基于安全提升的公路隧道涂層墻面標(biāo)設(shè)計(jì)方法研究

趙戰(zhàn)偉， 史玲娜， 涂 耘， 楊 嘉， 吳金鎖， 唐海兵， 楚嘉文

(1.重慶渝黔高速公路有限公司， 重慶 401336； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067；3.自動(dòng)駕駛技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心， 重慶 400067)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展和品質(zhì)化工程要求的提升，對(duì)公路隧道安全運(yùn)營品質(zhì)要求越來越高。2019年初，交通運(yùn)輸部下達(dá)公路隧道提質(zhì)升級(jí)行動(dòng)通知，并編制了專門的行動(dòng)指南，以促進(jìn)我國公路隧道提質(zhì)增效[1]。2018年重慶市率先開展了公路隧道照明品質(zhì)提升工程，為我國公路隧道安全與節(jié)能提質(zhì)升級(jí)積累了成功經(jīng)驗(yàn)[2-3]。

目前，我國公路隧道照明提質(zhì)升級(jí)主要以采用高光效燈具替換原低光效、高光衰燈具為主要技術(shù)措施，并結(jié)合采用智能化節(jié)能控制技術(shù)，以達(dá)到照明品質(zhì)提升效果[4-6]?！豆匪淼涝O(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D70/2-01—2014)中明確提出路面兩側(cè)2 m高范圍內(nèi)宜鋪設(shè)反射率高的材料[7]。此外，交通運(yùn)輸部在《公路隧道提質(zhì)升級(jí)行動(dòng)指南》指出可通過在隧道內(nèi)側(cè)壁敷設(shè)反光材料，以達(dá)到較好的路面亮度均勻度[8]。美國隧道照明規(guī)范ANSI/IESNA RP22-11也指出，建議選擇易維護(hù)、高反射率、非鏡面反射且初始反射率至少為50%的墻面材料[9]。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，近些年科技工作者利用新型材料優(yōu)點(diǎn)開展了對(duì)隧道照明品質(zhì)提升方面的研究，如劉杰君、劉松榮等[10-11]研究了隧道亮化涂裝因提高路面亮度和目標(biāo)物辨識(shí)度對(duì)照明的提升作用，并將研究成果納入《隧道照明質(zhì)量評(píng)價(jià)規(guī)程》(TCECS G：F73-01—2021)；梁波等[12-13]研究了材料對(duì)隧道行車視覺功效和小目標(biāo)可見度的影響；馮守中等[14-15]從材料工藝等方面研究了可用于隧道新型亮化材料的制備及性能測(cè)試，并根據(jù)材料的發(fā)光持續(xù)時(shí)間提出對(duì)應(yīng)急情況下照明的補(bǔ)充作用；董元帥等[16]研究了將亮化材料用于路面標(biāo)線的材料配伍性研究，以提高公路交通安全性。

隧道內(nèi)行車安全性與駕乘人員對(duì)隧道信息的辨識(shí)度直接有關(guān)，目前有關(guān)隧道涂裝的研究多以整體環(huán)境亮化對(duì)車輛的辨識(shí)性和停車視距的增加為主，但在緊急情況下還應(yīng)突出如圖1所示的重點(diǎn)逃生通道以及緊急避險(xiǎn)區(qū)域的高清辨識(shí)性。為此，本文利用新型材料的亮化耐污易清潔的優(yōu)勢(shì)，以滿足應(yīng)急情況下遠(yuǎn)距離辨識(shí)度為前提，研究亮化涂層原理、設(shè)計(jì)方法、實(shí)施技術(shù)要點(diǎn)對(duì)洞內(nèi)標(biāo)志安全辨識(shí)的促進(jìn)作用，并通過工程實(shí)施效果測(cè)試與事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出該安全提升墻面涂層標(biāo)志實(shí)施的有效性。

圖1 現(xiàn)有隧道標(biāo)志在遠(yuǎn)距離難以辨識(shí)

1 隧道安全提升墻面標(biāo)設(shè)計(jì)

