基于駕駛模擬的隧道交通安全設(shè)施綜合效用評價(jià)及影響機(jī)理研究

趙曉華，董文慧，鞠云杰，張常奮，尹吉州

(1.北京工業(yè)大學(xué) 城市交通學(xué)院，北京 100124；2.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300381；3.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082)

0 引 言

截止2019年底，我國公路隧道數(shù)量達(dá)到19 067處[1]，位居世界前列。然而，隨著隧道數(shù)量增加，隧道交通安全問題愈加突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001—2017年間，我國發(fā)生公路隧道交通事故共17 514起，造成了巨大的財(cái)產(chǎn)和社會(huì)資源損失[2]。因此，如何提高隧道安全水平成為國內(nèi)外學(xué)者共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

研究表明，隧道環(huán)境昏暗、單調(diào)，易造成駕駛?cè)藝?yán)重的視覺錯(cuò)覺[3]，誘發(fā)交通事故。事實(shí)上，駕駛?cè)艘蛩刂苯右鸬乃淼澜煌ㄊ鹿收?6%[4]，是隧道交通事故主要成因。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對隧道交通安全設(shè)施展開了研究。美國《Manual on Uniform Traffic Control Devices 2009》(統(tǒng)一交通控制設(shè)施手冊2009)對隧道交通安全設(shè)施提出相應(yīng)設(shè)計(jì)要求[5]。K.KIRCHER等[6]發(fā)現(xiàn)，影響駕駛行為重要因素是駕駛?cè)蝿?wù)驅(qū)動(dòng)下的視覺注意力；A.SHIMOJO等[7]指出，駕駛?cè)送ㄟ^隧道時(shí)，車輛速度及其車道橫斷面位置在不同橫斷面條件下無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。然而國外學(xué)者鮮有從駕駛?cè)私嵌日归_研究。國內(nèi)學(xué)者從人因角度出發(fā)，針對隧道交安設(shè)施展開研究。喬飛艷[8]根據(jù)人體生理特性，探究隧道側(cè)壁涂裝的影響；楊理波等[9]指出，隧道側(cè)壁反光條能有效提高駕駛?cè)似露燃八俣雀兄芰?。其中，反光環(huán)、輪廓標(biāo)、立面標(biāo)記等隧道交安設(shè)施對改善行車環(huán)境發(fā)揮著重要作用[10-11]。但我國JTG/T D71—2014《公路隧道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、JTG D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》、《公路隧道提質(zhì)升級(jí)行動(dòng)技術(shù)指南》[12]等相關(guān)規(guī)范缺乏針對隧道交安設(shè)施詳實(shí)的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)規(guī)定，交安設(shè)施大多通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)置。同時(shí)，國內(nèi)外對隧道交安設(shè)施綜合效用的評估研究相對缺乏。鑒于此，有必要從駕駛?cè)私嵌壬钊胩骄吭O(shè)施設(shè)置對駕駛行為的影響效果。

筆者基于駕駛模擬技術(shù)獲得駕駛?cè)笋{駛行為及相應(yīng)視覺數(shù)據(jù)，提出評價(jià)指標(biāo)體系并量化綜合效果，探究最優(yōu)設(shè)施的布設(shè)參數(shù)，并探究多因素對駕駛行為的影響機(jī)理，形成隧道交安設(shè)施綜合效用評價(jià)的一般性方法，確定關(guān)鍵影響要素，為優(yōu)化設(shè)置隧道交安設(shè)施提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 駕駛模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

駕駛模擬器有3個(gè)自由度，可提供前方130°水平視野和40°垂直視野以及左右后視鏡和后方30°水平視野、40°垂直視野。設(shè)置數(shù)據(jù)記錄頻率為30 Hz，能夠采集車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)。已有研究[13]校準(zhǔn)和驗(yàn)證了駕駛模擬器性能，并將其用于評估不同道路的駕駛性能。

