袁景玉，劉曉健，姚 勝，高 源，王智德，張志濤

(河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津 300130)

近年來，中國(guó)的高速公路建設(shè)得到迅速發(fā)展，截至 2018年底，全國(guó)高速公路總里程達(dá)到1.426×105km[1]。目前中國(guó)高速公路路面多為灰黑色瀝青混凝土路面，顏色單一，材料抗滑性較差。駕駛員長(zhǎng)期行駛在單一顏色的路面時(shí)會(huì)引起視覺疲勞，容易導(dǎo)致交通事故。因此，高速公路的交通安全問題受到更多的關(guān)注，許多學(xué)者已經(jīng)就彩色路面鋪設(shè)技術(shù)在交通安全方面的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。

荷蘭對(duì)于彩色路面的研究和應(yīng)用較早，以鋪設(shè)在自行車道上用于道路區(qū)分為主。蘇聯(lián)、美國(guó)、日本等國(guó)家也相繼就彩色路面進(jìn)行了研究，其中日本在彩色路面鋪裝上有許多案例，曾用鐵紅色路面作為汽車專用道，用黃色路面作為大客車專用道等[2]。2009年中國(guó)西安市在高速公路收費(fèi)口處鋪設(shè)了彩色路面，起到了引導(dǎo)車輛的作用，隨即于2010年，在火車站和公交車道上也鋪設(shè)了彩色路面，具有提高車輛通行速度的作用[3]。有研究證實(shí)在瀝青混凝土中加入彩色氧化物鋪設(shè)在路面上，可以起到緩解城市熱島效應(yīng)的作用[4]。近年來，彩色路面防滑技術(shù)的成熟將為彩色路面的施工提供良好的技術(shù)支持[5]。在駕駛安全性方面，通常人們認(rèn)為彩色路面具有一定的改善作用。2011年Ando等[6]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在十字路口鋪設(shè)彩色路面能引起人們的注意，促進(jìn)交通安全意識(shí)的提高，兩年內(nèi)，實(shí)驗(yàn)路段的交通事故發(fā)生率確實(shí)得到降低。李佳輝等[7]通過模擬實(shí)驗(yàn)指出在學(xué)校前方鋪設(shè)紅色路面標(biāo)線能夠降低駕駛員的行車速度，保證行車安全。慕慧[8]指出通過鋪設(shè)彩色路面作為限速標(biāo)識(shí)，可以增強(qiáng)駕駛員注意力，又可以起到美化環(huán)境的作用。研究發(fā)現(xiàn)，一般在特殊路段如彎道、長(zhǎng)下坡、交叉路口等位置鋪設(shè)彩色路面可以起到減速和提高駕駛員警惕性的作用[9]。在長(zhǎng)大坡路面鋪設(shè)彩色路面既可以提高駕駛員注意力，同時(shí)對(duì)視覺舒適度也有影響[10]。

目前彩色路面的應(yīng)用形式較多，主要起誘導(dǎo)交通和美化環(huán)境的作用，雖然在交通安全方面也有所涉及，但就高速公路上彩色路面對(duì)駕駛安全性能的研究相對(duì)較少。特別是針對(duì)駕駛過程中，彩色路面對(duì)駕駛員的視覺特征有何影響，尚缺乏實(shí)驗(yàn)研究?，F(xiàn)通過開展虛擬高速公路駕駛實(shí)驗(yàn)，針對(duì)高速行駛中的彩色路面，觀測(cè)駕駛員的眼動(dòng)特征，進(jìn)而判斷彩色路面對(duì)行車的安全性影響，為提高交通安全性和彩色路面的推廣提供依據(jù)。

