逆反射系統(tǒng)在高速公路隧道中的應(yīng)用研究*

黃 婷 杜志剛 牟星宇 蒙 磊

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550000; 2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

貴州是一個(gè)多山的地區(qū)，高速公路中隧道占公路總比重較大，甚至特殊情況時(shí)橋隧所占比例達(dá)到70%～80%，隨著公路建設(shè)的發(fā)展，公路隧道建設(shè)與日俱增[1]。公路隧道是公路上能耗最大的系統(tǒng)之一，其照明系統(tǒng)全天運(yùn)行[2]。

本文通過(guò)逆反射設(shè)施，結(jié)合駕駛?cè)说囊曈X(jué)特性和視覺(jué)需求，構(gòu)建高速公路隧道內(nèi)部逆反射系統(tǒng)，對(duì)隧道進(jìn)行輔助照明與視線(xiàn)誘導(dǎo)，通過(guò)依托工程開(kāi)展推廣應(yīng)用和工程示范。本項(xiàng)目依托工程為織普高速公路雙山隧道，項(xiàng)目于2018年8月31日建成通車(chē)。

1 雙山隧道運(yùn)營(yíng)照明現(xiàn)狀

織普高速雙山隧道為雙向四車(chē)道的分離式隧道，限速80 km/h，隧道長(zhǎng)1 250 m?；菊彰?含應(yīng)急照明)采用30 W大功率LED燈兩側(cè)交錯(cuò)與對(duì)稱(chēng)布置在隧道兩側(cè)壁上；加強(qiáng)照明段輔以100 W、50 W、30 W大功率LED燈照明，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)與交錯(cuò)布置在隧道兩側(cè)壁上。

2 雙山隧道逆反射系統(tǒng)應(yīng)用

目前隧道設(shè)置的反光環(huán)間距無(wú)明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，僅通過(guò)人們以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定其設(shè)置參數(shù)，缺乏安全性考慮，不能夠做到充分利用間距變換改善駕駛?cè)艘曈X(jué)環(huán)境及心理環(huán)境。鑒于此，本項(xiàng)目在進(jìn)行大量理論分析的基礎(chǔ)上，以雙山隧道為依托，對(duì)隧道反光環(huán)設(shè)置過(guò)程中其間距對(duì)駕駛?cè)藙?dòng)態(tài)視覺(jué)及心理狀態(tài)的影響情況進(jìn)行研究，為構(gòu)建舒適型視覺(jué)參照系[3-4]進(jìn)行逆反射系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 逆反射系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于隧道視覺(jué)參照系相關(guān)研究[5-6]，可將小尺度高頻率、中尺度中頻率、大尺度小頻率等信息組合設(shè)置。誘導(dǎo)信息應(yīng)盡量對(duì)稱(chēng)，避免對(duì)駕駛?cè)水a(chǎn)生不良的方向誘導(dǎo)。改善思路見(jiàn)表1。

表1 四方洞隧道逆反射系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 m

2.1.1出入口段逆反射系統(tǒng)設(shè)置方法

入口段(ZK39+810-ZK38+920)：考慮燈具布置是從隧道進(jìn)口10 m處開(kāi)始，故反光環(huán)設(shè)置點(diǎn)為ZK39+810，ZK39+860，ZK39+910，共3個(gè)反光環(huán)。在隧道電纜溝側(cè)壁上左、右對(duì)稱(chēng)設(shè)置LED誘導(dǎo)燈(12.5 m/道)，在左、右行車(chē)道外設(shè)置貓眼道釘，12.5 m/道。視覺(jué)平面上參照點(diǎn)數(shù)量為6個(gè)，信息設(shè)置頻率為低頻∶高頻=1∶4。

出口段(ZK38+750～ZK38+810)：反光環(huán)設(shè)置點(diǎn)在ZK38+760、ZK38+810、ZK39+910，設(shè)置方法與入口段一致。

2.1.2過(guò)渡段逆反射系統(tǒng)設(shè)置方法

為實(shí)現(xiàn)反光環(huán)間距的逐步過(guò)渡，緩解隧道暗適應(yīng)問(wèn)題，為駕駛?cè)诵熊?chē)提供最低亮度，提升速度感、距離感、方向感、舒適感，反光環(huán)為100～400 m/道(按200→300→400→300→200→100 m進(jìn)行設(shè)置)；應(yīng)急誘導(dǎo)燈(局部方向感)；路緣LED輪廓標(biāo)、突起路標(biāo)(速度感)均為12.5 m/道，并設(shè)置彩色反光環(huán)區(qū)域。過(guò)渡段逆反射系統(tǒng)示意見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 過(guò)渡段布置示意圖

圖2 過(guò)渡段逆反射系統(tǒng)側(cè)面圖(單位：m)

圖3 過(guò)渡段逆反射系統(tǒng)平面圖(單位：m)

