应急车道景观铺装及对驾驶员视觉的影响研究

黄骤屹，徐建晖，秦新健，刘誉贵，董 越，盛启锦

(1.文山州广那高速公路投资建设开发有限公司，云南 文山 663300；2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400067；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；4.重庆交通大学，重庆 400074)

随着我国高速公路建设的快速发展，人们对高速公路的功能需求不仅仅是快速、通畅、便捷等，还有交通旅行。我国西部地区具有丰富的旅游资源，推进西部地区旅游交通的建设发展，不仅能改善交通状况，还能带动旅游经济发展，具有较好的经济效益。

旅游交通的独特之处在于沿线景观的营造，包括沿途绿化、标识标牌、服务区、收费站等[1-3]，主要以图案、色彩等形式体现。我国技术人员在景观设计和研究方面进行了大量探索。刘金亭等[4]运用留白手法设计景观公路，并探讨了该方法的重要作用。王璞婧[5]从景观美学、景观行为、景观生态3个角度研究了青岛东海路滨海道路景观建设。任璐等[6]研究了道路立体图案对驾驶员动视觉特征的影响，表明道路立体图案具有较好减速效果。通过调研发现，目前对高速公路景观营造的研究与运用仍缺少对地域特色、人文历史、自然风貌、景观特色等因素的充分考虑，缺乏地域性与美学性[7]。此外，研究还表明，合理的景观营造不仅能增强游客的观赏体验、增大游客量，还能起到缓解驾驶疲劳、降低驾驶员生理心理负荷[8-9]，有利于提升行车安全性。但在景观营造设计时，若缺乏对驾驶员视觉特性的考虑，则会适得其反。

目前，采用应急车道景观铺装的景观营造方法在旅游高速公路中的应用鲜有报道，现场调研发现，已有的景观营造方法及案例缺乏对驾驶员视觉特性的仿真研究。本文以云南省文山州广那高速建设项目为依托，通过对广那高速沿线地域特色的广泛调研，确定隧道前方及匝道处应急车道的景观营造铺装方案，并将利用软件仿真模拟与模拟驾驶研究隧道前方与匝道2处关键位置的应急车道景观铺装对驾驶员视觉特性的影响，包括驾驶员瞳孔面积变化、视野区域注视点占比、目标反应时间3项指标，最终为广那高速的建设与安全运营提供参考方案。

1 景观铺装方案

为实现云南省文山州的交通规划，带动地域经济发展，结合当地特有的风土人情、自然风貌等，打造广那高速旅游景观。基础调研主要包括：对广那高速沿线走访调研；针对沿线旅游资源、风土人文及物产等进行了图片信息收集与资料查询；与广南县旅游局、广南县博物馆及相关专家人员进行座谈；对广那高速的工程特点，主要对工程图纸以及目前的施工进展及地形进行考察，同时与设计院人员进行了对接。

根据调研成果，总结发现广那高速沿线自然旅游资源主要为坝美世外桃源，地域文化主要为句町古国文化、桃源文化、服饰文化、节庆文化等，民族代表色彩有蓝色、红色、黄色、白色等。通过对自然、人文元素进行形象化设计，确定高速沿线文化载体的表现形式，并形成应急车道的景观铺装布局。最终形成粉红和靛蓝2种底色、3种图案的6种正交铺装方案，未作景观铺装的普通路面作为对照组，其中粉色代表广那高速沿线重要景点桃花源及桃源文化，靛蓝代表广那壮族的特色服饰色彩及服饰文化，3种图案依次代表句町古国文化、桃源文化、节庆文化，6种彩色铺装图案效果如图1所示。图1中，方案1、方案3、方案5底色为粉红色，方案2、方案4、方案6底色为靛蓝色。图案满铺于隧道前方与匝道路段的应急车道，为不影响应急车道功能，图案铺设长度为500 m。

