高速公路隧道进出口彩色路面视觉特征研究

袁景玉，刘晓健，姚 胜，高 源，张志涛，王智德

(河北工业大学 建筑与艺术设计学院， 天津 300130)

0 引 言

由于高速公路里程长，在长时间、单调的驾驶环境中，驾驶员极易出现精神懈怠、注意力不集中等状态。当接近隧道入出口时，因存在强烈的亮度改变，导致驾驶员瞳孔发生变化，这时需要驾驶员通过对路面、隧道环境、交通标识和周围车辆等复杂因素进行观察、判断并作出反应，否则易造成视觉认知困难和驾驶失误，从而引发交通事故[1-5]。故应采取多方面措施，使驾驶员尽快从懈怠、疲倦恢复，保持安全驾驶状态。其中：彩色路面被认为是对安全驾驶有利的措施之一[6-7]。

传统高速公路及隧道多为沥青路面，颜色单一；若长时间注视，则会使驾驶者视觉灵敏度和关注力下降，引发视觉疲劳[8]。20世纪50年代，荷兰一些专家首先将彩色路面应用于自行车道上，提升道路美观的同时提高了交通安全性[9]。日本在彩色路面铺装上有许多案例，如日本北九州市199号国道(街道段)靠边的两侧车道为铁红色路面[10]。我国对彩色沥青路面这一领域也有所研究。我国第一条彩色沥青路面在厦门铺设并投入使用[11]；2006年重庆某高速公路彩色路面投入使用，其采用全铺方式，行车道颜色为绿色，应急车道为红色[12]；徐建闽等[13]指出逆向可变车道和渐变段铺设彩色路面，宜为绿色。张晓昆[14]以某城市实际道路为例，对彩色沥青混凝土路面进行了分析，表明彩色沥青混凝土路面具有稳定性，且能对交通进行诱导；陶盼盼等[15]通过构建高速公路隧道入口段无减速设施、设置横向减速标线或红色警示路面等模拟实验，表明在隧道入口段设置横向减速标线与红色警示路面均对车辆行驶状态及行车舒适性有显著影响。

国内外学者对彩色路面耐久性、防滑性等性能进行了分析，指出现有彩色路面在抗滑、阻燃、降噪等方面都有所提高[16-19]；张东长等[20]研究了在渗透式抗滑材料中添加色粉配制成彩色路面抗滑薄层的性能。在彩色路面警示效果方面，XU Ming等[21]考虑到颜色对驾驶员心理影响，选用黄色作为隧道薄层防滑彩色路面，通过实验得出加有玻璃珠的薄层防滑黄色路面可使隧道入口路面亮度提高40%～60%，从而降低驾驶员进入隧道时的视觉亮度变化。A.RYOSUKE等[22]通过分析十字路口处不同颜色标识对交通安全性影响，得出有色路面可改变驾驶员意识，降低车速，从而提高行车安全性。H.Abou-Senna等[23]通过模拟器测试驾驶员在不同颜色标记路面下的驾驶反应，得出白色、黄色是道路标记的最佳颜色。K.KIRCHER等[24]通过对驾驶员的仿真模拟实验，发现浅色隧道墙壁涂层比强烈照明更能使驾驶员视觉注意力集中于前方。杜志刚等[25]指出：视觉诱导系统通过调控驾驶员视错觉，可有效提升公路隧道安全。

目前的研究多集中在彩色路面材质组分、性能及提高交通安全作用等方面。关于彩色路面在高速公路隧道进出口段对驾驶员视觉特征影响方面的研究较少，对高速公路隧道出入口处安全性是否有改进作用有待研究。笔者基于模拟驾驶中驾驶员眼动数据进行量化分析，研究了不同色彩的彩色路面铺装对隧道接近段和出口段两部分驾驶员视觉特征影响程度，为隧道进出口段彩色路面应用与推广提供理论依据。

1 实验方法

1.1 实验仪器

当受试者进行虚拟驾驶模拟时，使用眼动仪对眼动数据进行采集，待实验完成后，分析其眼动特征结果，探究不同颜色路面对驾驶员视觉特征的影响，找出最有利于受试者视觉特征的方案。

所用眼动仪为青研EyeLab眼动测试仪，通过该仪器所配备的软件得出视点注视图和轨迹图。视点注视图显示不同受试者注视区域分布情况；轨迹图中，注视以点表示，眼跳是连接点的线，注视点编号显示注视顺序，注视点大小表明注视持续时间。眼动仪可同时记录受试者原始眼动坐标、眼睛瞳孔面积等数据。通过瞳孔面积变化率可判断受试者眼动特征[26]。实验所用眼动仪参数如表1。