實(shí)驗(yàn)使用便攜眼鏡式眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)。該設(shè)備以60 Hz頻率采樣，以0.1 deg追蹤分辨率、0.5 deg凝視定位精度實(shí)時(shí)獲取駕駛?cè)说囊曈X行為數(shù)據(jù)。

1.2 交安設(shè)施設(shè)置方案及場景

1.2.1 隧道設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置

選定3D模型基礎(chǔ)，即北京已建成投入使用的某3 km特長隧道，搭建實(shí)驗(yàn)場景。參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 隧道場景參數(shù)

1.2.2 交安設(shè)施設(shè)計(jì)方案

選取反光環(huán)、輪廓標(biāo)、突起路標(biāo)作為研究對象，形成4種方案，如表2。

表2 隧道場景設(shè)計(jì)方案

1.2.3 實(shí)驗(yàn)場景設(shè)計(jì)

為節(jié)省時(shí)間，設(shè)計(jì)路線A、B兩條實(shí)驗(yàn)路線(限速80 km/h，計(jì)算行駛時(shí)間小于15 min以減少駕駛疲勞影響)，如圖1。此外，為降低被試因路線單一而引起對實(shí)驗(yàn)場景熟悉，設(shè)置連接段(如A路線的a1、a2和a3)，保證實(shí)驗(yàn)間獨(dú)立。其中：SA、EA為路線A的起點(diǎn)、終點(diǎn)；SB、EB為路線B的起點(diǎn)、終點(diǎn)；A1、A2分別為白色反光環(huán)方案及控制方案的隧道；B1、B2分別為輪廓標(biāo)及突起路標(biāo)組合方案、彩色反光環(huán)方案的隧道；a1、a2、a3、b1、b2、b3為連接段；隧道段和連接段的長度分別為3 km和1.5 km；A、B路線總長度均為10.5 km。

圖1 實(shí)驗(yàn)場景線形

1.3 實(shí)驗(yàn)人員

實(shí)驗(yàn)樣本量為33人，其中男性25人，女性8人，年齡區(qū)段為25～57歲(34.24歲±9.97歲)。被試視力正常且駕駛經(jīng)驗(yàn)豐富，平均駕齡為11.47歲±6.39歲。

1.4 實(shí)驗(yàn)流程

駕駛模擬實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：

1)確定實(shí)驗(yàn)時(shí)間，要求被試填寫基本信息及生心理狀態(tài)表。

2)實(shí)驗(yàn)員向被試宣讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)語，被試在駕駛模擬器上試駕5 min，熟悉操作。

3)正式實(shí)驗(yàn)時(shí)被試隨機(jī)順序跑完兩個(gè)場景，開始前被告知實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡匦畔?。場景之間嚴(yán)格要求被試休息10～15 min，避免駕駛疲勞。

4)被試在完成駕駛?cè)蝿?wù)后填寫主觀問卷表，針對駕駛模擬場景真實(shí)性進(jìn)行主觀描述。

2 綜合效用評估指標(biāo)選取

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

隧道進(jìn)出口時(shí)存在劇烈的明暗過渡[14]，模擬時(shí)存在光照仿真偏差。因此，筆者重點(diǎn)分析中間段。為保證空間上合理刻畫駕駛?cè)诵袨閿?shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)以200 m為單元截取中間2.6 km路段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 評價(jià)指標(biāo)

考慮行為和眼動(dòng)兩個(gè)維度，從安全性、舒適性、穩(wěn)定性等方面選取6個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系。指標(biāo)定義如下：

2.2.1 安全性指標(biāo)

1)平均速度

平均速度指隧道模擬場景下的平均駕駛車速。研究表明，道路限速前提下，平均行車速度和事故發(fā)生率存在正相關(guān)關(guān)系[15]。

2)速度標(biāo)準(zhǔn)差

速度標(biāo)準(zhǔn)差反映隧道行車速度波動(dòng)性，速度標(biāo)準(zhǔn)差越低則駕駛?cè)烁僬{(diào)整車速[16]。

2.2.2 舒適性指標(biāo)

