具有视觉诱导功能的隧道进出口道路标线设计

崔晓宇， 肖庆一*， 杨萌， 袁景玉

(1. 河北工业大学土木与交通学院， 天津 300401； 2． 天津市交通工程绿色材料技术工程中心， 天津 300401； 3． 天津市海顺交通工程设计有限公司， 天津 300060； 4． 河北工业大学 建筑与艺术设计学院， 天津 300401)

公路隧道的不断建设与发展，克服了中国山区公路建设中出现的线性不良、高程不利等问题，同时也带来了一些行驶安全问题。其中隧道内外的环境、光线、空间感、设计车速等存在差异[1]，势必会使驾驶员产生心理和生理上的影响，由此导致的危险性将上升[2]。鉴于公路隧道进出口的特殊性[3]，在隧道进出口铺设一段具有视觉诱导作用的交通标线，可以有效规范行车速度，降低交通事故的发生率[4]。

近年来，对于隧道进出口处的行车安全问题，国内外学者通过研究隧道内外的明暗环境、交通设施的设置位置与数目、交通标线颜色和突起路标等方面的措施进行改善。He等[5]研究隧道动态照明对驾驶员的行车安全的影响，建议合理设计照明空间。邓敏等[6]研究隧道照明设施显色性对驾驶员视觉的影响，研究表明照明光源显性指数越高，驾驶员的行车安全性越好。杜志刚等[7]研究发现立体的标志、标线和多色彩的视觉诱导设施可以有效缓解驾驶员的是错觉感。朱守林等[8]通过研究交通标志对驾驶员的视野关注区域的影响，发现当交通标志对驾驶员的视觉产生的信号水平在10 ～20 bits 条件下，行车最为安全。卓曦等[9]究了隧道内不同的彩色路面对驾驶员的行车舒适性的影响，研究表明黄、红色系路面较优，能有效提高提高驾驶舒适性。秦利琼[10]研究发现隧道进出口处路侧振动带能有效降低事故发生率。

综上所述，针对山区高速隧道进出口处的行车安全问题，多数学者通过设置照明设施、标线颜色、立体标志等措施对驾驶人员进行视觉诱导，而在利用标线设计和诱导效应对驾驶员视觉产生影响的方面研究较少。

现通过分析透视原理与闪现率原理，确定交通标线的尺寸与间距，利用虚拟驾驶技术和眼动特征指标，开展标线诱导设计方案比选与优化，服务山区高速建设。

1 研究方案设计

在同一隧道进口处设计两种不同类型的道路交通标线，一种方案按常规等间距法设置，另一种按视觉诱导理论设置，并与未设置标线的原路面作对比。视觉诱导标线设置参考以下内容。

1.1 具有诱导效应的标线设计

1.1.1 基于透视原理的标线间距设计

图1为道路透视原理工作图，由图1可以看出驾驶员的注视点与相邻两个标线间距之间的关系[11]。

H表示驾驶员注视点的高度；D1表示驾驶员注视点到标段1之间的水平距离；S表示相邻两个标段之间的间距；α表示驾驶员注视 点到标段1的俯角；β表示注视点到标段1与标段2的夹角 图1 透视原理图Fig.1 Perspective schematic diagram

根据图1，可以推断出各变量之间的关系为

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：变量β、H、D根据实际应用确定取值，本文取视角β=1.4′；取H=1.5 m[2]；停车视距取值范围D为100～140 m[12]。通过式(1)～式(5)可确定基于透视理论的标线间距值取值范围为2.79～5.53 m。

1.1.2 基于闪现率原理的间距值设计

隧道进口处设置间距逐渐减小的交通标线可以使匀速行驶的驾驶员视野范围内的标线条数增多，让驾驶员的视觉受到刺激而自动降低速度[13]。研究表明当闪现率为4 bps时[14]，交通标线能更好地发挥减速效果。基于闪现率原理的交通标线如图2所示。

