公路隧道出口“白洞”效應改善方法研究*

肖 堯 杜志剛 陶鵬鵬 王明年

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室2) 成都 610031)

公路隧道出口“白洞”效應改善方法研究*

肖 堯1)杜志剛1)陶鵬鵬1)王明年2)

(武漢理工大學交通學院1)武漢 430063) (西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室2)成都 610031)

針對隧道出口亮度過渡不合理的環境現狀，提出基于防眩原理的漸變圖層設計方案，利用照明計算軟件DIALUX對改善前后隧道出口段進行模擬實驗，驗證駕駛員瞳孔亮度過渡改善前后的變化趨勢和變化規律，利用隧道微縮模型對改善前后方案進行視頻拍攝，用matlab編程檢測隧道眩光面積和眩光高度.結果顯示，改善方案的駕駛員瞳孔亮度比改善前的瞳孔亮度過渡更加緩和合理，眩光面積減少20%～30%，且眩光高度抬高20%～40%，視覺負荷系數降低了30%～40%，從而可以提升隧道視覺舒適性，降低駕駛員錯誤操作幾率.

公路隧道；“白洞”效應；漸變圖層；微縮模型；瞳孔亮度

我國中西部地區長大公路隧道洞內外亮度變化劇烈，在隧道出口段，眩光現象明顯，駕駛員極易產生眩暈感,即為隧道出口“白洞”效應，易發生隧道出口車輛追尾事故，但按國家規范設置照明能耗高，且中西部公路隧道普遍交通量小，運營總收入遠不及隧道運營照明費用開支，運營單位無法承擔巨額的隧道照明費用，采取長期低照度策略，中西部地區運營照度值是規范值的20%～50%[1]，嚴重影響了隧道內行車安全[2]，導致隧道出口段交通事故頻發.王輝等[3]通過隧道實地調查發現，隧道出入口事故類型53%為追尾，其中70%為速度誤估.為了改善隧道出口的“白洞”效應，現有的改善方法一般為加強照明，長大隧道出口段照明亮度為隧道中部的5倍以上[4]，或者采用減光格柵等洞外延伸體，不同形狀的出口，例如，削竹式、反削竹式等[5].單一的加強照明不能從根本上改善“白洞”效應[6].如何在保證交通安全和滿足隧道瞳孔照度過渡合理的條件下，盡可能的降低隧道照明設備的電力消耗，成為公路隧道出口“白洞”效應改善方法的重點研究對象.

1 DIALUX模擬實驗設計及方法

1.1 改善思路

王子楓等[7]研究得出駕駛員在行車過程中，駕駛員視線的方向是水平向下1°，如果能將駕駛員視線范圍內的眩光抬高，可以減輕眩光對駕駛員視線的干擾，降低駕駛員的視覺負荷.楊韜[8]對隧道側壁反光性能研究指出，合理反射系數的隧道側墻能夠緩和隧道出口亮度過渡，抬高眩光區，減少駕駛員目高以下的眩光面積，延長駕駛員視覺適應時間，降低駕駛員視覺負荷.潘貝貝等[9]指出隧道路面宜鋪設反射系數較高的混凝土路面，隧道洞口接近段宜鋪設反射系數較低的瀝青路面以降低洞外亮度，改善隧道出口“白洞”效應.因此針對隧道出口“白洞”效應，可以通過小車和大車駕駛員視線高度(小車為1.2 m,大車為1.8 m)在側墻設置漸變反射系數涂層，與低反射系數路面形成亮度對比，來抬升眩光的高度以及減少正面眩光,見圖1.

圖1 改善前后眩光區對比圖

一般隧道洞內地面采用彩色瀝青進行鋪設，反射性能強，側墻和頂棚反射性能弱，甚至直接將頂棚鋪設成黑色防火材料，隨著頂棚和側墻反射性能提高，更多的光源從側墻和頂棚反射回眼睛，由于路面反射面積小了，則從路面直接反射到眼睛的光線少了，所以眩光面積切割、變小，眩光區提升.

1.2 改善方法

為了保證隧道內行車安全，要求墻面的亮度和頂棚亮度有一定的對比，這樣才能達到視覺“襯托”作用，而使駕駛員更容易發現路面上的障礙物[10].隧道出口段設置漸變涂層設計方案，側墻深綠色涂料(高度0.6～1.2 m)、中綠色涂料(1.2～1.8 m)、淺綠色涂料(1.8～2.4 m)、淡綠色涂料(2.4～4.2 m)(反射系數逐漸增大)由下至上依次涂抹在側墻上，以提高頂部照度，改善方法如表1所列，每層涂抹高度依據人眼視野范圍確定(小車司機視野高度1.2 m,大車司機為1.8 m)，反射系數依次增加，頂棚涂抹反射系數較高的淺藍色涂料，構成隧道內飾面漸變涂層，用以緩和隧

道出口亮度過渡，達到合理瞳孔亮度過渡的理想情況，本方案適用于限速60～80 km/h、易出現眩光的公路隧道出口.

表1 設計參數參考值

注：式中x為距離洞口距離，y為設計高度，單位為m.

1.3 DIALUX實驗模型設計

利用軟件DIALUX建立改善前后隧道出口段照明模型，模擬公路隧道照明最不利情況(不布設隧道照明燈具，只考慮自然光計算)，黑色瀝青混凝土隧道路面反射系數都定為0.15，依據新頒布的《公路隧道照明設計細則》，可以選取隧道模型橫斷面的寬度w=10.8 m，隧道的高度H=7.2 m，頂棚面圓弧的半徑R=4.4 m，模型長度為120 m，考慮隧道出口段長度為60 m，模擬白天正午最不利照明條件(照度過渡最劇烈,視覺負荷最大)，涂層1，2，3，4為側墻深綠色涂料、中綠色涂料、淺綠色涂料，淡綠色涂料，涂層5為頂棚天藍色涂料.