1.1 安全辨識(shí)提升墻面標(biāo)設(shè)計(jì)原理

根據(jù)隧道行車視覺安全辨識(shí)性需求，駕乘人員在緊急情況下的應(yīng)急措施及效率受停車視距、逃生或避險(xiǎn)信息的易辨識(shí)性和應(yīng)急處置信息的明確性等因素影響。

1) 停車視距

根據(jù)道路行車生理及行為學(xué)理論，駕乘人員在緊急情況下停車所需的最短距離即停車視距S近似由下式表示：

(1)

式中：v表示設(shè)計(jì)車速；f表示路面摩擦力。即停車視距由反應(yīng)距離和制動(dòng)距離構(gòu)成。

在緊急情況下，駕駛員能在障礙物之前停住作為安全臨界點(diǎn)，即駕駛員應(yīng)能在停車視距處辨識(shí)標(biāo)志信息和突發(fā)緊急情況并作出安全反應(yīng)。

2) 信息可辨識(shí)性

在緊急情況下，駕乘人員需在至少1倍停車視距處辨識(shí)出前方標(biāo)志的信息，以便作出正確的逃生或避險(xiǎn)反應(yīng)，包括標(biāo)志內(nèi)容、標(biāo)志信息指明的事件處置方式，以及在低可見度下信息的可辨識(shí)性。因此，利用亮化涂裝實(shí)施方式的多樣性，可根據(jù)人眼辨識(shí)性特點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的安全逃生與警示墻面標(biāo)的尺寸、形式、色彩以及發(fā)光特性，以滿足遠(yuǎn)距離緊急情況下的安全處置需求。

3) 小目標(biāo)可見度

為保證緊急情況下駕乘人員對(duì)墻面標(biāo)的辨識(shí)，采用的墻面標(biāo)材料反射率和自發(fā)光特性應(yīng)與背景材料不同，并滿足墻面標(biāo)的小目標(biāo)可見度辨識(shí)度要求，IESNA[9]規(guī)定小目標(biāo)可見度(STV)由下式計(jì)算：

(2)

式中：VL表示視度，由式(3)計(jì)算。

(3)

式中：ΔLactual為物體與背景實(shí)際亮度差絕對(duì)值；ΔLthreshold為閾值亮度差。

本文所述目標(biāo)物為墻面標(biāo)，故采用Lipinski方法，即用真實(shí)物體代替目標(biāo)視板進(jìn)行小目標(biāo)可見度評(píng)價(jià)的方法[17]，STV越高，則墻面標(biāo)的可視度越好。

4) 設(shè)計(jì)原理

由于駕駛員觀察墻面標(biāo)的視角與觀察隧道立面標(biāo)志，在《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第二冊(cè) 交通工程與附屬設(shè)施》(JTG D70/2—2014)所規(guī)定的人行/車行橫通道和緊急停車帶等標(biāo)志的視角不同，但要求一致，均需在行車方向上至少1倍停車視距處滿足人眼最小分辨角要求，因此，滿足隧道行車視覺辨識(shí)需求和小目標(biāo)可見度的涂層墻面標(biāo)設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 涂層墻面標(biāo)設(shè)計(jì)原理

圖2中，墻面標(biāo)的L和W表示駕乘人員以v的車速行駛時(shí)，在1倍停車視距處能辨識(shí)出標(biāo)志內(nèi)容及信息的最小縱向(長(zhǎng))及豎向(寬)尺寸，根據(jù)視覺辨識(shí)性要求，該尺寸應(yīng)滿足下述關(guān)系：

(4)

(5)

式中：w表示單個(gè)車道的寬度；α和β表示人眼在豎向和縱向的最小分辨角，均為1。根據(jù)行車視覺舒適性要求，隧道側(cè)壁有涂裝時(shí)，墻面標(biāo)志的中心高度應(yīng)與涂裝區(qū)域中心高度一致。

