基于眼動特性的隧道中間段光環(huán)境參數(shù)敏感性分析*

梁 波 董 越 閆自海 羅建強 牛佳安

（1.重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074；2.重慶交通大學省部共建山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室 重慶 400074；3.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院集團有限公司 杭州 311122）

0 引 言

中長隧道具有中間段距離長，路面亮度較低的特點，駕駛環(huán)境相對較差，給駕駛員安全帶來威脅。因此，有必要改善隧道中間段的光環(huán)境。瞳孔直徑作為生物量指標之一，對光環(huán)境的好壞反應非常敏感。實驗心理學家赤瑞特拉通過實驗證實人類從外界獲得的信息有95%來自于視覺和聽覺，其中由眼睛獲得的視覺信息占80%以上[1]。光環(huán)境的好壞對人眼信息的獲取有著至關(guān)重要的作用。然而，由于隧道特殊的半封閉式管狀結(jié)構(gòu)，隧道內(nèi)光環(huán)境相比于隧道外有很大的區(qū)別。當駕駛員駕車行駛于隧道中時，不良的光環(huán)境會給視覺帶來嚴重的負荷，威脅駕駛安全。

在改善隧道內(nèi)行車環(huán)境方面，國內(nèi)外許多學者從改善隧道內(nèi)光環(huán)境的角度出發(fā)，來探究光環(huán)境與駕駛安全性的關(guān)系，并取得了良好的效果。梁波等[2-4]將蓄能發(fā)光反光涂料應用于隧道側(cè)壁，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蓄能發(fā)光反光涂料可顯著改善隧道光環(huán)境，有效降低照明能耗，提高駕駛安全性；此外，Qin等[5]、Chen等[6]、Kircher等[7]都以隧道側(cè)壁為研究對象通過改變顏色和裝飾的方式來改善駕駛環(huán)境提高駕駛安全性；杜志剛等[8-9]提出通過加強隧道內(nèi)的弱視覺參照系和視線誘導系統(tǒng)的方式來改善隧道光環(huán)境，有效地減少了駕駛員地視錯覺和不良駕駛行為；徐萌等[10]提出在隧道中間段設(shè)置特殊顏色燈光帶作為視覺濾波帶，發(fā)現(xiàn)紅色特殊色彩燈光帶在引起視覺符合的范圍內(nèi)能夠滿足駕駛安全需求；方松等[11]把駕駛員的視覺特性作為參考指標，探究了不同長度光學隧道對人眼特性的影響規(guī)律，為交通安全設(shè)施的設(shè)計提供了依據(jù)；張曉堅等[12]分析了不同朝向公路隧道的眩光影響，為隧道接近段的行車視覺環(huán)境改善提供了依據(jù)。在燈具色溫方面，朱合華等[13]通過研究隧道內(nèi)燈具色溫對駕駛員生理、心理的影響，提出了隧道不同照明段燈具色溫選取的建議值；劉英嬰等[14]通過分析光源色溫與反應時間和瞳孔面積之間的關(guān)系，提出了適用于隧道入口處與中間段的照明光源色溫；李柯等[15]利用DIAlux軟件對川西高原的二、三級公路隧道的照明環(huán)境進行數(shù)值模擬，得出巴郎山隧道燈具布設(shè)形式應采用沿中線布設(shè)的結(jié)論。

光環(huán)境好壞的實質(zhì)就是周圍環(huán)境所傳遞的信息與駕駛員感知信息相匹配的問題。在隧道光環(huán)境照明質(zhì)量感知方面。文競舟等[16]、陳孟柯等[17]都把駕駛員的眼動特性作為評價指標，分別探究了車型和隧道轉(zhuǎn)向，隧道不同分段與駕駛安全之間的關(guān)系。閻瑩等[18]、葉飛等[19]將瞳孔面積作為試驗指標，來探究隧道洞口處景觀以及隧道連接段間瞳孔面積與環(huán)境光照度間的關(guān)系，并提出光照度推薦值及優(yōu)化方案；胡英奎等[20]通過建立在進入隧道過程中駕駛員瞳孔面積最大變化值與各參數(shù)間的數(shù)學模型，分析得到在考慮視覺適應條件下的隧道入口段的亮度確定方法；潘曉東等[21]應用“瞳孔面積最大瞬態(tài)速度值（MTPA）”視覺負荷評價指標研究了隧道進出口的視覺障礙對駕駛員的影響，并據(jù)此提出了改善隧道進出口“黑洞”和“白洞”效應的措施；焦方通等[22]將瞳孔面積最大瞬時值作為隧道出入口的視覺舒適度評價指標，并分析了出入隧道過程中不同位置的視覺負荷。

