烏尉天山勝利隧道進(jìn)口段視感照度補(bǔ)償分析

李鵬勝，王兵，張麗改，趙越，阿地力江·吐尼牙孜

(新疆大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

0 引 言

烏尉天山勝利隧道，平均海拔3 200 m，規(guī)劃22.035 km，是新疆烏尉高速公路的主要組成部分，建成后將是世界上唯一的高海拔超長(zhǎng)公路隧道。該隧道海拔高、溫差大、天氣多變，駕駛?cè)笋{車經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷不同天氣環(huán)境和視覺(jué)明暗適應(yīng)快速轉(zhuǎn)換等過(guò)程，容易產(chǎn)生視感不適，甚至做出不當(dāng)駕駛操作。

目前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有直接對(duì)高海拔、多變的天氣下駕駛?cè)艘暩羞m應(yīng)的研究，但有學(xué)者進(jìn)行了低海拔地區(qū)公路隧道路段視感研究，為本文研究提供了可借鑒的方法和依據(jù)。YEUNG等將隧道分為3個(gè)區(qū)域，對(duì)每個(gè)區(qū)域交通事故進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)高速公路隧道進(jìn)口段交通事故率更高；MEHRI等以伊朗伊拉姆省長(zhǎng)隧道為研究對(duì)象，采用IESNA LM-71-96和IESNA LM-50-99標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同區(qū)域的亮度進(jìn)行測(cè)量，得出當(dāng)隧道入口外亮度分別為290.0和307.0 cd/m時(shí)隧道進(jìn)口段所需設(shè)計(jì)亮度分別為6.0和6.2 cd/m；HE等的研究結(jié)果表明，亮度的急劇下降會(huì)導(dǎo)致駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)和注視持續(xù)時(shí)間變化，駕駛?cè)送字睆皆龃?，視覺(jué)負(fù)荷增大；DU等提出視覺(jué)震蕩等效持續(xù)時(shí)間(equivalent duration of visual oscillation，EDVO)，定量評(píng)價(jià)公路隧道進(jìn)口段視覺(jué)舒適度，以適應(yīng)普遍的視覺(jué)震蕩現(xiàn)象，并建議隧道口當(dāng)前停車視距增加20～30 m；HE等在實(shí)驗(yàn)室模擬駕駛通過(guò)道路隧道的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)亮度降低會(huì)導(dǎo)致短暫失明和視覺(jué)功能下降。

在解決隧道進(jìn)口段視感不適方面：劉興茂等以貴州莫以隧道為例，提出在隧道入口前半段采用反射光照明的方案；崔洪軍等研究了暗反應(yīng)轉(zhuǎn)換影響下的反應(yīng)時(shí)間變化，利用現(xiàn)行混合模型得出頻繁的明暗照度轉(zhuǎn)換會(huì)降低黑暗辨識(shí)正確率；黃珂對(duì)我國(guó)隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算方法上的不足進(jìn)行了系統(tǒng)分析，基于察覺(jué)對(duì)比度法研究了隧道進(jìn)口段亮度的設(shè)計(jì)方法；王首碩等利用眼動(dòng)儀采集了駕駛?cè)说难鄄繑?shù)據(jù)，通過(guò)駕駛模擬仿真平臺(tái)，提出公路隧道進(jìn)口段視線誘導(dǎo)的改善方法；焦方通等利用照度計(jì)、眼動(dòng)儀采集瞳孔面積、照度值等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合入口處時(shí)間序列下光環(huán)境特點(diǎn)分析了進(jìn)口段視覺(jué)舒適性。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道進(jìn)口段的研究多集中于瞳孔面積變化率和眼動(dòng)等方面，且對(duì)駕駛?cè)巳庋劭焖侔颠m應(yīng)能力的研究多集中在低海拔單體隧道，鮮有人研究高海拔隧道駕駛?cè)艘暩羞m應(yīng)以及分析天氣變化所引起的明暗變化對(duì)駕駛?cè)艘暩械挠绊憽１疚脑诘秃０我暩凶兓A(chǔ)上設(shè)計(jì)隧道模型，檢測(cè)分析高海拔公路隧道進(jìn)口段照度變化規(guī)律，得到隧道進(jìn)口段照度折損系數(shù)曲線，判斷視感適應(yīng)閾值，最終建立駕駛?cè)艘暩械膶?shí)時(shí)補(bǔ)(逆)償原理模型。