图1 应急车道6种景观铺装方案

2 软件仿真模拟

根据广那高速施工设计文件，利用UC-win/Road仿真场景搭建软件进行仿真模拟[10]，同时利用Adobe Photoshop(PS)进行效果渲染。隧道前方及匝道为高速公路慢行路段，同时事故频率相对较高，故仿真模拟场景选择为广那高速沿线上的板茂隧道前方与旧莫互通匝道，具有较好的代表性[11]。隧道前方与匝道仿真场景效果图如图2所示。

图2 仿真场景效果图

3 模拟驾驶试验设计

3.1 试验人员组成

试验共选择20名驾驶员志愿者，由男女驾驶员共同组成，驾驶员年龄分布在22岁～40岁，驾龄分布在0～15年，试验过程均保持较好的身体状况。

3.2 硬件设备介绍

为研究应急车道景观铺装对驾驶员视觉特性的影响，评价行车安全性，本文选择眼动仪采集驾驶员在模拟驾驶过程中的眼动参数。眼动仪选用德国SMI 2.1眼动仪与瑞典Tobii眼动仪，驾驶硬件系统为莱仕达模拟驾驶器，眼动仪照片如图3所示。

(a)德国SMI2.1眼动仪

3.3 模拟驾驶试验

驾驶员通过驾驶器操控模拟场景中的车辆，隧道前方控制车速为60 km/h，匝道处控制车速为40 km/h，在行车过程中眼动仪自动记录眼动参数，用于分析驾驶员视觉特性，如图4所示。

图4 试验过程照片

3.4 异常数据剔除

利用BeGaze数据处理软件导出采集的数据，并主要从驾驶员瞳孔面积变化率、视野区域注视点占比与目标反应时间3项指标分析应急车道景观铺装设计对驾驶员视觉特性的影响。由于样本中存在部分异常数据，会影响数据样本的真实规律，需对异常数据剔除。本试验采用拉依达准则法[12]对数据进行筛选，最终各项评价指标均取合格样本的均值作为代表值。拉依达准则法的基本公式如下：

4 结果分析

4.1 瞳孔面积变化率

瞳孔变化指标用于研究人紧张反应的有效性已得到学者们的认可，瞳孔面积变化率能直观反映驾驶员在驾驶过程中遇到的不安或舒适的心理、生理状态。在行车过程中，驾驶员的瞳孔面积变化既受光线、视距、记忆等多重因素影响，瞳孔面积的放大表明人眼在认知活动中承受更大的加工负荷与视觉容量，交感神经活动处于积极状态，会使驾驶员机体处于紧张状态[13]。本文从改变应急车道景观铺装图案的角度，研究景观彩铺对驾驶员视觉特性的影响，7种方案下驾驶员的瞳孔面积变化率如图5所示，其中第7种方案为无图案对照组。

(a)隧道前方直线段

从图5可以看出，在隧道前方直线段和匝道曲线路段行车，驾驶员的视觉特征不同。图5(a)7种方案中驾驶员的瞳孔面积变化率差异较大，其中方案1、2、6均较方案7有更高的瞳孔面积变化率，表明此时人眼有更大的视觉处理任务，行车舒适性受到影响；方案3、4、5中驾驶员的瞳孔面积变化率明显较低，表明这3种铺装方案对驾驶员视觉刺激性较小，更利于人眼的视觉处理，有助于缓解驾驶紧张感。图5(b)7种方案的瞳孔面积变化率差异较小，仅方案6有相对更高的瞳孔面积变化率。分析原因为匝道路段速度较低，驾驶员更易调节视距，可有效降低外界环境对视觉的影响，从而降低瞳孔面积变化率，保证行车舒适性。

4.2 注视点占比

驾驶员注视1次则称为1个注视点，在确定时间内，某个规定区域范围内注视点的数量占总注视点的比例被称为注视点占比。为研究驾驶员视觉在关键区域的注视点占比，需要对驾驶员的视觉范围进行合理划分。本文采用动态聚类法对驾驶员视野平面进行划分，隧道前方直线段与匝道曲线路段视觉区域划分结果如图6 所示。