1 眼動(dòng)特征

高速行駛時(shí)，駕駛員主要依靠視覺從外部獲得交通信息。有學(xué)者使用眼動(dòng)測(cè)試儀對(duì)駕駛員眼動(dòng)特征進(jìn)行采集，通過采集駕駛員眼動(dòng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，駕駛員的瞳孔直徑會(huì)隨著彎道半徑的增大而減小，使用手機(jī)對(duì)駕駛員視覺行為會(huì)產(chǎn)生影響[11-13]。韓颯[14]主要使用駕駛員瞳孔面積作為眼動(dòng)特征的評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)駕駛員在不同路段的眼動(dòng)特征有所不同。杜志剛等[15]使用眼動(dòng)儀對(duì)駕駛員視覺特征進(jìn)行記錄，提出了視覺震蕩持續(xù)時(shí)間這個(gè)概念，具體地，以瞳孔面積變化情況超過一半的時(shí)間即為視覺震蕩持續(xù)時(shí)間，可以使用這一指標(biāo)來判斷視覺舒適程度。許多學(xué)者通過模擬實(shí)驗(yàn)，用眼動(dòng)儀記錄駕駛員眼動(dòng)特征，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)而監(jiān)控駕駛員行車時(shí)的注意力、反應(yīng)時(shí)間及疲勞程度[16-18]。

近年來，越來越多的學(xué)者對(duì)駕駛員視覺特征的研究愈加重視。由于高速公路上行駛過程中駕駛行為在時(shí)間和空間變化特征方面的特殊性，多種色彩對(duì)比實(shí)驗(yàn)難以在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行，通過眼動(dòng)儀進(jìn)行虛擬場(chǎng)景中駕駛行為的眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行駕駛行為與視覺特征的分析，成為駕駛員視覺舒適和疲勞評(píng)價(jià)的主要研究方法之一，該方法具有數(shù)據(jù)充分、對(duì)比效果顯著的特征。因此擬采用虛擬駕駛實(shí)驗(yàn)，對(duì)駕駛員在高速公路彩色路面行駛時(shí)的眼動(dòng)特征進(jìn)行測(cè)試分析。

2 顏色選擇

人眼通過捕捉不同波長(zhǎng)的光來識(shí)別物體的形狀與顏色。顏色在交通安全中也會(huì)影響駕駛員行車安全。在行車過程中，當(dāng)駕駛員觀察周圍環(huán)境時(shí)，周圍物體的顏色是誘發(fā)視覺反應(yīng)的首要因素[19]。紅色可以使人感覺到興奮，黃色對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)位于可見光的最中心位置，眼睛的感知度高，且明度最高，比較醒目，因此，駕駛員對(duì)黃色比較敏感[20]。由于紅色和黃色屬于暖色系，對(duì)駕駛員的心理和視覺上刺激明顯，而藍(lán)色波長(zhǎng)較短，可以起到鎮(zhèn)定減緩疲勞的作用，還可以讓人感覺時(shí)間過得快。在色彩學(xué)中，藍(lán)色、黑色等冷色系為收縮色，這些顏色會(huì)使人產(chǎn)生錯(cuò)覺，讓實(shí)際物體看起來小[21]。此外，國(guó)標(biāo)《安全色》中規(guī)定紅色、藍(lán)色、黃色為適合建筑領(lǐng)域信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)表面色中的安全色。

因此實(shí)驗(yàn)選擇紅色、藍(lán)色、黃色作為彩色路面的顏色，選擇黑色為對(duì)照組實(shí)驗(yàn)路面的顏色。實(shí)驗(yàn)選取太行山高速實(shí)際工程中的新型路面樣品，該樣品表層為彩色環(huán)氧薄層，耐久性和抗水損性能優(yōu)良、阻燃性和抗滑性好。使用彩色亮度計(jì)對(duì)樣品路面進(jìn)行測(cè)量，并通過計(jì)算得到相應(yīng)的RGB，最終用于模擬實(shí)驗(yàn)，具體顏色參數(shù)如表1所示。

表1 彩色路面顏色參數(shù)

3 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用青研EyeLab眼動(dòng)儀獲得可視化視覺特征，采集的數(shù)據(jù)包括受試者的眼動(dòng)熱點(diǎn)圖、軌跡圖、原始眼動(dòng)路線等可視化信息，以及注視點(diǎn)坐標(biāo)、注視時(shí)間、瞳孔面積等指標(biāo)，儀器參數(shù)如表2所示。

表2 EyeLab眼動(dòng)儀參數(shù)Table 2 Parameters of EyeLab

3.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)對(duì)象共20人，其中男性10人，女性10人，均有3～5年的駕駛經(jīng)驗(yàn)。駕駛員裸眼視力在4.8以上，且不佩戴眼鏡。實(shí)驗(yàn)前2 h未進(jìn)行劇烈活動(dòng)，實(shí)驗(yàn)前1 d未飲用刺激性飲品。

