山地城市隧道照度與速度對駕駛負荷的影響

羅 杰，陸百川，徐 進，程 鵬，楊宗平

(1.重慶交通大學， 重慶 400074； 2.重慶交通職業學院， 重慶 402247)

在隧道路段行車時，由于隧道口光環境劇烈變化和隧道內空間封閉性，駕駛員需要隨時控制方向盤、制動踏板和加速踏板等車輛操縱機構，及時調整行車速度，維持期望的車間距離，以避免碰撞、追尾和剮蹭等交通事故的發生。因此，隧道路段繁重的駕駛任務和特殊的交通環境，相對增加了駕駛員體力負擔和心理壓力，容易引起駕駛疲勞，誘發交通事故。國內外學者圍繞隧道行駛特征和駕駛負荷情況開展了大量研究工作，根據研究方法和研究內容可以分為3個方面：

1) 根據數據調查的方式研究隧道駕駛安全。Arias等[1]根據458名駕駛員的調查問卷，分析隧道內駕駛員的情緒和感知情況。Kirytopoulos等[2]采用互聯網調查問卷，研究駕駛員關于公路隧道的安全意識。Jian Sheng Yeung 等[3-5]根據視頻數據和問卷調查研究了高速公路隧道內跟車行為特征和事故特征。數據調查可以廣泛討論影響隧道駕駛安全的影響因素，但是對各個因素的相關性無法做出定量的分析。

2) 根據模擬試驗開展隧道駕駛安全分析。AlessandroCalvi 等[6]和Katja Kircher等[7]通過隧道模擬駕駛試驗，分析了隧道側墻和隧道照明等因素對駕駛行為的影響。吳剛等[8]采用駕駛模擬平臺研究隧道進出口駕駛環境對駕駛員視覺的影響。徐進等[9]采用動力仿真試驗研究了隧道口兩種路面材料交替對行駛安全的影響。模擬試驗與真實駕駛環境有一定差異，但是可以保證試驗人員的安全且可以重復試驗。

3) 根據實車試驗開展駕駛行為特征研究。 Bryan Reimer等[10]和Gerhard Marquart等[11]利用眼動追蹤系統設計實車試驗研究駕駛負荷和心理負荷。HenrikWiberg等[12]組織實車試驗，測量心率(HR)等生理指標，分析了駕駛員的精神負荷。杜志剛等[13-14]利用眼動儀分析了高速公路隧道進出口駕駛員視覺負荷特征。胡江碧等[15-16]設計了駕駛員視覺動態試驗，分析了視認距離與隧道內外亮度差的相關性。上述研究對隧道中行車安全有重大的貢獻，但是研究對象主要針對駕駛員視覺特性，缺少在照度與速度的共同作用下對駕駛員負荷的影響分析。

為此，本文在重慶市市區選擇線性相對較好的隧道(直線隧道)開展實車試驗，采集車輛的速度、隧道照度和駕駛員心電信號，分析隧道進口、中段和出口的照度與速度的連續變化特征，進而討論照度、速度與心率增長率(H)之間的相互關系，為山地城市隧道駕駛負荷分析、隧道照度參數設計等提供數據和參考。

1 研究方法

1.1 試驗道路

在重慶市轄區內選取4條城市隧道作為試驗對象，其路段主要技術參數如表1所示。龍溪隧道和華福隧道同在華福路段，行駛方向都為西彭至九龍坡區；華巖隧道行駛方向為金建路至華福大道。為減少交通因素對試驗結果的影響，測試時間選擇為上午10∶00—下午16∶00(白天)。試驗時間選擇在路段交通量較低時，車輛處于自由駕駛狀態。試驗天氣選擇光照較好的晴天，避開陰天、雨天、大風和雷電等惡劣天氣，隧道內外路面狀態干燥無積水。

表1 試驗隧道路段主要技術參數

編號隧道名稱長度/m類別限速/(km·h-1)車道路1龍溪隧道 448短隧道6022華巖短隧道 400短隧道8023華福隧道3 555特長隧道6024華巖長隧道4 974特長隧道803

