（载运工具运用工程专业论文）高速公路长隧道路段驾驶人眼动特性研究.pdf

摘要 随着公路交通事业的发展，我国己成为世界上隧道数量最多、情况最复杂、发展速 度最快的国家。公路隧道作为高速公路网的瓶颈路段，具有交通事故易发性高、危害程 度大、事后处理困难等特点。相关事故资料也表明，大部分高速公路隧道交通事故与驾 驶人有关。由于隧道环境的影响，驾驶人信息认知会发生变化，且在驾驶人感知系统中， 视觉明显占据主导地位。因此，研究高速公路隧道路段驾驶人视觉特性具有重要意义。 本文对国内2 6 2 起典型交通事故做了详细统计分析，得到事故的时间、空间、车型、 事故形态及隧道环境类型的分布规律。依据驾驶人动态视觉特性及相关研究，确定将驾 驶人平均注视时间、平均注视次数、注视点分布、扫视速度及扫视幅度作为驾驶人视觉 特征表征参数。随机选取一定样本量驾驶人进行高速公路长隧道实车试验，利用眼动仪 记录得到被试的眼动数据，并对各个路段驾驶人平均注视时间、平均注视次数、扫视速 度及扫视幅度变化规律分别进行分析。利用b p 人工神经网络对进、出口路段驾驶人注 视时间、注视次数、扫视幅度等眼动表征参数的变化规律进行模拟，建立车辆运行过程 中相关参数变化与进、出口距离的模型。结合试验中影像资料，运用快速聚类分析法， 分别得到进、出口段驾驶人注视点变化规律，分析了驾驶人在隧道内路段的注视点分布 规律。依据相关研究结论，将驾驶人的注视点分布区域划分成为6 类，分别是左后视镜 区域、主视区左侧区域、主视区中央区域、主视区右侧区域、车前路面区域和仪表盘区 域。 关键词：公路长隧道，驾驶人，视觉特性，b p 神经网络，快速聚类分析 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h w a yt r a f n c ，o u rc o u n t r yh a sb e e nt h ec o u n t r yw h i c hh a st h em o s t c o m p l i c a t e dt u n n e l sw i t ht h ef a s t e s td e v e l o p i n gs p e e di nt h ew o r l d t h eh i g h w a yt u n n e lw a sr e g a r d e da s t h eh i g h w a yn e t w o r k sb o t t l e n e c kr o a ds e c t i o n , i t si n c l i n i n gt oh a p p e nt r a f f i ca c c i d e n t a n dt h ee x t e n to f t h ea c c i d e n th a z a r di sv e r yh u g e ，a f t e r - t r e a t m e n ti ss od i f f i c u l tt ot r e a tw i t h t h r o u g ht h er e l a t e da c c i d e n t m a t e r i a l s a n a l y s i s ，w ek n e wt h a tm a j o r i t yo fh i g h w a yt u n n e lt r a f f i ca c c i d e n tm a i n l yr e l a t e dw i t hd f i v e r e f f e c t i n gb yt h et u n n e le n v i r o n m e n td r i v e r s i n f o r m a t i o nc o g n i t i o nw o u l dc h a n g e a n di nd r i v e r s s e n s a t i o ns y s t e m ，t h ev i s i o no c c u p i e st h ed o m i n a n tp o s i t i o no b v i o u s l y t h e r e f o r e ，s t u d y i n gt h ed r i v e r s v i s u a lc h a r a c t e r i s t i ci nt h et u n n e lr o a ds e c t i o ni sv e r yv i t a ls i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l ef i r s ta n a l y s i st h es t a t i s t i c so f2 6 2t y p i c a ld o m e s t i ch i g h w a yt u n n e lt r a f f i ca c c i d e n t s ， o b t a i n sd i s t r i b u t e dr u l eo fa c c i d e n t st i m e ，s p a t i a l ，v e h