杜志剛 余昕宇 向一鳴 徐彎彎

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430080) (貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司2) 貴陽 550000)

0 引 言

高速公路隧道路段是道路事故黑點，交通事故多發(fā)且極易造成群死群傷，在事故總數(shù)、受傷人數(shù)、死亡人數(shù)方面，比例均高于普通公路路段.統(tǒng)計資料顯示，公路隧道里程雖僅占公路總里程的0.03%，但隧道交通事故數(shù)、死亡人數(shù)依次占公路交通事故的0.36%，0.5%，且高速公路隧道交通事故占全部隧道交通事故的59.4%[1].

高速公路隧道交通事故多由其不良駕駛環(huán)境導(dǎo)致，而其中影響最大的為隧道光環(huán)境.高速公路隧道光環(huán)境是由自然光源、人造光源、發(fā)光指示標識及景觀等共同營造而成，由于其封閉的結(jié)構(gòu)而與相鄰公路路段光環(huán)境差異顯著.因此高速公路隧道光環(huán)境的研究與改善一直是隧道交通安全的研究重點，本文從高速公路隧道光環(huán)境問題入手，總結(jié)分析了現(xiàn)有的高速公路隧道光環(huán)境改善方法，結(jié)合高速公路隧道駕駛員視錯覺特征，提出重構(gòu)隧道視覺參照系的高速公路隧道光環(huán)境優(yōu)化框架.

1 高速公路隧道光環(huán)境存在問題

由于高速公路隧道為半封閉管狀結(jié)構(gòu)，故其光環(huán)境主要由內(nèi)部的照明設(shè)施營造，但是公路隧道照明耗電量高，我國公路隧道用電量超過300億度/年，受我國社會經(jīng)濟條件限制，高速公路隧道普遍開燈率低，與相鄰公路路段光環(huán)境存在較大差異，導(dǎo)致隧道出入口產(chǎn)生“黑洞”與“白洞”效應(yīng)，同時隧道內(nèi)昏暗單調(diào)的環(huán)境也導(dǎo)致“時空隧道”效應(yīng).

Waldram[2]首次對隧道的黑洞現(xiàn)象進行闡述.當(dāng)白天駛?cè)胨淼罆r，照度從幾萬勒克斯迅速減小到幾百勒克斯，空間從廣闊空間快速縮小到封閉空間，杜志剛等[3]提出照度劇烈過渡成“黑”，空間劇烈過渡成“洞”，駕駛員瞳孔迅速擴大，難以準確在視網(wǎng)膜上聚焦，容易產(chǎn)生“兩眼一抹黑”的瞬時盲期，即隧道 “黑洞”效應(yīng).駕駛員在駛出隧道時看到耀眼白洞，眩光現(xiàn)象明顯，形成白洞效應(yīng)[4]，顯著影響駕駛員的視覺功能.高速公路隧道內(nèi)部空間封閉狹窄，同時由于開燈率低，故其光環(huán)境昏暗單調(diào)，導(dǎo)致駕駛員的視距不足、視區(qū)受限，同時無法準確感知速度、距離、方向等信息，引發(fā)駕駛員無意識超速和跟車過近行為，即“時空隧道”效應(yīng).

高速公路隧道環(huán)境中的時空隧道效應(yīng)、黑洞效應(yīng)、白洞效應(yīng)實質(zhì)上是一種基于特定視覺參照系的視覺不適與嚴重視錯覺.綜上，高速公路隧道光環(huán)境典型問題見表1.

表1 高速公路隧道光環(huán)境問題分析

2 高速公路隧道光環(huán)境改善措施研究

2.1 遮光設(shè)施

高速公路隧道遮光設(shè)施包括遮光棚、遮陽棚、遮光板等，能有效降低隧道出入口的照度與空間過渡的劇烈程度，降低駕駛員的視覺適應(yīng)時間，并降低隧道入口段與出口段的照度要求.王長春[8]提出在相距較近的高速公路隧道之間設(shè)置遮光棚能實現(xiàn)隧道營運期間的降耗.吳勝忠等[9]提出因地制宜地進行遮光棚建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計是遮光棚在公路隧道中應(yīng)用的關(guān)鍵.

