基于決策視距的隧道洞門立面標(biāo)記方案比選*

蔣錦港 杜志剛* 徐耀賜 馬兆有

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (逢甲大學(xué)運(yùn)輸科技與管理系2) 臺(tái)灣 40724)(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3) 上海 201804)(公安部交通管理科學(xué)研究所道路交通安全公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室4) 無(wú)錫 214151)

0 引 言

公路隧道入口段作為事故黑點(diǎn)，車輛撞擊隧道洞門事件頻頻發(fā)生.楊錦鳳等[1]統(tǒng)計(jì)分析2007—2014年木沖隧道下行線交通事故空間分布特征，指出隧道接近段和入口段為事故易發(fā)地段.鐘鼎文[2]將隧道地段劃分為六類，調(diào)查發(fā)現(xiàn)入口段事故率最高為3.65起/(km·年)，其次是接近段為2.92起/(km·年).黃靜[3]針對(duì)隧道交通事故起因的研究分析中指出公路隧道視覺(jué)負(fù)荷從大到小依次為：夜間隧道外，白天隧道內(nèi)，夜間隧道內(nèi)，白天隧道外.隧道進(jìn)出口視覺(jué)負(fù)荷顯著大于隧道中部視覺(jué)負(fù)荷[4].杜志剛等[5]基于駕駛員生理反應(yīng)，研究公路隧道進(jìn)出口視覺(jué)與行車安全的關(guān)系.因此，改善夜間隧道入口段和接近段的視覺(jué)環(huán)境對(duì)提升隧道安全具有重要意義.

李海光等[6]指出秦嶺隧道事故是由于入口整體和局部方向感不足導(dǎo)致的，并針對(duì)隧道入口段接近段通過(guò)反光環(huán)等誘導(dǎo)設(shè)施構(gòu)建高速公路隧道入口視線誘導(dǎo)性.傅磊[7]指出為加強(qiáng)對(duì)駕駛員的安全引導(dǎo)及警示效果，隧道入口洞門墻端面及檢修道側(cè)壁涂反光立面標(biāo)記.反光立面標(biāo)記可提醒駕駛員注意車行道內(nèi)或近旁有高出路面的構(gòu)造物，防止發(fā)生碰撞.馮浩等[8]基于復(fù)雜環(huán)境下駕駛員的前視距離研究路側(cè)交通標(biāo)志設(shè)置方法.張?zhí)m芳等[9]研究駕駛員在雙向通行長(zhǎng)隧道入口段的視認(rèn)距離與不同車速的關(guān)系.

目前隧道入口的研究主要集中在隧道入口段，并以停車視距作為隧道洞口安全設(shè)施可視距離的設(shè)計(jì)依據(jù)，沒(méi)有著重研究隧道接近段對(duì)行車的安全影響，也沒(méi)有研究隧道洞門立面標(biāo)記可視距離的設(shè)計(jì)依據(jù)，而且現(xiàn)存的研究成果幾乎沒(méi)有研究夜間隧道洞口立面標(biāo)記的可視距離和誘導(dǎo)性.因此擬通過(guò)研究隧道洞門立面標(biāo)記的布局方式和可視距離，以期為提高隧道入口安全性提出一種新的研究思路.

1 隧道洞門設(shè)計(jì)視距分析

1.1 立面標(biāo)記設(shè)計(jì)依據(jù)分析

文獻(xiàn)[10]將雙向交通隧道的照明需求分為五部分，即將車輛通過(guò)一個(gè)隧道的距離分為五段：接近段、入口段、過(guò)渡段、中間段、出口段.其中接近段的距離采用的是停車視距，即隧道洞門立面標(biāo)記的設(shè)置依據(jù)是停車視距.

但是由于夜間能見(jiàn)度低，車輛在駛?cè)胨淼狼?，無(wú)法有效判斷洞門位置，車輛行駛軌跡可能會(huì)偏離洞門，駕駛員需在采取變換車道、調(diào)整車速、停車等幾種駕駛行為中做出決策，比發(fā)現(xiàn)當(dāng)前車道前方障礙物單純的停車行為多出決策時(shí)間.所以采用停車視距作為立面標(biāo)記設(shè)計(jì)依據(jù)不夠安全，需要更長(zhǎng)的視距來(lái)提供額外的安全和操縱空間.