綜上所述，國內(nèi)外學者在改善隧道光環(huán)境提高駕駛安全性方面做了很多研究，且也利用相關(guān)眼動參數(shù)開展了光環(huán)境質(zhì)量評價，但大多只從單一因素出發(fā)考慮對隧道光環(huán)境的影響，缺乏對多種因素條件下隧道光環(huán)境敏感性規(guī)律的研究，并且評價樣本大多采用室內(nèi)試驗和軟件分析，缺乏行車真實感和空間層次感的眼動感知試驗研究。筆者通過自主研發(fā)的室內(nèi)模擬仿真試驗平臺開展動態(tài)行車試驗，將瞳孔直徑作為評價指標，分析駕駛員瞳孔特征對燈具布置方式、側(cè)壁反光涂料布設(shè)高度、側(cè)壁反光涂料顏色、LED光源色溫等4個因素的敏感性規(guī)律。

1 光環(huán)境參數(shù)設(shè)置

隧道光環(huán)境受到光源、側(cè)壁材料、路面、拱頂?shù)榷喾N因素的影響，因隧道路面，拱頂?shù)姆瓷渎实停瑢λ淼拦猸h(huán)境的影響較小。因此，本文考慮將燈具布置方式、側(cè)壁反光涂料布設(shè)高度、側(cè)壁反光涂料顏色、LED光源色溫作為試驗因素。

1.1 側(cè)壁反光材料鋪設(shè)高度設(shè)置

在試驗中側(cè)壁反光材料鋪設(shè)高度選擇上，依據(jù)我國現(xiàn)行的公路隧道照明規(guī)范JTG T D7 02—01—2014《公路隧道照明設(shè)計細則》[23]規(guī)定，隧道側(cè)壁不低于2 m的高度應鋪設(shè)反射率不低于0.7的材料，故側(cè)壁反光材料鋪設(shè)的高度分別設(shè)置為2，2.5，3，3.5 m。

1.2 側(cè)壁反光材料顏色選取

在側(cè)壁反光材料顏色選取上，根據(jù)浦肯野效應，即人們從晝視覺向夜視覺轉(zhuǎn)變時，人眼對光的最大敏感性向高頻方向移動。于是在明適應時紅色和橙色看起來比較亮，而在暗適應時則藍色看起來比較亮。但紅色穿透力強，具有禁止、危險的涵義，對人的視覺刺激過于強烈，故在交通安全色彩設(shè)計中要慎用紅色[24]。

隧道側(cè)壁最常用顏色為白色。在其他顏色的選擇上，因為暗適應時藍色看起來比較亮，綠色常見于道路景觀中，藍色和綠色為冷色，均為后退色，此外，黃色也是道路景觀中的常見色，作為前進色，黃色帶給人醒目的效果，且相比與紅色和橙色，帶給人的視覺刺激弱。故從綜合考慮的角度，本試驗中選用黃色、白色、綠色和藍色進行試驗。

1.3 燈具色溫設(shè)置

Pardo等[25]通過研究LED光源色溫對測試者辨色能力的影響，發(fā)現(xiàn)LED相關(guān)色溫低于6 500 K時，測試者對顏色辨別力隨LED相關(guān)色溫的增加而增加。通過比較市場上常采用的隧道燈具色溫，發(fā)現(xiàn)隧道LED燈具色溫范圍為4 000～6 000 K，且新推出LED燈具相比于老款LED燈，其色溫通常具有較高的值。故本試驗在LED燈色溫選取上，分別選用色溫為3 500，4 500，5 500，6 500 K。

