基于空間路權的高速公路隧道輪廓帶系統(tǒng)評價

黃婷，靳如平, 倪玉丹，杜志剛

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司, 貴州 貴陽 550000；2.武漢理工大學)

1 引言

根據(jù)《2020年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》權威發(fā)布：截止到2020年底，中國公路隧道為21 316處/2 199.93萬延m，比2019年末增加2 249處/303.27萬延m。中國是世界上公路隧道規(guī)模最大、數(shù)量最多、地質條件和結構形式最復雜、發(fā)展速度最快的國家。以貴州省為例，貴州地處崇山峻嶺，受地形限制，高速公路建設橋隧比大，截至2020年底，已建成高速公路7 606.919 km，貴州省高速公路共有隧道230.864/2 178座。受經濟、自然條件限制，高速公路運營過程中低照度、低流量、低養(yǎng)護現(xiàn)象長期存在，低照度隧道光環(huán)境常常誘發(fā)不良的視覺心理反應——隧道中部的“時空隧道”效應、隧道進出口的“白洞效應”與“黑洞效應”，駕駛人出現(xiàn)嚴重的視錯覺，對車速、車距、方向等發(fā)生較大誤判，導致超速、車距不足、視覺不適等現(xiàn)象，易誘發(fā)追尾、撞(側)墻的交通事故。

為了解決公路隧道照明節(jié)能與交通安全之間的矛盾，JTG D81—2017《公路交通安全設施設計規(guī)范》、JTG/T D81—2017《公路交通安全設施設計細則》中提出應該在隧道中設置視線誘導設施(突起路標、輪廓標、輪廓帶等)。杜志剛等研究表明，視線誘導設施能夠以低成本改善隧道光環(huán)境，預防事故的發(fā)生，但實際應用中存在視認性差、誘導性不足等問題；李海光等研究表明，反光環(huán)等設施有助于提升駕駛人對隧道入口的注意力和方向感；馬兆有等指出，現(xiàn)有公路隧道視線誘導系統(tǒng)的有效性缺乏評價研究。

公路隧道輪廓帶系統(tǒng)主要是由輪廓帶(含大反光環(huán)、小反光環(huán)、反光條、多點輪廓帶幾種形式)和突起路標、輪廓標等組成的用于誘導駕駛人視線、改善行車環(huán)境的綜合系統(tǒng)。輪廓帶系統(tǒng)能夠輔助照明，清晰勾勒隧道輪廓，提升駕駛人空間感，誘導效果好，尤其有利于大貨車駕駛人，同時能降低隧道照明用電量。近幾年，隨著蓄能自發(fā)光技術和逆反射材料的不斷創(chuàng)新發(fā)展，輪廓帶系統(tǒng)在中國貴州、浙江、江西、四川等地得到廣泛應用，但其布設理論依據(jù)不足，應用中較為混亂(表1)，主要問題如下。

表1 各規(guī)范、標準、指南中輪廓帶設施相關內容統(tǒng)計

(1)隧道輪廓帶種類較多，缺少統(tǒng)一的分類。輪廓帶主要是在構件的表面張貼反光膜的設施，安裝于隧道側壁，根據(jù)在隧道側壁的安裝范圍又可分為大反光環(huán)、小反光環(huán)、反光條3種。其中大反光環(huán)由隧道檢修道路面延伸至隧道洞頂；小反光環(huán)從距離檢修道底面約2 m的高度開始延伸至隧道洞頂；反光條則是由隧道檢修道路面沿側壁延伸3 m左右，不延伸至隧道頂部。在中國行業(yè)標準以及各地應用中其名稱、設置方案等極為混亂。

圖1 各規(guī)范、標準、指南中輪廓帶設施

(2)在實際工程案例中輪廓帶系統(tǒng)設置方案混淆雜亂，其誘導設施的種類、組合布設方案、設施間距及色彩等均存在顯著的差異，缺乏統(tǒng)一標準。

(3)實際工程中輪廓帶系統(tǒng)有效性缺乏評價方法。目前輪廓帶系統(tǒng)在高速公路隧道中應用廣泛，不少方案存在誘導信息設置間距不合理、位置過高等問題，進而導致駕駛人視距視區(qū)改善效果不佳、視覺負荷過大等一系列后果。

因此，亟需針對現(xiàn)在的隧道輪廓帶系統(tǒng)提出一種合理的評價體系，對于建立和優(yōu)化隧道視線誘導技術標準，提高隧道行車環(huán)境具有重要的意義。

2 高速公路隧道空間路權評價準則

空間路權是指道路交通主管部門為了提升道路使用效率、確保用路者的通行安全，根據(jù)道路交通工程與管理的原理，由道路交通法規(guī)、交通控制設施，在一定空間內，規(guī)范道路使用者使用道路的權利，是保障道路安全行車功能正常發(fā)揮的首要條件。

