基于驾驶模拟的隧道交通安全设施综合效用评价及影响机理研究

赵晓华，董文慧，鞠云杰，张常奋，尹吉州

(1.北京工业大学 城市交通学院，北京 100124；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381；3.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

0 引 言

截止2019年底，我国公路隧道数量达到19 067处[1]，位居世界前列。然而，随着隧道数量增加，隧道交通安全问题愈加突出。据统计，2001—2017年间，我国发生公路隧道交通事故共17 514起，造成了巨大的财产和社会资源损失[2]。因此，如何提高隧道安全水平成为国内外学者共同关注的热点问题。

研究表明，隧道环境昏暗、单调，易造成驾驶人严重的视觉错觉[3]，诱发交通事故。事实上，驾驶人因素直接引起的隧道交通事故占56%[4]，是隧道交通事故主要成因。

目前，国内外学者对隧道交通安全设施展开了研究。美国《Manual on Uniform Traffic Control Devices 2009》(统一交通控制设施手册2009)对隧道交通安全设施提出相应设计要求[5]。K.KIRCHER等[6]发现，影响驾驶行为重要因素是驾驶任务驱动下的视觉注意力；A.SHIMOJO等[7]指出，驾驶人通过隧道时，车辆速度及其车道横断面位置在不同横断面条件下无统计学意义。然而国外学者鲜有从驾驶人角度展开研究。国内学者从人因角度出发，针对隧道交安设施展开研究。乔飞艳[8]根据人体生理特性，探究隧道侧壁涂装的影响；杨理波等[9]指出，隧道侧壁反光条能有效提高驾驶人坡度及速度感知能力。其中，反光环、轮廓标、立面标记等隧道交安设施对改善行车环境发挥着重要作用[10-11]。但我国JTG/T D71—2014《公路隧道交通工程设计规范》、JTG D81—2017《公路交通安全设施设计规范》、《公路隧道提质升级行动技术指南》[12]等相关规范缺乏针对隧道交安设施详实的设置标准及参数规定，交安设施大多通过经验设置。同时，国内外对隧道交安设施综合效用的评估研究相对缺乏。鉴于此，有必要从驾驶人角度深入探究设施设置对驾驶行为的影响效果。

笔者基于驾驶模拟技术获得驾驶人驾驶行为及相应视觉数据，提出评价指标体系并量化综合效果，探究最优设施的布设参数，并探究多因素对驾驶行为的影响机理，形成隧道交安设施综合效用评价的一般性方法，确定关键影响要素，为优化设置隧道交安设施提供一定的理论基础。

1 驾驶模拟实验

1.1 实验设备

驾驶模拟器有3个自由度，可提供前方130°水平视野和40°垂直视野以及左右后视镜和后方30°水平视野、40°垂直视野。设置数据记录频率为30 Hz，能够采集车辆实时运行的各项参数。已有研究[13]校准和验证了驾驶模拟器性能，并将其用于评估不同道路的驾驶性能。

实验使用便携眼镜式眼动追踪系统。该设备以60 Hz频率采样，以0.1 deg追踪分辨率、0.5 deg凝视定位精度实时获取驾驶人的视觉行为数据。

1.2 交安设施设置方案及场景

1.2.1 隧道设计参数设置

选定3D模型基础，即北京已建成投入使用的某3 km特长隧道，搭建实验场景。参数设置如表1。

表1 隧道场景参数

1.2.2 交安设施设计方案

选取反光环、轮廓标、突起路标作为研究对象，形成4种方案，如表2。

表2 隧道场景设计方案

1.2.3 实验场景设计

为节省时间，设计路线A、B两条实验路线(限速80 km/h，计算行驶时间小于15 min以减少驾驶疲劳影响)，如图1。此外，为降低被试因路线单一而引起对实验场景熟悉，设置连接段(如A路线的a1、a2和a3)，保证实验间独立。其中：SA、EA为路线A的起点、终点；SB、EB为路线B的起点、终点；A1、A2分别为白色反光环方案及控制方案的隧道；B1、B2分别为轮廓标及突起路标组合方案、彩色反光环方案的隧道；a1、a2、a3、b1、b2、b3为连接段；隧道段和连接段的长度分别为3 km和1.5 km；A、B路线总长度均为10.5 km。