1.4 燈具布設(shè)方式設(shè)置

燈具布置方式與光通量取值設(shè)置均依據(jù)《公路隧道照明設(shè)計細則》。為嚴格控制試驗變量，假設(shè)試驗中LED燈光效（某一光源發(fā)出的光通量與其消耗功率的比值）相同。試驗將在保證照明總功耗不變的前提下，探究布燈方式對隧道環(huán)境下照明效果的影響。燈具布設(shè)形式見表1。

表1 燈具布置形式Tab.1 Layout of lamps and lanterns

2 正交試驗設(shè)計

正交試驗設(shè)計是試驗設(shè)計中常用的1種方法。它是解決多因素試驗問題的有效統(tǒng)計方法，具有均衡分散和整齊可比的特點。所謂均衡分散，是指正交表挑選出來的各因素水平組合在全部水平組合中的分布是均勻的。整齊可比是指每個因素的各水平間具有可比性。因為正交表中每個因素的任一水平下都均衡地包含著另外因素的各個水平，當比較某因素不同水平時，其他因素的效應都彼此抵消。

因此，本文選取正交試驗設(shè)計，共設(shè)置A（燈具布設(shè)方式）、B（側(cè)壁反光涂料布設(shè)高度）、C（側(cè)壁反光涂料顏色）、D（LED光源色溫）共4個因素。每個因素設(shè)置4個水平，因素水平表見表2。通過正交試驗方案，得到不同工況下隧道照明光環(huán)境中各試驗因素的優(yōu)化水平組合。

表2 試驗因素水平Tab.2 Tested factor level table

3 動態(tài)行車模擬試驗

3.1 試驗工況

試驗為4因素4水平試驗，不考慮交互作用，4因素共占4列，選L16（45）正交表最合適，并有1空列（E），可以作為試驗誤差以衡量試驗的可靠性。共計16組照明試驗方案，試驗方案見表3。

表3 照明試驗方案Tab.3 Lighting test scheme

3.2 試驗模型及參數(shù)

本文采用當今市場上最具照明功效的燈光照明設(shè)計軟件DIALux來搭建試驗所需的動畫模型。為最大限度地還原真實的駕駛情況，按照我國現(xiàn)行的《公路隧道照明設(shè)計細則》，設(shè)置隧道照明入口段、中間段與出口段。并參照JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[26]建立隧道仿真模型。本次設(shè)計隧道為雙車道隧道，隧道凈寬10.25 m，即3.75×2 m（行車道）+0.75×2 m（檢修道）+0.5 m（左側(cè)向?qū)挾龋?0.75 m（右側(cè)向?qū)挾龋?，限?.0 m，斷面高7.12 m。交通特性為單向交通，行車設(shè)計速度為60 km/h。為保證測量結(jié)果穩(wěn)定可靠，隧道不宜過短，經(jīng)調(diào)整隧道模型后最終長度為400 m。中間段燈具布置見表4，入口段及出口段隧道照明設(shè)置見表5。

表4 中間段燈具設(shè)置Tab.4 Settings of middle lamps

表5 入口段及出口段隧道照明設(shè)置Tab.5 Tunnel lighting settings at the entrance and exit sections

模型建立完成后，通過菜單中的“保存三維視頻”來導出所需視頻。導出視頻前，須對攝像機路徑進行定義，本次模型建模過程中，以空間坐標中x軸作為隧道中心線，攝像機路徑即為x軸。模擬動畫視頻截圖（中線布燈+2 m+黃色+3 500 K）見圖1。

圖1 模擬動畫視頻截圖（中線布燈+2 m+黃色+3 500 K）Fig.1 Screenshot of the simulated animation video(centerline light+2 m+yellow+3 500 K）

3.3 試驗測試

模擬試驗在由團隊自主研發(fā)的室內(nèi)模擬仿真平臺上進行。該試驗平臺由視頻投影系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和模擬駕駛系統(tǒng)構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)行車模擬和對眼動參數(shù)的采集。