1.4 實驗結果分析

在DIALUX照明環境下進行瞳孔亮度計算并得出亮度報表，選取路面為計算對象[11]，計算隧道出口段60 m范圍內的亮度，得到改善前后隧道出口段路面瞳孔亮度分布表，如表2所列，改善前后設計方案利用隧道微縮模型(微縮比例為10∶1)用行車記錄儀拍攝獲得，利用軟件matlab影像編程得出隧道出口段眩光面積與眩光高度變化情況，見圖2、圖3及見表3.

表2 改善前后隧道出口段瞳孔亮度分布

由圖2，圖3及表3分析得知，眩光面積是人眼所看到眩光橫向和縱向形成的角度面積區域，隧道出口段改善前亮度呈拋物線性增長趨勢，亮度過渡劇烈，易產生“白洞”效應，而改善后亮度在出口段60 m以內，瞳孔亮度過渡合理，且保持固定值不變，符合駕駛員人眼負荷，隧道出口眩光面積減少20%～30%，且眩光高度抬高20%～40%，人眼瞳孔面積變化速率減慢，減少了駕駛員視覺負荷，從而減少隧道出口段交通事故的發生.

圖2 隧道出口段眩光面積變化情況

圖3 隧道出口段眩光中心高度變化情況

2 基于眩光面積的視覺負荷系數安全性評價

2.1 亮度與眩光面積的變化

杜志剛等[12]在隧道進出口視覺適應實驗找出照度與瞳孔面積變化關系為

表3 3種方案眩光面積與眩光高度變化對比

注：X，Y為人眼所看到眩光橫向和縱向形成角度.

(1)

式中：a,b均為常數.

由于隧道出口瞳孔明適應影響并不顯著，眩

光作用更明顯，眩光面積與視野范圍橫縱向角度關系為

A=πh2tanXtanY

(2)

式中：X,Y為視野范圍橫縱向角度；h為人眼距離眩光中心點距離.

(3)

(4)

式中：c,d均為常數

路面亮度L與路面照度成正比例，即

L=Eq

(5)

式中：q為常數，稱為亮度系數，與路面材料反射特性有關，將各式代入式(2)可以得到

(6)

2.2 亮度變化與眩光面積變化速度關系

在隧道出口60 m范圍內，試驗加速度絕對值大多不超過0.5 m/s2，行程較短，一般為2 s左右.為簡化計算，將式(3)兩邊對時間t求導，可得

(7)

2.3 亮度變化與視覺負荷系數關系

研究表明，隧道出口視覺負荷與眩光面積變化速度正相關，隧道出口視覺負荷系數定義為眩光面積變化速度與眩光面積變化臨界速度的比值，即

(8)

式中：Veer為隧道出口眩光面積變化臨界速度；Veer=0.060 6A2-1.235A+3.315 8.

由表2可以計算出隧道出口視覺負荷系數在60 m內的變化情況見表4.

表4 隧道出口段視覺負荷系數變化對比

由表4分析得出，經過涂層改善后的隧道出口段視覺負荷系數明顯降低，降低視覺負荷系數30%～40%，降減輕了駕駛員視覺負荷，提高了隧道出口行車安全，說明改善方案從視覺安全性方面是可行的.

3 結 論

1) 設計方案能夠減少隧道出口正面眩光源面積，并且抬高眩光高度，降低眩光的直接影響設計方案適用于中西部等低照度條件的公路隧道(限速值在60～80 km/h).

2) 應用漸變圖層設計方案后的隧道出口段瞳孔亮度過渡比改善前更加合理，眩光面積減少20%～30%，且眩光高度抬高20%～40%，視覺負荷系數降低了30%～40%，視覺適應順暢，駕駛員能夠更好，更快地適應洞外亮度，對中西部公路隧道內行車安全有利.

3) 在我國中西部邊遠地區公路隧道高配低用現象普遍，通過合理的瞳孔亮度過渡，可以達到減少照明要求，節約能源，降低能耗的目的.

4) 從隧道照明、安全性兩個方面進行比較，改善后方案比改善前方案更具有普遍的實用價值和安全價值.

今后的研究可以考慮從隧道中部設置多頻率反射標線，達到提前控速，增強行車安全的目的，同時可以對實際隧道進行進一步實驗驗證，以提高實驗結論的科學性和可行性.

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Highway Tunnel Improvement Method of the "White Hole" Effect

XIAO Yao1)DU Zhigang1)TAO Pengpeng1)WANG Mingnian2)

(TransportationSchool,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China;)1)(KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,MinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)2)

The design scheme use computer software of lighting- DIALUX to take simulation experiment aimed at improving the transition of the brightness inside and outside the tunnel, and it can verify the effect of the improvement toward the change trend and regular pattern of the pupil luminance of the drivers at the tunnel. Tunnel miniature is used to shooting different projects, which is using matlab to detect glare area and height. The results show that the transition of the driver's pupil luminance becomes more moderate and reasonable in the design scheme, the area of glare decline 20%～30%,and the height of glare incline 20%～40% ,visual load factor decline30%～40%,which in this way, visual comfort in the tunnel can be improved, the rate of error operating decreased.

highway tunnel；“white hole” effect； gradient coating；tunnel miniature； pupil luminance

2015-02-20

*國家自然科學基金項目(批準號：51008241)、西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室開放基金課題(批準號：TTE2014-07)資助

U491.5

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.027

肖 堯(1990- )：男，碩士生,主要研究領域為 交通工程