1.2 決策視距的引入

決策視距是指駕駛?cè)说靡园踩儞Q車道、車速、車向或停止，完成安全駕駛所需的距離.車輛行進(jìn)中，駕駛員如果遇到非預(yù)期或較復(fù)雜之資訊、路況，可能影響駕駛?cè)吮孀R(shí)或認(rèn)知其潛在危險(xiǎn)性，決策視距能夠提供駕駛?cè)说靡猿浞?、有效變換適當(dāng)車道、車速、車向或停止的安全駕駛距離.所以凡車輛運(yùn)行過(guò)程中須應(yīng)變(變換車道、變換車速、轉(zhuǎn)換方向、停車)者，都應(yīng)采用決策視距作為設(shè)計(jì)視距.

決策視距由六部分組成，見(jiàn)圖1.目視前方—發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)—辨識(shí)風(fēng)險(xiǎn)—應(yīng)變—開(kāi)始采取動(dòng)作—完成動(dòng)作.“目視前方-發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)-辨識(shí)風(fēng)險(xiǎn)”這一段距離定義為認(rèn)知距離，“應(yīng)變-開(kāi)始采取動(dòng)作-完成動(dòng)作”這一段距離定義為行動(dòng)距離.將車輛進(jìn)入隧道的距離分為兩部分：識(shí)別段、接近段.其中識(shí)別段的距離為決策視距中的認(rèn)知距離，接近段的距離為決策視距中的行動(dòng)距離.

圖1 決策視距

決策視距可以根據(jù)規(guī)范查詢得知，美國(guó)國(guó)有公路運(yùn)輸管理員協(xié)會(huì)(AASHTO)將決策視距分為“A，B，C，D，E”五種狀況，見(jiàn)表1.

表1 決策視距與停車視距規(guī)范比較

注：A-農(nóng)村公路車輛為決策而需停止；B-市區(qū)道路車輛為決策而需停止；C-農(nóng)村公路車輛為決策而需變換車速、車道或車向；D-郊區(qū)公路車輛為決策而需變換車速、車道或車向；E-市區(qū)道路車輛為決策而需變換車速、車道或車向.

由表1可知，決策視距的長(zhǎng)度大于停車視距.AASHTO將決策視距狀況分的更為詳細(xì)，能更好應(yīng)用到實(shí)際工程中.雖然決策視距可以根據(jù)規(guī)范查詢得知，但是規(guī)范只是保證了最低安全視距要求，為了更好的安全性，公路隧道入口的決策視距可以根據(jù)公式求得,車輛駛向隧道洞口的狀況符合C狀態(tài)，所以公路隧道入口決策視距的長(zhǎng)度也可采用公式計(jì)算.

D=0.278Vt

(1)

式中：D為決策視距長(zhǎng)度，m；V為設(shè)計(jì)速度，km/h；t為應(yīng)變操作時(shí)間，s，一般采用11 s.

識(shí)別段的長(zhǎng)度：

Dp=Vt

(2)

式中：Dp為識(shí)別段長(zhǎng)度，m；V為設(shè)計(jì)速度，mile/h；t為識(shí)別時(shí)間，s，一般采用2.5 s.

接近段的距離：

Dm=D-Dp

(3)

式中：Dm為接近段長(zhǎng)度.

文中研究的對(duì)象為公路隧道，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，AASHTO規(guī)范決策視距長(zhǎng)度為230 m；根據(jù)式(1)～(3)求得的決策視距長(zhǎng)度為245 m，識(shí)別段長(zhǎng)度為56 m，接近段的長(zhǎng)度為189 m.

2 立面標(biāo)記方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

1) 視覺(jué)關(guān)注 視覺(jué)關(guān)注機(jī)制(visual attention)是一種主動(dòng)選擇性的心理活動(dòng)，指人類視覺(jué)總能快速定位重要的目標(biāo)區(qū)域并分析.視覺(jué)關(guān)注可分為兩種模型.自底向上關(guān)注模型主要跟圖像內(nèi)容的顯著性相關(guān).心理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)[11-12]，當(dāng)目標(biāo)具有獨(dú)特的方向、形狀、顏色等特征，該顯著目標(biāo)將會(huì)自動(dòng)吸引更多的關(guān)注.在夜間，那些明亮的交通標(biāo)識(shí)會(huì)吸引駕駛員的關(guān)注.自頂而下關(guān)注模型與任務(wù)有關(guān).李偉平等[13]通過(guò)研究在不同任務(wù)條件下的注視點(diǎn)得出：人們搜尋與視覺(jué)高級(jí)認(rèn)知任務(wù)相關(guān)的目標(biāo)和區(qū)域而忽略其它區(qū)域.