本次試驗共選取30名測試人員，年齡在23～32周歲，均是取得駕駛資格證，且具備一定駕駛經(jīng)驗的非職業(yè)駕駛?cè)?。將測試人員分3組（每組10人）進行測試，編號分別為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ。為提高統(tǒng)計分析的精度以及數(shù)據(jù)的可靠性，同時減小數(shù)據(jù)誤差，每位測試人員分別進行3次試驗，測試人員相關(guān)信息見表6。

表6 測試人員信息Tab.6 Personnel information of the test subjects

試驗步驟如下。

1）對投影設(shè)備調(diào)試，保證行車模擬視頻投影于曲面屏幕時不出現(xiàn)歪斜、畫面過小過大等狀況。

2）SMI眼動儀調(diào)試，測試人員佩戴SMI眼動儀進行眼動儀標定，確保視線落點位置與眼動儀采集點位置同步，眼動儀調(diào)試過程見圖2。

圖2 眼動儀調(diào)試過程Fig.2 Debugging process of the eye tracker

3）采集數(shù)據(jù)試驗，關(guān)閉外部燈具及門窗，模擬隧道暗環(huán)境，保證每位試驗人員有足夠的時間來適應環(huán)境和穩(wěn)定心理狀態(tài)。試驗人員佩戴并適應SMI眼動儀，播放行車模擬視頻。試驗人員依次佩戴SMI眼動儀進行試驗數(shù)據(jù)采集。

4）輸出試驗數(shù)據(jù)，利用ThinkPad筆記本電腦以及自帶數(shù)據(jù)處理軟件記錄數(shù)據(jù)并輸出進行處理。試驗過程見圖3

圖3 試驗過程Fig.3 Test process

4 試驗結(jié)果分析

通過室內(nèi)模擬仿真平臺開展試驗，得到3組測試人員的平均瞳孔直徑數(shù)據(jù)，見表7。

表7 參數(shù)指標測試結(jié)果Tab.7 Test results of parameter indices

4.1 試驗結(jié)果極差分析

采用極差分析法分析本次正交試驗設(shè)計的試驗結(jié)果。極差分析法又稱直觀分析法，極差的大小能反應試驗中各因素影響程度的大小，極差越大則因素的影響程度越大。極差分析的指標見式（1）～（2）。

式中：Ki為某列所對應水平i的試驗指標數(shù)據(jù)之和；Ni為某列所對應水平i的試驗指標數(shù)據(jù)；R為極差。

以下通過對平均瞳孔直徑這一參數(shù)指標進行極差分析，探究燈具布設(shè)方式、側(cè)壁材料布設(shè)高度、側(cè)壁反光涂料顏色、不同色溫LED光源這4類因素在改善隧道照明光環(huán)境上的影響，同時區(qū)分各因素的主次。計算各水平的K值，得到影響因素極差分析結(jié)果，見表8。

表8 指標極差計算結(jié)果Tab.8 Calculation results of the index range

由表8中各因素所對應極差的大小順序可以得出，各因素對瞳孔直徑的敏感性由大到小分別為A—D—C—B。這說明對于瞳孔直徑的影響上，燈具的布設(shè)方式影響最大，其次分別是LED光源色溫、側(cè)壁反光涂料顏色、側(cè)壁反光涂料布設(shè)高度。

繪出各因素不同水平與指標之間的關(guān)系圖（見圖4），以便于更加直觀地分析各因素對指標的影響規(guī)律。

圖4 因素與瞳孔直徑指標的關(guān)系Fig.4 Relationship between factors and pupil diameters

由圖4可知，綜合比較4類因素對瞳孔直徑指標的影響程度，不同燈具布設(shè)方式中，兩側(cè)交錯＞兩側(cè)對稱＞中線偏側(cè)＞中線對稱，不同側(cè)壁反光涂料布設(shè)高度條件下，3 m＞3.5 m＞2.5 m＞2 m。不同側(cè)壁反光涂料顏色條件下，綠色＞藍色＞黃色＞白色。不同LED光源色溫條件下，6 500 K＞3 500 K＞5 500 K＞4 500 K。