表1 实验用眼动测试仪相关参数Table 1 Relevant parameters of eye movement tester for experiment

1.2 实验条件

实验路段彩色路面铺设范围如图1，包括到达隧道入口前的接近段和隧道出口段两部分。图1中：深色矩形框表示彩色路面，距离隧道入口103 m处开始间断进行铺设，隧道内平铺长度为20 m，距离隧道口85 m处开始间断铺设出口处彩色路面，铺设长度为45 m。矩形彩色路面长度用l表示，宽度用w表示，彩色路面间的间距用s表示。彩色路面具体铺设参数如表2。入口段彩色路面铺装序号从左侧开始依次为1～9号；出口段彩色路面铺装序号从左侧开始依次为10～16号。

图1 彩色路面铺设方案Fig. 1 Paving scheme of the colored pavement

表2 彩色路面铺设方案的具体参数Table 2 Specific parameters of the paving scheme ofthe colored pavement m

在颜色选择中，考虑到驾驶员心理和视觉上刺激显著性需要，选用红、黄两种颜色为实验方案中彩色路面颜色[27]，并以RGB参数取值，红色路面的RGB值为(119,45,34)；黄色路面的RGB值为(159,126,63)；原始黑色路面的RGB值为(72,69,62)。

汽车在高速行驶中会有产生很多声音，主要分为固体噪声和气体噪声两部分[28-29]。由于隧道内比较封闭，噪声可达到90 dB左右[30]，且声音不易消散，会增加驾驶员紧张感并影响行车安全[31]。笔者考虑到彩色路面铺装有3 mm左右的厚度增量，在测试视频中设置行车噪声，模拟真实行驶时的声环境。

1.3 实验模型建立

实验根据太行山高速公路邯郸段东坡隧道右洞项目建设方案以及相关规范要求建立隧道外部环境及内部空间模型[32]。路面为3.75 m宽的两车道，设计速度为80 km/h，停车视距取值140 m。隧道内部颜色选择，根据图纸要求进行设计，各项指标设计均按照规范要求布置。根据该方案，运用SketchUp和Lumion两款软件建立符合隧道环境的计算机虚拟模型[33]。使用Adobe Premiere制作虚拟行车资源，视频时长为32 s，其中6～12 s为入口段视野存在彩色路面的时间段，22～26 s为出口段视野存在彩色路面的时间段。行驶过程以80 km/h的速度从距离彩色路面接近段160 m处开始计时。选用红、黄两种颜色作为虚拟隧道接近段、出口段彩色路面铺设颜色，与原始黑色路面形成对比实验。彩路面铺设形式如图1，接近段铺设效果如图2，出口段铺设效果如图3。

图2 彩色路面接近段铺设效果Fig. 2 Paving effect of the colored pavement in theapproaching segment

为满足色彩对比实验需要，笔者在视频制作中各段场景采用均匀光照使色彩准确还原，避免高光或暗区过多造成色彩失真，从而充分体现色彩对驾驶员视觉的影响。实验中选择0～10 s和20～24 s两段视频分别再现由洞外开敞环境至接近洞口和由洞内中间段到出口过程，其中第1段为明视觉，第2段为中间视觉。视频中17～20 s时间段用渐变黑屏缓和视觉紧张感并实现明视觉到中间视觉的转变[34]。使用XYL-Ⅲ型亮度计测量实验室亮度及测试视频各时间点的屏幕亮度。实验室测试环境亮度为2.1 cd/m2。

1.4 测试人员选择

实验总共有42名受试者，其中男性19名，女性23名。受试者年龄分布情况如下：18～25岁有26人，占61.9%；26～30岁有13人，占30.95%；31～40岁有1人，占2.38%；41～50岁有2人，占4.76%；所有受试者均持有驾驶执照，且有一年以上驾龄，身体健康。为避免佩戴眼镜者测试结果产生误差，故实验要求受试者不佩戴眼睛且裸眼视力在4.8以上，无失眠障碍，实验前24 h未饮用酒精类饮品，实验前12 h未饮用含咖啡饮品，实验前1 h未进行激烈运动。

