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中国智能交通协会

基于冬奥元素的隧道侧壁装饰对驾驶人注意力分散的影响研究及应用

2022-07-20   来源:中国智能交通协会


北京工业大学北京市交通工程重点实验室



  1.引言
  1.1研究背景及意义
  隧道侧壁装饰作为一种新型的交通安全设施,对隧道行车环境的安全改善、提质升级具有重要作用。然而,目前关于隧道侧壁装饰对驾驶人注意力分散影响的研究相当有限,实际工程中也缺乏针对性的标准规范,这限制了进一步的发展及应用。
  事实上,国内外学者对隧道侧壁装饰存在较大争议,根本原因在于隧道侧壁装饰是否会引起驾驶人注意力分散,以及对交通安全究竟造成多大的影响,目前尚无统一的结论,而驾驶人注意力分散又是导致交通事故的重要诱因。国外相关资料显示,大约 14%~34%的交通事故是由于驾驶人注意力分散导致的[1]。我国相关研究指出,大约 20%的道路交通事故是由于驾驶人注意力分散所引起的[2]。这更加剧了专家学者们对隧道侧壁装饰安全性的担忧。杜志刚等人通过记录影响公路隧道事故风险的因素,指出不良隧道光环境会影响驾驶人获取足够的视觉参照, 进而诱发交通事故[3]。实际上,隧道侧壁的存在可能会引发驾驶人的焦虑。当驾驶人行驶在昏暗、狭窄的隧道环境中时,驾驶人会感到焦虑,担心会撞到侧壁或者其他车辆,这种现象被称为侧壁效应[4][5][6]。董显玲认为,驾驶人在行驶过程中需要接收、处理外来信息,而隧道侧壁装饰含有刺激性画面信息,可能会分散驾驶人注意力[7]。而陈运飞等则认为,隧道单调的弱视觉参照环境使得驾驶人速度感、方向感等受到影响,通过对隧道侧壁进行装饰(颜色、图案及间距)可以增强驾驶人的感知能力,有效缓解驾驶疲劳[8]。此外,Qin等指出,在隧道半封闭的黑暗、单调环境中,额外的驾驶信息实际上有助于增强驾驶人的确定性和控制感,减少焦虑、厌倦、疲劳和警惕性受损,前提是驾驶信息不过量且不会分散驾驶人的注意力[9]。从交通安全的角度来看,如果隧道侧壁装饰会致使驾驶人注意力分散,那么注意力分散行为会通过驾驶人传递到车辆,进而改变周围交通流,最终影响整个交通系统。
  因此,考虑隧道交通系统的各个组成要素之间错综复杂的相互影响关系,以及隧道交通事故严重后果,为实现隧道交通系统的安全性,亟需研究隧道侧壁装饰对驾驶人注意力分散的影响。实际上,确定隧道侧壁装饰对驾驶人注意力分散的影响,是从系统内部降低风险、提高安全性的关键,可以从人因源头对隧道交通事故进行致因分析,对事故诱因的辨识、预防及控制十分重要。
  1.2研究目标及内容
  本研究依托 2022 年冬季奥林匹克运动会主要道路支撑——兴延高速公路,以交通系统主要参与者——驾驶人的注意力分散行为是否受到隧道侧壁装饰的影响作为研究核心,设计驾驶模拟仿真试验,提取表征驾驶人注意力分散的行为指标,构建特征明显的指标体系,分析侧壁装饰影响下的驾驶行为特征差异。同时,考虑驾驶人的异质性问题,研究其他影响因素(驾驶人性别、年龄及职业等)的影响。本研究合理运用统计学方法模型(重复测量方差分析、线性混合效应模型)对基于驾驶模拟试验仿真测试的隧道侧壁装饰对驾驶人注意力分散影响及其机理进行了深入研究和分析。此外,以驾驶人任务反应操作时间为数据基础,基于半参数模型 (Kaplan-Meler)方法对驾驶人注意力状态进行评价,为利用隧道侧壁装饰改善交通安全的方法提供理论支持和技术保障,也为进一步设置指南的形成奠定基础。
  2.驾驶模拟试验研究
  2.1场景设计及开发
  本研究试图分析高速公路长大隧道侧壁设计对驾驶行为的影响,挖掘其影响机理,实现基于微观驾驶行为数据的量化评估及设计优化,以指导实际应用。研究采用驾驶模拟仿真测试方法,选取兴延高速公路(2022年北京冬奥主干道)作为场景开发原型。隧道的具体设计参数如表 1所示。
  唤醒理论认为一定程度的觉醒可以有效提高驾驶员的意识活动水平,保持良好的驾驶警觉性[10]。为保证隧道中行车的安全性,我们认为在隧道中对侧壁进行一定的色彩图案装饰来提高驾驶人的意识活跃水平是十分有必要的。此外,视错觉理论认为当人们观察物体时,会产生基于经验主义的错误判断和感知。统计数据显示,70%的司机的超速行为是由速度错觉造成的[11]。色彩心理学理论的相关研究表明,浅蓝色可以稳定情绪,缓解疲劳[12]。因此,将视错觉理论和色彩心理学理论作为指导隧道侧壁图案节律和色彩等参数设计的主要理论依据。仿真场景开发流程如图 1所示。



