公路隧道入口照明狀態(tài)對交通安全的影響

胡思濤，朱艷茹，項喬君

(1.淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223003;2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096)*

0 引言

隧道是公路基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分，在整個線路中起重要的聯(lián)結(jié)作用.截至2012年底，全國公路隧道為 10022處、805.27萬米［1］.隧道運營狀況直接影響著公路網(wǎng)的運輸效率和安全性能.統(tǒng)計表明，隧道進出口是交通事故多發(fā)的路段［2］，作為兩種不同行車環(huán)境的過渡段，其線形設(shè)計、抗滑性能過渡、內(nèi)外環(huán)境的差異等都對行車安全產(chǎn)生影響，尤其是進出口亮度變化更是引起交通事故的重要原因之一［3］.

隧道的照明設(shè)施，是為了把必要的視覺信息傳遞給駕駛員，提高駕駛的安全性和舒適性，防止因視覺信息不足出現(xiàn)交通事故.隧道內(nèi)部的明亮程度過低或過高都會對駕駛員造成不良的影響.特別是白天在進出隧道路段出現(xiàn)的“黑洞”與“白洞”效應(yīng)，會使駕駛員的視覺產(chǎn)生不適感，不同程度地影響其駕駛行為，出現(xiàn)減速操作，增加了后續(xù)車輛追尾的可能性.

目前國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對隧道照明狀態(tài)安全評價展開了研究.國外對于隧道照明的研究，多從駕駛?cè)艘曈X變化以及明暗適應(yīng)與交通安全關(guān)系角度開展，提出晝間隧道入口段照度值［4］;國內(nèi)劉洋從生理學(xué)與心理學(xué)的角度研究隧道光環(huán)境對駕駛員的影響［5］;閆桂梅對照度、亮度、眩光等影響因素與視距、行車速度等交通安全參數(shù)的關(guān)系進行了定性的研究［6］.我國的《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》也有對隧道照明參數(shù)的最低值規(guī)定［7］.但已有研究對隧道照明狀態(tài)與交通安全的關(guān)聯(lián)性及影響機理方面的研究較少，本文試圖尋求一個“中介”如交通流指標(biāo)，將隧道照明狀態(tài)與交通安全聯(lián)系起來，從而定量評價公路隧道照明狀態(tài)對交通安全的影響.

1 評價指標(biāo)的選取

1.1 隧道照明狀態(tài)指標(biāo)

隧道交通流運行規(guī)律主要受到亮度影響，這里首先分析隧道亮度及隧道內(nèi)車輛速度的變化規(guī)律，根據(jù)亮度變化可以將隧道的照明環(huán)境分為五個階段:接近段、入口段、過渡段、中間段、出口段.由于明適應(yīng)的時間較短，對交通安全的影響相對較小.因此本文著重分析隧道入口照明對交通安全的影響.在照明特征分析中只針對前四個階段，如圖1所示.

圖1 隧道入口亮度變化示意圖

(1)接近段

接近段是指從進入隧道之前，亮度在隧道影響下開始降低，到剛進入洞口的階段.圖1中S為接近段起點，該點亮度即為隧道外亮度L20(S).P為隧道入口，即為接近段的終點，A點為適應(yīng)點，車輛行駛到這一點后，駕駛員的20°視場已集中在隧道口內(nèi)部，外部景物基本消失，該點亮度為L20(A)，此時車輛距隧道的距離為適應(yīng)距離.在由接近段進入入口段的行駛過程中，駕駛員將經(jīng)歷由隧道外亮度L20降低至入口段亮度Lth的過程.對車輛而言，行駛至S點時，洞口出現(xiàn)在駕駛員視野當(dāng)中，開始進入接近段.駕駛員在剛開始注意到洞口時，由于隧道內(nèi)外的亮度差異以及視覺的不適應(yīng)性，會無法對隧道內(nèi)部情況做出正確判斷.在該過程中，若亮度變化速率過大，這時就會出現(xiàn)“黑洞效應(yīng)”，對駕駛員的視覺有不利影響，駕駛員會出于安全角度而進行減速操作.

(2)入口段

入口段是在隧道照明區(qū)段中進入隧道后的第一段.駕駛員在接近段行駛時，由于亮度的變化幅度在減小，駕駛員也基本適應(yīng)隧道內(nèi)亮度，此時車速將趨于穩(wěn)定.

(3)過渡段

在公路隧道照明中，介于入口段與中間段的照明區(qū)段是過渡段.其功能是緩和入口段亮度Lth到中間段低亮度Ltr的強烈變化(前者往往是后者的數(shù)十倍)給駕駛員造成的不利影響，使之能有充分的適應(yīng)時間.考慮到現(xiàn)實中的亮度變化無法用曲線描述，《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》將該區(qū)段的亮度變化用三個階梯形式表示，圖1中Ltr1、Ltr2、Ltr3分別表示三段的亮度大小.