駕駛員在行駛過(guò)程中，對(duì)前方道路的方向，障礙物，交通標(biāo)志等重要交通元素的注意狀態(tài)及對(duì)復(fù)雜情況的即時(shí)認(rèn)知和應(yīng)對(duì)處理是駕駛安全的保障.劉景升等[14]將不同類型安全標(biāo)志的視覺(jué)關(guān)注降序排列：指示、警告、禁止、提示.在夜間，在駕駛?cè)蝿?wù)指導(dǎo)下駕駛員的視覺(jué)會(huì)更加關(guān)注那些明亮的箭頭標(biāo)志等誘導(dǎo)指示信息，這些信息進(jìn)入眼球后，人腦會(huì)形成感知方向，并作出適當(dāng)?shù)男袆?dòng)或反應(yīng).這是一種自底向上關(guān)注模型.所以本文從視覺(jué)關(guān)注機(jī)制角度出發(fā)，提升隧道洞門立面標(biāo)記的顯著性和誘導(dǎo)性.

2) 視覺(jué)成像 人眼的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡，外界物體在視網(wǎng)膜上所成的像是實(shí)像，見(jiàn)圖2.物體A′B′視點(diǎn)高度為L(zhǎng)′，可視距離為d′，最小可見(jiàn)視角為α，物體垂直人眼的視線，并且視線經(jīng)過(guò)物體的中心.可以得到這樣的關(guān)系：

(4)

化簡(jiǎn)得到可視距離：

(5)

物體AB視點(diǎn)L比物體A′B′視點(diǎn)L′低，物體AB，A′B′的反射光經(jīng)過(guò)晶狀體，在視網(wǎng)膜形成等大倒立的像A″B″，像A″B″是人眼可分辨物體最小像，根據(jù)式(5)可得物體A′B′可視距離d′比物體AB可視距離d遠(yuǎn)，.所以物體越高越寬，即視點(diǎn)越高越寬，人能夠看到物體的距離越遠(yuǎn).

圖2 視覺(jué)成像簡(jiǎn)易模型

所以文中將通過(guò)提升立面標(biāo)記的視點(diǎn)高度和寬度，提升隧道洞門立面標(biāo)記的有效視認(rèn)距離.

2.2 方案設(shè)計(jì)

隧道洞門立面標(biāo)記是隧道入口段安全的一項(xiàng)重要內(nèi)容.文中研究高速公路隧道，結(jié)構(gòu)為分離式獨(dú)立雙洞隧道，車道寬3.75 m，限高5.0 m，右側(cè)向?qū)?.75 m，左側(cè)向?qū)?.5 m，檢修道寬度0.75 m.根據(jù)調(diào)查得知，目前我國(guó)隧道洞門立面標(biāo)記大多采用兩種形式.第一種方案是洞門兩邊各設(shè)置矩形黃黑立面標(biāo)記，高度一般只要求2.5 m，寬度沒(méi)有明確規(guī)定.為了方便比較，方案一的立面標(biāo)記采用高250 cm、寬60 cm的尺寸，見(jiàn)圖3a).第二種方案是在洞門設(shè)置30 cm寬的環(huán)形黃黑立面標(biāo)記，見(jiàn)圖3b).

圖3 改善前方案

針對(duì)隧道洞門立面標(biāo)記的改善設(shè)計(jì)主要包括兩部分：可視距離和誘導(dǎo)性功能.首先是可視距離的改善設(shè)計(jì)：根據(jù)視覺(jué)成像原理，視點(diǎn)越高越寬，可視距離d越遠(yuǎn)，所以采用30 cm寬環(huán)形黃黑立面標(biāo)記，視點(diǎn)縱向最高高度為730 cm，視點(diǎn)橫向最大寬度也變?yōu)? 105 cm.其次是增強(qiáng)誘導(dǎo)性：根據(jù)視覺(jué)關(guān)注原理，夜間駕駛員更加關(guān)注明亮的箭頭誘導(dǎo)信息，所以外側(cè)用寬20 cm，長(zhǎng)60 cm的兩根條形立面標(biāo)記組成雙箭頭樣式，指向隧道洞口，所以橫向視點(diǎn)寬度也變?yōu)? 225 cm，見(jiàn)圖4.