1)加速度

加速度表征物體運(yùn)動(dòng)速度變化快慢，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13441.1—2007《機(jī)械振動(dòng)與沖擊 人體暴露于全身振動(dòng)的評價(jià)(第1部分):一般要求》[17]提出，人的主觀感覺受加速度影響，即加速度越大，駕駛?cè)酥饔^感覺越不舒適。

2)加速度標(biāo)準(zhǔn)差

加速度標(biāo)準(zhǔn)差表征駕駛?cè)诵熊囁俣茸兓€(wěn)定度，加速度標(biāo)準(zhǔn)差越低，駕駛?cè)耸孢m性越高。

3)瞳孔面積

瞳孔面積量測被試在認(rèn)知任務(wù)處理過程中的生心理狀態(tài)，被試生心理負(fù)荷越大，則瞳孔擴(kuò)張?jiān)酱蟆?/p>

2.2.3 穩(wěn)定性指標(biāo)

穩(wěn)定性指標(biāo)指油門功效。油門功效指踩油門的深度與其持續(xù)時(shí)長的乘積，如式(1)。其值越低說明駕駛?cè)岁P(guān)于剎車或油門的操作越少，控速能力增強(qiáng)，穩(wěn)定性越高。

P=∑A×Δt

(1)

式中：P為油門功效；A為油門的深度；Δt為數(shù)據(jù)采集的間隔時(shí)間。

3 交安設(shè)施綜合作用效用評價(jià)

3.1 顯著性分析

利用重復(fù)測量方差分析研究隧道設(shè)施方案對評價(jià)指標(biāo)的影響，結(jié)果如下：

1)4種方案對平均速度(F=2.359，p=0.050)和加速度標(biāo)準(zhǔn)差(F=0.252，p=0.040)顯著性影響差異呈邊緣顯著，對加速度(F=0.265，p=0.850)無顯著性影響。同時(shí)，速度標(biāo)準(zhǔn)差(F=5.74，p=0.030)和油門功效(F=10.18，p<0.001)呈顯著性差異。此外，4種方案對瞳孔面積(F=263.2，p<0.001)存在顯著性影響。

2)方案1中，除加速度指標(biāo)外其他指標(biāo)均為最高值，表明隧道交安設(shè)施一定程度提高了駕駛安全性和穩(wěn)定性；方案2的各項(xiàng)指標(biāo)均處于較低水平，可知白色反光環(huán)能有效緩解視覺緊張感和疲勞感；方案3的各項(xiàng)指標(biāo)變化較??；在方案4中，加速度指標(biāo)為最大值，其他指標(biāo)變化較小，推測輪廓標(biāo)及突起路標(biāo)改善駕駛?cè)似渌袨榈耐瑫r(shí)，一定程度降低駕駛舒適性。

以上分析表明，隧道內(nèi)設(shè)置不同交安設(shè)施，能對駕駛?cè)藦陌踩浴⑹孢m性、穩(wěn)定性三方面產(chǎn)生不同的影響。但現(xiàn)有結(jié)果無法說明其綜合影響，需要從綜合量化角度確定各方案對駕駛?cè)司C合影響。

3.2 綜合效用研究

3.2.1 物元模型

設(shè)施方案影響效用評估涉及的指標(biāo)與評價(jià)方法之間可能存在不相容的問題。基于可拓學(xué)的物元模型能探索事物的轉(zhuǎn)變和解決不相容問題，綜合評價(jià)不同設(shè)計(jì)方案的效果[18-20]。鑒于此，筆者采用物元模型結(jié)合熵權(quán)法量測隧道交安設(shè)施方案的綜合效用。

