摘要
基于云南省板仑隧道洞口景观设计方案,选取洞门线型、洞门颜色、洞口绿化及洞门肌理4个主要影响因素,采用正交试验设计方法,建立9种模型方案。利用自主研发的驾驶模拟试验系统及眼动仪设备开展驾驶模拟试验,选取瞳孔直径和视线偏离时间作为评价指标。结果表明:4个因素对行车舒适性及安全性的影响排序为洞门肌理>洞口绿化>洞门颜色>洞门线型;模型5(绿色端墙、壁画装饰、城墙式、洞口一般绿化)和模型9(灰色端墙、壁画装饰、曲线型、洞口精致绿化)的景观设计方案出现了驾驶分心现象,存在驾驶安全隐患。基于试验结果,从美学角度对隧道洞口景观设计提出了优化建议。
随着物质文化水平的提高,人们对各类人工构筑物的要求不仅满足于结构安全,还对其景观舒适性愈发重视。隧道洞口作为一种特殊结构的建筑物,是隧道工程外露的脸面和窗口,其景观设计对通行者的视觉感受和驾驶体验有直接的影响。恰到好处的洞口景观设计一方面可以给驾乘人员带来美的享受,放松身心;另一方面也可作为文化的载体以及环境中的象征符号,展示地方文化,体现时代精神。因此,隧道洞口景观设计广受国内外关注。
关于隧道洞口景观,国内外相关学者已开展了大量研究。贾玲利
总体而言,国内外对隧道洞口景观的研究越来越多,但在景观评价中很少将景观与驾驶人的动态视觉特征联系起来,忽视景观带给驾驶人的感受,并且评价样本以图片为主,缺乏真实体验感和空间层次感;隧道洞口段行车安全方面的研究,主要集中在洞口亮度对行车安全的影响,关于隧道洞口景观是否会分散驾驶人注意力,影响驾驶舒适性及行车安全性方面的研究相对较少。因此,依托板仑隧道洞口景观设计方案,通过改变洞门线型、洞门颜色、洞口绿化和洞门肌理设计,利用驾驶模拟试验及ETG(eye tracking glasses)眼动仪设备来评价隧道洞口景观对驾驶人驾驶舒适性和安全性的影响,并对隧道洞口景观设计中发挥空间较大的影响因子进行分析。
板仑隧道坐落于云南省富宁县,隧道全长 1 977.5 m。隧道穿越地段属于中国地势的第二阶梯,植株整体呈丛生状,外貌不整齐,岩石出露,次生特征明显。板仑隧道进口洞门为端墙式洞门,端墙长59.85 m、高13.25 m,洞门进口宽11.00 m、高8.55 m。
公路隧道洞口属于交通敏感地段,其景观设计要保证驾驶过程的舒适性及安全性,不能过于华丽而分散驾驶人注意力,影响行车安全。本试验以板仑隧道洞口景观设计为基础(见

图1 板仑隧道洞门景观设计(单位:cm)
Fig.1 Portal landscape design of Ban-lun Tunnel (unit: cm)
本试验基于L9(

图2 9种模型方案效果
Fig.2 Renderings of nine model schemes
在行车过程中,驾驶人有80%的信息靠视觉获得。通过瞳孔在视网膜成像,随后身体机能对信息做出反馈。众多研究表明,瞳孔是衡量人体生理和心理负荷的灵敏指
采用自主研发的隧道洞口景观环境仿真驾驶模拟系统(见

图3 驾驶模拟系统
Fig.3 Driving simulation system
利用德国制造的ETG眼动仪采集眼动数据,如

图4 眼动仪
Fig.4 Eye tracker
选择10名具有3年以上驾龄的驾驶人,要求驾驶技术娴熟,并且有良好的驾驶习惯,视觉机能正常,无心理与生理缺陷和重大交通安全事故经历。
正式试验前要求驾驶人在指定场景下驾驶20 min以上,以熟悉驾驶模拟设备的操作,如

图5 试验者熟悉训练
Fig.5 Familiarity training of participants
熟悉训练完成后,进行眼动仪的标定,标定方式采用三点标定法,并通过第四点进行校验。标定合格方可进行正式试验,若不合格则重新标定,直至满足要求。标定过程如

图6 试验者标定过程
Fig.6 Calibration process of participants
为避免过多的试验要求对驾驶人造成驾驶干扰,驾驶人按照自身习惯根据车况和道路环境自由控制车速,依次通过9个隧道模型,并进行正反2次试验。驶过每个隧道后,试验者需休息10 min以重新建立测试开始的心理、物理条件,重新标定,直至完成所有模拟试验。试验过程如

图7 试验过程
Fig.7 Test process
试验结束后,利用分析软件BeGaze导出相关眼动数据,并提取每个注视事件的平均瞳孔直径。试验数据表明,驾驶人瞳孔直径变化规律近似相同,进入隧道洞口前瞳孔直径迅速增大。

