基于眼动特性的隧道中间段光环境参数敏感性分析*

梁 波 董 越 闫自海 罗建强 牛佳安

（1.重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074；2.重庆交通大学省部共建山区桥梁与隧道工程国家重点实验室 重庆 400074；3.中国电建集团华东勘测设计研究院集团有限公司 杭州 311122）

0 引 言

中长隧道具有中间段距离长，路面亮度较低的特点，驾驶环境相对较差，给驾驶员安全带来威胁。因此，有必要改善隧道中间段的光环境。瞳孔直径作为生物量指标之一，对光环境的好坏反应非常敏感。实验心理学家赤瑞特拉通过实验证实人类从外界获得的信息有95%来自于视觉和听觉，其中由眼睛获得的视觉信息占80%以上[1]。光环境的好坏对人眼信息的获取有着至关重要的作用。然而，由于隧道特殊的半封闭式管状结构，隧道内光环境相比于隧道外有很大的区别。当驾驶员驾车行驶于隧道中时，不良的光环境会给视觉带来严重的负荷，威胁驾驶安全。

在改善隧道内行车环境方面，国内外许多学者从改善隧道内光环境的角度出发，来探究光环境与驾驶安全性的关系，并取得了良好的效果。梁波等[2-4]将蓄能发光反光涂料应用于隧道侧壁，结果发现蓄能发光反光涂料可显著改善隧道光环境，有效降低照明能耗，提高驾驶安全性；此外，Qin等[5]、Chen等[6]、Kircher等[7]都以隧道侧壁为研究对象通过改变颜色和装饰的方式来改善驾驶环境提高驾驶安全性；杜志刚等[8-9]提出通过加强隧道内的弱视觉参照系和视线诱导系统的方式来改善隧道光环境，有效地减少了驾驶员地视错觉和不良驾驶行为；徐萌等[10]提出在隧道中间段设置特殊颜色灯光带作为视觉滤波带，发现红色特殊色彩灯光带在引起视觉符合的范围内能够满足驾驶安全需求；方松等[11]把驾驶员的视觉特性作为参考指标，探究了不同长度光学隧道对人眼特性的影响规律，为交通安全设施的设计提供了依据；张晓坚等[12]分析了不同朝向公路隧道的眩光影响，为隧道接近段的行车视觉环境改善提供了依据。在灯具色温方面，朱合华等[13]通过研究隧道内灯具色温对驾驶员生理、心理的影响，提出了隧道不同照明段灯具色温选取的建议值；刘英婴等[14]通过分析光源色温与反应时间和瞳孔面积之间的关系，提出了适用于隧道入口处与中间段的照明光源色温；李柯等[15]利用DIAlux软件对川西高原的二、三级公路隧道的照明环境进行数值模拟，得出巴郎山隧道灯具布设形式应采用沿中线布设的结论。

光环境好坏的实质就是周围环境所传递的信息与驾驶员感知信息相匹配的问题。在隧道光环境照明质量感知方面。文竞舟等[16]、陈孟柯等[17]都把驾驶员的眼动特性作为评价指标，分别探究了车型和隧道转向，隧道不同分段与驾驶安全之间的关系。阎莹等[18]、叶飞等[19]将瞳孔面积作为试验指标，来探究隧道洞口处景观以及隧道连接段间瞳孔面积与环境光照度间的关系，并提出光照度推荐值及优化方案；胡英奎等[20]通过建立在进入隧道过程中驾驶员瞳孔面积最大变化值与各参数间的数学模型，分析得到在考虑视觉适应条件下的隧道入口段的亮度确定方法；潘晓东等[21]应用“瞳孔面积最大瞬态速度值（MTPA）”视觉负荷评价指标研究了隧道进出口的视觉障碍对驾驶员的影响，并据此提出了改善隧道进出口“黑洞”和“白洞”效应的措施；焦方通等[22]将瞳孔面积最大瞬时值作为隧道出入口的视觉舒适度评价指标，并分析了出入隧道过程中不同位置的视觉负荷。