由式(4)、式(5)可得不同設(shè)計(jì)車速下可辨識(shí)墻面標(biāo)信息時(shí)所需的縱向(L)與豎向尺寸(W)，如圖3所示。

圖3 可辨識(shí)墻面標(biāo)與設(shè)計(jì)車速的關(guān)系

由圖3可見，當(dāng)駕駛員以不同車速行駛時(shí)，要滿足對(duì)墻面標(biāo)信息的辨識(shí)效果，具有信息內(nèi)容的標(biāo)志尺寸應(yīng)隨著車速的增加而增大，帶有文字信息的標(biāo)志，其尺寸表示單個(gè)文字的尺寸，僅為圖形的標(biāo)志，其尺寸表示單個(gè)圖形的標(biāo)志；當(dāng)整個(gè)標(biāo)志中帶有多個(gè)圖案或文字時(shí)，每個(gè)或重點(diǎn)需辨識(shí)的單個(gè)圖案均需滿足上述尺寸關(guān)系。如當(dāng)隧道行車速度為80 km/h時(shí)，離駕駛員最近的圖案在縱向方向的長(zhǎng)度應(yīng)為1.7 m，進(jìn)而相鄰圖案的縱向距離依次應(yīng)為1.8 m、2 m等，如圖4(a)所示。為便于工程設(shè)計(jì)和實(shí)施，亦可以將同一墻面標(biāo)的同類圖案按同一尺寸設(shè)計(jì)，此時(shí)，每個(gè)圖案尺寸應(yīng)以能辨識(shí)最遠(yuǎn)端的圖案信息作為設(shè)計(jì)依據(jù)，如圖4(b)所示。2種模式下，沿駕駛員行車方向所看到的墻面標(biāo)信息如圖5所示。

(a) 滿足辨識(shí)需求的不等大尺寸墻面標(biāo)志

(b) 滿足辨識(shí)需求的等大尺寸墻面標(biāo)志

1.2 安全辨識(shí)提升墻面標(biāo)形式設(shè)計(jì)

根據(jù)1.1節(jié)的設(shè)計(jì)原理，結(jié)合隧道緊急情況下逃生和避險(xiǎn)的信息辨識(shí)需求，按時(shí)速80 km分別設(shè)計(jì)了易于駕乘人員辨識(shí)的人行橫通道逃生信息墻面標(biāo)、緊急停車帶加強(qiáng)誘導(dǎo)墻面標(biāo)和長(zhǎng)大隧道位置分區(qū)墻面標(biāo)，如圖6～圖8所示。

(a) 不等大尺寸墻面標(biāo)所見效果

(b) 等大尺寸墻面標(biāo)所見效果

圖6 人行橫通道逃生引導(dǎo)加強(qiáng)警示墻面標(biāo)

圖7 緊急停車帶避險(xiǎn)引導(dǎo)加強(qiáng)警示墻面標(biāo)

圖8 隧道位置分區(qū)墻面標(biāo)

該設(shè)計(jì)考慮到施工的便利性，同一墻面標(biāo)中同一類圖案采用相同尺寸及對(duì)稱設(shè)計(jì)方案，并以最遠(yuǎn)端圖案能辨識(shí)作為設(shè)計(jì)尺寸，在時(shí)速80 km下，每個(gè)墻面標(biāo)的設(shè)計(jì)尺寸如表1所示。同時(shí)，為提高安全辨識(shí)墻面標(biāo)在突發(fā)緊急情況下的易辨識(shí)性，設(shè)計(jì)中將具備方向引導(dǎo)和重點(diǎn)信息文字可用蓄能發(fā)光材料進(jìn)行涂設(shè)，在突發(fā)應(yīng)急情況下，該區(qū)域標(biāo)志可發(fā)出不低于3 cd/m2的亮度，并在濃煙情況下具備較強(qiáng)的穿透性，可為突發(fā)緊急狀態(tài)下的逃生和避險(xiǎn)起到明顯的視覺引導(dǎo)作用。