2 实验过程

测试前，受试者分批进入实验室，首先经历30 min的当前光环境适应，然后再进行测试。测试开始后，禁止无关人员出入实验室，避免室外杂散光对受试者产生影响。

气压传感器一旦发生了故障，就会导致气象站不能够准确获取气压信息，一般情况下气压传感器发生了故障之后需要及时进行断电处理，将气压传感器的供电电源快速切断。气压传感器的主要故障表现为气压值具体数值起伏不定，脱离正常的数值范围，此时就需要查看气压传感器的接线状况。首先需要检车各个部件的链接，以及通气口是否畅通，部分的故障是由通气口存在异物造成的。如果不是外界的因素影响到了气压传感器导致故障的产生，那么可能是传感器自身的老化和损坏，需要进行更换新设备。

实验开始时，受试者坐于眼动仪显示器前，调整受试者前后位置，使受试者眼睛和眼动仪前端保持60 cm左右距离，调整眼动仪仰角，使眼睛位置尽量位于屏幕中央播放测试视频，保持实验室安静；受试者佩戴耳机进行测试，使用AWA5688型手持式声级计裸露拾音器测试实验音频，拾音器探头正对耳机，距离1～2 mm，调节视频声音在(80±2)dB左右，左右声道及不同受试者均保持一致；保持实验室安静，受试者随机观看测试视频。

3 数据分析

3.1 视点注视图及轨迹图

通过眼动仪对驾驶员注视点情况进行分析，以视频中心为坐标原点，建立直角坐标系，图4为受试者行驶在各路面上注视点的分布情况。

对于接近段路面而言，受试者行驶在原始路面上时注视点分散，且注视点个数较多；在红色路面上，受试者注视点比较分散，注意力不集中；而当受试者行驶在黄色路面上，注视点较集中。对于出口段路面而言，受试者由于还未出隧道，视线被控制在一个管状空间内，相比隧道入口，注视点更加集中，受试者在原始路面出口段行驶时，注视点分散，红色路面也有个别点注视其他区域，黄色路面注视点分布情况与红色路面相似。总之，接近段受试者注视情况比较分散，出口段相对于入口段比较集中。

图5为受试者行驶时眼动轨迹图。图5中：每个颜色代表一个受试者眼动的注视点，注视点之间连线表示眼跳，越少的目光注视与越短的关注点间路径代表效率越高。受试者行驶在原始路面上时，眼动轨迹混乱，注视点分散程度大；红色路面受试者的眼动轨迹较混乱，扫描路径长且很多相互交叉，注视点序列分散排布，受试者注视点偏离；受试者行驶在黄色路面上时，受试者眼动轨迹比较有规律，注视点轨迹单一且比较集中。

为使数据更加准确和直观，实验结束后将受试者眼动路线中的注视点进行转换，使用方差表示各种颜色路面上受试者注视点离散程度，再求平均值。对比各实验方差，进而判断各实验中受试者眼动特征注视点离散程度，如式(1)。

(1)

实验中，采集到有效数据为41人。图6为受试者在彩色路面区间注视点方差。

图6 受试者在彩色路面区间注视点离散程度Fig. 6 Dispersion degree of fixation points of subjects in the interval ofcolored pavement

图7为整个实验过程受试者在3种路面上行驶时其注视点的方差情况。

图7 3种颜色受试者实验全程注视点离散程度Fig. 7 Dispersion degree of fixation points of subjects with three colorsin the whole experiment

通过对比受试者在彩色路面上的眼动注视点情况、轨迹图及离散程度，可知在彩色路面上行驶时，驾驶员注视点及轨迹图等眼动特征存在差异。在隧道接近段，驾驶员行驶在红色路面上，注视点比较混乱，容易出现轨迹交叉现象，且注视点离散程度较大；行驶在黄色路面上时，注视点比较集中，眼动轨迹比较一致，离散程度小。在隧道出口段，由于驾驶员视野被管状空间控制住，眼动注视情况比较集中；红色路面上注视点离散程度反而小于黄色路面上注视点离散程度。从整体方案看，原始路面离散程度大于红色路面，大于黄色路面。

3.2 瞳孔面积变化特征

共有41名受试者参加实验，记录了受试者进入隧道前后的瞳孔变化情况，由于存在测试误差，导致部分数据丢失，其实验时间较长，故短暂时段的异常数据可忽略不计，直接删除即可。

