高速公路隧道進(jìn)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(shè)計院有限公司，重慶 404100）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國公路建設(shè)事業(yè)快速發(fā)展，截至2021年年底我國公路總里程達(dá)到528 萬km，穩(wěn)居世界第一位。伴隨公路項目的快速建設(shè)，隧道作為一種基礎(chǔ)交通設(shè)施也獲得了快速發(fā)展，到2020年我國公路長隧道總數(shù)達(dá)到了5541 處。既有調(diào)查顯示，公路隧道進(jìn)出口是引起事故“黑點”的主要路段，進(jìn)出口明暗度驟然改變，以致車輛駕駛員視覺、生理及心理負(fù)荷均顯著增加，很容易出現(xiàn)不良的駕駛操作行為，嚴(yán)重時引起交通事故。過去國內(nèi)很多學(xué)者針對公路隧道進(jìn)行的研究多集中在線形安全設(shè)計及行車視距理論分析上，但是缺少可靠的行車試驗數(shù)據(jù)支持，對駕駛?cè)藛T視覺反應(yīng)帶來的影響關(guān)注度不夠。本文以大量的隧道進(jìn)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(yīng)，研究視覺反應(yīng)特性，以闡明隧道進(jìn)出口這一特殊路段內(nèi)交通事故頻繁的成因。

1 采集分析試驗數(shù)據(jù)

1.1 隧道

選擇數(shù)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(nèi)，水泥、瀝青路面隧道各5 組。

1.2 設(shè)備和人員

以EMR-8B 型眼動儀（日本）測定駕駛員的動態(tài)視覺資料；以MS6610 型照度儀配合應(yīng)用自主研發(fā)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(jìn)行試驗研究之前，提取晝間不同時間段內(nèi)和隧道進(jìn)出口照度相關(guān)的資料，并且嚴(yán)格按照規(guī)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(shù)據(jù)之間的相關(guān)性[1]。

2 照度和駕駛員瞳孔變化的關(guān)系

2.1 瞳孔變化和駕駛負(fù)荷大小的關(guān)系

個體瞳孔擴大預(yù)示著其產(chǎn)生的心理生理負(fù)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(tài)變化中，駕駛員自身的動態(tài)視覺特性直接關(guān)系著是否會發(fā)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(yīng)及駕駛負(fù)荷程度。隧道進(jìn)出口路段照度驟然改變，導(dǎo)致車輛駕駛員瞳孔面積出現(xiàn)較明顯的變動，可以應(yīng)用眼動儀完整地記錄分析這種變化，在此基礎(chǔ)上更科學(xué)地評估實際駕駛負(fù)荷及車輛行駛環(huán)境的舒適度。

2.2 照度和瞳孔面積的關(guān)系

將隧道內(nèi)路面照度設(shè)定為E，駕駛員試驗瞳孔面積為S，為隧道進(jìn)出口樣本創(chuàng)建log（E）-log（ES）關(guān)系圖。于差異化控制變量之間檢驗log（E）-log（ES）的線性關(guān)系。發(fā)現(xiàn)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(guān)系，據(jù)此可以初步認(rèn)為在隧道進(jìn)出口存在著log（ES）=alog（E）+b，即有：

式（1）中：a、b 都是常數(shù)，因路面形式、進(jìn)出口外形、駕駛?cè)藛T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(guān)系

因為路面亮度L 和其照度之間存在著正比例關(guān)系，有：

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

式（3）表示駕駛員瞳孔面積和隧道進(jìn)出口亮度水平之間存在著冪函數(shù)關(guān)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(cè)對時間t 進(jìn)行求導(dǎo)，就能獲得瞳孔面積變化速度：

在隧道進(jìn)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(biāo)

3.1 視覺振蕩現(xiàn)象

當(dāng)汽車以較高速度通過隧道進(jìn)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(tài)勢；若實際超出了駕駛員的視覺適應(yīng)水平，將會造成瞳孔很難精準(zhǔn)聚焦，此時很難確保視網(wǎng)膜上成像的清晰度，進(jìn)入瞬時盲期。筆者將以上駕駛員光適應(yīng)期間出現(xiàn)的“瞬盲”現(xiàn)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(xiàn)象是個體視覺適應(yīng)時形成的，主要體現(xiàn)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(jīng)典的視覺自適應(yīng)表象，并且和醫(yī)學(xué)臨床上的眼震之間存在著本質(zhì)性差別。

第三，這種現(xiàn)象和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的心律振蕩情況之間表現(xiàn)出較高的相似度。

3.2 視覺舒適度測評指標(biāo)

3.2.1 視覺振蕩的持續(xù)時間以及換算系數(shù)

國內(nèi)外大量學(xué)者對視覺振蕩持續(xù)時間進(jìn)行了大量的研究，關(guān)于其持續(xù)時間普遍被認(rèn)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(yīng)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(jié)束點，由振蕩開始點至結(jié)束點的車輛運行時間就是視覺振蕩的持續(xù)時間[2]。