1 進(jìn)口段視感適應(yīng)機(jī)理

1.1 高海拔公路隧道環(huán)境

晴朗天氣下駕駛?cè)笋{車經(jīng)過(guò)烏尉高速公路路段時(shí)經(jīng)常突遇多云或陰雨天氣，進(jìn)入隧道前也要經(jīng)歷和適應(yīng)天氣變化造成的道路明暗變化，這會(huì)增大操作錯(cuò)誤的概率。隧道本身具有內(nèi)部空間封閉、缺少自然光、行車環(huán)境單調(diào)等特性。駕駛?cè)笋{駛車輛白天經(jīng)過(guò)隧道進(jìn)口段，會(huì)在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)從亮環(huán)境過(guò)渡到暗環(huán)境。而光線一強(qiáng)一弱容易造成駕駛員視覺(jué)上的不適，產(chǎn)生“黑洞效應(yīng)”，駕駛?cè)伺袛嗾J(rèn)知能力和操作能力也會(huì)下降。

駕駛?cè)嗽凇叭?車-路-環(huán)境”的交互系統(tǒng)中居于主導(dǎo)地位。駕駛?cè)思仁擒囕v的唯一操縱者，也是公路交通環(huán)境的感受者。駕駛?cè)双@取的交通信息量有80%是其視覺(jué)器官提供的。如圖1所示，從隧道接近段到隧道進(jìn)口段，駕駛環(huán)境突變，照度發(fā)生顯著改變，隧道內(nèi)與隧道外的視覺(jué)環(huán)境差造成駕駛?cè)艘曈X(jué)上的不適，這使得駕駛?cè)吮仨毻ㄟ^(guò)不斷調(diào)整感官認(rèn)知道路上的各種信息。

圖1 烏尉天山勝利隧道進(jìn)口段研究區(qū)域示意圖

1.2 基于照度的視感適應(yīng)機(jī)理

人通過(guò)兩只眼睛采集道路交通信息，經(jīng)過(guò)中樞神經(jīng)系統(tǒng)認(rèn)知加工后，反饋給器官操控汽車前的過(guò)程稱為視感。人眼的暗適應(yīng)過(guò)程主要靠視錐細(xì)胞、視桿細(xì)胞進(jìn)行調(diào)整，視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞的有效視覺(jué)范圍不同。視桿細(xì)胞的有效視覺(jué)范圍較小，但光敏感度較高。視錐細(xì)胞的適應(yīng)機(jī)理是減弱光敏感度，進(jìn)而擴(kuò)大有效視覺(jué)范圍。當(dāng)光照強(qiáng)度不斷增加時(shí)，視錐細(xì)胞的反應(yīng)可一直變大。“視感”是“視覺(jué)”的下一步，通常眼睛“覺(jué)”大腦“感”，視感反映在大腦皮層中，直接影響駕駛?cè)说臎Q策。

實(shí)踐證明，人眼感知到的亮度與實(shí)際光線的亮度并不相同，因?yàn)橛袝r(shí)路面反射進(jìn)入駕駛?cè)巳庋鄣挠行Ч獠欢?，但能給駕駛?cè)艘环N刺眼的感受。本文為方便設(shè)計(jì)和測(cè)量，在視感改善設(shè)計(jì)中選用與被照物無(wú)關(guān)且客觀存在的照度來(lái)衡量。環(huán)境照度值隨著忽明忽暗的天氣變化而變化，隨著隧道內(nèi)外駕駛環(huán)境的突變而突變，因此，選擇照度作為評(píng)價(jià)隧道入口處光環(huán)境的變化是合理的。照度采用TES-1339照度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

2 視感補(bǔ)償原理與模型創(chuàng)建

2.1 補(bǔ)償原理

高海拔路段太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和氣溫變化導(dǎo)致高低溫交替，直接或間接地影響高海拔氣候變化，造成一周四季、一日四季甚至一小時(shí)內(nèi)四季的天氣變化情況常見(jiàn)。經(jīng)過(guò)從明到暗再?gòu)陌档矫鞯鸟{駛環(huán)境，駕駛?cè)水a(chǎn)生視感不適，而對(duì)駕駛?cè)艘暩醒a(bǔ)償可以有效彌補(bǔ)駕駛?cè)说囊暩胁贿m。光線暗弱時(shí)，照度低，駕駛?cè)丝床磺鍠|西，需要正向補(bǔ)償彌補(bǔ)駕駛?cè)说囊暩小：０? 000 m以上的道路景觀以雪山為主，在日照充足的條件下行駛時(shí)，折射光線刺眼，需要逆向視感補(bǔ)償(減光處理)以達(dá)到駕駛?cè)艘暩凶钸m應(yīng)的狀態(tài)。