综上所述，国内外学者在改善隧道光环境提高驾驶安全性方面做了很多研究，且也利用相关眼动参数开展了光环境质量评价，但大多只从单一因素出发考虑对隧道光环境的影响，缺乏对多种因素条件下隧道光环境敏感性规律的研究，并且评价样本大多采用室内试验和软件分析，缺乏行车真实感和空间层次感的眼动感知试验研究。笔者通过自主研发的室内模拟仿真试验平台开展动态行车试验，将瞳孔直径作为评价指标，分析驾驶员瞳孔特征对灯具布置方式、侧壁反光涂料布设高度、侧壁反光涂料颜色、LED光源色温等4个因素的敏感性规律。

1 光环境参数设置

隧道光环境受到光源、侧壁材料、路面、拱顶等多种因素的影响，因隧道路面，拱顶的反射率低，对隧道光环境的影响较小。因此，本文考虑将灯具布置方式、侧壁反光涂料布设高度、侧壁反光涂料颜色、LED光源色温作为试验因素。

1.1 侧壁反光材料铺设高度设置

在试验中侧壁反光材料铺设高度选择上，依据我国现行的公路隧道照明规范JTG T D7 02—01—2014《公路隧道照明设计细则》[23]规定，隧道侧壁不低于2 m的高度应铺设反射率不低于0.7的材料，故侧壁反光材料铺设的高度分别设置为2，2.5，3，3.5 m。

1.2 侧壁反光材料颜色选取

在侧壁反光材料颜色选取上，根据浦肯野效应，即人们从昼视觉向夜视觉转变时，人眼对光的最大敏感性向高频方向移动。于是在明适应时红色和橙色看起来比较亮，而在暗适应时则蓝色看起来比较亮。但红色穿透力强，具有禁止、危险的涵义，对人的视觉刺激过于强烈，故在交通安全色彩设计中要慎用红色[24]。

隧道侧壁最常用颜色为白色。在其他颜色的选择上，因为暗适应时蓝色看起来比较亮，绿色常见于道路景观中，蓝色和绿色为冷色，均为后退色，此外，黄色也是道路景观中的常见色，作为前进色，黄色带给人醒目的效果，且相比与红色和橙色，带给人的视觉刺激弱。故从综合考虑的角度，本试验中选用黄色、白色、绿色和蓝色进行试验。

1.3 灯具色温设置

Pardo等[25]通过研究LED光源色温对测试者辨色能力的影响，发现LED相关色温低于6 500 K时，测试者对颜色辨别力随LED相关色温的增加而增加。通过比较市场上常采用的隧道灯具色温，发现隧道LED灯具色温范围为4 000～6 000 K，且新推出LED灯具相比于老款LED灯，其色温通常具有较高的值。故本试验在LED灯色温选取上，分别选用色温为3 500，4 500，5 500，6 500 K。

1.4 灯具布设方式设置

灯具布置方式与光通量取值设置均依据《公路隧道照明设计细则》。为严格控制试验变量，假设试验中LED灯光效（某一光源发出的光通量与其消耗功率的比值）相同。试验将在保证照明总功耗不变的前提下，探究布灯方式对隧道环境下照明效果的影响。灯具布设形式见表1。

表1 灯具布置形式Tab.1 Layout of lamps and lanterns

2 正交试验设计

正交试验设计是试验设计中常用的1种方法。它是解决多因素试验问题的有效统计方法，具有均衡分散和整齐可比的特点。所谓均衡分散，是指正交表挑选出来的各因素水平组合在全部水平组合中的分布是均匀的。整齐可比是指每个因素的各水平间具有可比性。因为正交表中每个因素的任一水平下都均衡地包含着另外因素的各个水平，当比较某因素不同水平时，其他因素的效应都彼此抵消。

因此，本文选取正交试验设计，共设置A（灯具布设方式）、B（侧壁反光涂料布设高度）、C（侧壁反光涂料颜色）、D（LED光源色温）共4个因素。每个因素设置4个水平，因素水平表见表2。通过正交试验方案，得到不同工况下隧道照明光环境中各试验因素的优化水平组合。