表1 滿足辨識(shí)需要的墻面標(biāo)信息尺寸要求(v=80 km/h) m

2 隧道涂層墻面標(biāo)效果測(cè)試

2.1 工程實(shí)施

根據(jù)上述安全提升涂層墻面標(biāo)志設(shè)計(jì)原理和方法，將研究成果用于重慶石渝高速隧道品質(zhì)提升改造，結(jié)合整體性亮化提升設(shè)計(jì)，在人行橫通道門兩側(cè)和緊急停車帶靠近行車方向涂設(shè)如圖6、圖7所示墻面標(biāo)，并在隧道左側(cè)墻面以200 m為間距涂設(shè)如圖8所示位置分區(qū)及緊急電話信息墻面標(biāo)，每個(gè)墻面標(biāo)內(nèi)的圖案信息滿足表1所示的尺寸要求，具體實(shí)施前后效果如圖9、圖10所示。

2.2 安全提升效果

1) 辨識(shí)距離測(cè)試

為比較該安全提升墻面標(biāo)對(duì)駕駛員的安全辨識(shí)作用，試驗(yàn)隨機(jī)抽查9名駕駛?cè)藛T以相同行車速度經(jīng)過設(shè)有墻面標(biāo)的隧道與未設(shè)有墻面標(biāo)的隧道，試驗(yàn)中駕駛員均佩戴SMI ETGTM 眼鏡式眼動(dòng)儀，試驗(yàn)隧道和對(duì)比隧道的照明亮度一致。實(shí)際記錄駕駛員能辨識(shí)該區(qū)域位置及信息的最遠(yuǎn)距離如圖11所示。

(a) 實(shí)施前

(b) 實(shí)施后

(a) 實(shí)施前

(b) 實(shí)施后

圖11 有無墻面標(biāo)的辨識(shí)距離

由圖11所見，在相同亮度水平下，駕駛?cè)藛T經(jīng)過設(shè)置有墻面標(biāo)的隧道時(shí)，對(duì)人行橫通道和緊急停車帶的辨識(shí)距離明顯高于未設(shè)置墻面標(biāo)的隧道達(dá)50%左右，并且通過駕駛?cè)藛T的主觀反饋，駕駛員經(jīng)過設(shè)有墻面標(biāo)的隧道時(shí)，不僅能提前清晰辨識(shí)出這些區(qū)域的位置，更能辨識(shí)出這些標(biāo)志所指示的含義，可以在緊急情況下第一時(shí)間獲取正確的逃生及應(yīng)急方式，對(duì)提高應(yīng)急逃生和事故避險(xiǎn)效率作用明顯。

2) 小目標(biāo)可見度測(cè)試

為分析安全提升墻面標(biāo)對(duì)安全辨識(shí)性的質(zhì)效提升作用，試驗(yàn)測(cè)試了相同照明條件下，無墻面標(biāo)和有墻面標(biāo)對(duì)應(yīng)人行橫通道、緊急停車帶和分區(qū)位置墻面標(biāo)的小目標(biāo)可見度，如圖12所示。

圖12 有無墻面標(biāo)的小目標(biāo)可見度

由圖12可見，在人行橫通道和緊急停車帶設(shè)置墻面標(biāo)后，由于具備明顯的色彩和反射率反差，所測(cè)得的小目標(biāo)可見度較未設(shè)置墻面標(biāo)有顯著提高，提升比值80%以上，特別是位置分區(qū)墻面標(biāo)，在未有該墻面標(biāo)時(shí)，駕乘人員無法快速識(shí)別所處位置和區(qū)域，在設(shè)置了位置分區(qū)墻面標(biāo)后，小目標(biāo)可見度從之前的接近為0提高到4.7，辨識(shí)效果提升顯著。

3) 墻面標(biāo)區(qū)域注視參數(shù)測(cè)試

試驗(yàn)還測(cè)試了駕駛員經(jīng)過設(shè)置墻面標(biāo)和未設(shè)置有墻面標(biāo)的隧道，駕駛員在關(guān)注人行橫通道、隧道分區(qū)位置以及緊急停車帶區(qū)域時(shí)的視覺特性參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 有無墻面標(biāo)的隧道注視參數(shù)比較

