陈 鹏,潘晓东,付志斌,邱汉骐
(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海201804)
白天晴天时,城市隧道洞外亮度一般可达5 000cd/m2,而隧道洞内亮度仅为几至十几坎德拉每平方米。但由于隧道洞口的形式、隧道走向、太阳照射角度等因素的影响,隧道内亮度并不是一成不变的[1]。在隧道入口一定距离内亮度受洞外自然光的影响较大,在洞口处亮度与洞外亮度相差不大,但超过一定距离时,洞内亮度迅速降低,甚至可能出现突变。在较短的时间内,亮度的突然降低可能会使驾驶员产生暂时性的视觉障碍,影响行车安全[2-4]。为了获得上述驾驶环境对驾驶员的视觉变化及行车安全性的影响,以某城市道路隧道为研究对象,对驾驶员在城市隧道出入口生理特征的变化进行了实验研究。
实验测定在白天为晴天的情况下,实验隧道内照明设施运行时整个隧道的亮度情况。实验采用日本美能达生产的型号为LS—100的亮度仪测量隧道内外亮度。将获得的数据通过Origin软件进行处理后拟合得到图1。
图1 晴天下午时城市隧道亮度变化
从图1中可以看出,晴天时,距洞口一定距离范围内亮度变化非常快,在几十米范围内从几千坎德拉每平方米降低到十几坎德拉每平方米,出口段亮度突变同样较为严重。
图1中,隧道各部分亮度变化比较大,且在入口段亮度发生突变,为更好地反映入口段突变程度,有必要对入口段亮度进行分析研究,实验数据形成的样条曲线见图2,经过拟合计算后,如图3所示。
图2 晴天下午时隧道入口处亮度变化
图3 拟合后晴天下午时隧道入口处亮度变化
对实验数据采用二阶指数衰减拟合,y=y0+A1e-x/t1+A2e-x/t2,经过拟合后,亮度变化曲线方程为:y=-0.06389+103.836e-x/18.217+103.836e-x/18.217,相关系数R=0.976。
由图3可知,晴天时,遮光棚开始处亮度为洞外亮度的72%,洞口亮度仅为洞外亮度的5%,而在洞内20m 处,亮度已降低为不到洞外亮度的2%。在距洞口20m 的范围内,亮度降低速率非常大,这种短距离内的亮度突变对行车安全十分不利。
实验中发现,在照明入口段由于遮光棚的影响,亮度发生突变,为变化过渡段,在20m左右的遮光棚处,亮度有个均匀变化的过程,这与公路隧道研究有所不同,进入洞口后,亮度又发生突降。道路至遮光棚亮度突变,遮光棚到洞口亮度再次发生突变。且行车过程中发现,在未进入遮光棚前,洞口处较为黑暗,视认性较差,对行车安全不利(见图4)。
图4 车辆在隧道外观察入口处
通过以上的分析可以发现,自然光对隧道内亮度的影响是非常明显的,并具有较强的规律性:按照现行的隧道照明设计方法进行设计的城市隧道,遮光棚处基本能满足行车需求;而在隧道遮光棚后一定距离范围内(实验隧道为距洞口前后10~20m)亮度变化还是较为剧烈,而且这也是道路视觉环境突变的区域。因此,从安全行车的角度考虑应适当加强这一段区域内的照明,而已有研究也很好地证明了这一点[5]。
隧道出口处没有遮光棚,亮度变化较为明显。在隧道出口前50m左右处,亮度开始突变,在行车过程中,接近隧道口时受亮度突变影响,驾驶员出现视觉障碍[6]。通过图2 和5 可以看出,出口段亮度变化比入口段亮度变化更加突兀,出口处没有遮光棚等照明过渡改善措施,当车辆接近隧道出口时,看到的是一个刺眼的眩亮白洞,此时形成“白洞效应”,驾驶员受“白洞效应”的影响,出现严重的视觉障碍。
图5 晴天下午时隧道出口处亮度变化
