高速公路连续隧道群驾驶人视觉特性分析*

汤文蕴 丁纯璐 潘义勇 杨 震

（南京林业大学汽车与交通工程学院 南京 210037）

0 引 言

随着我国公路网规模的不断扩大，隧道建设数量逐年增多。公路隧道群作为道路交通的特殊路段，在照明[1]、线形[2]、交通设施[3]、交通饱和度[4]等方面存在局限，对驾驶人生理和心理造成负担[5]，增大了行车安全风险。驾驶人是道路环境中交通行为的主体[6]，道路环境中的各类设施都是为驾驶人所服务的，因此从驾驶人的视觉特性出发[7]，针对公路隧道群路段连续多隧道的特性，开展优化设计研究，是提高交通安全水平的有效方式之一。

在隧道交通安全的研究中，很多学者借助生理测试仪[8]、眼动追踪装置[9]等采集驾驶人眼动行为、脑电信号等生心理数据开展研究，其中眼动行为会直接影响驾驶人的驾驶行为[10]。驾驶人的视觉特性的研究内容主要为注视行为、扫视行为、眨眼行为以及瞳孔直径等方面。胡月琦等[11]通过开展实车试验，利用眼动特性研究了高速公路隧道的视觉特性，主要指标包括注视持续时间、注视点位置、扫视持续时间、扫视幅度等[12]。朱可宁等[13]研究了高速公路特长隧道出口段驾驶人心理负荷变化规律，通过心率变化与瞳孔面积变化相结合，发现特长隧道出口段驾驶人心理负荷较大，行车安全影响最大。陈孟柯等[14]对高速公路隧道内部照明分段、半开敞棚洞出口段及隧道内部视线不良路段等方面的视觉特性开展研究。He等[15]在研究了2种照明环境的高速公路隧道中驾驶人的眼动特性，通过分析驾驶人注视点的位置及持续时间的变化，提出在入口处使用开放式遮阳板的建议。方松等[16]则通过采集驾驶人行车过程中的瞳孔直径、扫视时间以及注视点分布数据研究了城市隧道中驾驶人视觉特性。

基于高速公路隧道中驾驶人视觉特性在以上指标的变化规律及相关结论，评价隧道不同区段内的行车环境对行车安全的影响。周智文等[17]基于主成分分析法建立了视觉稳定性评价模型，研究了不同隧道群路段的视觉稳定性，尤其关注了入口段与出口段的相关指标。Liu等[18]采用BP神经网络模拟了高速公路长隧道入口段的注视持续时间、注视次数、扫视幅度等，发现随着车辆靠近隧道入口，注视持续时间逐渐增加，而注视次数和扫视幅度下降。杜志刚等[19]对隧道进出口50 m范围驾驶人的瞳孔变化进行了研究，分析了该指标对行车安全的影响。除了高速公路隧道之外交通枢纽[20]、水下隧道[21]、短隧道[22]等场景也可以通过研究视觉特性评价交通运行环境，对诱导系统、景观装饰[23]、照明设施等提出相关的改善建议。

以上研究在不同的环境中从不同角度研究了高速公路隧道内驾驶人的眼动特性，主要表现出注视行为主要集中在入口段，扫视行为主要集中在出口段，洞外扫视幅度大于洞内扫视幅度，在特长隧道中驾驶人的平均注视时间更长，注视区域在垂直方向上趋于集中，扫视的幅度更小。隧道内行车安全的研究主要集中在出入口段，由于出入口环境亮度突变，入口段出现“黑洞”效应，出口段出现“白洞”效应，驾驶人视觉震荡持续时间长，瞳孔直径变化大。

以往研究主要针对单条隧道出入口段驾驶人的视觉特征规律，而对连续隧道群这种行车环境研究较少。或者虽然实验环境为连续隧道，但研究是以单个隧道的特征为基础开展的，缺少对不同隧道间的差异进行对比分析。基于以上考虑，本研究采取实地试验的方法，通过采集驾驶人眼动数据，分析连续隧道群路段驾驶人视觉特性，为改善连续隧道群的行车安全性提供新的思路。