i c l e ，a c c i d e n tt y p ea n dt h et u n n e lt y p e b a s e do nt h e d r i v e r s d y n a m i cv i s u a lc h a r a c t e r i s t i ca n dr e l a t e dr e s e a r c h ，c o n f i r m e dt h a tt h ed r i v e r sa v e r a g ef i x a t i o n t i m e ，f i x a t i o nn u m b e r f i x a t i o nd i s t r i b u t i o n ，t h ea v e r a g es a c c a d es p e e da n da v e r a g es a c c a d es c o p et o e v a l u a t ed r i v e r sv i s u a lc h a r a c t e r i s t i c t h r o u g han u m b e ro fd r i v e r sw h o s ec h o s ea tr a n d o mt oc a r r yt h e e x p e r i m e n ta th i g h w a yl o n gt u n n e lr o a d , u s i n ge y e l i n kr e c o r de y em o v ed a t a a n a l y z et h ec h a n g er o l eo f t h e s ei n d e x e sa b o v ea tt u n n e lr o a d , u s i n gb pn e u r a ln e t w o r ks i m u l a t et h ei n d e x e s c h a n g er o l ea ta p p r o a c h a n de x i ts e c t i o n , g e tt h ef u n c t i o nt h a ti n d e xi n v a r i a b l ew i t hd i s t a n c e c o n s u l tw i t ht h ee x p e r i m e n tv i d e o ， a p p l y i n gc l u s t e ra n a l y s i s ，g e tt h el a wo ff i x a t i o nd i s t r i b u t i o na ta p p r o a c h ，i n n e rt u n n e la n de x i tr o a d f i n d i n gt h a tt h ef i x a t i o ni n n e rt u n n e lc a nd i s t r i b u t er e g i o n a l i s mi n t o6k i n d s ，t h e ya r el e rr e a rm i r r o r ，l e f t o fm a i nf i x a t i o na r e a , t h em i d d l eo fm a i nf i x a t i o na r e a , r i g h to fm a i nf i x a t i o na r e a , t h er o a db e f o r ev e h i c l e a n dt h eg a u g eb o a r dr e g i o n k e yw o r d s ：h i g h w a yl o n g - t u n n e l ，d r i v e r ，v i s u a lc h a r a c t e r i s t i c ，b pn e u r a ln e t w o r k ，c l u s t e ra n a l y s i s 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 我国地形复杂多样，山地面积广阔，占全国陆地总面积2 3 。随着国家公路网进一 步完善，道路等级提高及设计观念的改变，昔日“逢山绕行”、“大填大挖 的旧观念， 正被“多打隧道多架桥，少修盘山道”、注重环境保护的新理念所替代，公路隧道的数 量和里程增长迅速。截至2 0 0 9 年底，全国共有公路隧道6 1 3 9 处、计3 9 4 2 0 万米，其 中特长隧道1 9 0 处、8 2 1 1 万米，长隧道9 0 5 处、1 5 0 0 7 万米【l 】。随着一批长隧道、特 长隧道及隧道群的建成，隧道占公路总里程的比重不断加大。目前，我国已成为世界上 隧道最多、最复杂、发展最快的国家。 同时伴随着“西部大开发及“中部崛起”发展战略的实施，我国中西部地区的高 速公路的建设日益兴起，建设重点已经从东部转入中、西部地区，从平原地区建设转入 山岭区建设时期。伴随着中西部地区高速公路建设的兴起，长大隧道的数量会越来越多。 