图1 实验场景线形

1.3 实验人员

实验样本量为33人，其中男性25人，女性8人，年龄区段为25～57岁(34.24岁±9.97岁)。被试视力正常且驾驶经验丰富，平均驾龄为11.47岁±6.39岁。

1.4 实验流程

驾驶模拟实验操作步骤如下：

1)确定实验时间，要求被试填写基本信息及生心理状态表。

2)实验员向被试宣读实验指导语，被试在驾驶模拟器上试驾5 min，熟悉操作。

3)正式实验时被试随机顺序跑完两个场景，开始前被告知实验目的地信息。场景之间严格要求被试休息10～15 min，避免驾驶疲劳。

4)被试在完成驾驶任务后填写主观问卷表，针对驾驶模拟场景真实性进行主观描述。

2 综合效用评估指标选取

2.1 数据预处理

隧道进出口时存在剧烈的明暗过渡[14]，模拟时存在光照仿真偏差。因此，笔者重点分析中间段。为保证空间上合理刻画驾驶人行为数据，实验以200 m为单元截取中间2.6 km路段的实验数据。

2.2 评价指标

考虑行为和眼动两个维度，从安全性、舒适性、稳定性等方面选取6个指标，构建评价指标体系。指标定义如下：

2.2.1 安全性指标

1)平均速度

平均速度指隧道模拟场景下的平均驾驶车速。研究表明，道路限速前提下，平均行车速度和事故发生率存在正相关关系[15]。

2)速度标准差

速度标准差反映隧道行车速度波动性，速度标准差越低则驾驶人更少调整车速[16]。

2.2.2 舒适性指标

1)加速度

加速度表征物体运动速度变化快慢，标准GB/T 13441.1—2007《机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价(第1部分):一般要求》[17]提出，人的主观感觉受加速度影响，即加速度越大，驾驶人主观感觉越不舒适。

2)加速度标准差

加速度标准差表征驾驶人行车速度变化稳定度，加速度标准差越低，驾驶人舒适性越高。

3)瞳孔面积

瞳孔面积量测被试在认知任务处理过程中的生心理状态，被试生心理负荷越大，则瞳孔扩张越大。

2.2.3 稳定性指标

稳定性指标指油门功效。油门功效指踩油门的深度与其持续时长的乘积，如式(1)。其值越低说明驾驶人关于刹车或油门的操作越少，控速能力增强，稳定性越高。

P=∑A×Δt

(1)

式中：P为油门功效；A为油门的深度；Δt为数据采集的间隔时间。

3 交安设施综合作用效用评价

3.1 显著性分析

利用重复测量方差分析研究隧道设施方案对评价指标的影响，结果如下：

1)4种方案对平均速度(F=2.359，p=0.050)和加速度标准差(F=0.252，p=0.040)显著性影响差异呈边缘显著，对加速度(F=0.265，p=0.850)无显著性影响。同时，速度标准差(F=5.74，p=0.030)和油门功效(F=10.18，p<0.001)呈显著性差异。此外，4种方案对瞳孔面积(F=263.2，p<0.001)存在显著性影响。

2)方案1中，除加速度指标外其他指标均为最高值，表明隧道交安设施一定程度提高了驾驶安全性和稳定性；方案2的各项指标均处于较低水平，可知白色反光环能有效缓解视觉紧张感和疲劳感；方案3的各项指标变化较小；在方案4中，加速度指标为最大值，其他指标变化较小，推测轮廓标及突起路标改善驾驶人其他行为的同时，一定程度降低驾驶舒适性。

以上分析表明，隧道内设置不同交安设施，能对驾驶人从安全性、舒适性、稳定性三方面产生不同的影响。但现有结果无法说明其综合影响，需要从综合量化角度确定各方案对驾驶人综合影响。

3.2 综合效用研究

3.2.1 物元模型

设施方案影响效用评估涉及的指标与评价方法之间可能存在不相容的问题。基于可拓学的物元模型能探索事物的转变和解决不相容问题，综合评价不同设计方案的效果[18-20]。鉴于此，笔者采用物元模型结合熵权法量测隧道交安设施方案的综合效用。