1 实验方案

1.1 实验路段

选取位于苏高速S38常合高速K163～K165路段的茅山隧道群为实验路段，该隧道为双洞单向分离式隧道，分为东、西2段，全线按双向6车道设计，单洞3车道。该道路普通路段设计速度120 km/h，隧道内限制速度80 km/h。挑选非节假日，车流为自由流状态下进行实验，经调查单向交通量一般不大于350 veh/(h·ln)。该实验路段位于茅山服务区与天王收费站之间，实验路线为从茅山服务区出发，经过茅山隧道群（西行东隧道-西行西隧道）、天王收费站调头，再次经过茅山隧道（东行西隧道-东行东隧道）、返回茅山服务区，即完成1次实验，每次实验时长约为20 min。考虑到茅山隧道群距离实验起点较近（小于1 km），为了获取更真实的实验数据，本实验采集驾驶人在东行方向隧道群的眼动数据，实验路段的区段划分见图1。

图1 实验路段划分示意图Fig.1 Division of tunnel group sections

1.2 实验设备

实验中利用Tobii Glass2眼动仪采集驾驶人的注视、扫视及瞳孔直径等相关数据，采用I-VT算法对注视点进行提取。眼动仪设备由镜架、镜架上方的传感器、校准片及具有无线传输功能的数据记录模块组成（见图2），配戴方便，对驾驶人无干扰，具有定位驾驶人瞳孔位置、实时记录眼动行为、采集驾驶人的眼动数据等功能，采样频率60 Hz，可智能填补短时数据丢失的空白，确保实验数据质量。

图2 眼动仪设备图Fig.2 Tobii Glass2

利用ErgoLAB人机环境同步系统对试验录像每个画面和每一时段进行分析，获取驾驶人在试验路段环境下注视各个区域、目标的平均时间、次数等指标，具体见表1。

表1 眼动仪输出数据指标Tab.1 Output data index of eye-moving instrument

1.3 实验人员及步骤

本次实验从在校研究生、学校教职工里共选取20名实验驾驶人，其中男性驾驶人12名，女性驾驶人8名，实验驾驶人年龄分布在22～45岁中间，平均年龄为25岁。实验驾驶人均持有2年以上的C1驾驶证，驾龄在3～5年的有10人，5～10年的有6人。所有实验驾驶人矫正视力1.0以上，且身体健康状况符合我国交通法律法规要求。实验驾驶人实验前24 h内未出现身体不适情况，也没有饮酒、服用药物、喝刺激性饮料等行为。考虑到实验实施的条件限制，所有实验人员均为单次实验，未进行重复实验。

实验开始前检查眼动仪等实验设备是否正常，避免实验过程中出现故障影响进程。将Tobii眼动仪与电脑连接好，对实验人员进行视力校准，确保各项参数能有效采集。让每名实验驾驶人进行预实验，即熟悉实验路线和测试仪器。开始正式实验时，驾驶人按照正常开车习惯进行驾驶。记录人员密切关注眼动仪记录平台的数据采集情况，如发现数据采集出现卡顿、丢失等现象，及时提醒并调整实验设备，确保仿真实验数据质量。实验结束后整理、保存好每位实验驾驶人的实验数据。图3为实验流程图判。

图3 实验流程图Fig.3 Experiment flow chart

2 数据采集及分析

利用ErgoLAB人机环境同步系统对试验录像每个画面和每个时段进行分析，采集实验驾驶人的眼动行为数据和心电信号数据，分析界面见图4。

图4 眼动仪分析界面Fig.4 Analysis interface of eye tracker

剔除空白数据持续时间大于75 ms、注视持续时间小于50 ms等失效数据以保证有效数据质量。采用线性插值的方法对采集空白持续时间低于75 ms的实验数据进行补偿，采用滑动均值滤波和滑动均方根滤波2种方法对眼动数据进行降噪。

2.1 注视行为

2.1.1 视野角度

一般情况下，普通驾驶人在水平方向视线所能覆盖的范围可达210°，舒适视域为120°；在垂直方向视野角度可达30°，舒适视域为15°[24]。本研究对实验数据进行采集，得到水平视野角度、垂直视野角度分别见图5和图6。