根据我国高速公路网规划，在未来3 0 年中，我国将继续兴建约5 0 0 0 0 k m 的高速公路， 以隧道占高速公路总里程的6 估计，我国将要修建大约3 0 0 0 k m 长的隧道，高速公路 隧道将朝“多、长、大、深的方向发展【2 】。图1 1 所示为自2 0 0 1 年来我国高速公路及 公路隧道的发展状况。 年份0 2 0 012 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 9 图1 1 我国高速公路及公路隧道发展状况 公路隧道一方面实现了截曲取直、缩短运输距离、降低坡度、改善道路线形、提高 运输速度、节约燃料、节省时间、改善运输环境及保护生态环境等功能，极大提高了公 6 5 4 3 2 1 0 6 5 4 3 2 1 第一章绪论 路运输的便捷性和竞争力，促进了交通运输业的发展；另一方面，公路隧道由于其环境 封闭、内外环境差异大等特征，容易引发交通事故，且具有事故危害程度大、事后处理 困难等特点。据统计隧道公里事故率远远高于高速公路全线事故率【3 j ，隧道成为高速公 路的黑点路段，发生了大量重、特大交通事故。 如2 0 0 4 年4 月2 6 日下午，江西九景高速公路发生一起特大交通事故，一辆从九江 开往湖口的中巴客车撞上高速公路隧道口，7 人在事故中丧生，3 人重伤。 2 0 0 8 年5 月4 日一辆满载危险品“二甲苯 的槽罐车在京珠高速大宝山隧道与一 辆半挂大货车发生追尾碰撞，造成危险品大量泄漏并剧烈燃烧，两人当场死亡，5 人受 伤，隧道壁大面积塌落，隧道受损严重封闭维修一个月之久。 2 0 0 8 年9 月4 日在金丽温高速公路往金华方向俞庄隧道，一辆大客车正面碰撞隧 道口挡墙，当场造成车上l o 人死亡，3 6 人受伤。 公路隧道作为高速公路路网功能的瓶颈路段，交通事故特别是重、特大事故频发， 不仅严重影响和制约着整条高速公路的安全性和最大通行能力，也影响整个路网的运行 和功能发挥，更为重要的是给人民生命、财产造成了巨大损失。 1 2 研究目的与意义 道路交通事故往往是由驾驶人、车辆、道路及环境等要素配合失调而发生的，任何 一方因素的不适宜，都将成为事故诱因。在由驾驶人、车辆、道路及环境条件等因素构 成的道路交通系统中，驾驶人作为车辆的操控者、道路的使用者、环境条件的感受者， 是道路交通活动的主体，在动态系统中居主导地位，对保证系统稳定性有很大的能动性， 是影响交通安全的首要因素。国内外的统计数据表明，9 0 的道路交通事故都与驾驶人 有关，高达7 0 - - - 8 0 的事故驾驶人负主要责任和全部责任。 交通信息的获取对保障驾驶人行车安全具有重要影响，在驾驶人通过各感觉器官获 取的交通信息中视觉所提供的信息所占比例高达8 0 ，可见视觉信息在道路交通信息中 明显占据主导地位。尤其是在公路隧道路段，由于隧道的阻断特征、隧道空间狭小、封 闭性强、内部环境单调、隧道内外环境差异大等因素影响，使得驾驶人在隧道环境中行 车时，驾驶人的视觉特征的变化也有别于普通道路环境。同时，驾驶人心理和生理都会 发生相应变化，这种变化不仅影响环境信息的正确感知，而且对安全驾驶有重要影响。 因此，亟需研究隧道环境对驾驶人视觉的影响，获取隧道环境中驾驶人的视觉特征，以 保障道路运输能力的发挥和减少隧道交通事故的发生，保护人民群众生命和财产安全。 2 长安大学硕士学位论文 目前，保障隧道行车安全的技术和工程手段在工程建设与运营中得到广泛运用，但 针对驾驶人生理、心理特点的安全保障措施及相关研究仍然较少。本文针对上述问题， 采用现代科学方法，在进行大量公路隧道交通事故调查的基础上，多层次分析公路隧道 路段的交通事故特征，研究公路隧道环境中交通事故产生的机理；同时以实车隧道试验 为依据，探索驾驶人在隧道交通环境中行车时的眼动特征。希望以此为高速公路隧道路 段的交通安全设计和管理提供参考，以保障公路隧道行车安全，减少公路隧道重、特大 交通事故的发生，努力创造和构建平安交通与和谐交通。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外许多研究机构在驾驶人视觉特性及注视行为领域进行了广泛研究，并取得不少 成果。 1 9 9 5 年荷兰运输研究实验室的v e r w e y w b 选取6 名被试对象分别从c o e n 和 z e e b u r g e r 隧道的两端进入隧道，以心率、眨眼次数、皮肤电反应及呼吸率等为指标， 探讨了隧道进口段对驾驶人生理和操作行为的影响。试验结果表明当接近隧道进口时， 驾驶人眨眼次数降低，而且隧道不同眨眼次数也有区别，而其他的指标在进入隧道时没 有变化【4 1 。 19 9 8 年，芬兰库奥皮奥大学的m a i j am a n t y j a v i 等人对年老职业货车驾驶人视觉机 能是否会随着其年龄增长而出现缺陷进行了相关研究，检测了7 7 名3 3 6 6 岁驾驶人的 视野、暗适应、对比度灵敏性、色觉及注视灵敏性等【5 1 。分析各检测项目试验数据方差 发现，各年龄组驾驶人视觉机能都属正常，但也发现有少数驾驶人的视力己低于职业驾 驶人的标准值。 英国诺丁汉大学心理学院受英国运输部资助建立了事故研究室，长期研究了认知等 心理活动对驾驶人驾驶能力及事故倾向的影响、视觉行为及注意力与驾驶技能之间的关 系等课题。