基于闪现率的相邻路面间距值的计算如图2所示。A0表示第1条交通标线的位置，设定为初始位置零处，A1到An-1表示第2条到第n条交通标线的位置，L表示相邻两条交通标线间的距离；设车速为v(m/s)，行驶时间为t(s)，汽车加速度为a(m/s2)，由此可得标线间的间距计算公式为

(6)

(7)

Ln=An-An-1

(8)

据实际应用取v0=80 km/h；a=-3 m/s2；A0=0；f=4 bps 。求得各间距值如表1所示。

图2 交通标线间距示意图Fig.2 Schematic diagram of traffic line spacing

表1 基于闪现率原理的交通标线间距取值Table 1 Value of traffic line spacing based on the principle of flash rate

1.1.3 标线方案选定

方案一根据常规等间距法设计的隧道进口处道路交通标线。特点是标线间距及宽度一致，便于施工，但不能起到视觉诱导功能，标线未延伸进隧道内，不能很好地缓解隧道进口处明暗变化带来的不适应感。交通标线布置如图3所示，标线宽度及间距取值见表2。

方案二根据第1.1节中，基于透视原理与闪现原理设计的标线范围，取两者交集确定出的具有视觉诱导功能的交通标线。视觉频闪效应不仅能起到提示和警醒作用，而且可以让驾驶员感到速度过快而自觉控速[15]，设计标线如图4所示，标线宽度及间距见表3、表4。

表2 标线宽度及间距取值(方案一)Table 2 Values of line width and spacing (Scheme 1)

表3 标线宽度取值(方案二)Table 3 Value of line width (Scheme 2)

表4 标线间距取值(方案二)Table 4 Value of line spacing (Scheme 2)

1.2 实验设计

1.2.1 眼动特征指标

在行车过程中，驾驶员眼动形式主要包括注视[16]、扫视和眨眼。眼动信号的三种基本形式不仅是人体应对外界刺激的一种生理现象，而且还能反映驾驶员生理状态和工作负荷。选择眼动信号为试验指标，具体表现为瞳孔面积变化率和注视区域。

(1)瞳孔面积变化率。视觉系统是人体获得外部信息的途径之一，是通过瞳孔获得影像。瞳孔的大小可以使用直径或面积来表示[13]，在交叉神经和副交叉神经的共同作用下，瞳孔将产生放大或缩小的反应[17-18]。由于不同个体瞳孔的大小是不一样的，因此，采用瞳孔变化率反映驾驶员在行驶过程中的紧张程度[19]，瞳孔变化率计算公式为

图3 交通标线布置示意图(方案一)Fig.3 Schematic diagram of traffic marking layout (Scheme 1)

图4 交通标线布置示意图(方案二)Fig.4 Values of line width and spacing (Scheme 2)

(9)

式(9)中：ρ为瞳孔面积变化率，%；S1为模拟驾驶试验前驾驶员瞳孔面积，mm2；S2为模拟驾驶试验时驾驶员瞳孔面积，mm2。

(2)注视区域热力图。在行驶过程中，分析驾驶员的注视区域[20]，研究驾驶员前方视线范围内注视区域的分布特征，需采用视觉吸引力。试验过程中，采用眼动实验仪捕捉瞳孔位置，利用注视点位置表征视觉吸引力。通过绘制眼动轨迹图和热力图，研究在行车过程中，驾驶员视觉关注点的重叠区，以此判断视觉重点关注区域。根据相关研究可得，驾驶员注视区域可划分为如下五个区域(图5)。

路面热力图利用颜色编码，通过不同的颜色表示驾驶员的注视频率和注视时间的长短[21]，如图6所示，淡蓝色表示驾驶员注视频率低少且注视时间短，红色表示注视频率高且注视时间长，中间穿插着其他颜色，无颜色区域表示驾驶员注视时间极短或未注视。注视时间大于100 ms时，热力图上就会显示颜色，随着注视时间增长颜色加深，当注视时间超过255 ms时，热力图上的注视点颜色不再变化。颜色越深表示注视时间越长，对驾驶员的吸引力也越好。

