基于警示效果的隧道多功能車道控制器光學研究

邊艷妮，劉曉娜，汪文妹

（陜西高速電子工程有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

目前，隧道數量及總里程數都有了明顯的增加。為了降低隧道內交通事故發(fā)生率以及穩(wěn)定交通流，隧道內安裝了具有警示效果的多功能車道控制器，與傳統(tǒng)的車道指示器相比，多功能車道控制器增加了紅藍爆閃燈，在正常通行狀況下僅開啟紅/綠指示燈，確保駕駛員能夠及時獲取有效的隧道道路情況信息，按照指示行駛，避免交通事故發(fā)生。在隧道內發(fā)生異常事件時，開啟紅藍爆閃燈，警示駕駛員減速慢行或停車等待。而如果交通警示燈的不合理布設，則容易引發(fā)交通事故。當車道控制器亮度不足時，不能引起駕駛員注意，無法起到警示效果。相反，當車道控制器亮度很高時，則容易引發(fā)嚴重的眩光，導致駕駛員視覺能力下降，影響行車安全。因此，如何設置合理的多功能車道控制器的亮度和布設間距，對交通安全，特別是隧道行車有著至關重要的作用。

眩光是一種視覺條件，它是由于亮度分布不適當或亮度變化的幅度太大等原因形成的，會引起觀察者不舒適或降低觀察重要物體的能力，許多學者對眩光影響及防眩技術進行了研究與探索。采用Light Tools 光學分析軟件對隧道模型及背景光線進行了仿真建模，依據相對閾值增量TI 和眩光恢復時間T 定量分析了多功能車道控制器對人眼的眩光影響，確定了多功能車道控制器的最優(yōu)布設間距和紅藍爆閃燈的閃爍頻率。

1 眩光評判標準

1.1 眩光相對閾值增量TI

等效光幕是指由于入射到人眼中的光線發(fā)生散射而形成的光幕，其會降低目標與背景的對比度，等效光幕亮度如式（1）所示：

我們將眩光條件下剛好看見物體時需要增加的對比與有效對比的比值稱為眩光相對閾值增量TI。當TI>15°時，眩光源不會引起眩光或不會使人眼感到不舒適。當TI>15°時，眩光源會對人眼產生刺激。在公路隧道照明條件下，當背景亮度范圍在0.05 cd/m＜L＜5 cd/m范圍時，相對閾值增量TI 的計算方法如式（2）所示：

式中：為路面平均亮度（cd/m）。

1.2 眩光恢復時間T

1994年Krebs 等人提出了一個較為經典的眩光恢復時間計算方法，如式（3）所示：

式中：E為眩光源照度值（lx）；E為背景光源照度值（lx）；由于、、h為常數，使得實驗誤差較大，為了解決這個問題并考慮其中的影響因素，得到了參數修正公式，如式（4）和（5）所示：

式中：g為眩光波長影響的函數。

聯(lián)立式（3）（4）（5）可得參數修正后的眩光恢復時間，如式（6）所示：

1.3 多功能車道控制器的評價標準

對于多功能車道控制器，可以將其作為眩光源，當隧道內正常通行時，其只起到指示行車的作用，不應使駕駛員受到過多刺激，影響正常行駛。此時，相對閾值增量TI 應控制在15%以內，或在人眼自然的駕駛視野范圍內，可以有效規(guī)避。

當隧道內出現(xiàn)異常事件時，多功能車道控制器應能夠對駕駛員在視覺上造成一定的刺激，引起注意，迫使其減速慢行或停車等待。此時，在駕駛員自然視野范圍內，相對閾值增量應大于15%，同時，駕駛員能夠在自然視野范圍內有效規(guī)避眩光影響，或者眩光源間斷引起眩光，且眩光恢復時間較短，駕駛員有足夠的時間觀察路面狀況。只有這樣，多功能車道控制器才能在引起駕駛員警示的同時，不會對駕駛員致眩。

由式（1）與式（2）可以看出，人眼視線和眩光源入射光線間的夾角與眩光相對閾值增量TI 以及等效光幕亮度L有關，聯(lián)立后如式（7）所示：

本文提出視覺信息接收的三區(qū)段劃分方法，如圖1所示。

圖1 視覺信息接收的三區(qū)段劃分示意圖

即：對于多功能車道控制器，當車輛正常行駛時，只開啟車道指示器，當TI=15%，＜=35+時，駕駛員能夠自然的規(guī)避眩光源，不會影響駕駛員的正常行駛。

當隧道內出現(xiàn)異常事件時，需要警示駕駛員時，則開啟紅藍爆閃燈，當TI=15%，＞=12+時，指示燈將對駕駛員在其自然視野范圍內形成不舒適眩光，引起駕駛員警示。當＞=35+時，駕駛員不能在自然視線范圍內有效規(guī)避眩光源，眩光源將不可避免的對駕駛員造成影響。為了避免眩光源對駕駛員的視線產生持續(xù)性的刺激而影響行車安全，此時紅藍爆閃燈的閃爍周期應大于眩光恢復時間。