19 9 8 年，该研究室研究人员d a v i dc r u n d a l l 和g e o f f r e yu n d e r w o o d 在试验中 引入不同类型的道路以改变被试驾驶人的认知负荷水平，研究了新驾驶入和熟练驾驶人 视觉搜索策略的差异性【6 1 。2 0 0 2 年，该研究室研究人员g e o f f r e yu n d e r w o o d ，d a v i d c r u n d a l l 和p e t e rc h a p m a n 通过试验研究了新驾驶人水平方向搜索广度小于熟练驾驶人 的原斟7 1 。此外，通过让被试驾驶人在实验室内观看真实交通环境中摄制的场景录像， 研究了新驾驶人与熟练驾驶人的视觉搜索特性。同年，p e t e rc h a p m a n ，g e o f f r e y 第一章绪论 u n d e r w o o d ，k a t h 撕n er o b e r t s 使用自行设计的驾驶人搜索模式训练方案研究了训练对 驾驶人视觉搜索技能的影响，研究表明训练对驾驶人的视觉搜索有显著影响【引。2 0 0 3 年，g e o f f r e yu n d e r w o o d ，p e t e rc h a p m a n ，n e i lb r o c k l e h u r s t ，j e a nu n d e r w o o d 及d a v i d c r t m d a l 使用1 9 9 8 年的试验数据，研究了新驾驶人与熟练驾驶人在乡村道路、市郊道路 以及城市双车道上行驶时的注视顺序，发现在三种不同类型道路上熟练驾驶人与新驾驶 人的注视顺序存在差异【9 】。 2 0 0 1 年法国h a u t ea l s a c e 大学m i p s m i a m 实验室的b a u j o n ，b a s s e t 和g i s s i n g e r 通 过行车试验研究了职业驾驶人和非职业驾驶人在弯道及直道上的视觉感知行为，研究发 现在两种路段两组驾驶人的行驶轨迹、视角分布及视觉预期均存在显著差异【1 0 1 。 1 9 8 0 年美国俄亥俄州立大学富兰克林研究中心的研究人员z w a h l e n h t 等人对隧 道进1 ：3 驾驶人眼睛注视特性进行了研究【1 1 1 。研究小组分别在三个不同的隧道进口应用 车载具有角膜反射技术的视频眼球运动记录系统测试了六名驾驶人( 1 9 5 9 岁) 。每名驾 驶人在正常交通状况下以至少4 5 英里时的速度往返驾驶共通过隧道进口6 次，均在右 车道行驶，通过观察记录表分析了眼睛注视时注视点坐标x y 密度图、注视持续时间、 眨眼持续时间、眼睛每次扫视的范围。 2 0 0 1 年，美国罗切斯特大学视觉学中心的h i r o y u k is h i n o d a , m a r ym h a y h o e 与 a n u r a gs h r i v a s t a v a 为了解自上而下的视觉系统作用机理，在虚拟环境中测试了驾驶人 发觉停车标志的能力【1 2 】。研究发现：标志的可见性是需要搜索的，而对交通环境中随机 出现因素的既有经验性整体认识对搜索频率产生影响。 2 0 0 4 年，英国南安普顿大学的m a r kb m c k s t o n 和b e n a t e r s o n 对研究了高速行驶时 驾驶人的眼动行为【1 3 1 。通过分析驾驶人平均注视时间及各区域注视时间所占百分比发 现，整个驾驶过程中驾驶人花费8 0 的时间观察前方道路区域，且每次视线从车辆前方 区域移走约需要0 6 5 s 。此外除被试驾驶人个体间差异外，路段因素也对平均注视时间 等变量有影响，而车流量因素对平均注视时间等变量无显著影响。 2 0 0 5 年，瑞典林克平大学的t o r b j o mf a l k m e r 和n i l sp e t e rg r e g e r s e n 等人在真实交 通环境中分别测量了2 0 名熟练驾驶人和2 0 名新驾驶人的眼动行为，以研究熟练驾驶人 和新驾驶人视觉搜索策略的差异，试验验证了其他研究人员的一些结论，即相对于熟练 驾驶人，新驾驶人的眼动行为表现出以下特征：注视点更靠近所驾驶的车辆而不是在远 方；更为频繁地注视车内物体；水平方向注视广度小；更加频繁地注视重要的交通线索； 更为频繁地注视包含潜在危险的目标【1 4 】。 4 长安大学硕士学位论文 2 0 0 5 年，瑞典沃尔沃公司的t r e n tw v i c t o r 和j o h a na e n g s t r o m 与加拿大运输学者 j o a n n el h a r b l u k 研究了视听觉负荷及驾驶作业需求等作业难度变化对驾驶人眼动行为 特性的影响【1 5 】。分析了各个作业难度下的眼动指标发现，随着视觉负荷增加及作业难度 增大，驾驶人平均注视持续时间及注视持续时间的方差随之增大，减少对前方道路中心 区域的关注，平均注视时间在弯道处明显低于平直道路。 