图5 驾驶员注视区域划分Fig.5 Division of driver’s gaze area

1.2.2 实验准备

(1)试验仪器。本试验采用SMI iView X RED遥测式眼动仪，产品规格参数见表5。

(2)试验对象。本次试验充分考虑到受试者的性别、年龄、驾龄等因素，共选取85名受试者参与本次试验。其中男性54人，女性31人，年龄分布见表6。所有参与测试的人员均持有机动车驾驶证1年以上，并且身体状况良好。

图6 热点图Fig.6 Hotspot diagram

表5 试验仪器产品规格Table 5 Test instrument product specifications

表6 受试驾驶员年龄分布情况Table 6 Age distribution of test drivers

1.2.3 试验流程

试验以中长隧道为模拟场景，对于标线颜色的颜色选择因篇幅有限不再叙述，参考相关研究本试验的交通标线采用黄色[9]。由于隧道进口处的标线长度不一致，测试从进洞前10 s开始记录，到进洞后30 s结束，模拟车速80 km/h。为减少试验人员因自身状态对测试数据产生干扰，试验前不能将试验意图与目的告知受试驾驶员，应在未知的情况下进行测试，实验步骤如下。

(1)试验人员坐在安装有眼动试验仪的显示屏前，调整座椅高度及前后距离，使受试人员的眼睛与眼动试验仪之间的距离保持在60 cm左右。

(2)调整眼动试验仪的仰角，使实验人员的平视注视点位于仪器显示屏的正中央。

(3)让受试人员佩戴耳机，并由专人播放模拟高速上行驶的音频和视频，即可开始试验。待一位受试人员完全模拟完整个行驶过程后，才可更换下一位受试者。

2 实验结果分析

试验过程中，受试者的瞳孔大小、注视点、注视区域等实验指标皆由眼动仪捕获，从眼动实验仪中导出的数据包含了受试者编号测试时间、注视点坐标、瞳孔直径等参数。为确保试验的精确度，进行眼动仪对受试者眼睛运动状态的追踪率计算，结果显示：最大追踪率达到97.6%，最小达到94.7%，表明本次试验可达到精度要求。在整个测试过程中，除受试人员正常眨眼外，还会因为疲劳而导致眼动仪捕捉瞳孔信号失败，因此在导出的原始数据中会出现少量数据缺失。通过对缺失数据进行线性规律拟合补充预处理，以保证测试数据完整性。

2.1 瞳孔面积分析

对受试者的瞳孔面积进行统计，分析比较三种方案下瞳孔面积的变化情况，下面列出10名受试者的统计数据，见表7。

由表7的数据对比分析可得，路面铺设交通标线后与未铺设相比，受试者的瞳孔面积明显较小。表明道路在铺设交通标线后，能缓解驾驶员的紧张心理。方案二与方案一相比可得出，方案二的缓和作用优于方案一。

为进一步研究三种方案给受试者带来的生理和心理影响，根据式(9)计算各个受试者的瞳孔面积变化率和标准差，结果见表8。

为保证计算所得的瞳孔面积变化率的有效性，将三种方案的隧道进口处驾驶员瞳孔面积变化率绘制了统计P-P图(图7)。由不同方案的瞳孔面积变化率P-P图可以看出样本点与理论参考线基本拟合，表明瞳孔面积变化率符合正态分布，具有统计学意义。

通过表8瞳孔面积变化率分析可得出，方案二受试者的瞳孔面积变化率相对较小，并且分析受试者的年龄、性别、驾龄等特点可以看出，驾龄较长、经验丰富的驾驶人员在面对突变的环境时，瞳孔变化幅度较小，适应能力更好。分析对比标准差发现对照方案的值最大，方案二最小，方案一居中，说明对照方案的离散性高，瞳孔变化幅度大，驾驶员极易感到疲劳。为获得驾驶员在隧道进口处过渡段瞳孔面积变化的普遍规律，现将多名受试者瞳孔面积变化率进行计算整合，并绘出平均瞳孔面积变化率曲线见图8。