图5 水平方向驾驶人视野角度Fig.5 Driver's visual angle in the horizontal direction

图6 垂直方向驾驶人视野角度Fig.6 Driver's visual angle in the vertical direction

驾驶人平均水平视野角度范围为24.75～86.34°，其中隧道接近段、第1条隧道、隧道群开敞段、第2条隧道、驶离段各区段水平视野角度均值分别为62.29°、48.72°、51.54°、47.08°、61.42°。驾驶人平均垂直视野角度范围为1.95～9.27°，其中隧道接近段、第一条隧道、隧道群开敞段、第二条隧道、驶离段个区段垂直水平视野角度均值分别为5.60°，2.95°，3.87°，3.18°，6.27°。

驾驶人在隧道群内水平、垂直视野角度较非隧道群路段明显缩小。水平方向驾驶人视野角度在第1条隧道较隧道接近段缩小了21.79%，开敞段较隧道接近段缩小了17.26%，第2条隧道较隧道接近段缩小了24.42%；垂直方向驾驶人视野角度在第1条隧道较隧道接近段缩小了47.32%，开敞段较隧道接近段缩小了30.89%，第2条隧道较隧道接近段缩小了43.21%。

车辆在隧道群的运行中，水平方向与垂直方向的视野角度均表现为2条隧道内的视野角度比较接近，且角度最小，但在水平方向上第1条隧道的视野角度均值高于第2条隧道，而在垂直方向上则相反。开敞段的视野角度均略高于隧道内的视野角度，且明显小于接近段与驶离段，说明在敞开段虽然亮度较高，但驾驶人的视觉依然难以恢复到正常行驶路段的视觉角度，但考虑到本文研究对象仅考虑了227 m的敞开段，在具备相关实验条件的情况下，可以针对不同长度敞开段开展分析。

2.1.2 注视区域

考虑驾驶人水平视野角度均值不大于70°（范围取-35°～+35°），规定从驾驶人正视正中间位置水平左 右±15°为 中 部 区 域；15°～35°为 右 侧 区域；-35°～-15°为左侧区域；小于-35°或大于+35°为超出区域，水平注视区域划分见图7。

图7 水平注视区域划分Fig.7 Horizontal fixation area division

驾驶人垂直视野角度均值不大于10°（范围取-5°～+5°），规定从驾驶人正视前方位置垂直上下±5°为前方区域，小于-5°为下方区域，大于+5°为上方区域，垂直注视区域划分见图8。

图8 垂直注视区域划分Fig.8 Vertical fixation area division

采集每位驾驶人注视点的样本，计算不同实验路段每个样本在水平方向各区域所占的百分比并汇总取其平均值，见图9。驾驶人全程关注中部区域比例最高，其次是右侧，在隧道接近段关注中部区域最高（94.08%），在隧道开敞段关注中部地区最低（76.09%）。

图9 注视次数在水平区域的百分比Fig.9 The percentage of fixation times in the horizontal area

在隧道接近段关注中部区域最高说明驾驶人经过长时间普通路段行驶后，在即将进入隧道路段会更关注正前方隧道内部的情况。在开敞段驾驶人对两侧注视的比例最高，其原因可能是在隧道内长时间在低光照环境下关注中部区域导致用眼疲劳，同时立刻又要进入下1条隧道，因此从第1个隧道驶出后，驾驶人会立刻关注两侧车道线及后方信息。而在驶离段中，虽然驾驶人也经历了长时间的隧道内行驶，但由于白洞效应，驾驶人依然会更关注中部区域。对比2条隧道注视次数的集中程度可以发现，第2条隧道在水平方向上注视中部的比例比第1条隧道的更接近驶离段，说明在第2段隧道中，驾驶人相对第1条隧道更适应于隧道环境，在第1条隧道中驾驶员由于刚进入隧道路段，更关注隧道两侧的后视镜等信息。