驾驶员的视觉系统是通过瞳孔获取外部信息的。瞳孔大小的变化,起到调节进入眼内光量的作用。光线强时,瞳孔减小以减轻对视网膜的刺激;光线弱时,瞳孔放大以帮助视网膜分辨物体。研究表明,瞳孔直径是衡量心理生理负荷的灵敏指标,瞳孔放大往往意味着较大的心理生理负荷[7]。
对于隧道出入口而言,主要是光亮度发生急剧变化,由于驾驶员的视觉适应瞳孔直径也发生较大变化,驾驶员生理负荷急剧增加。通过眼动仪对驾驶员瞳孔大小变化进行分析研究,能更好地对隧道出入口交通环境的安全性与宜人性进行评估[8]。因此,驾驶员瞳孔大小反应了驾驶员的视觉适应情况及心理生理负荷,可以作为驾驶员视觉适应性的评价指标。
在该实验中,考虑驾驶员年龄和驾驶经验的代表性,选取了2名驾驶员:A驾驶员44岁、驾龄13 年,B 驾驶员36 岁、驾龄3 年。采用EMR—8B眼动仪,实验时被试者头戴装有EMR 的帽子,在被试者眼睛前下方装有平面镜与红外线二极管。帽檐下方的高速摄像机可实时捕捉经平面镜反射的红外线在角膜上的反射像和瞳孔轮廓,如图6所示。
图6 EMR—8B系统的硬件组成
导出数据并整理发现,对同一隧道进行的多次实验,即使外界环境一致,同时每次实验都是独立的,数据之间也无相关性。但是从图7可以看出有些点较为离散,尽管对实验样本进行了筛选,但是样本仍呈现一定的个体差异;另外,即使是同一样本,在不同的时间段也表现出不同的精神状态,反应了不同实验个体心理生理上的差异。由于数据总体都表现了动视点视认目标百分比随速度增大而增加的趋势性。对于偏离很大的点处理的方法有很多种,如可以采用取置信度的方法剔除异常点。本文采用稳健估计的方法来处理数据。所谓稳健估计,实际上就是在粗差不可避免的情况下,选择估计方法使未知量估计尽可能减小粗差的影响,得出正常模式下的最佳估计值,稳健估计可理解为某一估计方法对观测值的粗差或异常值的抵抗能力[10]。
图7 隧道出入口实验中驾驶员动视点视认目标百分比-速度关系分布图
图8为白天晴天状态下进入隧道前瞳孔、明暗过渡时的瞳孔及进隧道适应后的瞳孔示意图,表明隧道外进入隧道时瞳孔由小变大。
图8 隧道内外驾驶员瞳孔大小变化图
图9为白天驾驶员行车经过隧道前、进入隧道及出隧道后的瞳孔直径变化示意图,表明在隧道入口位置,瞳孔直径随进入隧道距离增加而增大,在隧道出口位置,越往隧道外,瞳孔直径越来越小。
图9 城市隧道白天行车实验瞳孔直径变化示意图
城市隧道内外驾驶员瞳孔直径大小变化的对比示意图表明城市隧道内瞳孔直径和隧道外相比明显增大。瞳孔直径大小因人而异,但是变化的规律是相似的,因隧道长度和照明条件而变化。一般情况下,隧道进口一般路段瞳孔直径稳定在1.8mm左右,暗适应区间瞳孔直径从约1.9mm变化到约4.7mm,到完全适应时稳定在4.5mm左右,直至出口位置。且瞳孔变化面积的不同除受个体差异的影响外,还主要因为车辆速度和隧道亮度的不同而不同。
通过以上分析,瞳孔直径急剧变化的现象可理解为受眼睛的暗适应影响所致。驾驶员驱车由隧道外进入隧道内,在隧道外的亮度有三千多坎德拉每平方米,而隧道内仅有两三坎德拉每平方米左右的照明条件,明暗相差很大,这进入隧道后200m 左右的暗适应过程是通过瞳孔直径的变化来实现的,所以导致瞳孔直径的急剧变化。这种暗适应过程的长短影响了驾驶员的视认性,是隧道入口事故率较高的主要原因之一[9]。实验结果还显示,在隧道出口,瞳孔直径发生和进口相类似的反向变化,越往隧道外,亮度急剧增加,瞳孔直径越来越小,从而完成明适应的过程。
