基于安全感的高速公路隧道入口視線誘導系統*

李海光 周土瑤 杜志剛 呂寧生

(1.金華市公路管理局 金華 321001; 2.磐安縣公路管理局 金華 322300;3.武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

1 公路隧道入口交通事故的多發性

隧道是公路交通的咽喉，不僅事故多發，而且在隧道內發生交通事故后處理困難，易造成群死群傷局面。公路隧道路段在經濟損失及事故總數、受傷人數、死亡人數的比例方面均遠高于普通公路路段。楊錦鳳[1]統計的2007-2014 年G78汕昆高速969起交通事故中，公路隧道交通事故率為相鄰普通公路路段的2.6倍。

國內試驗研究表明，公路隧道視覺負荷從小到大依次為：白天隧道外、夜間隧道內、白天隧道內、夜間隧道外[2]。隧道進出口視覺負荷顯著大于隧道中部視覺負荷，白天隧道入口瞬時視覺負荷大于隧道出口[3]，公路隧道入口段作為事故黑點，車輛撞擊隧道洞門的案例較多，事故現場照片見圖1。

圖1 車輛撞擊隧道洞門事故案例

在隧道進出口處駕駛員的視覺存在“黑洞效應”和“白洞效應”是隧道出入口事故多發的主要原因。在照度劇烈過渡時，人眼不能立即適應，容易導致超速行為，產生追尾或撞上隧道壁等事故[4-5]。

2 隧道入口“黑洞”效應的環境原因

1) 公路隧道弱視知覺參照系，容易誘發黑洞/白洞效應。視覺參照系為觀察者提供視覺線索：大小、覆蓋、位置、疊加、透視、運動視差、明暗適應、融合、立體視覺、形狀、顏色、亮度及視野中的位置等，這些相關信息的總和，則稱為視覺參照系。

車輛在公路隧道中部高速運行時，由于照度低、參照物(主要為燈具及輪廓標)少、對比度低、環境單調[6]，為典型的弱視覺參照系。隧道外照度高、視覺空間廣闊，景觀及交通工程設施豐富，為典型的強視覺參照系。白天隧道入口即是由強視覺參照系向弱視覺參照系環境劇烈過渡的過程，照度從幾萬勒急劇減少到幾百勒，從開闊空間迅速縮小到隧道狹小空間，照度劇烈過渡為“黑”，空間劇烈過渡成“洞”。生理上，駕駛員瞳孔迅速擴大，難以準確在視網膜上聚焦，容易產生“兩眼一抹黑”的瞬時盲期[7]，心理上，由于洞外到洞內視覺參照物急劇減少，視敏度迅速降低，無法看清隧道內信息，視覺功能降低，無法準確判定車速與車距。隧道內外及隧道進出口的視覺參照系特征見表1。

表1 隧道視覺參照系分析表

2) 公路隧道視覺效應實質是嚴重視錯覺，容易誘發超速行為及交通事故。視錯覺就是當人或動物觀察物體時，基于經驗主義或不當的參照系形成的錯誤判斷和感知。在行車過程中，如果缺乏周圍參照物時，物體的深度及形狀信息將會按照駕駛員認知習性予以估計，容易發生感知及判斷失誤，誘發視錯覺。高速公路交警部門統計表明，駕駛員超速70%為速度錯覺誘發，其次為距離錯覺誘發，因此減少速度錯覺、距離錯覺，將能降低超速行為，有效提升交通安全。隧道內的弱視覺參照系和進出口的劇烈過渡視覺參照系，導致駕駛員缺乏判斷自身車速、車距以及行駛方向的視覺線索，從而造成駕駛員對速度、距離、方向等的誤判。

3) 現有公路隧道低照度運營十分常見，交通工程設施難以發揮作用。我國公路隧道照明標準主要參照歐美照明標準，建立依據為駕駛員在照明停車視距范圍內能有效視認行駛車道中心障礙物(20 cm×20 cm×20 cm)，對于交通量較小的我國中西部公路隧道相對保守，照明能耗過大(2015年我國工業用電電費為美國的3～4倍，人均收入不及美國的1/7，相對成本為美國的20～30倍)。總體而言，我國中西部公路隧道照明運營“高配低用”現象普遍存在，即開燈率較低，運營時照度遠低于國家規范值，公路隧道內低照度及低對比度導致環境參照物難以被駕駛員發現，進一步導致駕駛員的視錯覺，形成了交通安全隱患。

3 隧道駕駛安全性需求分析

3.1 隧道駕駛員安全感分析

根據馬斯洛需求層次理論，將駕駛員的駕駛需求分為功能性需求、安全性需求、舒適性需求以及美觀性需求，由于經濟與環境條件，對于高速公路隧道應以滿足駕駛員安全性需求為主，考慮隧道內駕駛事故致因多為超速、車距保持不足，事故形態為追尾及撞隧道側壁，故將駕駛員安全感分為速度感、距離感、方向感需求，駕駛員安全感分析及提升方法見表2。