雙主洞單向通行隧道進(jìn)口段的視覺(jué)感受如圖2所示。調(diào)查顯示，隧道進(jìn)口段為隧道事故高發(fā)段。進(jìn)入隧道后駕駛?cè)艘暩醒杆俳档?，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)突變的駕駛環(huán)境，只有實(shí)時(shí)視感正補(bǔ)償才可保證駕駛?cè)诉m應(yīng)從強(qiáng)光環(huán)境到暗光環(huán)境的轉(zhuǎn)換。如果隧道的人造視感補(bǔ)償連續(xù)性和均勻性不足，會(huì)影響行車安全，因此需利用人造補(bǔ)償光源，根據(jù)隧道外的實(shí)時(shí)光照情況實(shí)時(shí)調(diào)整對(duì)駕駛?cè)说囊暩醒a(bǔ)償。

圖2 駕駛?cè)嗽陔p主洞單向通行隧道進(jìn)口段的視覺(jué)感受

2.2 照度與視感適應(yīng)范圍

對(duì)駕駛?cè)诉M(jìn)入隧道的瞬間環(huán)境照度變化率和視覺(jué)感受進(jìn)行分析，可得到不同視感下環(huán)境照度變化率范圍。在隧道接近段，2.0 s行程內(nèi)外界環(huán)境照度起伏在低于5 000 lx時(shí)，駕駛?cè)艘暩羞m應(yīng)良好；2.0 s行程內(nèi)外界環(huán)境照度起伏范圍為5 000～10 000 lx時(shí)，駕駛?cè)艘暩谢具m應(yīng)，且在0.2 s行程內(nèi)照度變化范圍為4 000～10 000 lx/s時(shí)，駕駛?cè)艘暩忻銖?qiáng)適應(yīng)；0.2 s行程內(nèi)照度變化值超過(guò)10 000 lx/s時(shí)，駕駛?cè)艘暩胁贿m應(yīng)。

隧道進(jìn)口段補(bǔ)償照明能為駕駛?cè)颂峁┌踩孢m的行車環(huán)境，良好的隧道進(jìn)口段視覺(jué)過(guò)渡可帶給駕駛?cè)耸孢m的視覺(jué)感受。因此，圖2所示左右雙主洞單向通行隧道進(jìn)口段所提供的照度補(bǔ)償要與駕駛?cè)搜劬饩€的調(diào)整與適應(yīng)程度相符。這種調(diào)整與適應(yīng)隨著駕駛?cè)送ㄟ^(guò)隧道的過(guò)程而逐漸變化。傳統(tǒng)的隧道視感改善方法單一，無(wú)法匹配洞外照度實(shí)時(shí)變化，實(shí)際運(yùn)營(yíng)隧道難以實(shí)現(xiàn)隧道智能視感補(bǔ)償。

2.3 進(jìn)口段照度折損系數(shù)曲線

對(duì)隧道入口截面照度折損系數(shù)進(jìn)行擬合，得到隨天氣照度變化對(duì)視感進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)補(bǔ)償?shù)哪Ｐ?，?jì)算在不同車速和照度下進(jìn)口段的亮度，實(shí)現(xiàn)亮度計(jì)算的連續(xù)優(yōu)化。本文的駕駛?cè)艘暩醒a(bǔ)償研究，以駕駛?cè)笋{車進(jìn)入進(jìn)口段的視感適應(yīng)為切入點(diǎn)，利用最小二乘法擬合進(jìn)口段照度折損系數(shù)，確定隧道進(jìn)口段視感補(bǔ)償值。

隧道進(jìn)口段視感補(bǔ)償?shù)?個(gè)參數(shù)分別是車速、設(shè)計(jì)交通量和隧道外照度，這3個(gè)參數(shù)在隧洞設(shè)計(jì)時(shí)為固定值。實(shí)驗(yàn)得到個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(,),…,(,)，找出與這個(gè)點(diǎn)最匹配的線性式(見(jiàn)式(1)，其矩陣形式見(jiàn)式(2))，即找出最佳的能夠大致符合超定線性方程組的參數(shù)和。測(cè)量誤差中不含系統(tǒng)誤差，其余誤差是純偶然誤差且圍繞真值波動(dòng)，使求得數(shù)據(jù)值與實(shí)際數(shù)據(jù)之間差值的平方和最小。

=+

(1)

(2)