1)確定待評物元

評價(jià)對象用“待評事物、事物特征、特征量值”描述，分別用N、C、V表示，記為R=(N,C,V)，R被稱為物元[18]。如果某事物有n個(gè)特征，C=(C1,C2,…,Cn)T及其對應(yīng)的量值V=(V1,V2,…,Vn)T所構(gòu)成的陣列R如式(2)：

(2)

筆者采用極差變換法對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，處理后標(biāo)準(zhǔn)化值在0至1之間，如表3。

表3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

2)構(gòu)建經(jīng)典域及節(jié)域

經(jīng)典域表示為：

(3)

式中：Vij為評估指標(biāo)Ci所規(guī)定的量值范圍，即經(jīng)典域。根據(jù)K-均值聚類法將指標(biāo)劃分為優(yōu)秀、良好、一般、較差或很差。

節(jié)域記為Vip=(aip,bip)，表示為：

(4)

3)確定權(quán)重系數(shù)

熵權(quán)法基于各因素提供的信息量計(jì)算綜合指標(biāo)。權(quán)重系數(shù)可表示為Wi(i=1,2,…,n)[21]，如式(5)：

(5)

式中：Hi為第i項(xiàng)指標(biāo)的信息熵。表4即為指標(biāo)權(quán)重的結(jié)果。

表4 指標(biāo)權(quán)重

4)計(jì)算各指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)及關(guān)聯(lián)度

關(guān)聯(lián)函數(shù)表示物元的量值取值為實(shí)軸上一點(diǎn)時(shí)物元符合要求的范圍程度。關(guān)聯(lián)函數(shù)K(Vi)定義如式(6)：

(6)

式中：Kj(vi)為第i項(xiàng)指標(biāo)屬于j等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，如表5。

表5 各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

5)計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度

運(yùn)用以下式(7)計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度：

(7)

式中：Kj(p)為待評物元關(guān)于j等級(jí)的多個(gè)特征指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度[19]。

根據(jù)以上步驟計(jì)算，綜合評估隧道交安設(shè)施對駕駛?cè)说挠绊憽?/p>

3.2.2 交安設(shè)施效果評估

各方案綜合關(guān)聯(lián)度如表6。

表6 各方案綜合關(guān)聯(lián)度

據(jù)表6可知，白色反光環(huán)方案、輪廓標(biāo)及突起路標(biāo)方案對駕駛安全性、舒適性及穩(wěn)定性的綜合影響屬于“良好”范圍，但白色反光環(huán)方案的綜合關(guān)聯(lián)度大于輪廓標(biāo)及突起路標(biāo)方案的綜合關(guān)聯(lián)度〔K2(p)=0.081>K4(p)=0.003〕?？刂平M的綜合影響屬于“很差”范圍，彩色反光環(huán)方案不符合標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)要求，但具有可轉(zhuǎn)化為“較差”的條件。

4 隧道反光環(huán)布設(shè)參數(shù)影響研究

隧道相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)尚未明確規(guī)定反光環(huán)設(shè)置間距。目前各地對隧道反光環(huán)設(shè)置均有不同[22]，僅以經(jīng)驗(yàn)來確定其布設(shè)參數(shù)，通常選用反光環(huán)間距為200～400 m[23]。因此，基于隧道交安設(shè)施綜合效用結(jié)果，筆者進(jìn)一步探究最佳設(shè)施(白色反光環(huán))的間距參數(shù)。

為測試白色反光環(huán)對駕駛?cè)说挠绊?，筆者在原有場景基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)4種不同間距的設(shè)施方案，分別為基本型隧道、反光環(huán)間距200 m隧道、反光環(huán)間距300 m隧道、反光環(huán)間距400 m隧道。

4.1 顯著性分析

利用重復(fù)測量方差分析研究不同反光環(huán)方案對評價(jià)指標(biāo)的影響，如圖2和表7。結(jié)果如下：

表7 指標(biāo)顯著性結(jié)果

注：*，**和***分別表示置信水平為90%，95%和99%的顯著性。A1、A2、A3、A4分別表示基本型控制組、間距200 m、間距300 m、間距400 m 共4種方案，A1-A2表示方案1和方案2之間存在顯著差異；其余同理。