表2表明，駕駛員在經(jīng)過設(shè)置有墻面標(biāo)的隧道時(shí)，在安全區(qū)域的注視持續(xù)時(shí)間比重為45.5%，低于未設(shè)有墻面標(biāo)隧道的安全區(qū)域注視持續(xù)比重即65.4%，且在安全區(qū)域的注視次數(shù)少于未設(shè)置有墻面標(biāo)的隧道，表明后者因有明顯的墻面標(biāo)使得駕駛員對(duì)這些區(qū)域的信息獲取更直觀且更易辨識(shí)，從而有益于緩解駕駛員行駛于隧道的緊張情緒，提高對(duì)突發(fā)性事件的反應(yīng)速度和能力，降低隧道內(nèi)發(fā)生碰撞或追尾等交通事故的概率，提高行車安全性。

4) 交通事故對(duì)比分析

為進(jìn)一步得到隧道涂裝后且設(shè)置墻面標(biāo)后對(duì)隧道運(yùn)營安全的提升作用，項(xiàng)目組對(duì)重慶石渝高速所轄隧道涂裝與設(shè)置墻面標(biāo)前后的全年交通事故進(jìn)行調(diào)研，得到改造前后同期隧道交通事故對(duì)比情況，結(jié)果如表3所示。

表3 改造前后隧道交通事故比較

從表3可見，在實(shí)施了安全提升墻面涂裝后，前后2年同期相比，隧道內(nèi)交通事故有明顯降低，死亡和傷人事故下降100%，輕微事故下降52.27%，總體事故降幅為54.35%，有效保障人身安全，降低財(cái)產(chǎn)損失，技術(shù)實(shí)施的安全提升和社會(huì)效益明顯。

3 結(jié)論與討論

本文根據(jù)隧道行車視覺適應(yīng)性特點(diǎn)，創(chuàng)新性提出利用新型高效耐污隧道涂層技術(shù)設(shè)置隧道墻面標(biāo)的方法，通過分析滿足辨識(shí)性需求的墻面標(biāo)圖案尺寸與行車速度或停車視距之間的關(guān)系，得出對(duì)應(yīng)行車速度下的墻面標(biāo)圖案尺寸設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合具體隧道設(shè)計(jì)了提升安全辨識(shí)的長(zhǎng)大隧道人行橫通道、緊急停車帶和位置分區(qū)墻面標(biāo)，通過技術(shù)原理分析、試驗(yàn)認(rèn)證和效果跟蹤，得到如下結(jié)論：

1) 隧道墻面標(biāo)圖案尺寸應(yīng)隨設(shè)計(jì)車速的增加而增大，特別是縱向尺寸與車速關(guān)系較大。

2) 逃生通道和應(yīng)急避險(xiǎn)區(qū)域在按尺寸要求設(shè)置墻面標(biāo)后，可有效提高駕乘人員對(duì)該區(qū)域的位置和信息辨識(shí)性，與未設(shè)置墻面標(biāo)的同類隧道相比，可提高這些區(qū)域的辨識(shí)距離在50%左右，對(duì)該區(qū)域的小目標(biāo)可見度可提高80%以上。

3) 因墻面標(biāo)的設(shè)置使駕乘人員對(duì)區(qū)域信息獲取更直觀且更易辨識(shí)，可緩解駕駛員的緊張情緒，提高安全性。

4) 隧道亮化涂裝和墻面標(biāo)的設(shè)置可明顯提高行車安全性，降低交通事故率，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)降低交通事故率達(dá)50%以上。

隧道亮化涂裝墻面標(biāo)由于大面積顯示的易辨識(shí)性對(duì)隧道安全提升的作用已被證實(shí)，加之與墻面涂裝一體的易清洗性，為后期運(yùn)營養(yǎng)護(hù)帶來便利。由于墻面標(biāo)具有實(shí)現(xiàn)方式多樣化優(yōu)點(diǎn)，在安全提升效果上還跟信息圖案的配色和設(shè)計(jì)有關(guān)，亦與隧道整體環(huán)境的協(xié)調(diào)一致有關(guān)，下一步將針對(duì)不同安全管控需求進(jìn)行墻面標(biāo)的細(xì)化設(shè)計(jì)，以指導(dǎo)更廣泛的工程實(shí)際需求。