既有晝間行車試驗研究發(fā)現(xiàn)，70.8%的隧道進(jìn)口和95.2% 的隧道出口視覺振蕩持續(xù)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(shù)(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(xù)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(rèn)成人的瞳孔最大直徑是10.0mm，所以取S1=78.54mm2。

3.2.2 創(chuàng)建視覺舒適度測評指標(biāo)

既有研究指出，當(dāng)視覺刺激＜0.1s 時不會使駕駛員產(chǎn)生不良知覺，而心理學(xué)試驗研究中經(jīng)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(chǔ)上，創(chuàng)建了表1 的測評指標(biāo)。

表1 隧道進(jìn)出口路段駕駛員視覺舒適度測評指標(biāo)

3.2.3 二次視覺振蕩

有學(xué)者在隧道進(jìn)出口路段進(jìn)行了行車試驗分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)車速＞100.0km/h、tc＞0.2s 時，隧道進(jìn)口、出口出現(xiàn)二次視覺振蕩現(xiàn)象的占比分別達(dá)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(xiàn)二次視覺振蕩現(xiàn)象。

針對駕駛員出現(xiàn)的二次視覺振蕩現(xiàn)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(yīng)的tc值，累計三段tc值就是隧道進(jìn)出口行車全過程的換算視覺振蕩時間持續(xù)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(nèi)，白天、夜間試樣分別有73 次、35 次。

分析隧道進(jìn)出口車速V 和換算系數(shù)μ 之間的關(guān)系，當(dāng)車速V＞90.0km/h 時，μ ≈1.0；V＜0.0km/h時，μ ＜0.85，并且在該區(qū)間內(nèi)，伴隨車速的增加，視覺振蕩強度水平也呈現(xiàn)出逐漸變大態(tài)勢；將車速調(diào)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(xiàn)象發(fā)生的風(fēng)險。

分析隧道進(jìn)口車速和換算視覺振蕩時間持續(xù)長度兩者的關(guān)系，當(dāng)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(fù)相關(guān)性。而當(dāng)隧道出口車速是90.0～120.0km/h 時，tc和車速之間呈正比例關(guān)系，即伴隨車速的增加，tc值也隨之增大。

綜合以上分析內(nèi)容，針對限速是80.0km/h 的公路隧道，在隧道進(jìn)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(chǎn)生較大的視覺振蕩強度，并且也有助于減少或規(guī)避二次視覺振蕩這種異?，F(xiàn)象。

3.3.2 視覺振蕩的試驗結(jié)果

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

表2 隧道進(jìn)出口行車試驗的tc 值統(tǒng)計

分析表2 內(nèi)統(tǒng)計的各類隧道進(jìn)出口tc均值，能夠?qū)M(jìn)出口路段內(nèi)駕駛員視覺舒適度進(jìn)行排序，即夜間出口＞白天出口＞白天進(jìn)口。這就預(yù)示著駕駛員在隧道進(jìn)出口的暗適應(yīng)比明適應(yīng)困難更大，并且伴隨照度過渡斜率的增加，出現(xiàn)視覺障礙的概率也會有所增加。

3.4 基于視覺適應(yīng)的停車車距分析

駕駛員在明暗適應(yīng)過程中因出現(xiàn)視覺振蕩現(xiàn)象而產(chǎn)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(rèn)知反應(yīng)時間延長，故而在隧道進(jìn)出口這一特殊路段內(nèi)應(yīng)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(yīng)作為基礎(chǔ)的停車視距要符合如下關(guān)系等式：

在式（8）內(nèi)，Ls表示最小行車視覺的增加，其滿足：

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

表3 基于視覺適應(yīng)的隧道進(jìn)出口的停車視距

表3（續(xù)）

綜合分析表3 內(nèi)的數(shù)據(jù)，公路隧道進(jìn)出口的停車視覺和現(xiàn)行規(guī)范要求的數(shù)值增加了20.0～30.0m，為了能給隧道工程設(shè)計工作創(chuàng)造便利條件，可以嘗試將進(jìn)出口的停車視距進(jìn)行統(tǒng)一取值[3]。

4 結(jié)語

本文在分析視覺振蕩概念的基礎(chǔ)上，應(yīng)用換算視覺振蕩時間創(chuàng)建了駕駛員視覺舒適度測評指標(biāo)，嘗試應(yīng)用量化形式評估隧道進(jìn)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(jìn)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(nèi)，減少或規(guī)避二次視覺振蕩的現(xiàn)象，有助于增加視覺感官的舒適度。同時，應(yīng)適當(dāng)增加隧道進(jìn)出口的停車視距，建議比現(xiàn)行規(guī)范增加20.0～30.0m 左右。以此提高隧道進(jìn)出口車輛行駛安全性，保障高速公路的安全運行。