隧道空間路權，即在有通行路權的前提下，車輛可以合法行駛的長度(即距離)、寬度與高度，如圖2所示。但是，擁有路權不代表絕對安全，交通設施缺失、不明確或設置不當將會導致駕駛人對路權的困惑?？紤]到高速公路隧道相對普通道路有著特殊的行駛環(huán)境，更應提供給駕駛人良好的空間路權感知環(huán)境，主要要求有：

圖2 高速公路隧道內空間路權示意圖

(1)清晰明確。空間路權系統(tǒng)完整，需要向駕駛人提供清楚明確的車道信息(橫向)，防止行車軌跡偏移過大，造成交通沖突或碰撞側壁。同時給駕駛人提供明確的隧道內部輪廓信息(豎向)，防止車輛碰撞側壁或者超高碰撞洞頂。

(2)一致性。所有明確空間信息的視線誘導設施必須保持全路線(縱向，即行車方向)的連續(xù)性、一致性。

(3)給予駕駛人充足的視認-反應時間。必須保障所有誘導設施的可視性、誘導性以及與隧道環(huán)境的協(xié)調性。

因此高速公路隧道內誘導信息的設置應該為駕駛人提供清晰明確的空間路權，降低低照度環(huán)境下駕駛人對路權邊界及空間輪廓認知難度，使駕駛人能遵循誘導設施的指引安全行車。

3 基于空間路權的輪廓帶系統(tǒng)評價

3.1 評價體系及評價標準

空間路權評價主要針對高速公路隧道輪廓帶系統(tǒng)中的各類型設施在前進方向、豎向以及橫向空間位置的設置情況進行評價分析。黃靜研究發(fā)現(xiàn)：在隧道內行駛時駕駛人80%以上注視點分布在隧道的車道內，注視點主要分布在視野內右下方位置，且視認概率右下>左下>上方。因此，隧道內空間路權信息顯著度及重要度為道路邊線位置(右下)>檢修道路緣位置(右下)>隧道側壁位置(左下)>洞頂位置(上方)。依據(jù)路權信息顯著度及重要度等對指標進行排序，提出如圖3所示的空間路權評價體系，各評價指標對應的行車空間路權評價方法如表2所示。

圖3 高速公路隧道輪廓帶系統(tǒng)空間路權評價

表2 公路隧道輪廓帶系統(tǒng)空間路權評價標準

3.2 評價指標說明

3.2.1 橫向路權評價指標

(1)車道分界線(圖4)：雙排突起路標或雙白線的形式能避免并排車輛均接近道路邊線時發(fā)生碰撞危險，保障行車安全，同時突起路標逆反射系數(shù)優(yōu)于道路標線。故雙白線+雙排突起路標>單排突起路標+雙白線>突起路標+單白線(低照度條件)>雙白線>單白線。

圖4 車道分界線

(2)車道邊線：檢修道側壁輪廓標反光面積更大，設置位置更高，不易被遮擋，空間感更強。設置檢修道輪廓標加突起路標，可分隔出路側凈區(qū)，且逆反射系數(shù)高，路權更清晰，此為最佳方案(評價分級見表2)。

3.2.2 豎向路權評價指標

隧道輪廓誘導見圖5。

圖5 隧道輪廓誘導

(1)側壁輪廓：隧道內部交通事故主要為追尾和撞擊側壁，其中撞壁事故占20.1%。明確隧道的豎向路權旨在給駕駛人提供明確的隧道內部輪廓信息，防止車輛碰撞側壁，主要通過設置隧道輪廓帶實現(xiàn)，能勾勒隧道形狀，明確空間路權，提升空間感與方向感；與輪廓標、突起路標協(xié)同設置，能起到更好的效果。具體評價分級見表2。

(2)洞頂輪廓：高速公路隧道交通事故中的主要車型以小型客車和大型貨車為主。隧道內部光線昏暗，洞頂輪廓的凸顯有助于大貨車駕駛人明確隧道高度，同時便于后方被大貨車遮擋視線的車輛辨識前方車輛運行狀況。

3.2.3 縱向路權評價指標

(1)一致性：在考察行車道的縱向路權時，要求隧道及相鄰路段各種設施都應連續(xù)設置、成比例且無相互影響。具體評價分級見表2。

(2)差異性：研究表明，多頻率多尺度信息共同組合能改善駕駛人的視錯覺效應，使反應時間顯著縮短。輪廓帶系統(tǒng)應當使隧道內各部分具有顯著區(qū)分度，因此不同位置的誘導信息應當具備差異性，如隧道路面與檢修道、側壁及洞頂可分別采用點狀、條狀和環(huán)狀信息，具體評價分級見表2。

4 工程應用實例

貴州某高速公路隧道左右洞長度分別為4 060、4 048 m雙向四車道的分離式隧道，設計車速為80 km/h，改善前方案如表3和圖6所示。應當?shù)厮淼拦芾聿块T要求，對該隧道進行提質升級，并在隧道中以200 m的設置間距加裝反光環(huán)，改善后方案圖7所示。