2.2 照明設(shè)施

傳統(tǒng)的高速公路隧道光環(huán)境改善方法為利用燈具來增加隧道內(nèi)環(huán)境亮度，其主要研究內(nèi)容為照明燈具研究、控制系統(tǒng)研究、綠色能源應(yīng)用研究三方面.

2.2.1照明燈具

現(xiàn)階段我國大部分隧道照明多采用白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈等，大多存在顯色性差、能耗高、不易控制、質(zhì)量穩(wěn)定性差、壽命短等問題.LED燈作為新型光源與傳統(tǒng)光源相比，具有顯色性高、耗能少、易于控制、壽命長、穩(wěn)定性高、對環(huán)境無污染、色溫范圍可控制等優(yōu)點，且可配合智能控制系統(tǒng)以更好地實現(xiàn)照明節(jié)電要求，正在逐漸普及到高速公路隧道照明中.國內(nèi)很多學(xué)者通過實地評價驗證了LED燈在隧道內(nèi)的適用性，張素杰[10]得出LED燈比高壓鈉燈更適合在隧道照明中使用的結(jié)論.

2.2.2照明控制系統(tǒng)

隧道照明控制方式包括人工控制方式、時序控制方式、自動控制方式、智能控制方式.人工控制方式目前已基本被市場淘汰，時序控制方式易于實施且穩(wěn)定可靠，但無法根據(jù)天氣、車流等的變化實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié).目前國內(nèi)公路隧道多采用自動控制，其可按照事先設(shè)定的邏輯實現(xiàn)動態(tài)調(diào)光，但受其布線回路的限制無法滿足公路隧道照明整體自適應(yīng)調(diào)節(jié)[11].近年來在自動控制的基礎(chǔ)上逐漸演變形成智能控制，其利用人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進技術(shù)，根據(jù)洞內(nèi)外亮度進行動態(tài)調(diào)光，實現(xiàn)因地制宜、按需照明的目的.

2.2.3綠色能源應(yīng)用

為降低公路隧道照明能耗，部分隧道采用利用綠色能源的照明系統(tǒng)，其使用的綠色能源主要為太陽能和風(fēng)能.劉紀華[12]通過對道壩子隧道太陽能照明的應(yīng)用，表明了長隧道利用太陽能的經(jīng)濟性、環(huán)保性.付長建等[13]以臨合高速勒合倉隧道為研究對象，表明高速公路隧道采用風(fēng)光互補形清潔能源供電技術(shù)具有更好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益.

2.3 視線誘導(dǎo)設(shè)施

高速公路隧道視線誘導(dǎo)系統(tǒng)是指由標志、標線等交通工程附屬設(shè)施(如貓眼道釘、立面標線、反光環(huán)等)組成，主要利用逆反射技術(shù)，針對高速公路隧道駕駛員視覺特性構(gòu)建的輔助駕駛員感知行車狀態(tài)和環(huán)境的誘導(dǎo)系統(tǒng).

杜志剛等[14]提出隧道入口設(shè)置遮光棚和多頻逆反射標線系統(tǒng)來實現(xiàn)隧道入口照度、空間、參照物的合理過渡，隧道中部設(shè)立多頻率、多尺寸的逆反射標線系統(tǒng)，以加強隧道弱視覺參照系的誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置方法.

隧道反光環(huán)是隧道誘導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分，文獻[15]中指出：隧道內(nèi)反光環(huán)具有邊界輪廓清晰，行車誘導(dǎo)效果好的特點，能降低隧道照明用電量，并要求在長隧道、特長隧道內(nèi)部加裝環(huán)形被動反光光環(huán).

3 光環(huán)境改善措施評價與展望

高速公路隧道光環(huán)境改善措施評價如下.

1) 遮光設(shè)施局限性 遮光設(shè)施雖能有效緩解隧道出入口照度與空間的劇烈過渡，但如在隧道建設(shè)初期沒有設(shè)置，則運營期建設(shè)實施困難，難以對已有隧道進行改善，同時其建設(shè)費用大，在我國公路隧道中應(yīng)用不多.

