慕 慧，楊少偉，趙一飛，潘兵宏

(長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

公路隧道作為路段的特殊構(gòu)造物，其長管形狀空間及其封閉性造成了洞內(nèi)空氣污染嚴(yán)重、洞內(nèi)外亮度差異懸殊、環(huán)境照度低、噪聲污染大、交通空間受限和火災(zāi)難于消防等一系列嚴(yán)重影響交通安全運(yùn)行的問題，形成公路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的瓶頸路段，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在隧道內(nèi)發(fā)生事故的比率為每1×109veh·km發(fā)生0.5起。隧道交通事故發(fā)生的地點(diǎn)主要集中在長大隧道進(jìn)出口200～400 m的路段范圍內(nèi)以及特長隧道的中部。主要原因在于公路隧道進(jìn)出口亮度的急劇變化，極大地增加了駕駛員視覺心理生理負(fù)荷，并誘發(fā)不良駕駛行為;隧道內(nèi)光線差、空間狹窄等特點(diǎn)的存在，使駕駛員產(chǎn)生壓抑心理，并產(chǎn)生急于離開隧道的心理，因此超速行駛，在隧道事故中，車速過快達(dá)誘發(fā)事故原因的28%。筆者利用EMR－8B眼動(dòng)儀系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，定量分析了隧道進(jìn)出口駕駛員的動(dòng)態(tài)視覺特性與車輛行駛速度的關(guān)系，并用于基于視覺適應(yīng)的隧道限速值的確定。

1 隧道對(duì)駕駛員視覺、心理的影響

車輛在白天行車進(jìn)入隧道時(shí)，由于隧道內(nèi)外亮度差別比較大，駕駛員對(duì)光線的突變在短時(shí)間內(nèi)很難適應(yīng)，這個(gè)過程為光線暗適應(yīng)(人從光亮的地方進(jìn)入黑暗的地方時(shí)，開始視覺感受性很低，然后又逐漸提高，恢復(fù)了在暗處的視力的過程這個(gè)過程叫暗適應(yīng))，暗適應(yīng)造成人眼和心理的不適應(yīng)。道路上的光線強(qiáng)度與隧道內(nèi)的光線強(qiáng)度差異越大，適應(yīng)過程中的視覺障礙越嚴(yán)重。當(dāng)汽車運(yùn)行在明暗急劇變化的道路上時(shí)，由于視覺感受性不能立即適應(yīng)，容易發(fā)生視覺障礙，危及行車安全。在這種情況下，一般駕駛員會(huì)不經(jīng)意的采取強(qiáng)制性減速措施－緊急制動(dòng)，緊急制動(dòng)會(huì)引發(fā)車輛甩尾和側(cè)翻。盡管隧道內(nèi)設(shè)置了照明裝置，但總不能完全解決隧道內(nèi)外光線明暗差異現(xiàn)象，因此，車輛低速行駛進(jìn)入隧道能緩解暗適應(yīng)帶來的事故影響。

2 隧道限速段長度的確定

2.1 車輛穿越隧道時(shí)的速度變化情況

由于隧道內(nèi)特殊的行車環(huán)境，車輛從快要進(jìn)入隧道到駛出隧道，車輛的行駛速度都在不斷的變化，大致可分為3個(gè)階段:隧道前調(diào)整期、隧道中適應(yīng)期和隧道末調(diào)整期，這一過程可以由圖1粗略的表示［1］:

圖1 隧道地點(diǎn)車速空間變化圖Fig.1 Vehicle speed change chart at tunnel place

從圖1中可以看出車輛在進(jìn)入隧道前由于當(dāng)駕駛員對(duì)隧道產(chǎn)生緊張和警惕將減速行駛。進(jìn)入隧道后，由于在隧道入口段車輛已經(jīng)完成了對(duì)隧道內(nèi)部適應(yīng)性的調(diào)整，隨著對(duì)隧道內(nèi)部環(huán)境的逐漸適應(yīng)，駕駛員會(huì)逐漸提高行駛速度，根據(jù)實(shí)際調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)車輛在適應(yīng)隧道環(huán)境以后將速度逐漸提高至期望速度，然后以該期望速度行駛一段距離直至進(jìn)入隧道末調(diào)整階段。隨著車輛即將駛出隧道，面臨隧道內(nèi)外環(huán)境的轉(zhuǎn)換，對(duì)于速度較高的小型車輛來說，這時(shí)車輛速度的上升幅度將減小，其運(yùn)行速度將會(huì)出現(xiàn)一定的降低。大貨車因在隧道內(nèi)速度較低，隧道出口時(shí)速度變化不大。

2.2 隧道限速段長度的確定

根據(jù)上述分析，在進(jìn)入隧道前車輛速度調(diào)整過程需要一定的距離，考慮小客車速度較高，出于安全考慮將該段距離長度取25 s的運(yùn)行速度行程L25;在隧道出口路段由于駕駛員同樣需要有一個(gè)速度調(diào)整過程，該調(diào)整距通常比進(jìn)入隧道入口前的調(diào)整距離要小一些，故出于安全考慮將該距離取與進(jìn)入隧道前調(diào)整期距離相同，仍取25 s的運(yùn)行速度行程L25。故公路隧道限速段包括隧道前后25 s行程范圍段。