表2 试验因素水平Tab.2 Tested factor level table

3 动态行车模拟试验

3.1 试验工况

试验为4因素4水平试验，不考虑交互作用，4因素共占4列，选L16（45）正交表最合适，并有1空列（E），可以作为试验误差以衡量试验的可靠性。共计16组照明试验方案，试验方案见表3。

表3 照明试验方案Tab.3 Lighting test scheme

3.2 试验模型及参数

本文采用当今市场上最具照明功效的灯光照明设计软件DIALux来搭建试验所需的动画模型。为最大限度地还原真实的驾驶情况，按照我国现行的《公路隧道照明设计细则》，设置隧道照明入口段、中间段与出口段。并参照JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范》[26]建立隧道仿真模型。本次设计隧道为双车道隧道，隧道净宽10.25 m，即3.75×2 m（行车道）+0.75×2 m（检修道）+0.5 m（左侧向宽度）+0.75 m（右侧向宽度），限高5.0 m，断面高7.12 m。交通特性为单向交通，行车设计速度为60 km/h。为保证测量结果稳定可靠，隧道不宜过短，经调整隧道模型后最终长度为400 m。中间段灯具布置见表4，入口段及出口段隧道照明设置见表5。

表4 中间段灯具设置Tab.4 Settings of middle lamps

表5 入口段及出口段隧道照明设置Tab.5 Tunnel lighting settings at the entrance and exit sections

模型建立完成后，通过菜单中的“保存三维视频”来导出所需视频。导出视频前，须对摄像机路径进行定义，本次模型建模过程中，以空间坐标中x轴作为隧道中心线，摄像机路径即为x轴。模拟动画视频截图（中线布灯+2 m+黄色+3 500 K）见图1。

图1 模拟动画视频截图（中线布灯+2 m+黄色+3 500 K）Fig.1 Screenshot of the simulated animation video(centerline light+2 m+yellow+3 500 K）

3.3 试验测试

模拟试验在由团队自主研发的室内模拟仿真平台上进行。该试验平台由视频投影系统、数据采集系统和模拟驾驶系统构成，能够实现动态行车模拟和对眼动参数的采集。

本次试验共选取30名测试人员，年龄在23～32周岁，均是取得驾驶资格证，且具备一定驾驶经验的非职业驾驶人。将测试人员分3组（每组10人）进行测试，编号分别为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ。为提高统计分析的精度以及数据的可靠性，同时减小数据误差，每位测试人员分别进行3次试验，测试人员相关信息见表6。

表6 测试人员信息Tab.6 Personnel information of the test subjects

试验步骤如下。

1）对投影设备调试，保证行车模拟视频投影于曲面屏幕时不出现歪斜、画面过小过大等状况。

2）SMI眼动仪调试，测试人员佩戴SMI眼动仪进行眼动仪标定，确保视线落点位置与眼动仪采集点位置同步，眼动仪调试过程见图2。

图2 眼动仪调试过程Fig.2 Debugging process of the eye tracker

3）采集数据试验，关闭外部灯具及门窗，模拟隧道暗环境，保证每位试验人员有足够的时间来适应环境和稳定心理状态。试验人员佩戴并适应SMI眼动仪，播放行车模拟视频。试验人员依次佩戴SMI眼动仪进行试验数据采集。

4）输出试验数据，利用ThinkPad笔记本电脑以及自带数据处理软件记录数据并输出进行处理。试验过程见图3

图3 试验过程Fig.3 Test process

4 试验结果分析

通过室内模拟仿真平台开展试验，得到3组测试人员的平均瞳孔直径数据，见表7。

表7 参数指标测试结果Tab.7 Test results of parameter indices

4.1 试验结果极差分析

采用极差分析法分析本次正交试验设计的试验结果。极差分析法又称直观分析法，极差的大小能反应试验中各因素影响程度的大小，极差越大则因素的影响程度越大。极差分析的指标见式（1）～（2）。