3.3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)?zāi)M晴天天氣情況下駕駛員在高速公路上行駛的情況。駕駛員采用觀看視頻的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M與測(cè)試。使用SketchUp進(jìn)行建模，并在Lumion軟件中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以及渲染，最終得到實(shí)驗(yàn)測(cè)試視頻。實(shí)驗(yàn)測(cè)試視頻時(shí)長(zhǎng)為19 s，其中7～12 s為彩色路面鋪設(shè)段。

3.4 實(shí)驗(yàn)過程

駕駛員隨機(jī)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，保證每次只有一名駕駛員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)前后，駕駛員之間互不干擾且對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)問題不予交談，以保證駕駛員均為首次接觸此實(shí)驗(yàn)。測(cè)試前，駕駛員坐在測(cè)試椅上，保證眼睛與實(shí)驗(yàn)屏幕保持65 cm，實(shí)驗(yàn)過程中，頭部盡可能保持不動(dòng)。實(shí)驗(yàn)操作流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Experimental flow chart

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

眼動(dòng)測(cè)試儀可以直接導(dǎo)出眼動(dòng)軌跡圖，通過軌跡圖可以直觀地看出駕駛員在行駛過程中的眼動(dòng)軌跡，如圖2所示為駕駛員在四種顏色路面上行駛時(shí)的眼動(dòng)軌跡圖。每一幅圖中相同顏色的點(diǎn)表示同一個(gè)駕駛員在行駛過程中的注視點(diǎn)，注視點(diǎn)之間的連線表示該駕駛員眼動(dòng)軌跡。注視點(diǎn)越多，掃描路徑越長(zhǎng)，表示駕駛員在行駛過程中視點(diǎn)需要更長(zhǎng)的掃描路徑來獲得周圍的行車信息。

圖2 駕駛員眼動(dòng)軌跡圖Fig.2 Eye movement trace of driver

實(shí)驗(yàn)中收集到有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)17組，經(jīng)過整理，得到駕駛員掃視幅度及瞳孔面積的變化情況。掃視幅度是指駕駛員注視點(diǎn)中任意相鄰的兩個(gè)注視點(diǎn)所對(duì)應(yīng)視線的夾角。如圖3所示，AB為相鄰兩注視點(diǎn)，點(diǎn)O為駕駛員眼睛的位置，α即為注視點(diǎn)A與注視點(diǎn)B的掃視幅度。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備局限性，無法導(dǎo)出掃視幅度的大小，因此根據(jù)式(1)可以得到α的余弦，進(jìn)而判斷其大小。

(1)

經(jīng)過整理得到駕駛員的掃視幅度情況，如圖4所示，表示所有駕駛員在四種顏色路面上掃視幅度情況的匯總。

為了更加直觀地看出駕駛員掃視幅度，在測(cè)試過程中，將得到的駕駛員掃視幅度進(jìn)行加權(quán)以獲得其平均掃視幅度S。如圖5所示，駕駛員在紅色路面上行駛時(shí)平均掃視范圍在40.69°～3.17°，在黃色路面上行駛時(shí)平均掃視范圍為51.65°～3.12°，在藍(lán)色路面上時(shí)為33.19°～2.11°，而當(dāng)在原始路面上行駛時(shí)平均掃視范圍為46.42°～1.41°。平均掃視情況中S黃>S原>S紅>S藍(lán)，駕駛員行駛過程中，掃視幅度越小，相對(duì)越放松，掃視幅度越大，駕駛員越緊張。駕駛員在經(jīng)過彩色路面時(shí)適當(dāng)增加緊張感，可以使其提前進(jìn)行減速等行為，有利于行車安全。在行駛安全范圍內(nèi)，駕駛員刺激越大，越容易產(chǎn)生緊張感，更有助于提高駕駛員的行車警惕性，進(jìn)而促使其實(shí)施減速等措施。

圖3 掃視幅度解析圖Fig.3 Scanning range analysis

圖4 駕駛員在四種路面上行駛時(shí)掃視次數(shù)與掃視幅度的分布情況Fig.4 Distribution of scanning times and scanning amplitude when driving on four roads

圖5 駕駛員在四種路面上行駛時(shí)的平均掃視幅度Fig.5 Average scanning range of driver when driving on four roads

