高速公路隧道視覺(jué)安全引導(dǎo)技術(shù)分析與應(yīng)用

王啟俊

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)電氣化工程有限公司,天津 130300）

1 概述

高速公路作為保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要命脈，發(fā)揮的作用巨大，公路隧道是修筑在地下或是山體中供汽車(chē)行駛的通道，是公路工程的重要組成部分[1]。公路隧道施工可有效縮短兩地之間的行車(chē)距離，對(duì)交通運(yùn)輸和城市發(fā)展都有積極的促進(jìn)作用。近些年，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路路網(wǎng)建設(shè)也在逐步完善。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近十年我國(guó)高速公路里程增長(zhǎng)一倍之多，截至2020年，總里程達(dá)15 萬(wàn)公里。隨著高速公路逐漸向山區(qū)延伸，由于山區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特殊性和復(fù)雜性，導(dǎo)致山區(qū)高速公路隧道不斷增多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年我國(guó)公路隧道數(shù)量為19 067 座，同比增長(zhǎng)7.5 %，隧道總長(zhǎng)度達(dá)到1 896.66 萬(wàn)米，同比增長(zhǎng)10%。我國(guó)已成為世界上隧道建設(shè)數(shù)量最多、里程最大的國(guó)家。

圖1 2010—2020年我國(guó)高速公路總里程及隧道數(shù)量統(tǒng)計(jì)

然而隨著隧道數(shù)量的增加，隧道引發(fā)的交通事故也相應(yīng)增多[2]。通常隧道路段不同于開(kāi)放性路段，其行車(chē)環(huán)境較為特殊，最典型的就是在白天和夜間行駛到隧道出入口時(shí)，由于受到隧道洞內(nèi)外光源類(lèi)型、明暗差異的影響，易產(chǎn)生“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”，給駕駛員視覺(jué)造成過(guò)度的負(fù)荷，導(dǎo)致操作失控，使得隧道出入口成為高隧道比路段的事故多發(fā)位置，占隧道區(qū)段事故的近60 %。

目前，我國(guó)高速公路隧道內(nèi)大多通過(guò)安裝LED燈具的方式來(lái)加強(qiáng)整個(gè)隧道內(nèi)的亮度，進(jìn)而減小隧道內(nèi)外的光線差異。LED燈具有使用壽命長(zhǎng)、顯色性好、易調(diào)控、光線利用率高及不含有害物質(zhì)等特點(diǎn)[3]，雖然通過(guò)安裝LED燈具可一定程度解決高速公路隧道出入口駕駛?cè)藛T視覺(jué)上出現(xiàn)過(guò)度的負(fù)荷問(wèn)題，但大量的LED燈具照明能耗巨大，易造成運(yùn)行成本增加，甚至?xí)斐伤淼篱_(kāi)燈率低等問(wèn)題。如何緩解隧道照明能耗和行車(chē)安全之間的矛盾，需要進(jìn)行相關(guān)研究。本文分析了隧道照明控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，進(jìn)行了一種高速公路隧道視覺(jué)安全引導(dǎo)裝置設(shè)計(jì)，相關(guān)研究可為高速公路隧道行車(chē)安全及高效運(yùn)營(yíng)提供依據(jù)。

2 隧道照明技術(shù)的發(fā)展

隧道照明系統(tǒng)是公路隧道建設(shè)工程的重要組成部分，隨著世界各國(guó)隧道工程的發(fā)展，隧道照明技術(shù)也得到了巨大進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外針對(duì)隧道照明技術(shù)的研究，具體發(fā)展可總結(jié)為三個(gè)階段。

2.1 起步階段。

早在20世紀(jì)50年代末，英國(guó)科學(xué)家WALDRAM針對(duì)駕駛員駛近隧道并從洞外看隧道內(nèi)時(shí)會(huì)造成視覺(jué)辨認(rèn)障礙物困難等問(wèn)題，提出了著名的“黑洞效應(yīng)”并闡述了其嚴(yán)重性，致使各國(guó)學(xué)者開(kāi)始致力于針對(duì)公路隧道照明技術(shù)的相關(guān)研究[4]。荷蘭學(xué)者SCHREUDER于20世紀(jì)60年代，根據(jù)洞內(nèi)外亮度變化差異，提出了隧道內(nèi)照明亮度的改變方法[5]，開(kāi)啟了針對(duì)隧道照明的智能化控制相關(guān)研究。