图8 部分驾驶人瞳孔直径变化曲线
Fig.8 Curve of pupil diameter for several participants
由于驾驶人的瞳孔直径变化趋势相同,因此将BeGaze软件所提取的注视事件瞳孔直径平均值作为当前试验模型的驾驶人瞳孔直径,再取所有驾驶人的瞳孔直径平均值作为最终9个设计方案对应的瞳孔直径,如
假定A(洞门线型)、B(洞门颜色)、C(洞口绿化)、D(洞门肌理)4个因子间没有相互作用。设因子A在3个水平上的效应分别为aⅠ、aⅡ、aⅢ,则因子B、C和D这3个因子的水平效应分别为bⅠ、bⅡ、bⅢ,cⅠ、cⅡ、cⅢ,dⅠ、dⅡ、dⅢ。数学评价模型如下所示:
式中:为模型评分值;为独立同分布正态变量,分布为;为母体均值。对母体做如下基本假设:
若假设H01成立,则代表洞门线型对隧道洞口景观舒适性无显著影响,反之有显著影响;同理,若假设H02、H03、H04成立,则代表洞门颜色、洞口绿化、洞门肌理对隧道洞口景观舒适性无显著影响,反之则有显著影
利用极差计算方法可以计算出每一个影响因子在3个水平下驾驶人瞳孔直径的极差,极差越大,表示该因子对隧道洞口景观舒适性的影响越大。极差计算式如下所示:
(1) |
式中:为第j个影响因子的极差;为第j个因子水平为i的平均瞳孔直径。
计算因子A(洞门线型)在3个水平下驾驶人瞳孔直径平均值,计算式如下所示:
由
(2) |
同理可得其他3个因子驾驶人瞳孔直径的极差值,如下所示:
(3) |
隧道洞口景观洞门线型、洞门颜色、洞口绿化、洞门肌理4个因子3个水平下驾驶人瞳孔直径极差分析如

图9 各因子3个水平下瞳孔直径极差分析
Fig.9 Analysis of pupil diameter range at three levels of each factor
(1)由
(2)隧道洞门线型方面,以曲线型最为舒适。城墙式相比直线型,对行车舒适性并未产生显著影响。
(3)隧道洞门颜色方面,以绿色洞门最为舒适。由于整体洞口景观环境采用绿色为主体的大背景,因此隧道洞门颜色选取时需考虑周围环境因素,因地制宜,与周围环境相协调。
(4)洞口绿化方面,采用精致绿化的洞口最为舒适,因此隧道洞口景观设计时应注重绿化环境的设计,采用不同色相、季相植物相互搭配。
(5)隧道洞门肌理方面,采用壁画装饰最为舒适,但采用华丽的壁画装饰有可能分散驾驶人注意力,影响行车安全。简单的横竖条纹处理相比无肌理壁面,行车舒适性有较大提升,因此在隧道洞门肌理选择时,应优先考虑简单横竖条纹处理方式。
试验结束后,利用BeGaze软件对试验过程中的眼动视频进行分析,观察并记录试验者眼睛每次注视的位置、时间以及视线扫描路径等信息,如

图10 眼动仪数据分析过程
Fig.10 Analytical process of data from eye tracker
根据文献[

图11 9种方案试验者视线偏移道路统计(单位:s)
Fig.11 Summary of line deviation of participants’ sight for nine models(unit: s)
由
从视频回放及驾驶人视线偏移道路的位置来看,方案5试验者产生分心的主要原因是观看洞门墙面壁画——郑和下西洋(见

图12 方案5试验者视线偏移道路
Fig.12 Line deviation of participants’ sight for scheme 5
另外,方案9试验者产生分心的主要原因是关注洞门上方曲线和注视壁画装饰(见

图13 方案9试验者视线偏移道路
Fig.13 Line deviation of participants’sight for scheme 9
方案1、方案6和方案8的隧道洞口中央分隔带绿化装饰比较精致,但这3个模型下驾驶人出现视线偏离道路的情况较少,并且没有出现驾驶人分心的现象;方案5和方案9采用简单的绿化装饰,却出现不同程度的驾驶分心情况,这表明隧道洞口前设置绿化装饰带一般不会过分吸引驾驶人,造成驾驶分心。因此,在景观设计中要合理设置绿化装饰来美化隧道洞口。
鉴于上述对隧道洞口景观设计的研究,板仑隧道进口洞门景观设计最终选择试验方案1:洞门线型选择直线型,洞门墙体颜色采用蓝色,洞门肌理选择壁画装饰,洞口绿化采用精致绿化,如

图14 板仑隧道
Fig.14 Ban-lun Tunnel
仅考虑洞门线型,该洞门试验方案采用的直线型美景度不如曲线型,但通过洞门景观设计总体评价可以看出,该方案下行车安全且舒适性较好。因此,隧道洞口景观设计不能仅基于单一因子确定,应根据现场环境,考虑因子之间的交互作用和影响。
(1)采用驾驶模拟试验和眼动仪设备,记录驾驶人行车过程中的视觉信息眼动指标,进行隧道洞口景观舒适性及安全性评价。
(2)端墙式隧道洞口景观舒适性影响因素排序为洞门肌理>洞口绿化>洞门颜色>洞门线型;方案5和方案9中部分试验者视线偏离道路持续时间超过了2 s,出现了驾驶分心情况,表明设计方案不安全。
(3)隧道洞门壁面采用大面积混凝土时,首选简单横竖条纹肌理,洞门肌理色彩与洞门色彩差异不宜过大,并尽量避免出现“万绿丛中一点红”的现象。
(4)隧道洞口若采用曲线型洞门或奇特线型洞门时,隧道洞口景观其他部分设计应力求简单,避免过多特殊元素叠加。
(5)隧道洞口景观绿化装饰一般不存在过分吸引驾驶人注意力,进而造成驾驶分心的情况,故景观设计时可以重点关注,通过合理设置绿化装饰来美化隧道洞口景观。
作者贡献声明
叶 飞:提出了研究方法和研究思路,指导论文撰写。
应凯臣:具体方案的制定,模型构建,论文撰写等。
苏恩杰:负责驾驶模拟试验实施,数据采集。
魏艳春:初稿的审阅和修改,负责数据整理和分析。
梁晓明:试验结果可视化处理。
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