对垂直方向各区域所占百分比汇总计算见图10，驾驶人实验路段关注前方区域最多，各区域间注视比例接近，均高于75%；在开敞段和第2条隧道路段，驾驶人关注前方的比例最高，达90%以上，说明经过第1条隧道的驾驶后，在随后的开敞段和第2条隧道内，驾驶人对下方地面标线以及上方的隧道顶部限高等信息有了充分的了解，因此更多关注前方区域。而在第1条隧道中，由于从普通路段刚进入隧道路段，驾驶人需要适应隧道内的封闭空间以及低光照环境，因此会更关注隧道顶部的限高以及下方地面标线等信息。

图10 注视次数在垂直区域的百分比Fig.10 The percentage of fixation times in the vertical area

2.2 扫视比例

由于各区段长度不同，通行时间不同，采集驾驶人眼动特性的样本不同，为减少其他因素导致的差异性，将平均扫视时间的定义为扫视总时间与扫视总次数的比率。在未受到外界干扰情况下，平均扫视时间的变化可以反映驾驶环境复杂程度的变化，平均扫视时间越长，驾驶环境的复杂程度越高，行驶过程中面临的风险也越大，见表2。

表2 隧道群各区段驾驶人扫视特性表Tab.2 Scanning characteristics of drivers in each section of tunnel group

在整个实验路段内，驾驶人在驶离段扫视次数、平均扫视时间、扫视比例最高，与单条隧道的视觉特性基本一致。对比2条隧道的扫视特性发现，第2条隧道较第1条隧道平均扫视时间缩短47.75%，扫视比例下降0.31%，说明在第1条隧道中，对于驾驶人来说隧道环境的复杂程度更高，面临的风险更大，而在第2条隧道中，由于对隧道环境更熟悉，因此平均扫视时间以及扫视比例都相应减小。

2.3 瞳孔直径

驾驶人在隧道出入口段的瞳孔直径变化主要由亮度引起，为适应外界环境切换而做出的不自主生理反应，也可表征不同程度的视觉负荷。因此，驾驶人的瞳孔直径变化能够分析驾驶人出入隧道时的“黑白洞效应”。驾驶人在实验隧道群的平均瞳孔直径变化见表3。

表3 隧道群各区段驾驶人瞳孔直径表Tab.3 Pupil diameter of drivers in each section of tunnel group

隧道内平均瞳孔直径均大于隧道接近段、开敞段和驶离段，第1条隧道、第2条隧道平均瞳孔直径分别比隧道接近段大35.29%，25.4%，比开敞段分别大17.4%，8.82%，比驶离段分别大14.48%，6.11%。由于隧道内路况复杂、隧道内行车环境亮度相对较低，对驾驶人的瞳孔刺激较大，该结果与单条隧道的瞳孔直径变化结论一致[14]。对比2条隧道的瞳孔直径发现，第1条隧道的平均瞳孔直径比第2条隧道瞳孔直径大7.89%，说明在第1条隧道的行驶过程中视觉负荷最大。

3 驾驶人视觉特性分析

3.1 隧道内区段划分

高速公路隧道内外照度差异较大，隧道内部照明条件对驾驶人的视认性与行车安全密切相关。对茅山隧道群入口段、中间段、出口段长度进行划分[25]，得到各区段长度见表4。

表4 茅山隧道群区段划分表Tab.4 Section division of maoshan tunnel group

3.2 视觉稳定性分析

扫视速度是用来表征驾驶人在行车过程中眼球转动快慢的参数，可反映驾驶人视觉稳定性，常定义为驾驶人扫视的角度与扫视持续时间的之比，（°）/s。驾驶人扫视速度越快，驾驶环境的复杂程度越高，视觉稳定性越差。通过计算整理驾驶人通过隧道群路段过程中的平均扫视速度见表5。

表5 隧道内各区段驾驶人扫视速度Tab.5 Scanning speed of drivers in each section of the tunnel

2条隧道出口段扫视速度最快，分别为215.7（°）/s，176.6（°）/s，由于隧道出口段交通环境、光照条件均发生突变，驾驶人需不断转移注视点以获取信息，在行车过程中视觉稳定性最差。第1条隧道出口段连接开敞段，光照条件产生突变，两侧交通标志等设施较多。第2条隧道出口段路面标线由实变虚，驾驶人有变换车道的需求，因此需要不断扫视来确认安全距离、安全车距等，因此视觉稳定性较差。2条隧道群入口段扫视速度也比较高，由于驾驶人刚进入隧道视觉产生“黑洞”效应，需要通过不断左右扫视以习惯环境、寻求速度感知、距离感知、空间感知等，重塑隧道内视觉参照系。驾驶人行驶到隧道中间段已适应内部侧向净宽等交通环境的变化，因此隧道群中间段扫视速度最低，视觉稳定性最好。