1.2 駕駛人員

選擇6名身體健康的駕駛人員，年齡為25～55歲，實際駕齡為2～30年，平均駕齡為11年?？紤]到隧道路段的危險性，選取的駕駛人員均為駕駛熟練的男性。試驗開始前對每位駕駛員測量靜態心率，便于駕駛員習慣心率測試儀。試驗過程中要求駕駛員按照交通規則駕駛，不提出任何額外要求，讓其根據自己的習慣自由駕駛。駕駛員分為兩組，每組3名駕駛員。第1組試驗路段為華福隧道與龍溪隧道，第2組試驗路段為華巖長隧道與華巖短隧道。試驗時每名駕駛員沿著規定路線往返行駛4次。

1.3 試驗車輛及儀器

本文使用LAUNCH X-431-PRO3車載ECU解碼儀和DBScar藍牙診斷接頭采集車輛連續行駛的速度數據。使用UT382照度計(測量范圍0.01～20 000 lx)采集隧道內外光照強度，照度計固定在車輛中控臺上方，采樣角度模擬駕駛員開車視角。采用力康Prince180D心率測試儀采集駕駛員試驗過程中的心電信號。使用1個360行車記錄儀記錄車輛正前方交通情況，便于后期數據處理時排除跟車、變道和急剎車等干擾工況。試驗車輛為小客車，車型為帝豪-博瑞(2014款2.0 L自動)，車輛VIN號為L6T7944Z2HN430763，見圖1(a)。試驗現場見圖1(b)，試驗人員見圖1(c)。圖1(d)～(f)是華福隧道的一次試驗參數輸出值。

圖1 山地城市隧道實車駕駛試驗

1.4 評價指標

心率增長率(H)可以用來衡量隧道路段的駕駛負荷水平[17-19]。由于車輛通過隧道進出口是一個高度動態化的過程，為了反映駕駛員的生理狀態，采用駕駛人瞬時心率值(Ht)計算心率增長率(H)更能體現駕駛員心理狀態的瞬變性。Ht可以根據心電圖(electrocardiogram，ECG)周期信號計算求得。一個完整的ECG周期信號[20-21](如圖2)包含P波、QRS波和T波。ECG周期(tp～tT)時長范圍一般為500～1 200 ms，幅值范圍一般為0.05～5 mV。QRS波的峰值點為Ri點，Ri點對應時刻為ti，相鄰QRS波之間的時間間隔(ti-1～ti)為RRi間期，RRi間期反映了竇性心率的瞬時變化。本文采用駕駛人的瞬時心率增長率(H)來衡量駕駛員精神負荷，其計算公式為：

H=(Ht-H靜)/H靜

Ht=60/RRi

(1)

式中：Ht為駕駛人在t時刻的瞬時心率值；H靜為駕駛員平靜狀態下的心率值。

圖2 ECG周期信號圖

2 速度(V)與H相關性

根據隧道照度值(L)，將隧道路段分為3個單元組：進口單元(3 500 lx>L>0.1 lx)、中段單元(0.1 lx>L>200 lx)、出口單元(0.1 lx>L>3 500 lx)，每個單元的行駛時間為10 s，分段情況如圖 3 所示。然后對不同隧道同一單元的實測數據進行聚類分析。

圖3 隧道分段

2.1 隧道進口

從試驗結果中隨機選取4個隧道進口單元數據，提取出速度和心率的參數繪制其時域變化曲線(圖4)。從圖4可以看出：在4個隧道進口單元，駕駛員心率都隨著速度的變化呈現相同趨勢的升、降變化。駕駛員會傾向于減速進入隧道，即在隧道進口有提前減速行為，而在進入隧道以后都出現了明顯的加速行為。

圖4 隧道進口單元速度與駕駛員心率的時間歷程曲線

圖5為隧道進口單元的H-V進散點圖。圖中為趨勢線的斜率值，表示H對速度變化的敏感程度，趨勢線為線性趨勢線。由圖5可知：對于不同駕駛員，H與V進之間存在較強的正相關性，但是不同駕駛員的心率增長率關于速度變化的敏感程度不一致(線性趨勢線斜率不同)。隨著速度的增加，心率增長率的幅值越大，分布區間更寬，與速度的相關性更強。