2) 公路隧道燈具照明運營養(yǎng)護費用高 我國公路隧道制定的照明標準主要是參照歐洲及日本使用的照明標準，建立依據(jù)為駕駛員在停車視距范圍內(nèi)能有效視認行駛車道中心障礙物(20 cm×20 cm×20 cm大小)[16]，照明能耗過大，導(dǎo)致公路隧道照明 “高配低用”現(xiàn)象普遍.目前隧道照明節(jié)能的重點在改進與優(yōu)化照明設(shè)施以及新能源技術(shù)的應(yīng)用上，側(cè)重?zé)艟咧鲃诱彰?，仍存在前期投入過高、性能不穩(wěn)定、維護成本高等問題.

3) 高速公路隧道視線誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置缺乏依據(jù)，難以統(tǒng)一 現(xiàn)有高速公路隧道視線誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置混亂，各視線誘導(dǎo)設(shè)施的尺寸、設(shè)置間距、以及組合搭配方案等缺乏參考標準.同時對于誘導(dǎo)設(shè)施與駕駛員視覺特性相關(guān)性研究較少.

4) 長大公路隧道誘導(dǎo)系統(tǒng)整體性研究缺乏 現(xiàn)有研究多針對隧道出入口或隧道中部等分段，缺乏隧道的總體研究.對長大隧道駕駛需求考慮少，如距離感、方向感、位置感等.

針對以上分析，提出基于事故預(yù)防的高速公路隧道光環(huán)境改善方向.

1) 高速公路隧道光環(huán)境需采用低成本改善方法 基于照度、亮度標準的隧道燈具照明設(shè)施能耗大，但是我國公路隧道低照度運營狀態(tài)普遍，照度遠低于國家規(guī)范值.針對我國的社會經(jīng)濟現(xiàn)狀，我國高速公路隧道，更適合用一些低成本、易于維護的隧道光環(huán)境改善措施，以實現(xiàn)經(jīng)濟節(jié)能與交通安全的統(tǒng)一.

2) 高速公路隧道光環(huán)境改善需立足于駕駛員視覺需求 美國印第安納大學(xué)大眾衛(wèi)生研究所對交通事故成因進行過分析，得出由于駕駛員觀察和判斷錯誤造成的占 84.1%[17]，隧道不良的光環(huán)境會降低視距、壓縮視區(qū)，導(dǎo)致駕駛員嚴重的視錯覺，影響駕駛員對速度和距離的準確感知，導(dǎo)致低估車速和高估跟車距離，進而誘發(fā)交通事故.故隧道光環(huán)境改善方向應(yīng)為優(yōu)化駕駛員視距與視區(qū)，緩解視錯覺.

3) 高速公路隧道視線誘導(dǎo)系統(tǒng)需進一步完善優(yōu)化 高速公路隧道視線誘導(dǎo)系統(tǒng)能優(yōu)化駕駛員視距、視區(qū)，同時控制駕駛員視錯覺在合理范圍，實現(xiàn)公路隧道交通事故的主動預(yù)防，故針對現(xiàn)有誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置混亂、缺乏標準的問題，亟需開展進一步的優(yōu)化研究.

4 基于事故預(yù)防的高速公路隧道光環(huán)境優(yōu)化研究框架

高速公路隧道交通事故致因主要為不良光環(huán)境產(chǎn)生的不良視覺參照系,進而導(dǎo)致的駕駛員視距視區(qū)受限和視知覺誤判(視錯覺).隧道遮光設(shè)施和照明設(shè)施直接從緩和隧道出入口照度過渡和提升隧道中部照度出發(fā)，對駕駛員的視知覺誤判考慮較少.而高速公路隧道視線誘導(dǎo)系統(tǒng)從視覺參照系的重構(gòu)出發(fā)，以駕駛員的視錯覺和視距視區(qū)為評價指標，能從駕駛員根源改善隧道光環(huán)境，預(yù)防交通事故發(fā)生，見表2.

表2 公路隧道視線誘導(dǎo)系統(tǒng)與傳統(tǒng)燈具照明比較

故提出以優(yōu)化隧道視線誘導(dǎo)系統(tǒng)為主要目標的高速公路隧道光環(huán)境優(yōu)化研究框架，主要包括以下幾部分.