白天隧道外亮度约为3000cd/m2左右,在进入隧道前驾驶员眼睛处的适应亮度相比隧道内亮度要高很多。本实验中共需操作人员2名,分别负责障碍物的摆放与隧道洞内外照度的测量;驾驶员1名;实验者4 名。实验地点与视觉适应性实验相同。实验人员从隧道外一定距离往隧道内行走,一位工作人员将障碍物不定位置放在隧道内实验距离处,当实验人员看到障碍物时测量距离并记录。在所进行的隧道入口段障碍物识别实验中选取4 名实验者的实验数据进行分析整理,如图10所示。
图10 入口段障碍物静态识别距离
通过以上实验分析可以得出,在静态识别试验中,障碍物的识别距离,随着障碍物在隧道内摆放位置变化先增加后减小,再增加到一个稳定的值。在距隧道入口20m 内,虽然亮度变化较大,但是驾驶员在隧道外就能看清障碍物,因为障碍的视认距离主要由障碍物的亮度和背景亮度的对比决定。障碍物在距隧道口100~120m 区间时,识别距离最短,最小为50m;而障碍物在隧道内140m 以后趋于稳定,隧道内视认距离受个体影响较小。
在基于静态下典型障碍物的识别实验后,驾驶员分别以40km/h,50km/h,60km/h,80km/h 的车速向障碍物行驶,当发现障碍物时实验者按下秒表开始计时,车辆继续保持车速行驶,当车辆行驶刚通过障碍物时实验者停止秒表,记录识别距离。
(1)驾驶员1识别距离
实验测得驾驶员1隧道入口段障碍物识别距离如图11所示。
图11 驾驶员1入口段障碍物识别距离
(2)驾驶员2识别距离
实验测得驾驶员2隧道入口段障碍物识别距离如图12所示。
由图10、图11、图12分析可得到如下结论。
图12 驾驶员2入口段障碍物识别距离
(1)静态条件下,在入口段视认距离逐渐减小,当障碍物放置在距入口100~120m 范围时,视认距离很短。但当障碍物放置在距入口120m 以后时,视认距离又开始趋于稳定。隧道内不同个体的视认距离差别不大。主要原因是:当障碍物处于隧道内距洞口一定距离时,驾驶员在发现障碍物前,实际上已经对隧道内较暗的环境适应了一定的时间。
(2)行车状态时在不同速度条件下,当障碍物放置在距入口一定距离范围时(本实验得出距离为50~100m),障碍物的视认距离很短,最低处不足60m。根据《公路隧道通风照明设计规范》中照明停车视距表相关规定[9]:设计速度为80km/h时,停车视距为100m;设计速度为60km/h 时,停车视距为55m;设计速度为40km/h 时,停车视距为27m,因此该区域内当速度达到60km/h 以上时视认距离未达到停车视距的要求,这对行车安全极为不利。
(3)当障碍物处于隧道接近入口处时,视认距离相对较高。主要原因是,在这一区域内,隧道内照度受洞外自然光的影响较大,亮度较高。
(4)当障碍物处于距洞口一定距离范围(大于120m)时,视认距离相对较高。主要原因是,当障碍物处于隧道内距洞口一定距离时,驾驶员在发现障碍物前,实际上已经对隧道内较暗的环境适应了一定的时间。
(5)当障碍物放置在同一位置时,在各速度条件下的障碍物识别距离大致呈现如下趋势:40km/h>50km/h>60km/h>80km/h。但当速度较小时,视认距离离散程度减小,当速度小于60km/h时,视认距离受速度的影响较小。
本文首先测量了某城市隧道的亮度分布,了解了城市隧道亮度突变的区域;然后利用行车实验,得到了城市隧道入口驾驶员瞳孔直径变化规律;在掌握了环境和驾驶员生理指标变化的基础上设计相应的障碍物识别实验,分析得到隧道入口段不利于行车安全的区域。基于以上三个实验,分析得到了城市隧道出入口驾驶员视觉变化与行车安全的关系,为今后城市隧道进出口的驾驶员行车安全提供了理论基础与依据。
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