照度与纵坡耦合作用下海底隧道出入口段驾驶人视觉特征分析与建模

潘福全，泮海涛，王铮，张丽霞，马昌喜，杨金顺

(1.青岛理工大学，机械与汽车工程学院，山东青岛266520；2.兰州交通大学，交通运输学院，兰州730070)

0 引言

海底隧道具有封闭、视线差、空间小、救援困难等特性，其内一旦发生交通事故，整个隧道段的通行能力和安全性都将受到影响。对于山体隧道内驾驶生理特性及驾驶行为的研究，国外做了较多研究[1]。Narisada[2]运用角膜反射眼球运动追踪仪记录了驾驶员在靠近隧道口时的眼部运动情况，发现在隧道入口段，驾驶员的注视点会慢慢落在隧道口。Manser 等[3]通过驾驶模拟器研究了隧道的直观形象对驾驶行为的影响，发现驾驶员对速度的感知及感知后的反应受隧道直观形象影响。国内研究隧道驾驶生理与安全的起步较晚，但进展较为迅速。胡月琦等[4]选取山区高速公路隧道进行实车实验，分析不同车速下驾驶人动态视野变化规律。杜志刚等[5]研究了不同环境条件下公路隧道出入口驾驶人瞳孔面积变化速度及注视点变化规律。

人的因素是交通事故发生的主要因素[6]。在各感官提供给驾驶人的交通信息中，视觉信息所占比例约为80%。海底隧道因其结构的复杂性和地理位置的特殊性与山体隧道在线形设计、行车安全等多方面有许多差异。探究照度及纵坡坡度耦合作用下海底隧道出入口段驾驶人视觉特性变化规律，对提高海底隧道运营安全具有重要意义。

1 研究方法

1.1 实验线路

选择青岛胶州湾海底隧道中黄岛区至市南区4个往返隧道出入口。实验路线为：漓江东路入口-云南路出口、莘县路入口-漓江东路出口。将漓江东路入口段、漓江东路出口段、莘县路入口段、云南路出口段简称隧道1～4 段。为使实验在交通流环境与环境照度尽可能相近的情况进行，选择非交通高峰、非雾天、非雨天等天气进行实验。

1.2 实验驾驶人员与实验仪器

实验挑选不同年龄、不同驾龄的26 名驾驶人进行实验，其中，男性21名，女性5名，视力(含矫正视力)为4.6～5.0。实验仪器主要为Facelab 5.0眼动仪，TES-1339R照度计。实验车辆为雪佛兰景程自动挡轿车。还有行车记录仪、摄像机、笔记本电脑等辅助实验设备。

1.3 评价指标

眼睑闭合度指左、右眼，上、下眼睑闭合覆盖的虹膜部分，其在一定程度上反映驾驶人当时疲惫状况和紧张状况，即

式中：ec为眼睑闭合度；c0为上眼睑闭合权重系数；e0为上眼睑闭合度；c1为下眼睑闭合权重系数；e1为下眼睑闭合度。ec取值介于0～1，1表示上下眼睑完全覆盖虹膜部分，即完全闭合；0表示上下眼睑没有覆盖虹膜部分，即未闭合。

注视点位置和次数在一定程度上反映驾驶人视觉搜索捕捉目标物体的位置，次数的多少及注视时间在一定程度上反映驾驶人获取交通信息的难易程度。

1.4 数据采集

为方便实车实验数据采集，将海底隧道出入口按150 m划分，以1 s为间隔采集、记录照度数据并存储于照度计内，其具体位置如图1所示。

图1 实验数据采集区域Fig.1 Test data collection area

利用坡度仪得到隧道1～4段坡度分别为0.5%、3.2%、3.1%、0.5%。

2 实验结果与分析

实验结束后，对实验数据进行初步处理，剔除异常数据。利用Origin软件分析照度、坡度与视觉特征数据之间的关系。

2.1 眼睑闭合度变化特征分析

驾驶人驾车经过海底隧道过程中，驾驶人的眼睑闭合度与照度、坡度的变化规律如图2所示。

图2 驾驶人驾车通过海底隧道过程中照度、纵坡和眼睑闭合度Fig.2 Illumination,longitudinal slope and eyelid closure during driving in undersea tunnel

由图2可知，车辆在海底隧道入口段前150 m行驶过程中，纵坡坡度值较小，照度值波动性较小，驾驶人眼睑闭合度下降至0.5；当车辆在海底隧道入口段行驶时，照度值锐减至100 lux以下，驾驶人眼睑闭合度降至0.4 左右；当车辆在海底隧道入口段后150 m 行驶时，纵坡坡度值为0.3%左右，照度值较低，维持在90～200 lux，驾驶人眼睑闭合度上升至0.7，精神相对放松；当车辆在海底隧道出口段前150 m 行驶时，纵坡坡度增加至3.2%左右，照度值激增至45000 lux左右，驾驶人眼睑闭合度下降，精神紧张；当车辆在海底隧道出口段行驶时，坡度保持在3.2%左右，照度保持在45000 lux左右，驾驶人眼睑闭合度仍维持较低水平，注意力持续集中，精神紧张；当车辆在海底隧道出口段后150 m行驶时，纵坡坡度减小至0.5%，驾驶人眼睑闭合度上升，精神相对放松。