3 隧道限速值的確定

3.1 瞳孔面積變化與行車安全分析

駕駛員在行車過程中，80% ～90%的信息依靠瞳孔由外界獲得，對(duì)于駕駛員而言，瞳孔大小變化能很好地表述視覺負(fù)荷程度。隧道進(jìn)出口照度急劇變化，使得駕駛員瞳孔面積變化速率迅速增加。當(dāng)瞳孔面積變化速率過大，超出駕駛員視覺適應(yīng)能力時(shí)，將使得瞳孔難于準(zhǔn)確聚焦以使視網(wǎng)膜上成像清晰，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的視覺障礙，甚至出現(xiàn)不能分辨出道路的情況［2］。

取隧道進(jìn)出口路面照度為E，單位為lx，駕駛員瞳孔面積為S，單位為mm2。研究表明，公路隧道進(jìn)出口log(ES)與logE呈線性關(guān)系(顯著性水平為0.0001):

其中:a，b均為常數(shù)，因路面材料、進(jìn)口與出口、駕駛員視覺特性的不同而取值不同。

對(duì)式(2)兩邊時(shí)間求導(dǎo)，得瞳孔面積變化速度ve為:

其中:x為測量點(diǎn)至洞口的距離，m(洞外為負(fù)，洞內(nèi)為正);v為試驗(yàn)車輛行駛速度，m/s。

由式(3)可知，對(duì)于隧道進(jìn)出口，駕駛員瞳孔面積變化速度ve與行車速度、照度過渡斜率成正比，即車輛行駛速率越高、照度過渡斜率越大，越容易產(chǎn)生視覺障礙，影響駕駛安全。據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，白天在隧道進(jìn)口，ve>4 mm2/s且持續(xù)時(shí)間t>0.2 s時(shí)(日本學(xué)者研究表明:對(duì)較為復(fù)雜的信息視覺加工，所用最小視覺停留時(shí)間為0.165 s;根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，加之交通標(biāo)志的視認(rèn)性與隧道內(nèi)行車安全密切相關(guān)，因而視覺刺激臨界時(shí)間采用交通標(biāo)志視認(rèn)試驗(yàn)中常用最小視覺認(rèn)知時(shí)間0.2 s。)，可視為駕駛員在暗適應(yīng)過程中出現(xiàn)嚴(yán)重視覺障礙。在隧道出口:ve<6 mm2/s且持續(xù)時(shí)間t>0.2 s時(shí)，可認(rèn)為駕駛員在明適應(yīng)過程中出現(xiàn)嚴(yán)重視覺障礙。

3.2 基于視覺適應(yīng)性的限速值確定

將瞳孔面積變化臨界速度vec=4 mm2/s(暗適應(yīng))或 －6 mm2/s(明適應(yīng))代入式(3)，可得基于視覺適應(yīng)能力的隧道進(jìn)出口機(jī)動(dòng)車臨界速度vc為:

在t1時(shí)刻如機(jī)動(dòng)車行駛速度小于式(4)計(jì)算所得的臨界速度，且t1+T(T=0.2 s)時(shí)刻的速度亦小于t1+T時(shí)刻的臨界速度，則可認(rèn)為t1時(shí)刻所對(duì)應(yīng)車速安全。如不滿足上述條件，則可認(rèn)為該時(shí)刻車速過高，行車不安全。

為保證行車安全，車輛行使速度除了應(yīng)小于等于視覺適應(yīng)的臨界速度外，還應(yīng)小于或等于隧道的設(shè)計(jì)速度，故取隧道限速段全線最低的“安全速度”作為隧道的限速值，即:

其中:v限為隧道路段限制速度，km/h;vs為隧道的設(shè)計(jì)速度km/h。

3.3 應(yīng)用實(shí)例

某高速公路上一隧道設(shè)計(jì)速度為80 km/h，車輛臨界速度與洞口距離關(guān)系如圖2。

圖2 車輛臨界速度與隧道洞口距離關(guān)系Fig.2 Relationship between the vehicle critical speed and the distance from tunnel port

從圖2可知，隧道進(jìn)口任一時(shí)刻的臨界速度均大于設(shè)計(jì)速度，隧道出口附近的臨界速度小于設(shè)計(jì)速度，故取隧道出口機(jī)動(dòng)車最小的臨界速度vc為該隧道的限速值，即該隧道的限速值取70 km/h。

4 結(jié)語

通過分析隧道對(duì)駕駛員視覺、心理的影響，確定了隧道限速路段的長度，提出了基于駕駛員視覺適應(yīng)性的限速思想，并根據(jù)瞳孔面積與隧道進(jìn)出口光照度定量關(guān)系，得出基于視覺適應(yīng)能力的隧道進(jìn)出口機(jī)動(dòng)車臨界速度，結(jié)合隧道本身的條件得出保證行車安全的隧道限速值。

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