1 3 2 国内研究现状 国内对公路隧道安全的研究目前主要集中于隧道防火、通风、照明、运营管理等方 面，对隧道交通事故规律特征虽有初步研究，但都是仅针对个别地区或某条高速公路上 的相关隧道的交通事故规律单独进行分析，样本数量以及获得的相关结论不足以较全面 反映公路隧道环境中事故的基本特征；虽然有相关道路试验进行，但主要针对道路线形 和隧道照明设计，对驾驶人特别是驾驶人视觉特征方面的研究还处于起步阶段。此外， 国内已有的对眼动行为的研究多集中在心理学、语言学、广告学及医学应用等方面，有 关驾驶人视觉特性及眼动研究在道路交通方面的应用并不多见，其中通过实车试验开展 驾驶人视觉特性的研究则更少。 西南交通大学张殿业通过研究驾驶人动态视野与行车安全可靠度建立了驾驶人动 态视野行为模式，提出驾驶人视野随车速的增大而变窄。同时分析了驾驶人视野机理与 测试方法并建立动态视野量化指标评价体系，通过室内试验分析了非事故组与事故组驾 驶人的动态视野可靠度，并指出非事故组驾驶人的可靠度远远大于事故组的可靠度【l 6 1 。 同济大学道路与交通工程教育部重点实验室潘晓东、郭雪斌和方守恩利用e m r 8 b 型眼动仪，对逆光条件下交通标志的可视距离进行了研型1 。7 1 。该实验室的杜志刚、潘晓 东、郭雪斌等人对驾驶人在隧道进、出口路段瞳孔变化进行行车实验和分析，发现在隧 道内距进、出口5 0 m 范围内驾驶人瞳孔面积与隧道进、出口路段的照度成幂函数关系。 同时针对明暗适应中的视觉震荡现象，通过换算将视觉震荡持续时间作为驾驶人视觉舒 适度评价指标，对隧道进、出口路段驾驶人的视觉负荷及行车安全进行了评价【l 引。 湖南大学洪亮基于驾驶人视觉特性对山区高速公路长大纵坡线形指标进行了研究， 通过试车试验，选取视觉轨迹、瞳孑l 面积变化率、眼闪次数与注视次数比三个指标，分 析了陡坡、缓坡及平曲线半径对驾驶人视觉特性的影响1 1 9 】。 内蒙古农业大学刘洋以人体生理指标为基础，分析了隧道光环境对驾驶人心理、生 理反应的影响，通过实驾试验和室内模拟实验分别研究短隧道和长隧道中光环境对驾驶 5 第一章绪论 人的影响，确定影响因素并建立生理信号测试指标与影响因素间的线性回归模型，结合 主观调查分析验证实验方法的可靠性，对今后长隧道照明工程的优化设计提出建议【2 0 】。 长安大学杜坤提出驾驶人行为强化与降低期望模式：驾驶人形成初步行为并对该行 为进行一致性循环判断，初步行为与期望不一致时心理期望值降低并对行为进行修正， 直到修正行为与期望一致，该行为被强化；最后运用心理学方法分析隧道环境对驾驶人 心理的影响，并提出了隧道环境优化的思路【2 。 长安大学郭海龙通过行车试验测量了驾驶人在不同路肩宽度的山区高速公路行驶 时的眼动行为及心理紧张度，对路肩宽度与驾驶人视觉行为及心理紧张度间的关系进行 了分析并建立驾驶人行车紧张度模型，并给出山区高速公路路肩合理宽度的推荐值【2 2 】。 长安大学方鼎对驾驶人动态视觉特性进行研究，对影响驾驶人动态视觉特性的因素 及驾驶人操作行为模式进行分析，并通过行车试验定性分析了影响驾驶人动态视觉特性 的各种因素【硎。 长安大学袁伟通过试验场的模拟试验，研究了通道宽度、运行速度和交通标志字高 三个典型城市交通环境特征，对各特征条件下驾驶人动态视觉变化规律进行分析；进行 了城市道路环境行车试验，分析了城市道路交通环境中驾驶人眼动特征及其规律；发现 驾驶人注视持续时间、垂直方向搜索广度、扫视幅度和扫视速度等四个参数显著受熟练 程度的影响；运用马尔可夫链理论得到驾驶人视觉行为在各区域间的一步转移概率矩阵 和平稳分布；提出运用模糊理论分类和识别驾驶人视觉搜索模式的方法【2 4 1 。 长安大学郭应时通过城市道路、普通公路、山区公路、城乡结合道路四种典型交通 环境中的驾驶试验，分析了不同交通环境中熟练与非熟练驾驶人群体对各类目标注视频 次及不同区域注视点分布的差异；将驾驶人视野平面应用动态聚类方法划分为6 个注视 区域，运用马尔可夫链理论研究了驾驶人的注视转移模式；分析驾驶人工作负荷受交通 环境和熟练程度的影响及眼动行为与工作负荷间的相关性；建立了两种驾驶熟练程度评 价模型并分析各指标对驾驶熟练程度的影响度。研究表明，不同交通环境和驾驶经验均 对驾驶人眼动行为和工作负荷产生显著影响【2 5 1 。 长安大学何操分析了隧道路段环境、交通、事故特征以及驾驶人动态视觉特性和心 电特征，通过实车眼动试验，得到驾驶人在短隧道、隧道群及特长隧道等路段的瞳孔面 积变化规律，将驾驶人注视点通过快速聚类法划分为五个兴趣区域并分析了驾驶人在兴 趣区域内的注视特性【2 6 j 。 长安大学韩飒利用眼动仪记录驾驶人行车试验的眼动数据，分析了驾驶人在短隧 6 长安大学硕士学位论文 道、隧道群、特长隧道等路段的眼动规律，将驾驶人注视点运用快速聚类法划分为五个 感兴趣区域并确定各区域的主要注视目标。研究表明驾驶人在四种道路环境下都以注视 为主，扫视为辅且以慢速扫视为主；驾驶人注视时间百分比、平均注视时间、平均扫视 速度及对各个感兴趣区域的平均注视时间差异均不显著口7 1 。 1 4 主要研究内容及技术路线 1 4 1 研究内容 本文从收集、整理我国大量公路隧道交通事故案例入手，分析公路隧道交通事故特 征及规律；开展真实交通条件下实车试验，利用眼球运动检测仪记录驾驶人隧道环境中 动态视觉变化数据，跟踪驾驶过程；通过对隧道不同路段驾驶人视觉参数的对比分析寻 找特征和差异，探究公路隧道路段驾驶人眼动特性。