此次實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬，實(shí)驗(yàn)光環(huán)境恒定，可以使用瞳孔面積變化來作為評(píng)價(jià)駕駛員疲勞程度的指標(biāo)，瞳孔面積隨著疲勞程度的增大而減小。

如圖6所示為駕駛員在行駛過程中瞳孔面積的變化情況，其中7～12 s為駕駛員經(jīng)過彩色路面的時(shí)間段，從圖6中可以看出，此階段駕駛員瞳孔面積變化較大，在經(jīng)過原始路面時(shí)瞳孔面積變化較為顯著，經(jīng)過紅色、黃色、藍(lán)色三種顏色路面時(shí)瞳孔面積變化比較相似。為了更加準(zhǔn)確地看出駕駛員在各種不同顏色路面上的瞳孔變化情況，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，得到駕駛員的瞳孔面積變化率，計(jì)算式為

(2)

式(2)中:U表示瞳孔面積變化率；At表示t時(shí)刻瞳孔大小。駕駛員在行駛過程中，瞳孔面積變化率在20%以內(nèi)均表示駕駛過程是安全的，并且駕駛員視覺處于舒適的狀態(tài)。如圖7所示，駕駛員在四種顏色路面上行駛時(shí)，均處于安全狀態(tài)。在7～12 s時(shí)間段內(nèi)，駕駛員在原始路面上行駛時(shí)，瞳孔面積變化率波動(dòng)情況最大，藍(lán)色路面次之，黃色路面最小，駕駛員瞳孔變化的越頻繁，越容易產(chǎn)生疲勞感。而當(dāng)長(zhǎng)期行駛在高速公路上時(shí)，疲勞感則會(huì)加劇，更不利于行車安全。

通過與原始路面進(jìn)行對(duì)照分析，根據(jù)駕駛員平均掃視幅度的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，只有黃色路面的平均掃視幅度大于原始路面。根據(jù)駕駛員瞳孔面積變化率情況可以發(fā)現(xiàn)，駕駛員在原始路面上時(shí)，瞳孔面積變化最大。針對(duì)掃視幅度與瞳孔面積變化率這兩個(gè)指標(biāo)來說，在彩色路面上的變化趨勢(shì)不同，可以推測(cè)路面色彩并不能同步呈現(xiàn)駕駛員緊張程度與其疲勞程度的緩解。

圖6 駕駛員平均瞳孔面積隨時(shí)間變化情況Fig.6 Change of average pupil area of drivers with time

圖7 駕駛員瞳孔面積變化率Fig.7 Pupil area change rate of driver

5 結(jié)論

針對(duì)高速公路彩色路面行車安全問題，采用虛擬駕駛實(shí)驗(yàn)和眼動(dòng)數(shù)據(jù)分析方法，分別就紅色、黃色、藍(lán)色三種路面與原始路面進(jìn)行模擬對(duì)照實(shí)驗(yàn)，獲取彩色路面與駕駛員視覺特征之間的關(guān)聯(lián)，以探究彩色路面對(duì)行車安全性的影響機(jī)制，主要結(jié)論如下：

(1)駕駛員在高速公路上行駛時(shí)，由于行駛環(huán)境單一，精神疲憊狀況時(shí)有發(fā)生，而鋪設(shè)彩色路面能改善此類情況。

(2)駕駛員行駛在彩色路面上時(shí)，由于色彩的作用導(dǎo)致掃視幅度產(chǎn)生差異，其中黃色路面的掃視幅度大于其他顏色，說明駕駛員行駛在黃色路面上時(shí)緊張感強(qiáng)于其他顏色路面，而適當(dāng)?shù)木o張感可以提高行車的警惕性。

(3)駕駛員在原始路面上行駛時(shí)，瞳孔面積變化率波動(dòng)情況最大，依次大于藍(lán)色、紅色與黃色路面，駕駛員瞳孔變化得越頻繁，越容易產(chǎn)生疲勞感，對(duì)行車安全產(chǎn)生影響，因此鋪設(shè)彩色路面可以改善駕駛員行車時(shí)的疲勞感。

(4)高速公路行駛安全性受許多因素的影響，包括疲勞程度、警惕性、注意力集中度等，上述因素又受時(shí)間、空間條件的影響，相關(guān)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。