從單個影響因素來看，本文關(guān)于燈具布設(shè)方式的結(jié)論與肖堯[27]所得結(jié)論有相同之處，皆認為中線布設(shè)優(yōu)于其他布設(shè)方式，但在其他布設(shè)方式的優(yōu)劣排序上有不同。在隧道側(cè)壁反光涂料的布設(shè)高度選擇上，與崔璐璐[28]得出的在2～6 m的范圍內(nèi)隧道側(cè)壁涂料涂抹高度越高越好結(jié)論不同。在側(cè)壁顏色的選擇上與Kircher等[7]提出的淺色更優(yōu)的結(jié)論相同。燈具的色溫選擇上，與劉英嬰等[14]提出的隧道中間段色溫宜選擇在3 500 K這一結(jié)論不同。上述研究都采用控制變量的方法探究單一因素對隧道光環(huán)境的影響。通過對比可以看出，考慮多因素對隧道照明光環(huán)境的交互影響與僅研究單一因素對隧道光環(huán)境的影響結(jié)果是有差異的，而隧道光環(huán)境的構(gòu)成是1個復雜的系統(tǒng)，受多種因素的影響。因此，在考慮采用多種方式改善隧道光環(huán)境時應當考慮各因素間的相互影響及影響的主次關(guān)系。

從生物物理的層面上來看，光線的強弱會引起瞳孔面積帶來明顯的變化。在舒適明亮的環(huán)境下瞳孔面積會收縮，在危險緊張的暗環(huán)境下瞳孔面積會增大，瞳孔放大往往意味著認知活動中更大的加工負荷和心理努力。同時，人類的心理活動同樣能影響瞳孔增大。從心理層面上來看，當人體處于緊張、恐懼等狀態(tài)時，瞳孔會隨之放大。因此，通過瞳孔直徑指標，可以反映出測試人員在駕駛過程中的所遇到的不安全或舒適的生理、心理狀態(tài)。

綜上所述，本試驗中確定的優(yōu)化水平組合見表9。

表9 優(yōu)化水平組合Tab.9 Optimized horizontal combination

4.2 試驗結(jié)果方差分析

雖然極差分析法計算簡單且直觀形象，但極差分析不能將試驗中由于因素水平和試驗誤差引起的數(shù)據(jù)波動區(qū)分開來。此外，各因素對試驗結(jié)果的影響大小無法給以精確的數(shù)量估計，不能提出1個標準來判斷所考察因素作用是否顯著。為了彌補極差分析的缺陷，可采用方差分析。方差分析是將數(shù)據(jù)的總變異分解成因素引起的變異和誤差引起的變異這2個部分，構(gòu)造F統(tǒng)計量，做F檢驗，即可判斷因素作用是否顯著。

本次試驗中方差分析步驟如下。

1）用Kolmogorov-Smirnov檢驗法對樣本進行正態(tài)分布檢驗，各組數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布（p＞0.05）。

2）運用Mauchly's球形假設(shè)檢驗，滿足方差齊次性。

3）偏差平方和與自由度分。

4）列方差分析表，做F檢驗。

計算出F值，若F＞Fa，則拒絕原假設(shè)，認為該因素或交互作用對試驗結(jié)果有顯著影響；若F≤Fa，則認為該因素或交互作用對試驗結(jié)果無顯著影響。

計算出各指標F值，并列出方差分析表，見表10。

表10 方差分析表Tab.10 Variance analysis

由表10可知，4個因素對試驗結(jié)果均有顯著影響，影響強弱依次為：燈具布燈方式＞LED光源色溫＞側(cè)壁反光涂料顏色＞側(cè)壁反光涂料布設(shè)高度。各因素的最優(yōu)水平為選用沿中線布燈，側(cè)壁反光涂料布設(shè)高度為2 m，側(cè)壁反光涂料顏色為白色，LED光源色溫為4 500 K。