本研究围绕以下几个问题进行展开： ( 1 ) 收集汇总近几年国内发生的公路隧道交通事故，分析事故的时空分布、形态 分布、车型分布等特征，寻找事故原因，探究事故规律，为后续研究及事故防治提供理 论支持； ( 2 ) 隧道交通环境中驾驶人视野能否按照注视目标划分成不同区域，应如何划分； ( 3 ) 隧道交通环境中驾驶人的注视点在隧道进、出口路段的变化规律； ( 4 ) 隧道进口段、隧道内及出口段驾驶人眼动特征指标变化规律。 1 4 2 技术路线 ( 1 ) 调查、收集并分析国内公路隧道路段交通事故数据，研究事故时间、空间、 形态及事故车型分布等特征，结合人、车辆、隧道环境等因素分析事故机理； ( 2 ) 系统分析公路隧道行车环境对驾驶人的影响，以眼注视时间、注视次数、扫 视幅度、扫视速度为驾驶人视觉特征指标，进行实车道路试验并采集以上数据； ( 3 ) 对道路实车试验所获大量眼动数据进行处理和分析； ( 4 ) 以试验数据为基础，研究得到公路隧道环境中驾驶人眼动变化规律； 技术路线如图1 5 所示。 7 第一章绪论 图1 2 论文技术路线图 8 长安大学硕士学位论文 第二章公路隧道环境中交通事故特征 公路建设事业的快速发展，在为经济、社会发展起到促进作用的同时，由此引发的 交通安全问题也日益突出，特别是在山区公路隧道环境中，事故发生较多，且后果和损 失惨重，加之受隧道环境限制，造成营救和救援困难，更加重了事故后果。由于公路隧 道环境的特殊性，车辆在受到多方条件限制的环境中运行，驾驶人对外界刺激的适应与 一般道路完全不同。分析公路隧道特定环境中交通事故的基本特征，可研究影响隧道行 驶安全的因素，对改善隧道运营环境具有重要作用。目前，虽有一些学者对隧道交通事 故成因进行了相关研究【2 8 。3 2 】，但都仅限于某一条高速公路上或某一地区的相关隧道事故 而分析，样本数量以及获得的相关结论均不足以较全面反映隧道环境中交通事故的基本 特征和规律。本章力图通过深入调查和分析，对国内2 6 2 起典型隧道环境中发生的车辆 交通事故进行系统归纳和总结，以获得公路隧道环境中交通事故的基本特征与原因，为 科学改善公路隧道环境车辆运行条件提供理论依据。 2 1 隧道交通事故时间分布 交通事故的时间分布是指事故随时间而变化的统计特征。研究交通事故时间分布规 律，可以根据交通事故的时间分布特点，找出事故发生的时间特征，以进行有效的控制 和管理，减少事故发生，改善交通状况【3 3 1 。公路隧道环境中交通事故时间分布特征可通 过事故发生的月份、小时分布特征反映。 2 1 1 事故月份分布 研究隧道交通事故月份分布，在于有针对性地对不同的月份制定相应隧道交通安全 对策，提高隧道运营安全水平。2 6 2 起交通事故的月份分布如图2 1 所示，从图中可以 看出，各个月份的事故次数相差较大，以7 月份事故数最高，其次为1 、2 、4 、5 月份， 1 0 月份最少，1 月份至3 月份事故数呈明显下降趋势。 2 1 2 事故时分布 受气候、环境、生活规律等因素的影响，隧道交通事故的逐时分布在不同时段有明 显的差别，图2 2 所示为事故的逐时分布。事故时间分布在一天中明显地呈现3 个高峰 时段：5 6 时、9 - 1 1 时、1 3 - 1 5 时。其原因主要在于：凌晨5 - 6 时光线暗淡、交通 环境不良，这也是驾驶人最疲劳的时刻，容易诱发交通事故；在1 3 1 5 时段，驾驶人 9 第二章公路隧道环境中交通事故特征 生理机能下降，而且此时是一天中光照最强的时段，隧道内外环境照度差异甚大，驾驶 人对隧道出进口明暗的适应能力变差，也极易引发交通事故；而在1 5 1 8 时段，隧道 交通事故数呈明显下降，这与黄昏时段光照变弱，隧道内外亮度差异减小，驾驶人对进 出隧道明暗变化的适应能力增强有关。 1：34 567891 01 11 2 j j 份 图2 1 隧道交通事故月份分布 2 2 隧道交通事故空间分布 2 2 1 不同地区事故分布 h jn 段h 图2 2 隧道交通事故逐时分布 2 6 2 起隧道交通事故分布的地区如表2 1 所示，可以看出，5 6 9 的事故分布在东南 地区，其次为西北、西南地区。绝大多数事故分布在东南、西南、西北等丘陵、山区地 带，这与上述地区多山地、丘陵的地形特点是密不可分的。此外西北地区的冰雪、东南 及西南地区多降水的天气特点对事故的发生也有很大影响。 表2 1 事故隧道的地区分布 地区分布东南地区西南地区西北地区 北方地区其他地区 百分比 5 6 9 1 3 4 1 3 7 8 8 7 2 2 2 2 隧道不同区段事故分布 根据对隧道照明段的设置规定，一般将隧道分为进口段、过渡段、中间断、过渡段 及出口段【3 4 1 。本文结合公路隧道的环境特征，同时为便于统计分析，将隧道进、出1 ：3 向 内、向外各取2 0 0 m 路段划为进口段和出口段，而过渡段为进、出口段向内取2 0 0 m ， 剩余路段为中间段，而对于中、短隧道，则结合事故具体情况进行分析。 按照上述划分标准，将所统计交通事故按照发生空间位置统计结果如图2 3 所示。 