式中：Ki为某列所对应水平i的试验指标数据之和；Ni为某列所对应水平i的试验指标数据；R为极差。

以下通过对平均瞳孔直径这一参数指标进行极差分析，探究灯具布设方式、侧壁材料布设高度、侧壁反光涂料颜色、不同色温LED光源这4类因素在改善隧道照明光环境上的影响，同时区分各因素的主次。计算各水平的K值，得到影响因素极差分析结果，见表8。

表8 指标极差计算结果Tab.8 Calculation results of the index range

由表8中各因素所对应极差的大小顺序可以得出，各因素对瞳孔直径的敏感性由大到小分别为A—D—C—B。这说明对于瞳孔直径的影响上，灯具的布设方式影响最大，其次分别是LED光源色温、侧壁反光涂料颜色、侧壁反光涂料布设高度。

绘出各因素不同水平与指标之间的关系图（见图4），以便于更加直观地分析各因素对指标的影响规律。

图4 因素与瞳孔直径指标的关系Fig.4 Relationship between factors and pupil diameters

由图4可知，综合比较4类因素对瞳孔直径指标的影响程度，不同灯具布设方式中，两侧交错＞两侧对称＞中线偏侧＞中线对称，不同侧壁反光涂料布设高度条件下，3 m＞3.5 m＞2.5 m＞2 m。不同侧壁反光涂料颜色条件下，绿色＞蓝色＞黄色＞白色。不同LED光源色温条件下，6 500 K＞3 500 K＞5 500 K＞4 500 K。

从单个影响因素来看，本文关于灯具布设方式的结论与肖尧[27]所得结论有相同之处，皆认为中线布设优于其他布设方式，但在其他布设方式的优劣排序上有不同。在隧道侧壁反光涂料的布设高度选择上，与崔璐璐[28]得出的在2～6 m的范围内隧道侧壁涂料涂抹高度越高越好结论不同。在侧壁颜色的选择上与Kircher等[7]提出的浅色更优的结论相同。灯具的色温选择上，与刘英婴等[14]提出的隧道中间段色温宜选择在3 500 K这一结论不同。上述研究都采用控制变量的方法探究单一因素对隧道光环境的影响。通过对比可以看出，考虑多因素对隧道照明光环境的交互影响与仅研究单一因素对隧道光环境的影响结果是有差异的，而隧道光环境的构成是1个复杂的系统，受多种因素的影响。因此，在考虑采用多种方式改善隧道光环境时应当考虑各因素间的相互影响及影响的主次关系。

从生物物理的层面上来看，光线的强弱会引起瞳孔面积带来明显的变化。在舒适明亮的环境下瞳孔面积会收缩，在危险紧张的暗环境下瞳孔面积会增大，瞳孔放大往往意味着认知活动中更大的加工负荷和心理努力。同时，人类的心理活动同样能影响瞳孔增大。从心理层面上来看，当人体处于紧张、恐惧等状态时，瞳孔会随之放大。因此，通过瞳孔直径指标，可以反映出测试人员在驾驶过程中的所遇到的不安全或舒适的生理、心理状态。

综上所述，本试验中确定的优化水平组合见表9。

表9 优化水平组合Tab.9 Optimized horizontal combination

4.2 试验结果方差分析

虽然极差分析法计算简单且直观形象，但极差分析不能将试验中由于因素水平和试验误差引起的数据波动区分开来。此外，各因素对试验结果的影响大小无法给以精确的数量估计，不能提出1个标准来判断所考察因素作用是否显著。为了弥补极差分析的缺陷，可采用方差分析。方差分析是将数据的总变异分解成因素引起的变异和误差引起的变异这2个部分，构造F统计量，做F检验，即可判断因素作用是否显著。