2.2 發(fā)展階段

到20世紀(jì)70年代初，隨著隧道照明理論的不斷完善，國(guó)際照明委員會(huì)（International Commission on Illumination，簡(jiǎn)稱(chēng)CIE）出版了第一版有關(guān)隧道安全照明的標(biāo)準(zhǔn)《隧道照明國(guó)際建議》，為隧道行車(chē)安全照明提供了相關(guān)的規(guī)定與建議。隨后，西方發(fā)達(dá)國(guó)家和國(guó)際照明委員會(huì)制定了不同類(lèi)型隧道照明系統(tǒng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，如《歐洲隧道照明指南》和《隧道照明指南》等相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則，使得隧道照明的設(shè)計(jì)和施工更為規(guī)范合理，一定程度減少了隧道交通事故。

2.3 完善階段

20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初，國(guó)際照明委員會(huì)分別對(duì)隧道照明安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了補(bǔ)充和修訂，至今，2004年修訂出版的《公路隧道和地下通道照明指南》CIE 88-2004一直作為國(guó)際隧道安全照明標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)中將隧道照明劃分為四個(gè)照明段：入口段、過(guò)渡段、中間段和出口段。每個(gè)照明段的劃分和照明（亮度）設(shè)計(jì)需要考慮隧道外的最大亮度、隧道設(shè)計(jì)的最大車(chē)流量和車(chē)速等因素[6]。我國(guó)針對(duì)隧道照明技術(shù)相關(guān)研究起步較晚，理論技術(shù)相對(duì)落后，1990年，我國(guó)頒布了首部包含隧道照明規(guī)定和公路隧道設(shè)計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ026-90，其后多次進(jìn)行了規(guī)范的補(bǔ)充和修訂。2014年我國(guó)又發(fā)布了《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/T D70/2-01-2014，對(duì)我國(guó)隧道照明的設(shè)計(jì)起到了極大的指導(dǎo)作用。近些年，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，隧道照明技術(shù)，特別是隧道照明的節(jié)能高效設(shè)計(jì)方面也得到了較大發(fā)展。

當(dāng)前高速公路隧道照明系統(tǒng)主要采用LED照明技術(shù)，LED燈具有體積小、節(jié)能效果良好、壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。高速公路隧道照明系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)一般包括兩種：一種為全部改造為L(zhǎng)ED燈；另一種采用LED燈與高壓鈉燈的組合，通過(guò)LED燈來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道的基本照明，然后采用高壓鈉燈來(lái)實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)照明[7]。如今，公路隧道照明技術(shù)總體朝著數(shù)字化、智能化和人性化的方向發(fā)展[8]，特別是隨著通信工程、材料學(xué)、光學(xué)、熱工學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電氣工程與自動(dòng)化控制、軟件工程、微電子與固體電子學(xué)及半導(dǎo)體照明等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，公路隧道照明技術(shù)也必將會(huì)迎來(lái)新的發(fā)展和突破。

3 隧道視覺(jué)安全引導(dǎo)裝置設(shè)計(jì)

目前高速公路隧道指引裝置通常采用反光條粘貼于隧道內(nèi)部，然后通過(guò)行駛車(chē)輛的燈光照射產(chǎn)生反光，進(jìn)而視覺(jué)引導(dǎo)車(chē)輛行駛，這種反光條雖然使用方便，但是其反光的強(qiáng)弱程度不夠均勻，對(duì)車(chē)輛視覺(jué)引導(dǎo)的效果不夠顯著，因此有必要設(shè)計(jì)一種更有效的視覺(jué)引導(dǎo)的隧道指引裝置。雖然高速公路隧道通過(guò)安裝LED燈具一定程度解決了“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”，但大量的LED燈具照明能耗巨大，易造成運(yùn)行成本增加，甚至?xí)斐筛咚俟匪淼篱_(kāi)燈率低等問(wèn)題[9-10]，因此有必要設(shè)計(jì)一種更經(jīng)濟(jì)高效的視覺(jué)引導(dǎo)照明裝置。

3.1 高速公路隧道指引裝置設(shè)計(jì)