表7 瞳孔面积统计分析Table 7 Statistical analysis of pupil area

表8 瞳孔面积变化率与标准差Table 8 Change rate and standard deviation of pupil area

图7 瞳孔面积变化率P-P图Fig.7 P-PFigure of change rate of pupil area

图8 三种方案模拟场景下驾驶员的平均瞳孔面积变化率Fig.8 Change rate of average pupil area of drivers in the simulated scenarios of the three schemes

根据平均瞳孔面积变化率曲线图可得，方案一和方案二都优于对照方案。对比分析三种方案的瞳孔面积变化率曲线图可看出，无论哪种方案，在进入隧道前10 s内，瞳孔面积变化率普遍上升，在进入隧道后，15～25 s时达到峰值，之后瞳孔面积变化率有所下降并趋于稳定。隧道进口处若未设置交通标线，则驾驶员在行驶过程中，瞳孔面积变化率达到的峰值较大，并且瞳孔面积变化率的变化幅度范围也较大，这说明驾驶人员的心理紧张程度较高，而受试人员通过设置有道路标线的隧道口时，瞳孔面积变化率的峰值与瞳孔面积变化率的变化幅度相对较小，表明设置的交通标线起到了警醒作用，有效地缓解了由于环境所产生的“黑白洞效应”[22-24]以及驾驶员的紧张心理。具体来看，方案二在缓解驾驶员心理紧张的情绪方面效果更好。

2.2 路面热力图及眼动轨迹

图9、图10为方案一与方案二的路面热力图与眼动轨迹图。从图9可看出，受试者在两种方案的模拟过程中关注点比较集中。从图10分析可得，整体上受试人员在行驶过程中眼动轨迹具有相似性，但方案一路面眼动轨迹与方案二相比，受试者的注视区域相对分散，说明在模拟行驶过程中，驾驶人员会分散自己的注意力去观察周围的环境。因此，方案二能更好地吸引驾驶员的注意力，有利于行车安全。

为使眼动轨迹更加具体直观，设注视区域中心为坐标原点，进行描点，并计算各注视点到原点的距离，绘制眼动特征离散图如图11所示。根据式(10)求出各方案的注视点方差，对比方差可得出各方案中驾驶人员眼动特征的离散程度。

(10)

图9 路面热力图Fig.9 Thermal diagram of road surface

图10 路面眼动轨迹Fig.10 Eye-movement trajectory of road surface

图11 眼动特征离散图Fig.11 Discrete image of eye movement features

3 结论

提出了一种基于透视原理与闪现率原理的隧道进出口处的减速标线，通过虚拟驾驶技术，利用眼动特征对不同类型的交通标线和不设标线的路面进行检测，通过分析研究得到以下结论。

(1)依据透视原理与闪现率原理设计的减速标线宽度为3.0、3.0、3.0、2.8、2.8、2.6、2.6、2.4、2.4 m，间距为5.1、5.1、4.9、4.7、4.5、4.3、4.1、4.0、3.8 m，标线宽度与间距沿行车方向逐渐减小。

(2)由受试者的瞳孔变化可以清晰地看出不同类型的道路标线对驾驶员的生理和心理的影响有明显的不同。具有视觉诱导功能的标线延伸进隧道洞内20 m, 缓解了因隧道进口处行车环境的突变带来的紧张心理，与传统的标线相比受试人员的瞳孔面积变化率较小。

(4)本研究选取的模拟场景为限速80 km/h，对于其他限速条件下的标线宽度和间距对车速的影响规律，可采用同样的理论和方法进行试验验证，更好地为山区高速的建设与发展提供参考。