1) 高速公路隧道交通事故特征與隧道駕駛員視錯覺相關(guān)性研究 公路隧道交通事故多為追尾和撞側(cè)墻，事故致因多為超速、跟車過近、偏離車道和疲勞駕駛，其與駕駛員在隧道不良光環(huán)境(劇烈過渡、昏暗、單調(diào)、封閉)下的產(chǎn)生視錯覺存在相關(guān)性.通過心理物理實驗和注視點分布特征對駕駛員視錯覺和視距視區(qū)特性進行度量，并驗證其與高速公路隧道交通事故的相關(guān)性.

2) 高速公路隧道不良光環(huán)境下的視覺參照系與視錯覺相關(guān)性研究 公路隧道視覺參照系劃分為視距、視區(qū)、參照物三部分，低照度公路隧道內(nèi)光環(huán)境下，駕駛員視距不足、視區(qū)受限、參照物缺乏，駕駛員無法獲取足夠的視覺線索，且與相鄰公路路段差異較大，為不良視覺參照系：隧道內(nèi)部為弱視覺參照系、隧道出入口為劇烈過渡視覺參照系.在不良視覺參照系下駕駛員易產(chǎn)生視錯覺，通過模擬仿真實驗構(gòu)建不同類型的視覺參照系，結(jié)合不良駕駛行為與視錯覺的相關(guān)性，進一步驗證及確定不同視覺參照系會誘發(fā)的視錯覺種類以及程度，并對公路隧道視覺參照系進行分層.

3) 高速公路隧道安全型視覺參照系重構(gòu)思路研究 針對高速公路隧道不良光環(huán)境，提出緩和劇烈過渡的視覺參照系和增強弱視覺參照系的改善思路.根據(jù)交通安全是高速公路隧道需滿足的最低需求，提出構(gòu)建安全型視覺參照系的改善目標，并分別對于公路隧道入口段和出口段進行分析，見表3.

表3 高速公路隧道安全型視覺參照系分析

4) 基于事故預(yù)防的高速公路隧道視線誘導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化方法研究 針對高速公路隧道交通事故特點，在已有的公路隧道誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置案例分析與實驗研究的基礎(chǔ)上，利用逆反射材料制作的誘導(dǎo)設(shè)施，如隧道反光環(huán)和反光條、貓眼道釘、輪廓標等，提出分別滿足駕駛員速度感、距離感、方向感、位置感的安全型視覺參照系構(gòu)建方法，設(shè)置多頻、多尺寸、多形狀組合誘導(dǎo)信息改善公路隧道光環(huán)境，見表4.同時利用視錯覺指標、視距視區(qū)指標和疲勞指標對誘導(dǎo)系統(tǒng)進行驗證與改善提升其完備性.

5 結(jié) 論

1) 高速公路隧道光環(huán)境存在隧道出入口照度、視距、視區(qū)、參照物劇烈過渡和隧道中部環(huán)境單調(diào)昏暗、視覺與視區(qū)受限的問題，誘發(fā)隧道進出口駕駛員“黑洞”與“白洞”效應(yīng)和隧道中部 “時空隧道”效應(yīng)，引發(fā)駕駛員視錯覺和超速、近距離跟車、駕駛疲勞等不良駕駛行為，導(dǎo)致追尾、撞側(cè)墻等交通事故發(fā)生.

表4 安全型視覺參照系分析及提升方法表

2) 公路隧道入口遮光設(shè)施和隧道照明設(shè)施建安費和運營養(yǎng)護費高，高速公路隧道視線誘導(dǎo)系統(tǒng)投入小，易于養(yǎng)護，可以實現(xiàn)交通安全與照明節(jié)能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，更具可操作性.

3) 基于駕駛員速度感、距離感、方向感、位置感和視距視區(qū)要求，提出公路隧道視覺參照系重構(gòu)思路，利用低成本的逆反射材料增加局部亮度與對比度，采用多頻率、多尺寸、多形狀信息，重構(gòu)公路隧道安全型視覺參照系，實現(xiàn)高速公路隧道光環(huán)境低成本改善.