表 1.试验测试路段隧道设计参数

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图 1.仿真场景开发流程




  在侧壁装饰方案设计中,考虑到兴延高速作为本次冬奥会重要的道路支撑,是展示北京文化、奥运文化的景观走廊。因而选取了彰显民族文化时代性、地域性、文化性、前瞻性冬奥运动项目图标、国家速滑馆“冰丝带”、冰雪图案三种元素,将冬奥元素融入到隧道侧壁设计中,旨在改善“侧壁效应”对驾驶人的负面影响,使更多的人深入了解冰雪运动与冬季文化,弥补人们对冬奥文化理解的缺失。综上所述,本研究中隧道侧壁装饰控制因素主要为图案节律(4Hz、2Hz、 1.26Hz、0.94Hz 以及 0.75Hz),同时考虑色彩设计(天蓝色和白色)、图形元素设计(运动项目图标、“丝带”造型以及冰雪图案),包括隧道基础控制场景在内共形成6项设计方案,如图 2所示。



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图 2.隧道侧壁装饰设计方案



  2.2驾驶任务设计
  注意资源理论[13]认为注意是一组对刺激进行分类和识别的认知资源或认知能力。事实上,注意力资源是有限的,刺激或任务越复杂,占用的注意力资源就越多。在驾驶过程中使用额外的驾驶任务分散驾驶员的注意力是一种常见的试验设计技术。本试验借助基于谷歌 Android-studio平台开发视觉-动作-认知次任务APP。驾驶任务由固定在车辆出风口位置的华为M6 平板发布指令,被试驾驶人完成试验任务。详细的视觉-动作-认知任务设计为:1)试验开始前,将平板通过车载支架固定在车辆出风口位置;2)工作人员打开任务 APP,使其处于加载状态;3)试验过程中,当驾驶人到达某一指定位置时,平板程序触发语音提示,例如:“请点击屏幕,选择↑/↓/←/→的箭头”。驾驶人需要根据语音提示,执行箭头任务,语音播报持续时间为 2s 左右。如图 3所示。



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图 3.华为M6平板触屏任务



  另外,为了尽可能真实地再现高速公路的基本路段和隧道场景,减少仿真结果与实际情况的差距,在试验车辆附近设置了一定的车流来模拟真实环境。(图 4)



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图 4.试验车外围附加车流



  2.3试验设备
  本试验中使用的固定基座驾驶模拟器(图 5)位于北京工业大学,由一辆丰田实车、计算机系统及视频和音频设备组成,是专门为研究道路安全和驾驶行为而设计的。先前的研究提供了本试验中驾驶模拟器的技术参数,验证了模拟器采集数据的有效性。采集实时的运行性能等数据(例如,加速、减速和转向),数据采集频率为 30 Hz。场景被投影到三个大屏幕上,提供130度的视野。



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图 5.北京工业大学驾驶行为模拟舱



  2.4被试招募
  本试验从大学和社会团体中招募了 39 名被试者,其中男性占 76.9%,女性占 23.1%。性别比分布大致符合目前中国司机的统计特征。所有被试都符合驾驶模拟器实验的试验标准。所有被试的人口统计数据如表 2所示。



