安全島優化設計”（編號：XYDZ-2022C01）

作者簡介：王雨璇（1998—），碩士，研究方向：交通安全。