這一階段駕駛員要由入口段駛?cè)脒^渡段，周圍亮度趨于穩(wěn)定，駕駛員逐步適應(yīng)內(nèi)部照明環(huán)境，由于亮度相對穩(wěn)定，部分車輛可能會有一定的加速行為.

(4)中間段

中間段照明的基本任務(wù)就是保證停車視距，亮度Lin保持不變并處于較低水平，車輛基本會以勻速行駛.由圖1可以看出，當(dāng)亮度變化時車速就會降低，亮度變化幅度越大，車速降低越劇烈，說明亮度與車速的變化有明顯的相關(guān)性.

隧道內(nèi)部各段的亮度是各不相同的.一般情況下，隧道入口段的亮度較高，隨著駕駛員逐漸適應(yīng)隧道內(nèi)的駕駛環(huán)境，亮度漸漸降下來并保持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)，在接近出口的部位，亮度再逐漸提高.由此可知，隧道的出入口是亮度變化頻繁的部位，本文主要針對隧道入口的亮度指標(biāo)進行研究.現(xiàn)在以不同區(qū)段亮度變化為基礎(chǔ)，構(gòu)造一個能夠反映亮度的技術(shù)指標(biāo)，稱之為隧道亮度過渡技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)隧道照明理論，其計算公式如下［7］:

式中，I為隧道入口亮度過渡技術(shù)指標(biāo);I1、I2為隧道入口亮度過渡技術(shù)分指標(biāo);β1、β2為權(quán)重系數(shù)，表示I1、I2對亮度過渡總指標(biāo)的影響大小;k為入口段亮度與隧道入口前路面亮度的比值，入口段的亮度取入口內(nèi)25～55 m段亮度的平均值，這段亮度受自然光影響較小;a，b，η為調(diào)整系數(shù)，主要考慮了I1、I2的取值范圍以及I2對k1、k2的敏感性，可取a=10，b=0.1，η =0.38;k1為明暗交替點至入口內(nèi)亮度變化率由快趨緩點的亮度變化率，其值等于兩點的亮度差與距離的比值，A點位于入口內(nèi)15～25 m位置，主要取決于洞口朝向、季節(jié)因素和太陽光強度;k2為入口內(nèi)亮度變化率由快趨緩點至亮度穩(wěn)定處的亮度變化率.入口亮度過渡示意如圖2.

圖2 隧道入口亮度過渡示意圖

1.2 交通安全表征指標(biāo)

道路交通安全狀況是與交通流運行特征聯(lián)系在一起的，不同的交通流運行特征對應(yīng)不同的交通安全狀態(tài)，交通流運行平穩(wěn)，則事故發(fā)生的可能性較低，道路安全狀況較好;反之，當(dāng)交通流處于“非穩(wěn)定”狀態(tài)，車輛之間的干擾增強，事故發(fā)生的概率將明顯增大.因此，選取合適的交通流指標(biāo)能較好地反映實際交通安全狀況.隧道交通流的變化主要體現(xiàn)在受亮度影響、沿空間軸的速度變化上，因此平均速度、速度方差、速度標(biāo)準(zhǔn)差均不宜作為評價指標(biāo)，而速度差與減速度均體現(xiàn)隧道交通流變化規(guī)律.某高速公路隧道實測交通流數(shù)據(jù)如圖3.

圖3 某公路隧道入口的速度、減速度

結(jié)合圖1和圖3可以看出，速度與亮度的變化規(guī)律相似，而減速度由于駕駛員駕駛習(xí)慣等因素影響，變化波動較大，與亮度的擬合程度沒有速度好.可考慮采用速度差指標(biāo)體現(xiàn)速度的變化.隧道入口的運行車速差ΔV的計算公式如下:

對于V外，車輛一般在距隧道入口100～150 m位置開始減速，故隧道外基本路段斷面選距隧道入口200 m處，此處亮度是自然的光照亮度，車輛的行駛速度尚未受到隧道的影響.對于V內(nèi)，由圖3可看出，車輛在進入隧道首先是一個減速的過程，但這個減速過程在到達過渡段時基本結(jié)束，車輛開始加速或勻速行駛;為了準(zhǔn)確體現(xiàn)隧道內(nèi)外速度變化的最大值，對于隧道入口斷V內(nèi)應(yīng)采用隧道過渡段起點的斷面速度，即V內(nèi)=Vth;入口段起點的具體位置可根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》進行計算確定，隧道入口段長度計算結(jié)果見表1.