2.1.3中間段逆反射系統(tǒng)設(shè)置方法

雙山中間段為ZK38+825-ZK39+610路段，由于雙山隧道屬于長(zhǎng)隧道，設(shè)置彩色反光環(huán)區(qū)作為提醒段。受隧道長(zhǎng)度限制，對(duì)提醒段長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，以500 m為間隔進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)2次提醒達(dá)到喚醒駕駛?cè)俗⒁饬Φ哪康?。反光環(huán)設(shè)置間距為200 m/道，顏色為白、綠相間，分別設(shè)置于ZK39+410、ZK39+210 、ZK39+010處，兩道反光環(huán)之間以50 m間距設(shè)置反光條，顏色與反光環(huán)一致。貓眼道釘設(shè)置12.5 m/道，在電纜溝側(cè)壁上設(shè)置LED誘導(dǎo)燈12.5 m/道(橫向上與貓眼道釘在同一斷面)。

2.2 室內(nèi)驗(yàn)證

2.2.1實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景由標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景和對(duì)比場(chǎng)景構(gòu)成，具體參數(shù)參照J(rèn)TG D20-2017 《公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]、JTG D70-2004 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]及JTG D70/2-01-2014 《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》[9]的規(guī)定選取。

2.2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

研究基于3Ds Max和E-prime軟件，開(kāi)展室內(nèi)仿真實(shí)驗(yàn)，反光環(huán)在隧道彎道路段可見(jiàn)區(qū)域內(nèi)的可見(jiàn)個(gè)數(shù)對(duì)駕駛?cè)藦澋厘e(cuò)覺(jué)程度的影響規(guī)律，通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論。

1) 針對(duì)隧道彎道路段駕駛?cè)说膹澋厘e(cuò)覺(jué)效應(yīng)，通過(guò)反光環(huán)可以一定程度緩解駕駛?cè)说膹澋厘e(cuò)覺(jué)效應(yīng)。彎道錯(cuò)覺(jué)程度與半徑之間的趨勢(shì)見(jiàn)圖4，實(shí)驗(yàn)隧道中雙山隧道可以保障全路線(xiàn)反光環(huán)可見(jiàn)數(shù)目為3個(gè)，彎道錯(cuò)覺(jué)程度與反光環(huán)可見(jiàn)個(gè)數(shù)間的趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖4 彎道錯(cuò)覺(jué)程度與半徑之間的趨勢(shì)

圖5 彎道錯(cuò)覺(jué)程度與反光環(huán)可見(jiàn)個(gè)數(shù)間的趨勢(shì)

2) 基于雙因素法分析可得，在布設(shè)反光環(huán)的場(chǎng)景中，駕駛?cè)说膹澋厘e(cuò)覺(jué)程度與彎道半徑之間不具有顯著因素，而反光環(huán)的可見(jiàn)個(gè)數(shù)對(duì)駕駛?cè)说膹澋厘e(cuò)覺(jué)程度具有顯著影響。彎道半徑和可見(jiàn)個(gè)數(shù)兩者之間的交互作用對(duì)駕駛?cè)说膹澋厘e(cuò)覺(jué)程度不具有顯著影響。

2.3 室外驗(yàn)證

開(kāi)展室外實(shí)驗(yàn)的目的是通過(guò)駕駛?cè)嗽谠O(shè)置逆反射系統(tǒng)的隧道及僅設(shè)置照明系統(tǒng)的隧道進(jìn)行實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)，采集各隧道路段行駛時(shí)駕駛?cè)说难蹌?dòng)特征數(shù)據(jù)，分析駕駛?cè)说囊暰嘁晠^(qū)、注視特征、瞳孔面積等眼動(dòng)特征變化規(guī)律，以期探究逆反射系統(tǒng)設(shè)置的效果。

2.3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集使用Dikablis Pro頭戴式眼動(dòng)儀。

2.3.2視距視區(qū)

為了更精確地說(shuō)明駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)的分布范圍，采用駕駛?cè)艘暳沁M(jìn)行說(shuō)明。駕駛?cè)讼噜?次注視行為之間掃視的幅度稱(chēng)為掃視距離，掃視距離的50%分位數(shù)(中位數(shù))稱(chēng)之為視力角。當(dāng)駕駛?cè)藪咭暯嵌仍酱螅暳窃酱?，則視點(diǎn)平面分布區(qū)域越大，其視認(rèn)效果越好[10-11]。

通過(guò)選取設(shè)有逆反射系統(tǒng)的隧道(雙山隧道)與只有燈光照明的隧道(普通隧道)的駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制不同類(lèi)型隧道的不同區(qū)域駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)位置，見(jiàn)圖6、圖7。同時(shí)，采用詢(xún)問(wèn)法，調(diào)查駕駛?cè)丝梢?jiàn)輪廓帶的數(shù)量，從側(cè)面反映出可視距離的遠(yuǎn)近。