傳統(tǒng)的隧道視感補(bǔ)償方法通過(guò)查表確定進(jìn)口段視感逆向降低系數(shù)，按固定比例計(jì)算隧道進(jìn)口段補(bǔ)償亮度，很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)光。天氣狀況引起的道路視感補(bǔ)償是隧道進(jìn)口段視感研究的重要基準(zhǔn)之一，隧道進(jìn)口段視感補(bǔ)償直接影響隧道運(yùn)營(yíng)安全，因此隧道進(jìn)口段設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮隧道外接近段照度自然變化。高海拔接近段上距隧道口不同距離處在多云、陰天、晴天天氣下的照度隨時(shí)間的變化分別見(jiàn)圖3、4、5，晴天、多云、陰天平均照度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖6。

圖3 多云天氣下距隧道口不同距離處照度隨時(shí)間的變化

圖4 陰天天氣下距隧道口不同距離處照度隨時(shí)間的變化

圖5 晴天天氣下距隧道口不同距離處照度隨時(shí)間的變化

圖6 晴天、多云、陰天隧道口平均照度隨時(shí)間的變化

令20,為在距隧道口一個(gè)停車視距()、距地面高1.5 m、正對(duì)隧道口方向20°的視場(chǎng)范圍內(nèi)，面向隧道口中心點(diǎn)的平均洞外照度。為進(jìn)口段的照度補(bǔ)償折損系數(shù)，在設(shè)計(jì)中按照設(shè)計(jì)交通量和設(shè)計(jì)車速的不同分別取值0.045、0.035、0.022、0.012。為進(jìn)口段th1部分的補(bǔ)償亮度，cd/m；為進(jìn)口段th2部分的補(bǔ)償亮度；根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》選取；20,通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)得到；為隧道口外的照度；為路面平均照度與平均亮度的換算系數(shù)，瀝青路面一般取15。式(3)～(5)為進(jìn)口段亮度計(jì)算式。隧道進(jìn)口段亮度補(bǔ)償曲線見(jiàn)圖7。

圖7 隧道進(jìn)口段亮度補(bǔ)償曲線

=20,

(3)

=0.520,

(4)

=

(5)

在高海拔雙主洞單向通行公路隧道的駕駛?cè)艘暩袉?wèn)題研究中，進(jìn)口段照度折損系數(shù)對(duì)應(yīng)雙車道單向設(shè)計(jì)交通量。在不同交通量下(≥1 200輛h、≤350輛h、350輛h<<1 200輛h)分段擬合，見(jiàn)式(6)。3種交通量下的進(jìn)口段視感補(bǔ)償亮度th,的計(jì)算式見(jiàn)式(7)。由此解決隧道交通環(huán)境的照度離散問(wèn)題，實(shí)時(shí)調(diào)整進(jìn)口段視感補(bǔ)償值，實(shí)現(xiàn)視感動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，彌補(bǔ)光環(huán)境變化造成的駕駛?cè)艘暩袣埐睢?/p>

(6)

(7)

式中：為車速。

本文引入隧道視感補(bǔ)償計(jì)算模型，對(duì)隧道進(jìn)口段照度折損系數(shù)進(jìn)行最小二乘擬合。隧道進(jìn)口段視感補(bǔ)償照明能夠按照天氣狀況的不同，在3個(gè)設(shè)計(jì)交通量范圍內(nèi)按交通速度進(jìn)行視感補(bǔ)償調(diào)節(jié)，分段匹配車速和洞外照度，調(diào)整進(jìn)口段視感補(bǔ)償亮度。隧道進(jìn)口段視感補(bǔ)償照明能滿足駕駛?cè)嗽趶母哒斩拳h(huán)境進(jìn)入低照度環(huán)境的過(guò)程中視感適應(yīng)變化的需求，讓駕駛?cè)擞凶銐虻臅r(shí)間適應(yīng)光環(huán)境的變化，緩解和消除黑洞效應(yīng)。

3 照度變化分析模擬實(shí)驗(yàn)

新疆高海拔路段環(huán)境照度頻繁變化，現(xiàn)有的進(jìn)口段視感補(bǔ)償調(diào)節(jié)方式全天為一個(gè)等級(jí)，只能滿足特定照度下的駕駛?cè)艘暩羞m應(yīng)需求。本模擬實(shí)驗(yàn)采集模擬隧道路段照度。圖8比較了3種方法的視感補(bǔ)償效果，其中：T表示傳統(tǒng)的隧道視感補(bǔ)償方法；S表示順序補(bǔ)償視感補(bǔ)償方法(按照時(shí)間段設(shè)置亮度補(bǔ)償?shù)燃?jí))；R為新近視覺(jué)補(bǔ)償方法(現(xiàn)行的補(bǔ)償方法，亮度隨小時(shí)分段變化)。