表 2.驾驶人特征描述性统计

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  2.5试验过程
  本试验内容由预试验、正式试验以及试验后的主观问卷共同组成。预实验的准备阶段,工作人员需向驾驶人介绍试验指南:1)试验目的地;2)80 公里/小时的限速;3)打开隧道入口前的大灯;4)保持正常的驾驶习惯。通过驾驶模拟器训练,测试被试是否适应驾驶模拟器环境,以优化实验过程。正式试验时,每位驾驶人共需要完成12条隧道(6类隧道侧壁装饰*2类驾驶状态)的测试。为避免长期驾驶造成疲劳效应,被试被要求参加两次试验,时间间隔两天以上。此外,为尽可能保证相邻隧道测试之间的独立性,在隧道间设置了一些基本过渡路段(大约 1.5km),可以有效缓解隧道环境造成的压抑和视觉疲劳,最大限度地减小前后隧道的影响。试验完成后,要求每个被试驾驶人填写一份问卷,报告其对隧道模拟场景的主观评价,以及测试后的生理和心理状况的填写。
  2.6数据获取及预处理
  在正式的驾驶模拟试验中,共采集了两方面驾驶行为数据:1)7 项驾驶行为指标,包括车速均值及标准差、纵向加速度及标准差、油门功效、横向偏移和方向盘转角。2)驾驶人的任务反应操作时间。
  为了精准描述行为数据空间变化趋势,以50m固定的空间间隔对数据进行切分。此外,为了避免异常数据对数据分析结果产生一定的影响,确保数据质量,本研究根据 Pauta 标准筛选出不完整和异常数据,并验证了样本量的有效性。
  3.研究结论及主要成果
  本研究旨在分析隧道侧壁装饰对驾驶人注意力分散的影响。研究基于驾驶模拟试验测试,设计了5种隧道侧壁装饰方案,与未设置装饰的隧道侧壁形成对比;基于注意资源理论,设计视觉-动作-认知驾驶次任务;划分 3 类隧道区域,入口、中间及出口。招募 39 名驾驶人,获取高细粒度的驾驶行为数据,形成多维度数据库。基于此,提取表征驾驶人注意力分散的替代评价指标,构建特征明显的指标体系,为注意力状态与驾驶行为特征的统计验证奠定基础。



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(a)车速均值分布箱线图



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(b)车速标准差分布箱线图



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(c)纵向加速度分布箱线图



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(d)纵向加速度标准差分布箱线图



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(e)油门功效分布箱线图



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(f)横向偏移分布箱线图



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(g)方向盘转角分布箱线图


图 6.考虑图案节律时不同驾驶状态下数据分布特征

  首先,针对隧道侧壁装饰对驾驶人注意力分散进行影响分析。研究利用三因素重复测量方差分析方法,考察隧道侧壁装饰影响下的驾驶行为(车速均值及标准差、纵向加速度及标准差、油门功效、横向偏移以及方向盘转角)特征差异。同时,对不同驾驶状态、隧道区域影响下的行为演变规律进行分析,并探索其交互效应。
  其次,基于影响分析,考虑驾驶人异质性以及诸多复杂因素影响,构建混合效应模型,量化其影响关系。研究归纳隧道侧壁装饰方案、驾驶状态(正常驾驶和视觉-动作-认知次任务)、驾驶人性别(男性和女性)、驾驶员年龄(青少年、青年、中年和老年)以及驾驶人职业(职业和非职业)形成影响因素集,构建一系列具有随机效应的线性混合效应模型纠正每个被试重复观测结果之间的相关性,分析多因素对驾驶行为指标的影响,挖掘其影响机理。



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图 7.不同性别驾驶人反应操作时间生存概率曲线



  再者,驾驶人注意力分散直接表现为应激反应时间增加。因此,研究从驾驶人角度出发,提取反应时间指标,利用 Kaplan-Meler 方法进行估计计算,构建影响评价模型,深入分析评价隧道侧壁装饰对驾驶人注意力分散的影响。此外,研究同样将驾驶人个体属性纳入考虑,分别建立了相应的生存模型。



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图 8.不同职业驾驶人反应操作时间生存概率曲线



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图 9.不同年龄驾驶人反应操作时间生存概率曲线



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图 10.隧道侧壁装饰图案效果



  研究结果显示,合适的隧道侧壁装饰不会对驾驶人注意力造成过多的分散,进而危害驾驶安全。此外,侧壁装饰能够促使驾驶人保持较低的车速,车辆操控能力、抗干扰能力得到提升。同时,侧壁装饰提供的信息使得驾驶人反应时间显著减少,有利于驾驶人遭遇突发交通事件时的应激响应,最大程度降低事故风险、减少事故伤害。研究结果为利用隧道侧壁装饰改善交通安全的方法提供理论支持和技术保障,形成研究范式、为其他隧道的侧壁设计和设置提供方法体系,为进一步推进隧道侧壁设置指南的制定奠定基础。

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