表1 隧道入口段長度 m

2 評價模型的構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)采集

隧道入口亮度指標(biāo)選擇晴朗的天氣，采用LS-110亮度計對我國江浙一帶的10個隧道入口路段亮度指標(biāo)I1和I2進行測定.在所選定的10個隧道的斷面1和斷面2處，采用雷達測速槍獲取經(jīng)過車輛的地點車速v1和v2，取85%位車速，利用式(2)求出斷面速度差，見表2.

表2 不同隧道入口的亮度值和斷面速度差

2.2 評價模型

根據(jù)上文的分析，隧道入口亮度過渡條件不佳會造成駕駛員暗適應(yīng)恐懼或看不清前方道路情況而突然減速，對車流的穩(wěn)定性及行車安全性造成影響.直觀上看入口處的亮度過渡技術(shù)指標(biāo)與運行車速差之間存在某種聯(lián)系.由隧道交通流運行規(guī)律可知，二者具有較好的相關(guān)性，可考慮通過回歸分析建立二者之間的關(guān)系模型.根據(jù)表2數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件可得I1和運行車速差的擬合曲線為ΔV=1.24e0.24I1，R2=0.994;I2與運行車速差擬合曲線為ΔV=0.99e0.93I1，R2=0.975.可見隧道入口處產(chǎn)生的運行車速差與I1和I2都具有較好的相關(guān)性.隧道入口處的亮度過渡安全是I1和I2綜合作用的結(jié)果.類似地，采用SPSS軟件可得入口亮度過渡技術(shù)指標(biāo)與運行車速差的關(guān)系模型如下:

其擬合度為0.996.結(jié)合式(1)可得隧道入口處亮度過渡技術(shù)指標(biāo):

圖4為實測值與回歸模型計算值的比較，從中可以看出，基于指數(shù)的回歸模型能較好的反映ΔV與總指標(biāo)Iin之間的關(guān)系.

圖4 模型計算值與實測值比較

2.3 影響等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

上文已建立隧道指標(biāo)與交通流指標(biāo)的關(guān)系，為了進一步評價照明狀態(tài)對交通安全的影響，這里需要確定斷面車速差與交通安全的關(guān)系.

大量研究表明，運行車速差與道路事故率有一定相關(guān)性［9-10］.當(dāng)兩相鄰路段上的運行車速差不超過10 km/h時，事故率較低;當(dāng)兩相鄰路段上的運行車速差在10～20 km/h之間時，事故率一般;當(dāng)兩相鄰路段上的運行車速差超過20 km/h時，事故率較高［11］.這種將路段車速差ΔV作為評價道路安全的方法，在歐美許多國家得到廣泛的應(yīng)用［12］.本文借鑒上述方法，將隧道照明狀態(tài)對交通安全的影響分為三個等級:安全、一般安全、不安全，各等級的劃分閾值見表3.

表3 隧道入口照明狀態(tài)對交通安全的影響等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)論

本文以交通流指標(biāo)為媒介，分析了隧道入口照明狀態(tài)指標(biāo)對交通安全的影響機理，成功地建立起高速公路隧道照明檢測數(shù)據(jù)與交通安全的關(guān)系，為高速公路隧道照明的養(yǎng)護和管理提供了科學(xué)的依據(jù).主要得出以下結(jié)論:

(1)隧道出入口亮度的變化是導(dǎo)致隧道交通流變化的重要因素.在分析亮度對交通流的影響的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了入口亮度過渡技術(shù)指標(biāo)，選取了斷面速度差作為交通安全的表征指標(biāo);

(2)利用實測數(shù)據(jù)，建立了入口亮度過渡技術(shù)指標(biāo)與斷面速度差的關(guān)系模型;

(3)以斷面速度差為依據(jù)，將隧道照明狀態(tài)對交通安全的影響分為三個等級，確定了各影響等級所對應(yīng)的入口亮度過渡技術(shù)指標(biāo)的閾值.

［1］中華人民共和國交通部.2012年公路水路交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報［EB/OL］.http://www.moc.gov.cn/zhuzhan/tongjigongbao/fenxigongbao/hangyegongbao/201304/t20130426_1402794.html，2013-04-26.

［2］倪洪亮，戴憂華，趙慶鑫.高速公路隧道事故分布研究［J］.公路，2010(4):126-129

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［4］趙煒華，劉浩學(xué).我國高速公路隧道照明問題研究［J］.公路，2013(4):217-220.

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［6］閆桂梅.公路隧道通風(fēng)照明與行車安全的關(guān)系研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2008.

［7］中華人民共和國交通部.JTJ026.1-199公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［8］郭忠印，孔令旗，王琰，等.隧道進出口運行安全研究報告［R］.上海:同濟大學(xué)，2007.

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