2 光學建模及仿真分析

2.1 光學建模

為獲得有效的多功能車道控制器布置參數，采用照明光學分析軟件Light Tools 7.1 進行仿真實驗。按照隧道設計圖紙，建立一個兩車道、寬10 m、拱頂高7 米的隧道模型，如圖2所示，模型中隧道長度為500 m。對隧道內表面、行車道等表面的反光率、光吸收率等參數進行設定（根據調研結果，設置隧道內壁的反射率為0.35，行車道路面的反射率為0.4）。根據紅綠指示燈以及紅藍爆閃燈的實際配光情況，在軟件中對發(fā)光強度分布進行模擬。

圖2 隧道模型示意圖

按照等間距布置原則，以50 m 為間距在隧道模型中布置了車道控制器（50 ～500 m）以及與人眼視線垂直的接收平面。接收平面如圖3所示尺寸設為10 m×2 m（長×高），用于獲取不同距離處的車道控制器產生的亮度及照度信息。為了計算等效光幕亮度，對接收面進行網格劃分，通過采集多外點的照度值求平均得到照度的平均值，從而代入等效光幕計算公式進行等效光幕計算。

圖3 接收平面網格劃分

2.2 仿真結果分析

通過以上的仿真結果分析，得到了多功能車道控制器在不同距離位置，對人眼的相對閾值增量達到15% 時與人眼視線的夾角和眩光恢復時間，計算結果如表1 和表2所示。

表1 車道指標燈計算結果

表2 開啟爆閃燈時計算結果

依此得到致眩角隨駕駛員與車道控制器距離變化圖如圖4所示。

圖4 致眩角隨駕駛員與車道控制器距離變化圖

由圖可以看出，當道路正常通行時，只開啟車道指示燈，在50 m ～500 m 距離范圍內，＜，因此，駕駛員可以有效規(guī)避車道控制器產生的眩光影響，該車道控制器可以起到指示交通而不影響駕駛員行車的作用。

當隧道內出現(xiàn)異常事件時，開啟紅藍爆閃燈時，由圖可以看出，與在250 m ～300 m 之間相交，在280 m左右達到一個臨界值，即車道控制器距離大于280 m 時，＜，即使開啟爆閃燈，指示器也無法在人眼自然視野范圍內引起刺激性眩光，無法使駕駛員自然的感受到警示。當車道控制器距離在50 m ～280 m 時，＞，此時，開啟爆閃燈，指示器可以在人眼的自然視野范圍內引起刺激性眩光，引起駕駛員警示。所以，當車道控制器的安裝距離在280 m 以內時可以達到連續(xù)警示作用。當駕駛員行車至距離指示器50 m 以內時，＞，指示器引起的眩光已不能在自然視野范圍內規(guī)避，造成駕駛員連續(xù)致眩。為了避免連續(xù)眩光引發(fā)新的交通事故，駕駛員在感受到警示的同時不應持續(xù)致眩，即紅藍爆閃燈的閃爍周期應大于眩光恢復時間。由式（6）可計算出在50 m 時，眩光恢復時間為0.072 0 s，則紅藍爆閃燈的閃爍頻率應小于等于13 次/秒。

3 工程應用

香爐石隧道位于我國陜西省境內某高速，全長3 000 m左右，單向雙車道布局，如圖5所示，多功能車道控制器安裝在車道的正中間，距地高度5.2 m，距人眼高度4 m 左右，相鄰兩個指示器布設間距為280 m，紅藍爆閃燈的閃爍頻率為13 次/秒。

圖5 實物應用及參數

采用現(xiàn)場實驗與調查問卷相結合的方式對駕駛員的主觀警示感受及行車速度等數據進行了收集（最終收集到508 份有效的調查問卷），以此評價多功能車道控制器對駕駛人安全行車的影響效果。其中，超過50%的駕駛員反映其警覺性有所提高、會主動控制車速，30%以上會主動保持車距，紅藍爆閃燈開啟的情況下車速降低約7%，可使交通事故率降低20%左右。以上數據表明，在本文所確定參數（布設間距280 m、閃爍頻率小于等于13 次/秒）的指導下，多功能車道控制器在隧道中的應用取得了較好的效果，對公路隧道行車安全具有重要意義。

4 結論

本文采用Light Tools 光學分析軟件，建立了隧道模型并在其表面設定反射率等參數，對多功能車道控制器的紅綠指示燈及紅藍爆閃燈進行了配光建模，采用相對閾值增量TI和眩光恢復時間對不同距離處車道控制器對人眼的眩光影響進行了定量分析，從而確定了車道控制器的最優(yōu)布設間距和紅藍爆閃燈的閃爍頻率，主要結論為：

（1）相鄰兩個車道控制器的布設間距在50 m ～280 m范圍內時，多功能車道控制器既能在車輛正常通行時發(fā)揮指揮交通的作用，又能在發(fā)生事故或緊急情況下有效警示駕駛員。結合經濟性，確定了相鄰兩個車道控制器的最優(yōu)布設間距為280 m。

（2）紅藍爆閃燈的閃爍頻率小于等于13 次/秒時，可避免紅藍爆閃燈對人眼產生持續(xù)致眩，既能起到警示作用，又不會對行車安全產生影響。

（3）在本文所確定參數的指導下，多功能車道控制器取得了較好的應用效果，可使交通事故率降低20%左右。