1)确定待评物元

评价对象用“待评事物、事物特征、特征量值”描述，分别用N、C、V表示，记为R=(N,C,V)，R被称为物元[18]。如果某事物有n个特征，C=(C1,C2,…,Cn)T及其对应的量值V=(V1,V2,…,Vn)T所构成的阵列R如式(2)：

(2)

笔者采用极差变换法对数据进行无量纲化处理，处理后标准化值在0至1之间，如表3。

表3 数据标准化

2)构建经典域及节域

经典域表示为：

(3)

式中：Vij为评估指标Ci所规定的量值范围，即经典域。根据K-均值聚类法将指标划分为优秀、良好、一般、较差或很差。

节域记为Vip=(aip,bip)，表示为：

(4)

3)确定权重系数

熵权法基于各因素提供的信息量计算综合指标。权重系数可表示为Wi(i=1,2,…,n)[21]，如式(5)：

(5)

式中：Hi为第i项指标的信息熵。表4即为指标权重的结果。

表4 指标权重

4)计算各指标关联函数及关联度

关联函数表示物元的量值取值为实轴上一点时物元符合要求的范围程度。关联函数K(Vi)定义如式(6)：

(6)

式中：Kj(vi)为第i项指标属于j等级的关联度，如表5。

表5 各指标关联度

5)计算综合关联度

运用以下式(7)计算综合关联度：

(7)

式中：Kj(p)为待评物元关于j等级的多个特征指标综合关联度[19]。

根据以上步骤计算，综合评估隧道交安设施对驾驶人的影响。

3.2.2 交安设施效果评估

各方案综合关联度如表6。

表6 各方案综合关联度

据表6可知，白色反光环方案、轮廓标及突起路标方案对驾驶安全性、舒适性及稳定性的综合影响属于“良好”范围，但白色反光环方案的综合关联度大于轮廓标及突起路标方案的综合关联度〔K2(p)=0.081>K4(p)=0.003〕。控制组的综合影响属于“很差”范围，彩色反光环方案不符合标准等级要求，但具有可转化为“较差”的条件。

4 隧道反光环布设参数影响研究

隧道相关规范标准尚未明确规定反光环设置间距。目前各地对隧道反光环设置均有不同[22]，仅以经验来确定其布设参数，通常选用反光环间距为200～400 m[23]。因此，基于隧道交安设施综合效用结果，笔者进一步探究最佳设施(白色反光环)的间距参数。

为测试白色反光环对驾驶人的影响，笔者在原有场景基础上设计4种不同间距的设施方案，分别为基本型隧道、反光环间距200 m隧道、反光环间距300 m隧道、反光环间距400 m隧道。

4.1 显著性分析

利用重复测量方差分析研究不同反光环方案对评价指标的影响，如图2和表7。结果如下：

表7 指标显著性结果

注：*，**和***分别表示置信水平为90%，95%和99%的显著性。A1、A2、A3、A4分别表示基本型控制组、间距200 m、间距300 m、间距400 m 共4种方案，A1-A2表示方案1和方案2之间存在显着差异；其余同理。

1)4种方案对速度标准差(p=0.065)呈边缘显著，对加速度(p=0.032)存在显著性影响，而对平均速度(p=0.112)、加速度标准差(p=0.7)、油门功效(p=0.199)无显著性影响。

2)4种方案对瞳孔面积均存在显著性影响，说明反光环不同间距布设会影响驾驶人的心理紧张感。此外，控制组和间距200 m布设方案的瞳孔面积变化接近，而间距400 m的瞳孔面积最低，说明布设间距越大，一定程度上会使驾驶人的视觉负荷越低，该结论与已有研究相符[23]。

3)控制组中，除加速度标准差和瞳孔面积指标外，其他指标均为较低值，表明基本型隧道难以缓解驾驶人的紧张感。间距200 m布设方案中，除加速度标准差和瞳孔面积指标外，其他指标均处在较高水平，推测反光环设施能缓解视觉紧张，但一定程度降低安全性。间距300 m布设方案中，除油门功效外各指标均处于较高水平。间距400 m布设方案中，速度标准差、加速度标准差、油门功效指标均处于较高水平，而其他指标处于较低水平，可知400 m间距布设反光环改善驾驶人其他行为的同时，会一定程度降低驾驶稳定性。