本次试验中方差分析步骤如下。

1）用Kolmogorov-Smirnov检验法对样本进行正态分布检验，各组数据均服从正态分布（p＞0.05）。

2）运用Mauchly's球形假设检验，满足方差齐次性。

3）偏差平方和与自由度分。

4）列方差分析表，做F检验。

计算出F值，若F＞Fa，则拒绝原假设，认为该因素或交互作用对试验结果有显著影响；若F≤Fa，则认为该因素或交互作用对试验结果无显著影响。

计算出各指标F值，并列出方差分析表，见表10。

表10 方差分析表Tab.10 Variance analysis

由表10可知，4个因素对试验结果均有显著影响，影响强弱依次为：灯具布灯方式＞LED光源色温＞侧壁反光涂料颜色＞侧壁反光涂料布设高度。各因素的最优水平为选用沿中线布灯，侧壁反光涂料布设高度为2 m，侧壁反光涂料颜色为白色，LED光源色温为4 500 K。

4.3 仿真实验可靠性分析

对于运营阶段的隧道而言，由于要考虑成本因素和安全性，现场试验可操作性很低；而室内模拟试验能很好地解决这个问题。但是，室内仿真试验所模拟的驾驶场景无法完全还原真实的行车环境。因此，有必要对仿真实验的可靠性进行进一步讨论分析。

影响驾驶人瞳孔直径的因素首先是亮度。靳一[29]将仿真软件数据与实地测量数据进行对比分析，发现DIAlux软件所模拟的照度均匀度测量值与现场测量值的误差范围在2.19%和1.61%之间。误差较小说明DIAlux模拟软件的模拟结果比较可靠。但在进行室内模拟实验时行车模拟视频是投放在投影幕布上的，此时投影出来的隧道光环境亮度值与通过DIAlux软件计算出来的亮度和真实环境的亮度值之间的关系有待进一步分析。

利用DIAlux道路计算器计算出隧道模型中间段的路面平均亮度并导出数据。将隧道模型投影到试验模拟平台的幕布上使用PR-655光谱辐射亮度计测量隧道路面亮度。测点布设上选择沿道路中线对称布置的方式，每侧2个测点，中间1个测点，纵向每隔10 m布设1次，共布设25个测点。试验过程见图5。

图5 试验测量过程Fig.5 Test measurement process

将所测数据与DIAlux软件所计算出来的数据进行对比，见图6。16种工况的路面平均亮度测量误差处于5.9%和0.97%之间。误差范围较为理想，说明室内模拟试验能在一定程度上还原隧道实测试验，室内试验可靠度高。

图6 DIAlux计算亮度与测量亮度对比Fig.6 Comparison between calculated and measured brightness of Dialux

5 结束语

1）通过对试验结果的极差分析可知，驾驶员在行车过程中，灯具的布设方式对其瞳孔直径的影响最大，其次分别是LED光源色温、侧壁反光涂料颜色、侧壁反光涂料布设高度。其中，各因素不同水平对瞳孔直径的影响程度分别为：灯具布设方式上，两侧交错＞两侧对称＞中线偏侧＞中线对称；不同侧壁反光涂料布设高度条件下，3 m＞3.5 m＞2.5 m＞2 m；不同侧壁反光涂料颜色条件下，绿色＞蓝色＞黄色＞白色；不同LED光源色温条件下，6 500 K＞3 500 K＞5 500 K＞4 500 K，试验结果与其他只考虑单一因素对隧道光环境影响的结论存在差异。

2）通过对试验结果的方差分析可知，4个因素对试验结果均有显著影响，影响强弱依次为：灯具布灯方式＞LED光源色温＞侧壁反光涂料颜色＞侧壁反光涂料布设高度，方差分析与极差分析结果相互印证。

3）根据本次试验结果选取的较优水平组合为，沿中线布灯，侧壁反光涂料布设高度为2 m，侧壁反光涂料颜色为白色，LED光源色温为4 500 K。

本文研究成果可为多因素综合影响下的隧道光环境质量评价和设计优化提供参考。但本文是基于正交试验的研究，优选结果无法超越所取水平的范围，且室内模拟试验无法完全取代现场试验，因此，更为精确的研究结论还需要更多的试验验证。