对不同照度及坡度范围下的驾驶人眼睑闭合度作多因素方差分析，该实验工况条件下，驾驶人眼睑闭合度受照度作用效果显著(P=0.005)，受纵坡坡度作用效果不显著(P=0.154)，受照度及纵坡耦合作用效果不显著(P=0.415)。

2.2 注视时长与位置变化特征分析

注视时长在一定程度上反应了驾驶人获得交通信息的难易程度。驾驶人驾车经过海底隧道过程中注视时长与照度、坡度的变化规律如图3所示。车辆在海底隧道入口段前150 m行驶时，纵坡坡度值较小，照度值基本平稳在45000 lux，驾驶人单次注视时长约为3.7 s，视认难度较大，注意力集中；当车辆在海底隧道入口段行驶时，纵坡坡度较小，照度值锐减至200 lux以下，驾驶人单次注视时长下降至3.0 s 左右；当车辆在海底隧道入口段后150 m行驶时，纵坡坡度在0.3%左右，照度值较低，维持在90～200 lux，驾驶人单次注视时长无较大变化；当车辆在海底隧道出口段前150 m 行驶时，纵坡坡度增加至3.2%左右，照度值激增至约45000 lux，驾驶人单次注视时长维持在3.0 s 左右，已适应隧道内驾驶环境；当车辆在海底隧道出口段行驶时，坡度保持在3.2%左右，照度上升接近于隧道外照度，驾驶人单次注视时长维持在3.0 s；当车辆在海底隧道出口段后150 m行驶时，纵坡坡度减小至0.5%，照度与海底隧道外照度持平，驾驶人单次注视时长逐渐增加。

对不同照度及坡度范围下的驾驶人注视时长作多因素方差分析，该实验工况条件下，驾驶人注视时长受照度作用效果显著(P=0.033)，受纵坡坡度作用效果不显著(P=0.151)，受照度及纵坡耦合作用效果也不显著(P=0.269)。

为深入探究驾驶人通过海底隧道注视变化时空分布特性，将驾驶人单次注视时长与注视点位置及频次相结合，发现驾驶人注视点主要分布于水平方向-30～70 cm及垂直方向-40～40 cm范围内。将虚拟坐标系与实验时驾驶人视觉可视范围进行拟合，并将驾驶人可视范围进行划分，如图4所示。其中，可视范围1、2、3、4、5 分别为前方、左右临近车道、左侧交通标志、右侧交通标志及上方交通标志所提供的交通信息。

图3 驾驶人驾车通过海底隧道过程中照度、纵坡和注视时长Fig.3 Illumination,slope and gaze duration during driving in undersea tunnel

图4 驾驶人可视范围划分图Fig.4 Division of driver's visible range

分析驾驶人注视点分布数据，得到海底隧道出入口段驾驶人注视时空分布，如表1所示。

将表1中数据代入

式中：Ii为i区域注视时长百分比；n为i区域注视频次；ti为i区域单次注视时长；t为行车时间。

表2为海底隧道出入口段注视分布百分比。由表2可知，驾驶人通过海底隧道出入口段时更加关注前方车辆行驶状况，同时兼顾左右临近车道，对海底隧道出入口段内的交通控制装置关注度不高。

表1 海底隧道出入口段注视时空分布Table 1 Spatiotemporal distribution of entrance and exit sections of undersea tunnel

表2 海底隧道出入口段注视分布百分比Table 2 Percentage distribution of gaze distribution at entrance and exit of undersea tunnel

2.3 车速变化特征分析

驾驶人驾车通过海底隧道时，速度差的大小在一定程度上反映了行车安全可靠性。分析实验数据，驾驶人驾车经过海底隧道过程中速度与照度、坡度的变化规律如图5所示。车辆在海底隧道入口段前150 m 行驶时，纵坡坡度值较小，照度值基本平稳在45000 lux左右，车速为55 km·h-1；车辆在海底隧道入口段行驶时，纵坡坡度较小，照度值锐减至200 lux以下，车速降低至50 km·h-1；车辆在海底隧道入口段后150 m行驶时，纵坡坡度在0.3%左右，照度值较低维持在90～200 lux，车速略微增加；当车辆在海底隧道出口段前150 m行驶时，纵坡坡度增加至3.2%左右，照度值上升，接近出口段时，照度值激增至45000 lux 左右，平均车速降低至50 km·h-1，驾驶人注意力集中；车辆在海底隧道出口段行驶时，坡度保持在3.2%左右，照度上升接近于隧道外照度，平均车速保持50 km·h-1的较低车速；当车辆在海底隧道出口段150 m 行驶时，纵坡坡度减小至0.5%，照度与海底隧道外照度持平，平均车速增加。

图5 驾驶人驾车通过海底隧道过程中照度、纵坡和行车速度Fig.5 Illumination,slope and speed during driving in undersea tunnel