对于相同的隧道区段，第1条隧道内的扫视速度均高于第2条隧道，入口段高7.24%，中间段高20.30%，出口段高22.14%，由于第1条隧道长度相比第2条隧道要长，行车环境较为压抑，驾驶人视觉稳定性较差，而行驶到第2条隧道时驾驶人已相对适应隧道内部的交通环境，所以第2条隧道平均扫视速度明显降低，行车过程视觉稳定性较好。

3.3 视觉负荷分析

由于每个驾驶人的瞳孔直径、面积都存在差异，直接对瞳孔面积进行比较误差较大。瞳孔面积变化率是用来表征驾驶人在行车过程中眼球震荡频率的参数，可反映驾驶人心理负荷的变化程度，能够为客观反映驾驶人视觉特性，其计算见式（1）。瞳孔面积变化率越高，瞳孔放缩越频繁，视觉负荷越大。通过计算整理驾驶人通过隧道群路段过程中的平均瞳孔面积见表6。

表6 隧道内各区段驾驶人瞳孔面积变化率Tab.6 Change rate of pupil area of drivers in each section of tunnel

式中：P为瞳孔面积变化率，%；ΔS为前后2个时刻瞳孔面积差值，mm2；S'为前1个时刻瞳孔面积，mm2。

2条隧道入口段平均瞳孔面积变化率较高，第1条和第2条隧道入口段分别为44.81%和34.5%，由于隧道入口段光照条件突变，因此不管是第1条隧道还是第2条隧道，驾驶人视觉负荷均较大。中间段瞳孔面积变化率最低，由于隧道中间段交通流量、隧道照明亮度较为稳定，驾驶人行车视觉负荷较小。在瞳孔面积变化率上，第1条隧道入口段平均值与方差大于第2条隧道入口段（平均值高29.88%，方差高100%），是由于在第2条隧道驾驶人已相对较为适应黑洞效应，所以平均瞳孔面积变化相对较小。2条隧道在中间段与出口段的瞳孔面积变化率的平均值与方差相对比较接近，说明经过隧道入口段的行驶后，在中间段与出口段驾驶人对2条隧道的感受比较接近，虽然在第2条隧道依然表现出视觉负荷更大。此外，第2条隧道入口段与第1条隧道出口段的瞳孔面积变化率各项指标值比较接近，由于开敞段距离较短，驾驶人在驶离第1条隧道时对进入第2条隧道具有一定的心理准备，因此第1条隧道出口的白洞效应与第2条隧道入口的黑洞效应对驾驶人的瞳孔面积变化影响程度较为接近。

3.4 改善建议

结合驾驶人视觉特性分析结果，对公路隧道群的运营安全提出相关改善建议。虽然驾驶人视觉特性数据是在实验路段内完成的，但对于其他公路隧道群的交通安全设施设计与改善具有重要的参考价值。

隧道群入口段驾驶人瞳孔面积变化程度较高，视觉负荷较大，建议通过更新增设照明灯具、设置遮光棚等设施，降低隧道内外环境亮度差，改善驾驶人隧道行车“黑洞效应”，尤其需要重点关注第1条隧道的入口段，从普通路段进入隧道路段的过程对驾驶人的瞳孔刺激最大。根据实验分析结果，第1条隧道出口段与第2条隧道入口段对驾驶人的视觉影响程度比较接近，因此在隧道群的照明设计中，可以将二者进行统筹考虑。

对于第1条隧道与第2条隧道，出口段驾驶人扫视速度均为最快，视觉稳定性差，对于第1条隧道的出口段，建议简化出口段交通标志内容设置，减少信息量，降低驾驶人提取信息的难度。对于第2条隧道出口段，延长地面标线实线长度，抑制驾驶人出于“逃逸”心理而做出的加速、变道等行为，待驾驶人完全适应“白洞效应”后才允许变道。