高速公路隧道指引裝置設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示，裝置部件主要包括光敏傳感器、固定框架、LED燈組、微處理器、PVC透明蓋板、引導(dǎo)箭頭標(biāo)識(shí)（表面涂抹有熒光涂料）、反光條、支柱及底座板等。首先將裝置的LED燈組與外界電源連接，當(dāng)隧道內(nèi)部光線變暗時(shí)，光敏傳感器會(huì)感應(yīng)光信號(hào)進(jìn)而產(chǎn)生電信號(hào)，通過(guò)導(dǎo)線將其傳遞到下部微處理器中，微處理器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析處理，進(jìn)而產(chǎn)生控制指令，控制LED燈組進(jìn)行通電發(fā)亮；LED燈組產(chǎn)生的光照射到PVC透明板上，將PVC透明板表面的引導(dǎo)箭頭標(biāo)識(shí)照亮，進(jìn)而對(duì)車(chē)輛進(jìn)行視覺(jué)上的引導(dǎo)指示。通過(guò)將該裝置等距固定于高速公路隧道內(nèi)部的路沿上，能有效提高高速公路隧道視覺(jué)引導(dǎo)效果。

圖2 高速公路隧道指引裝置設(shè)計(jì)示意圖

3.2 高速公路隧道視覺(jué)引導(dǎo)照明裝置設(shè)計(jì)

高速公路隧道視覺(jué)引導(dǎo)照明裝置設(shè)計(jì)如圖3所示。隧道本體內(nèi)的LED燈與電源連接，可為隧道內(nèi)提供光線，在隧道本體左右兩側(cè)的引道上增設(shè)遮光板，根據(jù)晴雨天光線的強(qiáng)弱，對(duì)遮光板進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體為：導(dǎo)向電機(jī)啟動(dòng)→帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)→蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)→轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)→齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)→帶動(dòng)齒牙轉(zhuǎn)動(dòng)→導(dǎo)向塊移動(dòng)→遮光板轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)光線過(guò)強(qiáng)時(shí)，通過(guò)導(dǎo)向電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使前后兩個(gè)遮光板均向中間轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)太陽(yáng)光線起到遮擋作用；當(dāng)陰雨天光線較弱時(shí)，導(dǎo)向電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使兩個(gè)遮光板分別向前后兩側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，太陽(yáng)光線從兩個(gè)遮光板間隙內(nèi)射引進(jìn)道內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)間隙的大小可控制引道內(nèi)的光亮程度，根據(jù)太陽(yáng)光線的不同，對(duì)前后兩個(gè)遮光板進(jìn)行調(diào)節(jié)，可使駕駛?cè)藛T在行駛進(jìn)出隧道本體時(shí)，提高其視覺(jué)的舒適度，有效抑制眩光；另外，在遇到下雨天時(shí)，通過(guò)位于遮光板后側(cè)的擋水板可有效防止雨水順著遮光板流入支撐架內(nèi)部而降低支撐架的使用壽命。高速公路隧道視覺(jué)引導(dǎo)照明裝置設(shè)計(jì)可為緩解隧道照明能耗和行車(chē)安全之間的矛盾提供依據(jù)[11]。

圖3 高速公路隧道視覺(jué)引導(dǎo)照明裝置設(shè)計(jì)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)高速公路隧道建設(shè)的飛速發(fā)展，隧道照明需求會(huì)越來(lái)越大，隧道照明的設(shè)計(jì)優(yōu)化是一項(xiàng)重要課題，既要確保行車(chē)安全又要盡量降低照明能耗。本文分析了國(guó)內(nèi)外照明技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并將其劃分為三個(gè)階段：起步階段、發(fā)展階段及完善階段。國(guó)內(nèi)隧道照明技術(shù)起步晚但發(fā)展迅速，未來(lái)隧道照明技術(shù)會(huì)繼續(xù)朝著數(shù)字化、智能化和人性化的方向發(fā)展。針對(duì)目前高速公路隧道指引裝置及LED燈照明現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了高速公路隧道指引裝置和隧道視覺(jué)引導(dǎo)照明裝置，可有效提高高速公路隧道視覺(jué)引導(dǎo)效果，降低高速公路隧道交通事故發(fā)生率，可為高速公路隧道照明和引導(dǎo)設(shè)計(jì)提供參考。