1)4種方案對速度標(biāo)準(zhǔn)差(p=0.065)呈邊緣顯著，對加速度(p=0.032)存在顯著性影響，而對平均速度(p=0.112)、加速度標(biāo)準(zhǔn)差(p=0.7)、油門功效(p=0.199)無顯著性影響。

2)4種方案對瞳孔面積均存在顯著性影響，說明反光環(huán)不同間距布設(shè)會(huì)影響駕駛?cè)说男睦砭o張感。此外，控制組和間距200 m布設(shè)方案的瞳孔面積變化接近，而間距400 m的瞳孔面積最低，說明布設(shè)間距越大，一定程度上會(huì)使駕駛?cè)说囊曈X負(fù)荷越低，該結(jié)論與已有研究相符[23]。

3)控制組中，除加速度標(biāo)準(zhǔn)差和瞳孔面積指標(biāo)外，其他指標(biāo)均為較低值，表明基本型隧道難以緩解駕駛?cè)说木o張感。間距200 m布設(shè)方案中，除加速度標(biāo)準(zhǔn)差和瞳孔面積指標(biāo)外，其他指標(biāo)均處在較高水平，推測反光環(huán)設(shè)施能緩解視覺緊張，但一定程度降低安全性。間距300 m布設(shè)方案中，除油門功效外各指標(biāo)均處于較高水平。間距400 m布設(shè)方案中，速度標(biāo)準(zhǔn)差、加速度標(biāo)準(zhǔn)差、油門功效指標(biāo)均處于較高水平，而其他指標(biāo)處于較低水平，可知400 m間距布設(shè)反光環(huán)改善駕駛?cè)似渌袨榈耐瑫r(shí)，會(huì)一定程度降低駕駛穩(wěn)定性。

以上分析表明，隧道布設(shè)不同間距的白色反光環(huán)，能從安全性、舒適性、穩(wěn)定性三方面對駕駛行為及視覺產(chǎn)生影響。事實(shí)上，駕駛行為受諸多因素影響，尤其是駕駛?cè)藗€(gè)體屬性。筆者構(gòu)建具有隨機(jī)效應(yīng)的線性混合模型來糾正被試重復(fù)觀測結(jié)果間的相關(guān)性，以探究多因素對駕駛行為的影響。

4.2 影響機(jī)理研究

線性混合效應(yīng)模型考慮了實(shí)驗(yàn)中無法控制的隨機(jī)效應(yīng)。能夠校正駕駛?cè)嗽谒袇^(qū)域重復(fù)觀察測量值之間的相關(guān)性。

線性混合效應(yīng)模型一般形式為：

Y=Xβ+Zα+ε

(8)

式中：X為已知協(xié)變量的矩陣；Z為隨機(jī)效應(yīng)變量構(gòu)造的設(shè)計(jì)矩陣，其構(gòu)造方式與X相同；β為未知回歸系數(shù)構(gòu)成的向量，稱為固定效應(yīng)；α為隨機(jī)效應(yīng)參數(shù)向量；ε為隨機(jī)誤差向量。

筆者將4種方案作為固定效應(yīng)因素，將駕駛?cè)藗€(gè)體屬性作為隨機(jī)效應(yīng)，以平均速度、速度標(biāo)準(zhǔn)差、加速度標(biāo)準(zhǔn)差、油門功效和瞳孔面積為響應(yīng)變量構(gòu)建了5種線性混合效應(yīng)模型，模型結(jié)果如表8、表9。通過赤池信息準(zhǔn)則(Akaike imformation criterion, AIC)、貝葉斯信息準(zhǔn)則(Bayesian imformation criterion, BIC)和調(diào)整后的決定系數(shù)(Rsquared)值來選擇最佳模型。所有模型的隨機(jī)截距方差顯著，表明隨機(jī)效應(yīng)模型具有令人滿意的有效性。