隧道群中间段驾驶人平均扫视速度相对较低，但2条隧道之间存在显著性差异，因此建议优先改善第1条隧道中间段的视觉诱导系统，采用多频参照系结合的方法，如设置猫眼道钉、多频率组合逆反射标线等设施，改善驾驶人的空间狭窄感、安全感较弱的情况。

4 结束语

本文通过实车实验，从驾驶人眼动特性这一角度出发研究高速公路隧道群中行车安全问题。得出以下结论。

1）驾驶人在高速公路隧道群不同隧道路段的视觉特性之间存在一定共性。驾驶人在2条隧道中，水平视野角度、垂直视野角度均明显缩小，形成视觉隧道效应，注视区域集中在中部和前方。隧道群驶离段扫视比例最高，隧道内扫视比例最低；隧道出口段扫视速度最快，其次为入口段，隧道中间段扫视速度最低。因此，隧道群中间段视觉稳定性最好，隧道群出口段视觉稳定性最差。驾驶人在隧道内瞳孔直径均大于隧道群其他路段；隧道入口段瞳孔面积变化率最大，其次是隧道出口段，隧道中间段瞳孔面积变化率最小。因此，隧道中间段视觉负荷最低，隧道入口视觉负荷最高。

2）驾驶人在隧道群中行驶过程中，在2条隧道以及开敞段具有不同的视觉特性。第1条隧道在水平方向上的视野角度均值高于第2条隧道，而在垂直方向上则相反。开敞段的视野角度均略高于隧道内的视野角度，且明显小于接近段与驶离段。在注视区域方面，在开敞段驾驶人对两侧注视的比例最高，第2条隧道在水平方向上注视中部的比例比第1条隧道的更接近驶离段，第1条隧道对两侧的注视比例更高。在开敞段和第2条隧道路段，驾驶人关注前方的比例最高，而第1条隧道关注上方与下方的比例最高。在扫视特性方面，第2条隧道的平均扫视时间、扫视比例以及扫视速度均比第1条隧道相应减小。在瞳孔直径及面积变化率方面，第1条隧道的平均瞳孔直径大于第2条隧道，第1条隧道入口段的瞳孔面积变化率平均值与方差远大于第2条隧道入口段，但在中间段与出口段驾驶人对2条隧道的感受比较接近。同时，第2条隧道入口段与第1条隧道出口段的瞳孔面积变化率各项指标值比较接近。总的来说，在高速公路隧道群行驶过程中，通行第2条隧道时驾驶人已适应隧道内行车环境，扫视速度、瞳孔面积变化率相比第1条隧道均有所下降，视觉稳定性提高，视觉负荷降低，而且第2条隧道的入口段在部分指标上与第1条隧道的出口段具有一定延续性。

3）结合高速公路单条隧道的视觉特性以及本文重点研究的隧道群视觉特性，对于高速公路隧道群路段建议减少交通标志量，延长第2条隧道出口段地面标线实线长度，待驾驶人完全适应“白洞效应”后才允许变道。建议增设照明灯具、设置遮光棚等设施，减少隧道内外环境亮度差，缓解“黑洞”效应，需要将第1条隧道的出口段与第2条隧道入口段的照明系统进行协调设计。建议设置逆反射标线等诱导设施改善第1条隧道中间段，缓解驾驶人空间狭窄感、安全感较弱的情况。

高速公路隧道群行车视觉特性具有不同的特点，笔者以茅山隧道群为实验对象开展研究，通过实地试验获取驾驶人的眼动数据并进行分析，所得结论能适用于与茅山隧道群类似的高速公路连续隧道群，对该类隧道群的交安设施设计、运营管理安全等具有重要意义。在未来研究中，可以与其他类型隧道群（如3条及3条以上连续隧道路段）的实验结果进行对比分析，研究不同实验路段视觉特性的影响异同。此外，由于实地试验本身开展难度大，存在实验人员样本量较少等问题，导致驾驶人视觉特性分析存在一定偏差，后续可针对不同性别、年龄、职业、驾龄等的驾驶人进行视觉特性深度分析。