圖8 方法T、S、R亮度補(bǔ)償效果

表1比較了4種進(jìn)口段視感補(bǔ)償方法，其中：方法T表示白天的亮度沒(méi)有變化，隧道內(nèi)始終保持一個(gè)亮度等級(jí)。方法S最大適應(yīng)亮度用查表法確定，取亮環(huán)境最大隧道口外臨界亮度6 500 cd/m，隧道進(jìn)口段LED的亮度按照傳統(tǒng)最大適應(yīng)亮度值取227.5 cd/m。方法R亮度隨小時(shí)分段變化：0:00—2:00，加強(qiáng)視感補(bǔ)償亮度為最大燈具亮度的40%(91 cd/m)；2:00—3:00，加強(qiáng)視感補(bǔ)償亮度為最大燈具亮度的60%(136.5 cd/m)；7:00—10:00，加強(qiáng)視感補(bǔ)償亮度為最大燈具亮度的80%(182 cd/m)；11:00—14:00，加強(qiáng)視感補(bǔ)償亮度為最大燈具亮度的100%(227.5 cd/m)；15:00—18:00，加強(qiáng)視感補(bǔ)償亮度為最大燈具亮度的80%(182 cd/m)；19:00—22:00加強(qiáng)視感補(bǔ)償亮度為最大燈具亮度的60%(136.5 cd/m)；22:00-0:00加強(qiáng)視感補(bǔ)償亮度為最大燈具亮度的40%(91 cd/m)。方法W為本文提出的進(jìn)口段智慧視感補(bǔ)償方法，實(shí)時(shí)分段擬合進(jìn)口段亮度補(bǔ)償曲線，隧道進(jìn)口段亮度補(bǔ)償隨外界環(huán)境照度改變而改變。

表1 T、S、R、W四種方法補(bǔ)償亮度比較 cd/m2

方法W根據(jù)式(6)和(7)計(jì)算隧道各區(qū)域所需的照度。通過(guò)安裝照度探測(cè)器測(cè)量隧道進(jìn)口段的照度，將采集到的照度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED調(diào)光控制器，在變電站的服務(wù)器上運(yùn)行方法W后發(fā)送命令到LED調(diào)光控制器并與照度探測(cè)器收集的信息校準(zhǔn)，控制隧道進(jìn)口段LED燈具的亮度。當(dāng)前時(shí)刻計(jì)算的亮度等級(jí)需要與上次發(fā)送的亮度等級(jí)作比較，若相鄰兩次的亮度等級(jí)的差值在某一閾值之內(nèi)(取5%作為亮度等級(jí)閾值)，則不發(fā)送調(diào)光信息，反之，則發(fā)送最新的調(diào)光信息。當(dāng)隧道外亮度超過(guò)6 500 cd/m時(shí)，按照最大設(shè)計(jì)亮度調(diào)節(jié)隧道進(jìn)口段LED燈具的亮度。圖9為隧道進(jìn)口段亮度補(bǔ)償?shù)挠?jì)算值與實(shí)際值對(duì)比。LED的亮度隨隧道外照度和車速變化而變化，為駕駛?cè)嗽诓煌鞖庀陆咏?、進(jìn)入隧道提供良好的視覺(jué)適應(yīng)且可提升能源利用效率。

圖9 隧道進(jìn)口段亮度補(bǔ)償?shù)挠?jì)算值與實(shí)際值對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

基于進(jìn)口段亮度補(bǔ)償與隧道口外照度變化實(shí)時(shí)一致的要求，設(shè)計(jì)隧道模型分析照度變化規(guī)律。采取擬合進(jìn)口段照度折損系數(shù)的高海拔公路隧道進(jìn)口段調(diào)光方法，實(shí)時(shí)分段擬合進(jìn)口段亮度補(bǔ)償曲線，實(shí)現(xiàn)了隧道進(jìn)口段亮度補(bǔ)償隨外界環(huán)境照度改變而改變，為駕駛?cè)嗽诓煌鞖庀陆咏?、進(jìn)入隧道提供良好的視覺(jué)適應(yīng)且可提升能源利用效率。

當(dāng)前烏尉天山勝利隧道還未建成，建成后即可前往烏尉隧道完成實(shí)車試驗(yàn)，采集實(shí)際數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行更深入的研究。另外，基于本文的研究成果，研究出口處環(huán)境照度與視感之間的關(guān)系和基于駕駛?cè)艘暩械闹腔勐窡?、智慧“眼鏡”、智慧“擋風(fēng)玻璃”、智慧遮陽(yáng)棚的技術(shù)應(yīng)用是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。