圖4 方案三

三種方案初步評(píng)價(jià)具體見(jiàn)表2.由于夜間立面標(biāo)記的可視距離還受夜間能見(jiàn)度、立面標(biāo)記逆反射率和汽車車燈照度等因素的影響，且夜間可視距離是否滿足決策視距要求，所以還需實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步評(píng)價(jià).

表2 改善后前后對(duì)比表 cm

3 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證方案的合理性，本實(shí)驗(yàn)采取3ds Max構(gòu)建夜晚隧道洞門模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，定義場(chǎng)景尺寸和照明環(huán)境，選用車輛燈具，并對(duì)燈具進(jìn)行安裝配置，模擬車輛開(kāi)著遠(yuǎn)光燈駛向公路隧道洞口，以60 km/h的速度±2.5 km/h的作為仿真視頻的速度.每個(gè)方案構(gòu)建駕駛員視角運(yùn)動(dòng)軌跡正常和運(yùn)動(dòng)軌跡偏離洞門兩個(gè)視頻.

向社會(huì)招募有駕駛經(jīng)驗(yàn)且矯正后視力1.0以上的被試者30人，分為20～30歲、>30～40歲和>40～50歲共三個(gè)年齡段，每個(gè)年齡段都為10人.

判斷準(zhǔn)確率指駕駛員在實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)確判斷出運(yùn)動(dòng)軌跡方向的概率，為

視認(rèn)距離是指駕駛?cè)诵熊嚳汕逦饕暻胺降木嚯x.本實(shí)驗(yàn)視認(rèn)距離的衡量指標(biāo)為：

視認(rèn)距離=駕駛員判斷出隧道入口時(shí)駕駛員與隧道洞口的距離.

在模擬實(shí)驗(yàn)中，判斷準(zhǔn)確率越高、視認(rèn)距離越遠(yuǎn)且滿足決策視距要求，說(shuō)明此方案效果越好.仿真視頻在E-prime平臺(tái)上進(jìn)行播放，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景是由三種方案組成，方案順序隨機(jī)，其中一個(gè)方案的駕駛員視角運(yùn)動(dòng)軌跡偏離洞門，并保證每個(gè)方案的駕駛員視角運(yùn)動(dòng)軌跡偏離洞門的次數(shù)相同.被試者在每個(gè)場(chǎng)景分別需重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)，30名被試者共計(jì)180次.

3.2 實(shí)驗(yàn)流程

步驟1利用3ds Max軟件制作仿真視頻，將所有視頻剪輯成同等時(shí)間長(zhǎng)度，然后在大屏幕上投影，被試者與大屏幕的距離設(shè)置為6 m.

步驟2實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前10 min，主試者講解實(shí)驗(yàn)流程，并且讓被試者熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境.

步驟3被試者按規(guī)范進(jìn)行就坐，在主試者的提示下進(jìn)行模擬駕駛實(shí)驗(yàn).

步驟4播放視頻，計(jì)時(shí)起點(diǎn)為隧道前400 m處，被試者判斷出隧道口時(shí)按下儀器上對(duì)應(yīng)按鈕，記下距離，隨后繼續(xù)，抵達(dá)接近段的時(shí)候，駕駛員需判別是否需要糾正方向并按下對(duì)應(yīng)按鈕，隨后直到仿真結(jié)束.

步驟5暫停2 min播放事先準(zhǔn)備好的風(fēng)景圖給被試者看，緩解實(shí)驗(yàn)壓力.

步驟6被試者休息完后，根據(jù)步驟4進(jìn)行下一個(gè)方案的實(shí)驗(yàn).

步驟7被試者需要分別完成改善前后三組實(shí)驗(yàn)，間隔休閑2 min后繼續(xù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)三次.

步驟8用E-prime 2.0軟件導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后人工整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出隧道洞門視認(rèn)距離作為有效視認(rèn)距離.

步驟9分別計(jì)算和分析各組實(shí)驗(yàn)的判斷準(zhǔn)確率和有效視認(rèn)距離，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值并具體分析.

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖見(jiàn)圖5.

