基于交通事故預(yù)防的高速公路隧道光環(huán)境優(yōu)化研究*

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(jì)研究院股份有限公司2) 貴陽(yáng) 550000)

0 引 言

高速公路隧道路段是道路事故黑點(diǎn)，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(jì)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(biāo)識(shí)及景觀等共同營(yíng)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(diǎn)，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(cuò)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(yíng)造，但是公路隧道照明耗電量高，我國(guó)公路隧道用電量超過300億度/年，受我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)隧道內(nèi)昏暗單調(diào)的環(huán)境也導(dǎo)致“時(shí)空隧道”效應(yīng).

Waldram[2]首次對(duì)隧道的黑洞現(xiàn)象進(jìn)行闡述.當(dāng)白天駛?cè)胨淼罆r(shí)，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(kuò)大，難以準(zhǔn)確在視網(wǎng)膜上聚焦，容易產(chǎn)生“兩眼一抹黑”的瞬時(shí)盲期，即隧道 “黑洞”效應(yīng).駕駛員在駛出隧道時(shí)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(shí)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(shí)無法準(zhǔn)確感知速度、距離、方向等信息，引發(fā)駕駛員無意識(shí)超速和跟車過近行為，即“時(shí)空隧道”效應(yīng).

高速公路隧道環(huán)境中的時(shí)空隧道效應(yīng)、黑洞效應(yīng)、白洞效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是一種基于特定視覺參照系的視覺不適與嚴(yán)重視錯(cuò)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(yáng)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(shí)間，并降低隧道入口段與出口段的照度要求.王長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)隧道營(yíng)運(yùn)期間的降耗.吳勝忠等[9]提出因地制宜地進(jìn)行遮光棚建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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?jī)?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(guó)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(zhǎng)、穩(wěn)定性高、對(duì)環(huán)境無污染、色溫范圍可控制等優(yōu)點(diǎn)，且可配合智能控制系統(tǒng)以更好地實(shí)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(guó)內(nèi)很多學(xué)者通過實(shí)地評(píng)價(jià)驗(yàn)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(shí)序控制方式、自動(dòng)控制方式、智能控制方式.人工控制方式目前已基本被市場(chǎng)淘汰，時(shí)序控制方式易于實(shí)施且穩(wěn)定可靠，但無法根據(jù)天氣、車流等的變化實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié).目前國(guó)內(nèi)公路隧道多采用自動(dòng)控制，其可按照事先設(shè)定的邏輯實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(dòng)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(jìn)技術(shù)，根據(jù)洞內(nèi)外亮度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)光，實(shí)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(yáng)能和風(fēng)能.劉紀(jì)華[12]通過對(duì)道壩子隧道太陽(yáng)能照明的應(yīng)用，表明了長(zhǎng)隧道利用太陽(yáng)能的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性.付長(zhǎng)建等[13]以臨合高速勒合倉(cāng)隧道為研究對(duì)象，表明高速公路隧道采用風(fēng)光互補(bǔ)形清潔能源供電技術(shù)具有更好的經(jīng)濟(jì)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(biāo)志、標(biāo)線等交通工程附屬設(shè)施(如貓眼道釘、立面標(biāo)線、反光環(huán)等)組成，主要利用逆反射技術(shù)，針對(duì)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(biāo)線系統(tǒng)來實(shí)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(biāo)線系統(tǒng)，以加強(qiáng)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(xiàn)[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(diǎn)，能降低隧道照明用電量，并要求在長(zhǎng)隧道、特長(zhǎng)隧道內(nèi)部加裝環(huán)形被動(dòng)反光光環(huán).

3 光環(huán)境改善措施評(píng)價(jià)與展望

高速公路隧道光環(huán)境改善措施評(píng)價(jià)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(yùn)營(yíng)期建設(shè)實(shí)施困難，難以對(duì)已有隧道進(jìn)行改善，同時(shí)其建設(shè)費(fèi)用大，在我國(guó)公路隧道中應(yīng)用不多.

2) 公路隧道燈具照明運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高 我國(guó)公路隧道制定的照明標(biāo)準(zhǔn)主要是參照歐洲及日本使用的照明標(biāo)準(zhǔn)，建立依據(jù)為駕駛員在停車視距范圍內(nèi)能有效視認(rèn)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(diǎn)在改進(jìn)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?dòng)照明，仍存在前期投入過高、性能不穩(wěn)定、維護(hù)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(biāo)準(zhǔn).同時(shí)對(duì)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(zhǎng)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(duì)隧道出入口或隧道中部等分段，缺乏隧道的總體研究.對(duì)長(zhǎng)大隧道駕駛需求考慮少，如距離感、方向感、位置感等.

針對(duì)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(biāo)準(zhǔn)的隧道燈具照明設(shè)施能耗大，但是我國(guó)公路隧道低照度運(yùn)營(yíng)狀態(tài)普遍，照度遠(yuǎn)低于國(guó)家規(guī)范值.針對(duì)我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀，我國(guó)高速公路隧道，更適合用一些低成本、易于維護(hù)的隧道光環(huán)境改善措施，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)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(guó)印第安納大學(xué)大眾衛(wèi)生研究所對(duì)交通事故成因進(jìn)行過分析，得出由于駕駛員觀察和判斷錯(cuò)誤造成的占 84.1%[17]，隧道不良的光環(huán)境會(huì)降低視距、壓縮視區(qū)，導(dǎo)致駕駛員嚴(yán)重的視錯(cuò)覺，影響駕駛員對(duì)速度和距離的準(zhǔn)確感知，導(dǎo)致低估車速和高估跟車距離，進(jìn)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(cuò)覺.

3) 高速公路隧道視線誘導(dǎo)系統(tǒng)需進(jìn)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(shí)控制駕駛員視錯(cuò)覺在合理范圍，實(shí)現(xiàn)公路隧道交通事故的主動(dòng)預(yù)防，故針對(duì)現(xiàn)有誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置混亂、缺乏標(biāo)準(zhǔn)的問題，亟需開展進(jìn)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(jìn)而導(dǎo)致的駕駛員視距視區(qū)受限和視知覺誤判(視錯(cuò)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(duì)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(cuò)覺和視距視區(qū)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，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(biāo)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(cuò)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(cuò)覺存在相關(guān)性.通過心理物理實(shí)驗(yàn)和注視點(diǎn)分布特征對(duì)駕駛員視錯(cuò)覺和視距視區(qū)特性進(jìn)行度量，并驗(yàn)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(cuò)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(cuò)覺，通過模擬仿真實(shí)驗(yàn)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(cuò)覺的相關(guān)性，進(jìn)一步驗(yàn)證及確定不同視覺參照系會(huì)誘發(fā)的視錯(cuò)覺種類以及程度，并對(duì)公路隧道視覺參照系進(jìn)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(duì)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(qiáng)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(biāo)，并分別對(duì)于公路隧道入口段和出口段進(jìn)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(duì)高速公路隧道交通事故特點(diǎn)，在已有的公路隧道誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置案例分析與實(shí)驗(yàn)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(biāo)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(shí)利用視錯(cuò)覺指標(biāo)、視距視區(qū)指標(biāo)和疲勞指標(biāo)對(duì)誘導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)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(jìn)出口駕駛員“黑洞”與“白洞”效應(yīng)和隧道中部 “時(shí)空隧道”效應(yīng)，引發(fā)駕駛員視錯(cuò)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(fèi)和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)費(fèi)高，高速公路隧道視線誘導(dǎo)系統(tǒng)投入小，易于養(yǎng)護(hù)，可以實(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)高速公路隧道光環(huán)境低成本改善.