1 0 m拈监蛎m 0 0 嚣瀑晕jfi 长安大学硕士学位论文 3 5 3 0 萋2 5 鑫2 0 1 5 l o 5 o 进口段 过渡段 中同段 出口段 图2 3 隧道交通事故空间分布 由图2 3 可以看出，隧道进、出口段交通事故分布最多，分别占事故总数的3 1 7 和2 8 6 ，中间段与过渡段相差不大，分别为2 0 2 和1 9 5 。隧道内外的亮度差造成 驾驶人暗适应是进、出口处交通事故多发的主要原因。在白天，隧道洞口外照度可达上 万勒克斯，而进入隧道后的1 0 0 - 2 0 0 m 照度只有几十勒克斯，有些隧道的照度更低。进 入隧道的瞬间形成所谓“黑洞效应 ，使驾驶人产生视觉障碍；当驶近出口时，洞外高 亮度景物会在驾驶人眼中形成一个明亮的“白洞 ，也影响驾驶人的驾驶行为。而在夜 间，出口则看到的是一个黑洞，使驾驶人看不清出口处道路的线形及路上障碍物，同样 也危及行车安全【3 5 1 。 2 2 3 隧道进、出口路段事故分布 由于明暗适应对驾驶人的影响，隧道进、出口路段成为交通事故高发路段。在进一 步统计分析中发现，交通事故在进、出口路段的分布上有较大差异。隧道进口段洞内事 故数多于洞外事故，洞内2 0 0 m 至洞外l o o m 路段事故分布比较集中，具体分布如图2 4 所示；出口段则恰恰相反，隧道洞外事故数多于洞内事故，事故集中分布于洞外2 0 0 m 至洞内l o o m 路段，如图2 5 示。由此可见，隧道进、出口内外2 0 0 m 是事故高发路段。 除隧道内、外亮度差异原因外，隧道内外路面构造的不同，对交通事故也有重要影响， 尤其是天气变化使隧道进、出口路面附着系数的较大变化时。 图2 4 进口段交通事故分布 2 5 ：o 塞1 5 = 奎- - w 1 0 5 0 3 0 0 2 0 01 0 0 外艇逆ii 内1 0 02 0 0 3 0 0 图2 5 出口段交通事故分布 圈豳 第二章公路隧道环境中交通事故特征 2 2 4 隧道长度与交通事故 对发生交通事故的隧道按长度特征进行分类统计，不同长度类型隧道中的事故分布 如表2 2 所示。从表中可以看出，交通事故数分布与隧道长度有明显关系，与中、短隧 道相比，长隧道、特长隧道更容易发生交通事故。长隧道和特长隧道易发生事故与隧道 环境对驾驶人的生理和心理影响有较大的关系，疲劳、光照度低、环境单调以及空气质 量的下降都有影响，这方面的相关机理有待进行更进一步的研究。 表2 2 事故在不同长度隧道中的分布 短隧道中隧道长隧道特长隧道 隧道数 4 02 95 82 0 事故数 5 55 21 1 14 4 2 3 隧道交通事故形态分布 交通事故的形态分布是指在某一区域的道路交通系统上或某一条具体道路上，正 面、侧面和追尾相撞、碰撞固定物、同向和对向挂擦、碾压、翻车、失火等事故现象的 构成情况。 图2 6 所示为隧道交通事故的形态分布。公路隧道交通事故的形态主要以追尾、火 灾、侧翻、正面碰撞、碰撞隧道壁、翻坠事故为主，其中追尾事故最多，占总数的4 3 ， 其中连环追尾占追尾事故的2 9 5 。在追尾事故中，又以轿车( 小型车) 与货车追尾和 货车与货车追尾为主，分别占追尾事故总数的3 0 3 和2 6 2 。追尾事故伤亡后果严重， 在调查统计的2 6 2 起总事故中，其中1 2 2 起追尾事故共造成5 1 8 人受伤、1 1 1 人死亡， 分别占事故次数、伤、亡人数的4 6 6 、5 8 5 和4 5 3 。 图2 6 隧道交通事故形态分布 因为在隧道交通事故中，由于隧道环境的特殊性，火灾事故损失尤为突出，一旦发 1 2 长安大学硕士学位论文 生火灾，扑救困难，容易造成重大人员伤亡和财产损失，故本文把火灾事故列入隧道交 通事故进行统计。在2 6 2 起事故中，有5 l 起火灾事故，其中因发动机自燃2 8 起，占 5 4 ；轮胎起火、碰撞起火分别占1 4 和1 2 ；因车辆线路故障、货物自燃引发火灾各 占1 0 。在这些事故中，经进一步统计分析，所有事故与车辆本身有关的高达7 8 ， 可见车辆自身技术状况差是造成火灾事故的主要因素。 2 4 隧道交通事故车型分布 隧道交通事故车辆类型以大货车和轿车为主。在事故车辆中大货车占3 9 8 ，轿车 占2 7 ，客车占1 8 9 ，小货车8 8 。在所统计的2 6 2 起事故中，有1 6 6 起事故涉及 大货车，占事故总数的6 3 4 ，可见大部分事故与大货车有关系。统计分析表明，大客 车与中巴车在事故车型中所占比例虽然不高，但造成的死亡、受伤人数却分别占到 5 2 7 和6 2 2 ，这表明营运客车一旦发生事故，将会造成严重人员伤亡。隧道事故的 车型分布如图2 7 所示。 通过对2 6 2 起事故涉及车辆数统计发现，单车事故在隧道交通事故中所占比例最 大，为4 1 3 ，其次为两车或多车事故，如图2 8 所示。通过分析发现隧道内发生的单 车事故如得不到不及时、正确处置，往往引发后续车辆连环相撞事故，造成二次事故。 统计的事故中共发生二次事故1 1 起，造成1 8 人死亡，6 3 人受伤，这类事故后果严重。 芝 碍 众 舡 一_ _ _ 一萎 2 5 公路隧道交通事故原因分析 图2 8 事故涉及车辆数分布统计 隧道交通事故是在一个特定的交通环境中，由人、车、路( 隧道) 、环境诸因素配 合失调而发生的，因此分析交通事故的成因最主要就是分析人、车、路( 隧道) 、环境 等因素对事故形成的影响。