(a)隧道前方直线段

注视点占比表示驾驶员注视某范围的频率，从某种程度上表示该目标物对驾驶员的吸引力。在行车过程中，驾驶员对自己感兴趣的区域或目标时，会频繁注视，使其注视点出现在该区域的频率就高，即该区域注视点占比高。隧道前方直线段与匝道曲线路段处驾驶员在6个区域的注视点占比分布如图7所示。

(a)隧道前方直线段

从图7可以看出，驾驶员在行车过程中，注视点主要集中在视野左前方与道路路面，以保证行车安全性，符合驾驶员行车过程中的注视行为。行车经过隧道前方直线路段时，通过比较方案1～6与方案7，发现应急车道的景观铺装使驾驶员注视点在区域1、2的占比降低，在区域3、4、5的占比升高，尤其在区域2和区域4变化十分明显。分析原因是应急车道景观铺装对驾驶员视觉具有一定的吸引作用，使得驾驶员的注视区域右移，降低了驾驶员对左侧区域的注视频率，将注视点转向右侧区域。本试验表明应急车道景观铺装具有吸引游客注意力的作用，能较好地实现高速公路的宣传功能。6种方案在区域4的注视点占比明显上升，在行车速度为60 km/h的情况下，能较好地保证行车安全。当行车经过匝道曲线路段时，7种方案对驾驶员在同一区域的注视点占比影响较小。驾车经过匝道曲线路段时，为保证行车安全，驾驶员会将更多的精力集中在驾驶操作上，同时较直线路段更加关注左前方路况。与方案7相比，方案3、4、6在区域2、4、5均有更高的注视点占比，可保证行车安全和实现应急车道景观铺装功能。

4.3 目标反应时间

在行车过程中，外界环境、驾驶员生理和心理状况会影响驾驶员的认知能力，如出现疲劳、警觉度降低、分心等情况，这些会降低驾驶员的注意力和反应速度，从而导致交通事故。目标反应时间指驾驶员从发现刺激物到采取制动措施所经历的时间，本文在仿真场景中设置了距驾驶车辆50 m的刺激物，采用眼动仪记录的数据测算目标反应时间，并选择目标反应时间作为行车过程中驾驶员注意力集中程度的评价指标。隧道前方直线路段与匝道曲线路段的目标反应时间测算结果如表1所示。

表1 目标反应时间测算结果 s

从表1可以看出，在隧道前方直线路段时，7种方案的反应时间较为接近，仅方案4有明显较低的反应时间，表明应急车道景观铺装对隧道前方直线路段行车安全影响较小。但在匝道曲线路段，驾驶员目标反应时间都较短，其中方案4的反应时间仍然最低，表明该方案用作应急车道景观铺装对保证行车安全具有良好效果。

5 结论

1)在隧道前方直线段驾驶时，不同铺装方案对驾驶员瞳孔面积变化率影响较大，其中方案3、4、5有更小的瞳孔面积变化率，可提升行车舒适性；而在匝道曲线路段，各方案的瞳孔面积变化率差别较小，应急车道景观铺装对驾驶员视觉影响较小。

2)在隧道前方直线路段驾驶时，应急车道景观铺装可同时提升驾驶员在路面和应急车道的注视点占比，既能保证行车安全，又可实现景观铺装的宣传功能，同时方案3、4、6运用于匝道曲线路段具有同样效果。

3)不同的应急车道景观铺装方案对驾驶员反应时间有一定影响，方案4在隧道前方直线路段和匝道路段均有最低的反应时间，可有效保证行车安全。

4)应急车道不同的铺装方案对驾驶员视觉有不同程度的影响，在方案1～7中，方案4有较低的瞳孔面积变化率、在路面和应急车道有较高的注视点占比、目标反应时间最短，故推荐方案4作为隧道前方直线段和匝道曲线路段的应急车道铺装方案。