表2 隧道駕駛員安全感分析及提升方法表

3.2 隧道入口方向感分析

以秦嶺隧道為例，夜間隧道洞內雖設置了照明，但存在以下問題。

1) 整體方向感不足。隧道與橋梁寬度不一致，隧道內燈光昏暗，色溫低，誘導性差，難以辨識道路走向，導致車輛較長時間在外側車道行駛(以路側密集的標志牌、護欄及路燈燈桿為視覺參照)。

2) 局部方向感不足。當前車道與隧道內車道不連續，駕駛員未能有效感知，導致一直朝著較亮的誘導方向行駛(當前車道+洞口反光板)，見圖2。

圖2 秦嶺1號隧道入口現狀方向感分析

秦嶺隧道入口整體和局部方向感的不足導致駕駛員沿當前車道和橋梁、隧道的道路邊線行駛，從而造成撞擊隧道入口側墻事故。

故對于隧道入口的改善應以提高駕駛員的整體和局部方向感為目標，使駕駛員行駛車道和道路橫斷面平緩過渡，理想方式見圖3。

圖3 秦嶺1號隧道入口理想方向感

對于提高整體方向感建議采用大尺度的低頻信息反光環，增大隧道入口整體輪廓亮度；對于提高局部方向感建議采用小尺度中高頻信息貓眼道釘，增大低照度條件下道路邊線的可見度，隧道入口夜間方向感分析見表3。

表3 秦嶺1號隧道入口夜間方向感分析

表4 隧道入口駕駛員方向感分析及提升方法

4 基于安全感的隧道入口視覺參照系重構

4.1 改善目標

1) 提升整體方向感，確保隧道斷面與道路斷面的整體連續過渡，降低撞擊隧道側壁、洞門的概率。

2) 提升局部方向感，保證駕駛員隧道外所在車道與隧道內車道的連續誘導，降低駕駛員變道、換道概率。

3) 改善隧道洞口設施的逆反射系數，使反射系數滿足隧道洞內反光環>洞門>洞門外景觀。

4) 保證駕駛員的合理心理反應，使其保持適當的緊張、興奮與期待，從而弱化駕駛員逃離隧道的本能。

4.2 改善方法

1) 通過增加洞內局部亮度及對比度來提升視線誘導效果，如設置洞門環形黃黑立面標記線、洞內3道連續高反射系數反光環，見圖4，設置洞外護欄立柱設置反光立面標記。

2) 在隧道出入口3～4 s行程范圍道路邊線及道路中心線處均設連續貓眼道釘，推薦在道路邊線處設太陽能貓眼道釘，增強車道誘導性，強化局部方向感。

3) 高頻視覺信息：路緣LED輪廓標、貓眼道釘(間距5～13 m，提升速度感)。

4) 中頻視覺信息：側墻設應急誘導燈、反光環(間距20～50 m，提升方向感、距離感)。

圖4 隧道入口視線誘導系統透視圖

分別建立改善后與改善前的3Dmax視頻仿真模型，并選取10名駕駛員參與測試，進行基于IViewX HED Laptop眼動儀的模擬仿真實驗，隧道入口前接近段(照明停車視距)范圍注視點分布特征見表5。

表5 秦嶺1號隧道入改善后注視點分布

由表5可見，改善后秦嶺1號隧道入口駕駛員注視點在隧道內分布概率顯著提升，隧道光環境安全性得到了較大改善。

5 結語

公路隧道入口特殊的交通環境容易誘發交通事故。文章從隧道視覺參照系出發，對隧道入口交通事故致因進行分析，并以秦嶺1號隧道為例對隧道入口具體分析。從駕駛視覺需求與事故預防出發，提出以逆反射技術為主的隧道入口視線誘導設施設置方法，以減少交通事故的發生。該方法成本較低，可提高駕駛員對隧道內信息注意力，提升了隧道入口駕駛方向感。但隧道入口誘導系統對于不同長度，不同運營照明水平的隧道有效性還有待進一步驗證。

[1] 楊錦鳳，王鐘譽，蔣國梁．特長高速公路隧道交通事故特征及預防措施研究[J]．西部交通科技，2015(9):79-82．

[2] 黃靜.高速公路隧道駕駛員注視點分布特征分析[J].交通科技,2010(1):91-93.

[3] 杜志剛,黃發明,嚴新平,等.基于瞳孔面積變動的公路隧道明暗適應時間[J].公路交通科技,2013,30(5):98-102.

[4] 肖志軍,欒利強.基于照度的高速公路隧道入口安全評價研究[J].交通科技,2015(6):72-74.

[5] 趙煒華,王麗華,劉浩學,等.高速公路長隧道入口段駕駛人視覺特征變化[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2013,37(2):261-265.

[6] 史曉花,杜志剛,鄭展驥,等.公路隧道中部視錯覺減速標線的優化[J].公路交通科技,2016,33(3):89-96.

[7] DU Zhigang; ZHENG Zhanji; ZHENG Miao，et al. Driver′s visual comfort at highway tunnel portals: aquantitative analysis based on visual oscillation[J]. Transportation Research Part D:Transport and Environment,2014,31(8):37-47.