对不同照度及坡度范围下的驾驶人行车速度作多因素方差分析。该实验工况条件下，行车速度受照度和纵坡坡度作用效果显著(P=0.011，P=0.009)，但受照度及纵坡耦合作用效果不显著(P=0.141)。

3 模型构建

将照度、坡度定义为自变量，将视觉特征指标与速度定义为因变量，进行三维曲面拟合分析，拟合函数形式为z=z0+ax+by+cx2+dy2+fxy(x、y为自变量，z为因变量，z0、a、b、c、d、f为回归系数)。利用MatLab软件分别对其进行拟合分析，构建关系模型。

3.1 眼睑闭合度变化模型

拟合得到海底隧道出入口段驾驶人眼睑闭合度、照度和坡度关系式为

式中：f1(x,y)为眼睑闭合度值(cm)；x为照度值(lux)；y为纵坡坡度(%)。眼睑闭合度、照度和坡度三维曲面拟合判定系数R2=0.8603，拟合模型的方差分析结果如表3所示，其中，P=2.51×10-166＜0.001，说明拟合程度较好。

驾驶员眼睑闭合度与照度、坡度拟合曲面如图6所示。根据曲面拟合结果可知，海底隧道出入口段照度分布于1000～20000 lux，纵坡坡度分布于-1.5%～1.5%时，驾驶人眼睑闭合度较低，驾驶人注意力集中，精神状态紧张。

表3 驾驶员眼睑闭合度与照度、坡度拟合模型的方差分析Table 3 Variance analysis of fitting model of driver's eyelid closure,illumination and slope

图6 照度及纵坡耦合作用下海底隧道出入口段驾驶人眼睑闭合度拟合曲面Fig.6 Fitting curve of driver's eyelid closure under coupling of illumination and longitudinal slope

3.2 注视时长变化模型

拟合得到海底隧道出入口段驾驶人注视时长、照度和坡度关系为

式中：f2(x,y)为单次注视时长(s)。注视时长、照度和坡度三维曲面拟合判定系数R2=0.835，拟合模型的方差分析结果如表4所示，其中，P=2.46×10-68＜0.001，说明拟合程度较好。

驾驶员注视时长与照度、坡度拟合曲面如图7所示。海底隧道出入口段照度分布于1000～20000 lux，纵坡坡度分布于-1.5%～1.5%时，驾驶人频繁变化注视点位置，单次注视时长较低，驾驶人注意力集中，精神状态紧张。

表4 驾驶员注视时长与照度、坡度拟合模型的方差分析Table 4 Variance analysis of fitting model of driver's gaze duration,illumination and slope

图7 照度及纵坡耦合作用下海底隧道出入口段驾驶人单次注视时长拟合曲面Fig.7 Fitting curve of driver's single gaze duration at entrance and exit of undersea tunnel under coupling of illumination and longitudinal slope

3.3 车速变化模型

拟合得到海底隧道出入口段行车速度、照度和坡度关系为

式中：f3(x,y)为行车速度(km/h)。行车速度、照度和坡度三维曲面拟合判定系数R2=0.8311，拟合模型的方差分析结果如表5所示，其中，P=9.94×10-60＜0.001，说明拟合程度较好。

表5 行车速度与照度、坡度拟合模型的方差分析Table 5 Variance analysis of fitting model of speed,illumination and slope

行车速度与照度、坡度拟合曲面如图8所示。海底隧道出入口段照度分布于1000～20000 lux，纵坡坡度分布于-1.5%～1.5%时，驾驶人行车速度较低，精神状态紧张。

图8 照度及纵坡耦合作用下海底隧道出入口段驾驶人行车速度拟合曲面Fig.8 Fitting curve of driver's speed at entrance and exit of a undersea tunnel under coupling of illuminance and longitudinal slope

4 结论

通过海底隧道实车实验，对驾驶人视觉特性数据进行采集与分析，建立眼睑闭合度、注视时长、车速与照度和坡度的数学模型。发现，驾驶人驾车通过海底隧道出入口段时眼睑闭合度明显降低，注视时长增加，注视点多分布于前方车辆，精神紧张。多因素方差分析结果显示，眼睑闭合度及注视时长受环境照度作用效果显著。车速呈现下降-上升-趋于平缓-下降-上升的规律，受照度和纵坡坡度作用效果显著。

基于研究结论，为降低海底隧道事故风险，更好地对海底隧道进行安全管理，提出如下建议：基于驾驶人生理特性研究结论等科学合理的设置海底隧道纵坡坡度，减少因纵坡坡度突变造成的行车突变，保障行车安全；海底隧道出入口段应设置合理的动态渐变照明，减少照度明暗变化对驾驶人的视觉刺激；海底隧道出入口前应科学地设置简洁、清晰的包含前方纵坡的可变交通标志，减少坡度变化对驾驶人心理与行为的影响；驾驶员培训时，应增加海底隧道段复杂行车环境方面的内容，加强驾驶员对明暗适应的认识。