H與V進之間的正相關性可以從以下2個方面來解釋：① 在加速和減速的過程中，速度的快速變化導致駕駛員生理不適，進而導致駕駛員心率增加。② 駕駛員在隧道進口前段需要更多的時間識別道路情況和保證安全距離，由于時間的壓力，導致駕駛員心理壓力增大。

2.2 隧道中段

從試驗數據中提取出隧道中段單元的速度和心率連續變化數據，分析其變化特征?？梢园l現，在隧道中段的速度與駕駛員心率都呈現不同幅值的波動變化。圖6為隨機選取的4個隧道中段的速度和心率連續變化曲線。由圖6可知：速度與駕駛員心率呈現相同規律的變化，且心率變化時間相對滯后于速度。

圖5 隧道進口單元速度與H的散點圖

圖7為隧道進口路段的H-V中散點圖。由圖7可知：H與V中之間存在一定的正相關性，表明速度增大時駕駛員心跳更快，駕駛負荷增加。究其原因在于，隧道中段相對封閉的駕駛空間中，駕駛員對速度的感知缺少參照物，預期速度和駕駛速度之間難以一致，導致駕駛員心理壓力增大。而駕駛員為了控制好行駛穩定性會不斷調整速度，導致車輛操控難度增大，駕駛負荷增加。

2.3 隧道出口

在試驗結果中隨機選取了4個隧道出口單元的數據，繪制了速度與駕駛員心率的連續變化線，如圖8所示。從圖8可以看出：速度均出現了先減小后增大的變化，即在隧道口有沖出隧道的行為，而心率在速度幅值變化較大的位置出現了峰值。

圖7 隧道中段單元速度與H的散點圖

圖8 隧道出口單元速度與駕駛員心率的時間歷程曲線

圖9為隧道出口單元的H-V出散點圖。從圖9可看出：隨著速度的增加，H有明顯的增長趨勢，并且表現出2個明顯的特征：① 不同駕駛員對速度的感知不同(不同駕駛員H的幅值增長不一致)，② 當速度大于60 km/h后，速度的增加會導致部分駕駛員H快速增長。

3 照度(L)與H相關性

隧道進、出口照度的急劇變化會對駕駛員視覺產生巨大的沖擊，在明暗適應的過程中，駕駛員視覺功能可能出現短時障礙，即無法看清前方車輛或者障礙物，這會導致駕駛員心理緊張并加劇精神負荷。為此本節將分析照度(L)與H的相關性。為了最大程度上減少行駛速度的耦合影響,根據試驗隧道限速，將隧道分為2組：V<60 km/h、V<80 km/h，然后分析每一個速度范圍內的數據。

3.1 隧道進口

隨機選取4個隧道進口單元試驗數據，提取出照度與心率的時域變化曲線(圖10)。從圖10可以看出：在隧道進口2 s以內照度急速變小，一般照度從3 000 lx下降到10 lx以內，即“黑洞效應”。而心率隨著照度變小逐步升高，這表明駕駛員精神壓力逐步增大。

圖9 隧道出口單元速度與H的散點圖

圖10 隧道進口單元照度與駕駛員心率的時間歷程曲線

圖11為隧道進口單元照度與H的散點圖。由圖11可知，照度與H之間呈現出明顯的負相關性，表明照度降低速率非常大時駕駛員心跳加快，即駕駛員心理壓力增大。分析其原因有兩點：① 隧道進口處照度突變，駕駛員受“黑洞效應”的影響，出現道路辨識障礙，駕駛員視覺負荷增加。② 由于駕駛員辨識時間增加，跟車安全距離發生變化，駕駛員精神壓力增大。

3.2 隧道中段

根據試驗數據，繪制出4個隧道中段單元的照度與心率數據連續變化曲線，如圖12所示。圖12(a)與(b)分別為華福隧道與龍溪隧道中段單元照度，其波動范圍都為1～8 lx。圖12(c)與(d)分別為華巖長、短隧道中段單元照度，其波動范圍分別為45～65 lx與80～400 lx。觀察圖12特征，可以發現心率與照度呈現明顯的反向波動規律，即：照度變小，心率上升；照度變大，心率下降。