表8 線性混合效應(yīng)模型結(jié)果

表9 線性混合效應(yīng)模型評價(jià)

由表8、表9可得：

1)4個(gè)模型中隨機(jī)截距的方差均呈顯著性。

2)和控制組相比，間距300 m布設(shè)反光環(huán)的隧道，駕駛?cè)诵旭偹俣群屯酌娣e值更高，可能面臨更大駕駛風(fēng)險(xiǎn)；間距400 m布設(shè)的隧道，駕駛?cè)司哂休^高加速度標(biāo)準(zhǔn)差，但表現(xiàn)出更低的瞳孔面積值，表明此方案緩解駕駛?cè)诵睦砭o張程度的同時(shí)會(huì)降低安全性；不同間距布設(shè)反光環(huán)能使駕駛?cè)吮憩F(xiàn)出更高的速度標(biāo)準(zhǔn)差，但400 m間距布設(shè)產(chǎn)生的差異更明顯。

3)駕駛行為受諸多因素影響，尤其是駕駛?cè)藗€(gè)體屬性。不同駕齡駕駛?cè)吮憩F(xiàn)出較低速度標(biāo)準(zhǔn)差，而駕齡在6～10 a的駕駛?cè)司哂懈叩男旭偹俣?。此外，職業(yè)司機(jī)較非職業(yè)司機(jī)行駛速度更高，職業(yè)駕駛?cè)吮憩F(xiàn)出更低油門功效值及瞳孔面積值。

5 結(jié) 論

筆者采用駕駛模擬技術(shù)研究隧道交安設(shè)施綜合效用，并基于物元模型得出的最優(yōu)方案研究其布設(shè)參數(shù)，研究結(jié)論對實(shí)際工程應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

1)基于重復(fù)測量方差分析結(jié)果和各項(xiàng)指標(biāo)平均值可知，在隧道內(nèi)設(shè)置交安設(shè)施具有以下作用：能增強(qiáng)駕駛?cè)丝厮僖庾R(shí)并提高安全性，但對改善駕駛?cè)诵睦硎孢m性作用較??；一定程度能提高駕駛穩(wěn)定性及舒適性，但效果不明顯；能顯著改善隧道視覺環(huán)境，緩解駕駛?cè)艘曈X壓力，提高駕駛舒適水平；對改善隧道綜合水平有一定效果。

2)基于物元模型的綜合效用評估可知，最優(yōu)方案綜合排序結(jié)果為白色反光環(huán)方案>輪廓標(biāo)及突起路標(biāo)方案>彩色反光環(huán)方案>控制組方案。該結(jié)論與統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果相互驗(yàn)證，可以保證評估結(jié)果具有較強(qiáng)客觀性及科學(xué)性。

3)基于混合效應(yīng)模型探究多因素對駕駛行為的影響機(jī)理，隧道中白色反光環(huán)的不同布設(shè)間距不同程度上影響駕駛?cè)笋{駛安全性和舒適性。但是間距200 m及400 m布設(shè)反光環(huán)能有效緩解駕駛?cè)诵睦砭o張程度。同時(shí)，間距300 m布設(shè)反光環(huán)可能會(huì)導(dǎo)致更高駕駛風(fēng)險(xiǎn)，不建議在3 km隧道中布設(shè)。

然而，需要進(jìn)一步研究反光環(huán)間距參數(shù)范圍及不同隧道條件下的布設(shè)間距。隧道反光環(huán)的間距布設(shè)有待開展更多的實(shí)車實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬評價(jià)結(jié)果將相互驗(yàn)證。同時(shí)，筆者僅對反光環(huán)進(jìn)行研究，其他設(shè)施如輪廓標(biāo)、突起路標(biāo)等的布設(shè)研究亦為非常具有現(xiàn)實(shí)意義的研究課題。