表3 改善前隧道輪廓帶系統(tǒng)設置情況

圖6 改善前隧道無輪廓帶方案設置情況(單位:m)

圖7 改善后隧道輪廓帶系統(tǒng)設置情況(單位:m)

改善后該隧道內部輪廓信息通過反光環(huán)與側壁誘導標實現(xiàn)，但側壁誘導標與檢修道誘導標頻率無差異，且反光面積小，對于側壁輪廓誘導效果不佳。針對這一問題，將側壁輪廓標改為反光環(huán)，具體方案及設施信息如表4和圖8所示。通過視線誘導設施構成多頻率、多尺度信息系統(tǒng)。

表4 隧道輪廓帶系統(tǒng)推薦方案設置情況

圖8 隧道輪廓帶系統(tǒng)推薦方案設置情況(單位:m)

依據(jù)所提出的評價體系及評價標準對改善前的無輪廓帶方案(含突起路標、檢修道輪廓標、側壁輪廓標)、改善后大反光環(huán)方案(含突起路標、檢修道輪廓標、側壁輪廓標、大反光環(huán))及推薦的大反光環(huán)與反光條組合方案(含突起路標、檢修道輪廓標、大反光環(huán)、反光條)進行評價并匯總，結果見表5。

從圖6和表5可以看出：改善前該隧道為無輪廓帶方案，突起路標的設置可保障車道邊線清晰明辨。車道分界線為雙白線，在低照度隧道環(huán)境中辨識性較低，安全性不足。改善前側壁輪廓標無法凸顯隧道空間形狀，同時視線誘導設施設置連續(xù)但不協(xié)調，輪廓標過于集中于隧道底部，不利于路側及洞頂障礙物的發(fā)現(xiàn)及提醒，豎向及縱向路權不明確，改善前輪廓帶系統(tǒng)空間路權總體評價為C-級。

綜合圖7及表5可以看出：改善后的反光環(huán)方案，添加隧道側壁及洞頂輪廓參照信息，豎向路權由D級提升至A級。路側突起路標及輪廓標設置間距對齊，實現(xiàn)行車方向上誘導設施的連續(xù)與一致性，避免視線的突然性跳躍，一致性由C級提升為A級；由改善前單一高頻信息變?yōu)楦哳l與低頻信息結合，信息類型更加豐富，側壁與洞頂有差異，但是側壁與檢修道無顯著性差異，差異性由D級提升至C級。綜上所述，改善后輪廓帶系統(tǒng)空間路權為B+級。

表5 隧道輪廓帶系統(tǒng)改善前后及推薦方案評分情況

綜合圖8和表5可以看出：反光環(huán)與反光條結合在道路分界線上設置突起路標，提升了車道分界線的可視性，實現(xiàn)隧道斷面平順過渡，使車道分界線由最初的C級提升至A級；輪廓帶利用反光條替換改善方案中的側壁輪廓標，與反光環(huán)結合，視距范圍內可見輪廓信息增加，設置高度更加合理，較改善前后均有顯著提升，輪廓誘導效果更優(yōu)。誘導信息為高、中、低頻信息組合，大中小尺寸信息互補的綜合信息系統(tǒng)，推薦方案在可視性、連續(xù)性、導向性以及視覺調控方面均有較大提升，空間路權綜合評價為A級。

綜上所述，反光環(huán)與反光條以及其他視線誘導設施結合組成的輪廓帶系統(tǒng)更能明確空間信息，保障隧道空間路權的明確性、可視性及可辨認性。因此，推薦在高速公路隧道內部使用該方案。

5 結論

(1)提出了基于空間路權的高速公路隧道輪廓帶系統(tǒng)評價體系，在復雜的隧道安全系統(tǒng)中能反映隧道交通工程設施設置的合理性。該方法較為簡便，可操作性強，以貴州某高速公路隧道為實例，利用該評價體系對輪廓帶系統(tǒng)進行評價，為評估隧道輪廓帶系統(tǒng)的有效性提供了可靠依據(jù)。

(2)車道分界線建議采用雙排突起路標與雙白線的形式，與現(xiàn)有的單/雙白線相比，其表達的路權信息更加明確且視認效果更佳。

(3)現(xiàn)狀設置了輪廓帶的隧道往往也設置了高頻側壁輪廓標，與檢修道路緣的輪廓標在形狀、尺寸和間距方面均缺乏差異性?？v向視距范圍內很難辨識，容易混淆，導致空間路權不清晰，側壁輪廓標的輪廓誘導效果低于反光條誘導效果，建議不設置側壁輪廓標。

(4)在高速公路隧道中，反光環(huán)、反光條結合，與其他交通工程設施共同組成的輪廓帶系統(tǒng)其空間輪廓更好，路面及檢修道的點狀信息、側壁的條狀信息、洞頂?shù)沫h(huán)狀信息在形狀、尺寸、頻率上有顯著差異，能提供更明確的空間路權，推薦在高速公路隧道中采用該方案。