经数据整理，得到被试者平均瞳孔面积与平均瞳孔面积变化率。图8分别记录了受试者在经过彩色路面与原始路面时的平均瞳孔大小变化情况。

图8 受试者平均瞳孔面积Fig. 8 Average pupil area of the subjects9

当受试者在入口处彩色接近段红色路面上行驶时(8～12 s)，受试者平均瞳孔面积波动较大，呈现为先减小后增大趋势。这种情况可能是因为彩色路面出现在视野范围内，驾驶环境改变，受试者会产生兴奋感，导致受试者瞳孔面积先变小，逐渐接近隧道入口时(9～12 s)，行车环境发生改变，使瞳孔面积增大；受试者在进入隧道(12 s后)，由于洞口内外亮度值变化很大，导致受试者瞳孔面积产生较大变化。对黄色路面而言，受试者在行驶过程中瞳孔面积基本呈上升趋势，当受试者在实验路段时，1～3 s时段中，受试者瞳孔变化较大，这是由于受试者进入新环境后，周围影响因素较多，导致瞳孔面积变化大；在3～8 s过程中受试者瞳孔面积基本持平；第9 s时，受试者瞳孔面积出现较大变化；9～12 s时，受试者瞳孔面积逐渐增大；受试者进入隧道(12～13 s)时，彩色路面从视野中消失，接近段测试结束。由于洞内照明设备使得洞内环境突然变亮，导致受试者瞳孔面积突然变小，这应是模拟驾驶实验中未能体现实际亮度巨大变化而造成的结果。

进入隧道后，驾驶员视觉特征出现相似性。红色路面与黄色路面受试者的瞳孔面积逐渐变大，两者瞳孔面积变化情况呈相似性。8～9 s时，其瞳孔面积变小，该时间段受试者第1次注视到彩色路面；13～15 s时，受试者进入隧道内，瞳孔面积逐渐增大；当受试者在行驶一段时间后，在17～20 s时，由于视频中用黑色画面表示行驶很长时间，行驶环境变暗，瞳孔面积逐渐变大；第20 s时，视频中突然出现画面，在虚拟行驶环境突然变亮和受试者产生紧张感的双重作用下，进而导致瞳孔变化出现较大波动。在模拟实验过程中，受试者经历了由亮变黑再变更亮的环境过程，瞳孔面积因此会产生改变。这说明与受试者心理负荷是否产生紧张感有关。

当驾驶员行驶至接近隧道出口时，第22～26 s为驾驶员经过出口段彩色路面的时间。在此阶段，驾驶员行驶在红色和黄色路面上时，驾驶员平均瞳孔大小相似，且差异性不大；29～32 s时，瞳孔面积变大，但当受试者经过红色路面时，其变化大于黄色路面瞳孔面积变化情况，当瞳孔面积变化过大时，会影响驾驶员行车安全。受试者在两种彩色路面上行驶，与原始路面上行驶产生对照组实验，行驶在彩色路面上时，驾驶员注意力更加集中。

为更加准确直观的判断出受试者眼动变化情况，将受试者眼动特征平均瞳孔大小数据进行整理，用瞳孔面积变化率来表示眼动变化情况，如式(2)。

(2)

式中：A表示瞳孔面积；t表示时间；S表示瞳孔面积变化率。

图9为受试者行驶在两种彩色路面与原始路面时的平均瞳孔面积变化率变化情况。受试者行驶在彩色路面上时，瞳孔面积变化整体波动情况均小于受试者行驶在原始未铺设彩色路面上时瞳孔面积波动情况，该结果说明彩色路面铺设对受试者视觉特征有影响，且可降低瞳孔面积变化率。受试者行驶在黄色路面上时瞳孔变化波动情况小于红色路面；说明受试者在黄色路面上行驶时，瞳孔面积波动情况更加稳定。

图9 受试者平均瞳孔面积变化率Fig. 9 Change rate of the subjects’ average pupil area

4 结 论

笔者通过构建虚拟实验场景，使用眼动仪测试了受试者在隧道进出口彩色路面上行驶的视觉特征，并与其在常规黑色路面上行驶形成对比，得到如下结论：

1)相比于原始的黑色沥青路面，彩色路面可起到降低驾驶员因紧张、行驶环境改变产生的瞳孔变化并提高驾驶员行车注意力的作用；

2)在隧道接近段，黄色路面优于红色路面，受试者驾驶注视点更为集中，其离散程度约为黑色路面的0.4倍，眼动路线相似且不复杂，瞳孔面积变化率较小；而在隧道出口段，红色路面眼动特征注视点离散程度最小，约为黑色路面的0.2倍，略优于黄色路面；

3)从所设计高速公路隧道进出口彩色路面的整体铺设方案来看，黄色路面优于红色路面，其受试者注视点离散程度约为黑色路面的0.7倍，且瞳孔变化波动较小。