圖6 雙山隧道駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)分布

圖7 貴州省某普通隧道注視點(diǎn)分布

對(duì)雙山隧道等駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)分布進(jìn)行分析可知。

1) 視區(qū)方面，設(shè)置逆反射系統(tǒng)后，隧道各分段的駕駛?cè)艘暳蔷兴鶞p小，雙山隧道中間段駕駛?cè)艘暳潜荣F州省內(nèi)其他普通隧道明顯更大，說(shuō)明雙山隧道逆反射系統(tǒng)注視點(diǎn)分布更廣，視區(qū)更大能增大駕駛?cè)说囊曊J(rèn)范圍，提升隧道的視認(rèn)效果。

2) 在視距方面，不同隧道環(huán)境每個(gè)分段區(qū)域下駕駛?cè)说目梢暰嚯x為：雙山隧道>貴州省內(nèi)其他普通隧道，在近光燈條件下雙山隧道最遠(yuǎn)可見(jiàn)距離為291 m，遠(yuǎn)光燈時(shí)為590 m，表明駕駛?cè)嗽陔p山隧道各區(qū)域的可視距離更遠(yuǎn)，隧道內(nèi)行車(chē)時(shí)線(xiàn)形誘導(dǎo)性更強(qiáng)。

3) 綜合上述可得，設(shè)置逆反射系統(tǒng)比未設(shè)置條件下駕駛?cè)艘暳怯兴档?，有效地提升了隧道視認(rèn)效果，緩解駕駛?cè)说男睦砭o張程度，改善隧道內(nèi)視覺(jué)環(huán)境。

2.3.3瞳孔面積變動(dòng)穩(wěn)定性

駕駛?cè)嗽谒淼绤^(qū)域行駛時(shí)的瞳孔面積與隧道區(qū)域的照度、亮度值等有直接的關(guān)系，駕駛?cè)送酌娣e越穩(wěn)定，駕駛?cè)说囊曈X(jué)負(fù)荷和駕駛負(fù)荷就越低。

隧道內(nèi)駕駛?cè)送字睆脚c面積見(jiàn)表2、表3。

表2 隧道內(nèi)駕駛?cè)送字睆脚c面積值

表3 貴州某普通隧道內(nèi)駕駛?cè)送字睆脚c面積值

通過(guò)對(duì)比貴州省內(nèi)其他普通隧道內(nèi)駕駛?cè)送酌娣e變動(dòng)情況，可以得出如下結(jié)論。

1) 在隧道入口段，逆反射系統(tǒng)下駕駛?cè)说耐酌娣e顯著大于燈光照明下的瞳孔面積(P=0)；逆反射系統(tǒng)下，駕駛?cè)说耐酌娣e只有輕微的“視覺(jué)震蕩”。

2) 雙山隧道駕駛?cè)送字睆脚c面積比貴州其他普通隧道的更小，表明雙山隧道的逆反射系統(tǒng)比貴州普通隧道逆反射系統(tǒng)效果更好。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究逆反射設(shè)施，結(jié)合駕駛?cè)说囊曈X(jué)特性和視覺(jué)需求，構(gòu)建高速公路隧道內(nèi)部逆反射系統(tǒng)，應(yīng)用于貴州織普高速公路雙山隧道，并通過(guò)室內(nèi)、室外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到結(jié)論如下：

1) 通過(guò)室內(nèi)仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)反光環(huán)可以一定程度緩解駕駛?cè)说膹澋厘e(cuò)覺(jué)效應(yīng)。當(dāng)彎道路段可見(jiàn)反光環(huán)的個(gè)數(shù)為3個(gè)時(shí)，具有良好的誘導(dǎo)效果，(不同半徑下的彎道錯(cuò)覺(jué)程度均小于5%)。

2) 通過(guò)對(duì)逆反射系統(tǒng)及照明系統(tǒng)典型隧道進(jìn)行眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，設(shè)置逆反射系統(tǒng)的隧道在駕駛?cè)说囊暰嘁晠^(qū)及瞳孔變動(dòng)方面優(yōu)于僅設(shè)置照明系統(tǒng)的隧道；同時(shí)雙山隧道逆反射系統(tǒng)改善效果優(yōu)于貴州省內(nèi)其他普通公路隧道逆反射系統(tǒng)。

3) 本實(shí)用工況表明逆反射系統(tǒng)對(duì)高速公路隧道中部視錯(cuò)覺(jué)及視距視區(qū)具有很好的改善效果，可有效提高駕駛?cè)说乃俣雀兄芰途嚯x感知能力，緩解視錯(cuò)覺(jué)效應(yīng)，提升視距、擴(kuò)大視區(qū)，有利于提高駕駛?cè)嗽诟咚俟匪淼赖男熊?chē)安全性。