圖5 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1視認(rèn)距離分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖6 不同方案不同年齡的視認(rèn)距離圖

由圖6可知，駕駛員年齡20～40歲，視認(rèn)距離相差不大，當(dāng)年齡大于40歲后，視認(rèn)距離隨著年齡的增加而減少.方案一的隧道洞口視認(rèn)距離遠(yuǎn)小于決策視距，方案二的視認(rèn)距離能夠滿足規(guī)范的決策視距要求，方案三的視認(rèn)距離能夠滿足更安全的決策視距要求；對(duì)比方案一和方案二的數(shù)據(jù)可知，方案二能夠提升被試者的隧道洞口視認(rèn)距離.對(duì)比方案一和方案三的數(shù)據(jù)可得，被試者的隧道洞口視認(rèn)距離都有大幅度的提升，提升程度大于方案二.且成年后，年齡越大改善幅度越大，40～50歲年齡段視認(rèn)距離提升程度高達(dá)87.9%，其他兩個(gè)年齡段分別73.5%和74.3%.這表明本文所設(shè)計(jì)的隧道洞門立面標(biāo)記方案能有效的提升駕駛員的視認(rèn)距離，且方案優(yōu)越性：方案三>方案二>方案一.

利用SPSS軟件對(duì)視認(rèn)距離時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，所得結(jié)果見(jiàn)表3.

由表3可知，以0.05為顯著性水平，改善后的隧道洞口立面標(biāo)記方案對(duì)駕駛員視認(rèn)距離的影響顯著.

表3 改善方案對(duì)視認(rèn)距離的方差分析

3.3.2判別準(zhǔn)確率

判斷準(zhǔn)確率與年齡關(guān)系分析結(jié)果見(jiàn)圖7所示.

圖7 不同方案不同年齡的判斷準(zhǔn)確率圖

由圖7可知,同理于視認(rèn)距離，對(duì)比方案一與方案二，方案二可以提高各年齡段的判斷準(zhǔn)確率；對(duì)比方案一與方案三，方案三可以提高各年齡段的判斷準(zhǔn)確率，平均高達(dá)26.7%，高年齡組判斷準(zhǔn)確率提升尤為顯著，高達(dá)30.2%；隨著年齡的上升，判斷準(zhǔn)確率降低，20～30歲年齡組判斷準(zhǔn)確率比40～50歲年齡組高7%左右.這表明本文所設(shè)計(jì)的隧道洞門立面標(biāo)記方案能有效的提升誘導(dǎo)性，且方案優(yōu)越性：方案三>方案二>方案一.

利用SPSS軟件對(duì)判斷準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，所得結(jié)果見(jiàn)表6.

表6 方案三對(duì)判斷準(zhǔn)確率的方差分析

由表6可知，以0.05為顯著性水平，改善后的隧道洞門立面標(biāo)記方案對(duì)駕駛員判斷準(zhǔn)確率的影響顯著.

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 車輛在駛向隧道時(shí)，駕駛員對(duì)判斷隧道洞門的視認(rèn)距離不夠和無(wú)法有效判斷洞門的方向，駕駛員無(wú)法及時(shí)采取有效措施，導(dǎo)致車輛撞擊隧道洞門等事故發(fā)生.

2) 隧道洞門的夜間視認(rèn)距離與年齡相關(guān)，老年駕駛者的視認(rèn)性隨年齡增長(zhǎng)而下降,反應(yīng)變慢.

3) 相較于矩形塊方案，環(huán)形塊方案和環(huán)形塊+箭頭方案，可有效提升駕駛員夜間對(duì)隧道洞門的視認(rèn)距離，達(dá)到視認(rèn)距離大于規(guī)范中決策視距的效果，并增強(qiáng)了誘導(dǎo)性.環(huán)形塊+箭頭方案夜間隧道洞門平均視認(rèn)距離相較與矩形塊方案提升了78.1%，平均判別準(zhǔn)確率提升了26.7%，且是三種方案中平均視認(rèn)距離最遠(yuǎn)，能夠達(dá)到更安全的決策視距要求，具有最強(qiáng)的誘導(dǎo)性.

文中建議在實(shí)際工程中隧道洞門立面標(biāo)記方案實(shí)施的優(yōu)先等級(jí)：環(huán)形塊+箭頭方案>環(huán)形塊方案>矩形塊方案.由于本文實(shí)驗(yàn)是室內(nèi)仿真，缺乏一定的可靠度，下一步將會(huì)進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)對(duì)隧道洞門立面標(biāo)記做進(jìn)一步研究.