以上分析表明，隧道布设不同间距的白色反光环，能从安全性、舒适性、稳定性三方面对驾驶行为及视觉产生影响。事实上，驾驶行为受诸多因素影响，尤其是驾驶人个体属性。笔者构建具有随机效应的线性混合模型来纠正被试重复观测结果间的相关性，以探究多因素对驾驶行为的影响。

4.2 影响机理研究

线性混合效应模型考虑了实验中无法控制的随机效应。能够校正驾驶人在所有区域重复观察测量值之间的相关性。

线性混合效应模型一般形式为：

Y=Xβ+Zα+ε

(8)

式中：X为已知协变量的矩阵；Z为随机效应变量构造的设计矩阵，其构造方式与X相同；β为未知回归系数构成的向量，称为固定效应；α为随机效应参数向量；ε为随机误差向量。

笔者将4种方案作为固定效应因素，将驾驶人个体属性作为随机效应，以平均速度、速度标准差、加速度标准差、油门功效和瞳孔面积为响应变量构建了5种线性混合效应模型，模型结果如表8、表9。通过赤池信息准则(Akaike imformation criterion, AIC)、贝叶斯信息准则(Bayesian imformation criterion, BIC)和调整后的决定系数(Rsquared)值来选择最佳模型。所有模型的随机截距方差显著，表明随机效应模型具有令人满意的有效性。

表8 线性混合效应模型结果

表9 线性混合效应模型评价

由表8、表9可得：

1)4个模型中随机截距的方差均呈显著性。

2)和控制组相比，间距300 m布设反光环的隧道，驾驶人行驶速度和瞳孔面积值更高，可能面临更大驾驶风险；间距400 m布设的隧道，驾驶人具有较高加速度标准差，但表现出更低的瞳孔面积值，表明此方案缓解驾驶人心理紧张程度的同时会降低安全性；不同间距布设反光环能使驾驶人表现出更高的速度标准差，但400 m间距布设产生的差异更明显。

3)驾驶行为受诸多因素影响，尤其是驾驶人个体属性。不同驾龄驾驶人表现出较低速度标准差，而驾龄在6～10 a的驾驶人具有更高的行驶速度。此外，职业司机较非职业司机行驶速度更高，职业驾驶人表现出更低油门功效值及瞳孔面积值。

5 结 论

笔者采用驾驶模拟技术研究隧道交安设施综合效用，并基于物元模型得出的最优方案研究其布设参数，研究结论对实际工程应用具有指导作用。

1)基于重复测量方差分析结果和各项指标平均值可知，在隧道内设置交安设施具有以下作用：能增强驾驶人控速意识并提高安全性，但对改善驾驶人心理舒适性作用较小；一定程度能提高驾驶稳定性及舒适性，但效果不明显；能显著改善隧道视觉环境，缓解驾驶人视觉压力，提高驾驶舒适水平；对改善隧道综合水平有一定效果。

2)基于物元模型的综合效用评估可知，最优方案综合排序结果为白色反光环方案>轮廓标及突起路标方案>彩色反光环方案>控制组方案。该结论与统计分析结果相互验证，可以保证评估结果具有较强客观性及科学性。

3)基于混合效应模型探究多因素对驾驶行为的影响机理，隧道中白色反光环的不同布设间距不同程度上影响驾驶人驾驶安全性和舒适性。但是间距200 m及400 m布设反光环能有效缓解驾驶人心理紧张程度。同时，间距300 m布设反光环可能会导致更高驾驶风险，不建议在3 km隧道中布设。

然而，需要进一步研究反光环间距参数范围及不同隧道条件下的布设间距。隧道反光环的间距布设有待开展更多的实车实验进行确定，现场实验结果和模拟评价结果将相互验证。同时，笔者仅对反光环进行研究，其他设施如轮廓标、突起路标等的布设研究亦为非常具有现实意义的研究课题。