2 6 2 起隧道交通事故统计分析表明，直接因人引发的交通事 故占总数的5 6 ，因车辆引发的交通事故占2 3 4 ，天气因素占1 2 3 ，其他因素占8 3 。 i辑 坫辐拍加临m；or_j；，；1，111；1-l 拈蚰惦弱临m 5 o 第二章公路隧道环境中交通事故特征 道路( 隧道) 与环境因素对事故的影响在统计中的表现不明显，这是因为道路( 隧道) 与环境对事故的影响主要是通过人与车辆因素作用表现出来。隧道交通事故主要原因统 计结果如图2 9 所示。 3 5 3 0 孚2 5 糌2 0 求 妞1 5 1 0 5 0 黝冒围 弗w9w 图2 9 隧道交通事故原因分布 2 5 1 人的因素 人的因素主要是指驾驶人的因素，在事故中的直接表现为超速、超车、急刹车、随 意停车、超载、疲劳驾驶等违章操作驾驶行为。通过对事故分析发现，超速是造成交通 事故的罪魁祸首，占2 5 8 ，超车、急刹车、随意停车、超载及疲劳驾驶等违章行为在 事故中占很大比例，为2 7 2 。驾驶人交通法规意识淡薄、素质相对偏低、缺乏对公路 隧道行车安全知识的了解是造成违章驾驶行为严重的主要原因。此外，由于驾驶人疏于 对车辆的定期检查与日常维护，造成车辆技术状况下降，也为事故埋下隐患。 2 5 2 车辆因素 车辆作为现代道路交通中的最主要的运载工具，其性能好坏对道路交通安全产生直 接影响。在隧道交通事故原因分布中车辆因素所占比例高达2 3 4 ，这其中主要有制动 故障、爆胎、发动机自燃等因素。除超载、超速、日常检修维护工作不到位等原因外， 这与车辆性能有很大关系。目前，国产车辆的技术性能虽然有很大提高，但在制动性、 动力性、可靠性等方面还不能很好地满足高速公路行驶的要求。 2 5 3 隧道环境因素 隧道环境因素本身直接导致的交通事故所占比例虽然并不高，但隧道特殊的环境和 道路条件是导致交通事故的重要因素，这些因素大部分都是通过作用于驾驶人和车辆， 由车辆运行状态表现出来，促使或加剧这两种因素对交通安全的影响。隧道洞口两端道 路的平面、纵断面线形与隧道内洞口的平面、纵断面线形组合不尽合理、隧道洞内外亮 1 4 长安大学硕士学位论文 度的巨大差异、隧道内的特殊环境、空气及噪声污染等都可能导致驾驶人行为发生变化， 这是隧道交通事故与一般道路交通事故区别的基本原因。同时，由于隧道环境对驾驶人 的生理、心理作用对交通事故的发生有重要影响，有必要开展针对隧道环境对驾驶人生 理、心理影响的相关试验研究。 2 6 小结 本章通过对2 6 2 起公路隧道交通事故的分析，得到隧道环境中交通事故的基本分布 规律： ( 1 ) 公路隧道交通事故分布在一天中呈现3 个高峰时段，分别为5 - 6 时、9 1 1 时、1 3 1 5 时。 ( 2 ) 隧道进、出口段是事故高发路段，在进口路段洞内事故多于洞外事故，洞内 2 0 0 m 至洞外l o o m 路段事故分布比较集中，在出口路段洞外事故多于洞内事故，事故 集中分布于洞外2 0 0 m 至洞内l o o m 路段。 ( 3 ) 追尾、火灾、碰撞隧道壁是事故主要类型；超速、超车及超载等违章驾驶行 为是事故的主要原因，天气和车辆自身技术状况对事故有重要影响；大货车、轿车是事 故主要车型。 ( 4 ) 隧道长度与交通事故的发生有一定关系，长隧道和特长隧道中的事故数相对 较高。 本章得到的隧道交通事故空间分布规律，为减少隧道交通事故、提高行车安全提供 理论依据，同时也为后续试验研究提供了依据。 第三章公路隧道试验及数据处理 第三章公路隧道试验及数据处理 通过上一章对隧道交通事故相关特征的分析发现事故的时间、空间等分布规律呈现 显著特征，为进一步探索事故的发生机理有必要开展隧道路段的试验研究。驾驶人在不 同道路环境行车时，其心理、生理会随交通环境、道路线形、车速及交通流等的变化而 变化。对变化的定性描述虽然有相关研究结论，但存在难以量化的问题。为定量研究驾 驶人在公路隧道环境行车的视觉特征变化情况，进行了隧道环境路段的实车道路试验。 3 1 试验设计 3 1 1 试验方案 1 ) 试验目的通过公路隧道实车试验，采集隧道各路段驾驶人视觉特征指标数据， 探究其眼动规律。 2 ) 试验原理驾驶人在隧道进口段、隧道内部及出口段行车时，视觉特征会产生 有别于普通道路上的反应。使用眼动仪等仪器，可检测并记录驾驶人行车时的视觉指标 数据，从而分析获得驾驶人眼动规律。 3 1 2 试验条件 ( 1 ) 试验仪器与车辆 1 动态视觉测试仪，试验采用加拿大s rr e s e a r c h 公司生产的e y el i n k i i 型眼动仪。 其头盔装置按照工效学原理进行设计，轻便耐用，头部自由，和大多数眼睛或隐形眼镜 兼容，易于设置、校正和确认。可以高速记录双眼位置，具有优越的空间解析度 ( 0 0 0 5 0 ) 、低噪音( o 0 1 0 i 洲s ) 、准确度高( 平均注视位置误差 0 5 0 ) 等优点。 2 试验车辆为江铃全顺( 福特) j x 6 5 4 1 b h ，实际坐位1 5 座，试验时载人1 1 人。 ( 2 ) 试验路段 试验路段选取包( 头) 一茂( 名) 高速公路陕西境