圖11 隧道進口單元照度與H的散點圖

圖12 隧道中段單元照度與駕駛員心率時域變化曲線

圖13為隧道中段單元照度與H的散點圖。由圖13可知，照度與H之間的關系比較離散，但存在較弱的負相關性，即隨著照度的增加H呈現出減小的趨勢。分析其原因為：① 由于照度變化速率和幅值都較小，駕駛員的視覺刺激較小。② 駕駛員已經完成暗適應的過程，H變化主要由于駕駛員個體差異，所以照度與H的關系較離散。

3.3 隧道出口

隨機選取4個隧道進口單元的照度與心率數據，繪制L中與H的連續變化時域曲線，如圖14所示。從圖14可以發現：在隧道出口處，照度在2 s之內急劇升高，從10 lx以內上升到3 000 lx以上，即“白洞效應”。而H隨著照度變大呈現不同步的快速升高，這表明駕駛員精神負荷快速增加。

圖13 隧道中段單元照度與H的散點圖

圖14 隧道出口單元照度與駕駛員心率的時間歷程曲線

圖15為隧道出口單元的L出-H散點圖。由圖15可知，L出與H之間存在較強的正相關性，即照度增加會導致H增長，并且照度越大，H分布區間越寬。L出與H的正關系性可以從2個方面來解釋：①由于照度劇烈升高，駕駛員視覺需要明適應，這個過程中駕駛員精神緊張。② 在“白洞效應”的影響下，駕駛員無法辨清路況，需要及時調整速度保證行車安全，即車輛的操控難度加大，導致駕駛員心率增加。

圖15 隧道出口單元照度與H的散點圖

4 速度、照度與H的關系模型

根據以上分析，在隧道進、出口路段的照度、速度與心率增長率相關性較強，而隧道中段關系離散。因此,建立隧道進、出口的L、V、H之間的關系模型，擬合函數的形式見式(2)。

(2)

式中：x、y為自變量；Z為因變量；a、b、c、d、e為回歸系數。

4.1 隧道進口模型

隧道進口數據組織成數據點對，格式為{(V進i，L進i，H進i)|i=1，2，…，N}，其中N=44為樣本量，V進i、L進i、H出i分別為第i個樣本的速度、照度和心率增長率的實測值。用Origin軟件對數據點對進行相關性分析，其中P=0.000，V進i、L進i、Hi密切相關。繪制速度、照度與H的非線性曲面擬合圖，如圖16所示。最終模型表達式為：

(3)

根據本文試驗隧道的照度條件，該模型適用范圍為L進∈[3 500 lx，0.1 lx]。

4.2 隧道進出口模型

隧道出口樣本N=48，數據點對格式為{(V出i，L出i，H出i)|=1，2，…，N},采用Origin軟件對數據進行相關性分析，其中P=0.000，即V進i、L進i、Hi密切相關，繪制速度、照度與H的非線性曲面擬合圖見圖17，擬合模型形式為：

(4)

根據本文試驗隧道的照度條件，該模型適用范圍為L出∈[0.1 lx，3 500 lx]。

圖17 隧道進口段速度、照度與H的曲面擬合結果

5 結論

1) 隧道進口段照度與心率增長率H之間存在較強的負相關性，并且隨著速度的增大，H對照度變化的敏感性增加。速度與心率增長率H之間存在較強的正相關性。

2) 隧道中段照度與心率增長率H的關系比較離散，隧道照度幅值的變化范圍??；速度與心率增長率H之間存在一定的正相關性，并且不同駕駛員心率變化個體差異顯著。

3) 隧道出口段照度與心率增長率H之間存在較強的正相關性，照度高于2 000 lx時，H對照度變化的敏感性增加。速度與心率值都呈現出先減小后增大的趨勢，速度與H之間存在一定的正相關性。

本文分析了隧道的照度、速度與心率增長率之間的關系。但在實際隧道駕駛環境中，如交通流量、隧道側墻、隧道平縱面參數等都會對駕駛負荷產生影響，并且不同性別的駕駛員心率增長率可能存在一定差異，因此，全面分析其他因素對駕駛負荷的影響是后續研究的重點。