4.3 仿真實驗可靠性分析

對于運營階段的隧道而言，由于要考慮成本因素和安全性，現(xiàn)場試驗可操作性很低；而室內(nèi)模擬試驗能很好地解決這個問題。但是，室內(nèi)仿真試驗所模擬的駕駛場景無法完全還原真實的行車環(huán)境。因此，有必要對仿真實驗的可靠性進行進一步討論分析。

影響駕駛?cè)送字睆降囊蛩厥紫仁橇炼?。靳一[29]將仿真軟件數(shù)據(jù)與實地測量數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)DIAlux軟件所模擬的照度均勻度測量值與現(xiàn)場測量值的誤差范圍在2.19%和1.61%之間。誤差較小說明DIAlux模擬軟件的模擬結(jié)果比較可靠。但在進行室內(nèi)模擬實驗時行車模擬視頻是投放在投影幕布上的，此時投影出來的隧道光環(huán)境亮度值與通過DIAlux軟件計算出來的亮度和真實環(huán)境的亮度值之間的關(guān)系有待進一步分析。

利用DIAlux道路計算器計算出隧道模型中間段的路面平均亮度并導出數(shù)據(jù)。將隧道模型投影到試驗模擬平臺的幕布上使用PR-655光譜輻射亮度計測量隧道路面亮度。測點布設(shè)上選擇沿道路中線對稱布置的方式，每側(cè)2個測點，中間1個測點，縱向每隔10 m布設(shè)1次，共布設(shè)25個測點。試驗過程見圖5。

圖5 試驗測量過程Fig.5 Test measurement process

將所測數(shù)據(jù)與DIAlux軟件所計算出來的數(shù)據(jù)進行對比，見圖6。16種工況的路面平均亮度測量誤差處于5.9%和0.97%之間。誤差范圍較為理想，說明室內(nèi)模擬試驗能在一定程度上還原隧道實測試驗，室內(nèi)試驗可靠度高。

圖6 DIAlux計算亮度與測量亮度對比Fig.6 Comparison between calculated and measured brightness of Dialux

5 結(jié)束語

1）通過對試驗結(jié)果的極差分析可知，駕駛員在行車過程中，燈具的布設(shè)方式對其瞳孔直徑的影響最大，其次分別是LED光源色溫、側(cè)壁反光涂料顏色、側(cè)壁反光涂料布設(shè)高度。其中，各因素不同水平對瞳孔直徑的影響程度分別為：燈具布設(shè)方式上，兩側(cè)交錯＞兩側(cè)對稱＞中線偏側(cè)＞中線對稱；不同側(cè)壁反光涂料布設(shè)高度條件下，3 m＞3.5 m＞2.5 m＞2 m；不同側(cè)壁反光涂料顏色條件下，綠色＞藍色＞黃色＞白色；不同LED光源色溫條件下，6 500 K＞3 500 K＞5 500 K＞4 500 K，試驗結(jié)果與其他只考慮單一因素對隧道光環(huán)境影響的結(jié)論存在差異。

2）通過對試驗結(jié)果的方差分析可知，4個因素對試驗結(jié)果均有顯著影響，影響強弱依次為：燈具布燈方式＞LED光源色溫＞側(cè)壁反光涂料顏色＞側(cè)壁反光涂料布設(shè)高度，方差分析與極差分析結(jié)果相互印證。

3）根據(jù)本次試驗結(jié)果選取的較優(yōu)水平組合為，沿中線布燈，側(cè)壁反光涂料布設(shè)高度為2 m，側(cè)壁反光涂料顏色為白色，LED光源色溫為4 500 K。

本文研究成果可為多因素綜合影響下的隧道光環(huán)境質(zhì)量評價和設(shè)計優(yōu)化提供參考。但本文是基于正交試驗的研究，優(yōu)選結(jié)果無法超越所取水平的范圍，且室內(nèi)模擬試驗無法完全取代現(xiàn)場試驗，因此，更為精確的研究結(jié)論還需要更多的試驗驗證。