基于交通事故預防的高速公路隧道光環境優化研究*

杜志剛 余昕宇 向一鳴 徐彎彎

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430080) (貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司2) 貴陽 550000)

0 引 言

高速公路隧道路段是道路事故黑點，交通事故多發且極易造成群死群傷，在事故總數、受傷人數、死亡人數方面，比例均高于普通公路路段.統計資料顯示，公路隧道里程雖僅占公路總里程的0.03%，但隧道交通事故數、死亡人數依次占公路交通事故的0.36%，0.5%，且高速公路隧道交通事故占全部隧道交通事故的59.4%[1].

高速公路隧道交通事故多由其不良駕駛環境導致，而其中影響最大的為隧道光環境.高速公路隧道光環境是由自然光源、人造光源、發光指示標識及景觀等共同營造而成，由于其封閉的結構而與相鄰公路路段光環境差異顯著.因此高速公路隧道光環境的研究與改善一直是隧道交通安全的研究重點，本文從高速公路隧道光環境問題入手，總結分析了現有的高速公路隧道光環境改善方法，結合高速公路隧道駕駛員視錯覺特征，提出重構隧道視覺參照系的高速公路隧道光環境優化框架.

1 高速公路隧道光環境存在問題

由于高速公路隧道為半封閉管狀結構，故其光環境主要由內部的照明設施營造，但是公路隧道照明耗電量高，我國公路隧道用電量超過300億度/年，受我國社會經濟條件限制，高速公路隧道普遍開燈率低，與相鄰公路路段光環境存在較大差異，導致隧道出入口產生“黑洞”與“白洞”效應，同時隧道內昏暗單調的環境也導致“時空隧道”效應.

Waldram[2]首次對隧道的黑洞現象進行闡述.當白天駛入隧道時，照度從幾萬勒克斯迅速減小到幾百勒克斯，空間從廣闊空間快速縮小到封閉空間，杜志剛等[3]提出照度劇烈過渡成“黑”，空間劇烈過渡成“洞”，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，即隧道 “黑洞”效應.駕駛員在駛出隧道時看到耀眼白洞，眩光現象明顯，形成白洞效應[4]，顯著影響駕駛員的視覺功能.高速公路隧道內部空間封閉狹窄，同時由于開燈率低，故其光環境昏暗單調，導致駕駛員的視距不足、視區受限，同時無法準確感知速度、距離、方向等信息，引發駕駛員無意識超速和跟車過近行為，即“時空隧道”效應.

高速公路隧道環境中的時空隧道效應、黑洞效應、白洞效應實質上是一種基于特定視覺參照系的視覺不適與嚴重視錯覺.綜上，高速公路隧道光環境典型問題見表1.

表1 高速公路隧道光環境問題分析

2 高速公路隧道光環境改善措施研究

2.1 遮光設施

高速公路隧道遮光設施包括遮光棚、遮陽棚、遮光板等，能有效降低隧道出入口的照度與空間過渡的劇烈程度，降低駕駛員的視覺適應時間，并降低隧道入口段與出口段的照度要求.王長春[8]提出在相距較近的高速公路隧道之間設置遮光棚能實現隧道營運期間的降耗.吳勝忠等[9]提出因地制宜地進行遮光棚建筑、結構設計是遮光棚在公路隧道中應用的關鍵.

2.2 照明設施

傳統的高速公路隧道光環境改善方法為利用燈具來增加隧道內環境亮度，其主要研究內容為照明燈具研究、控制系統研究、綠色能源應用研究三方面.

2.2.1照明燈具

現階段我國大部分隧道照明多采用白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈等，大多存在顯色性差、能耗高、不易控制、質量穩定性差、壽命短等問題.LED燈作為新型光源與傳統光源相比，具有顯色性高、耗能少、易于控制、壽命長、穩定性高、對環境無污染、色溫范圍可控制等優點，且可配合智能控制系統以更好地實現照明節電要求，正在逐漸普及到高速公路隧道照明中.國內很多學者通過實地評價驗證了LED燈在隧道內的適用性，張素杰[10]得出LED燈比高壓鈉燈更適合在隧道照明中使用的結論.

2.2.2照明控制系統

隧道照明控制方式包括人工控制方式、時序控制方式、自動控制方式、智能控制方式.人工控制方式目前已基本被市場淘汰，時序控制方式易于實施且穩定可靠，但無法根據天氣、車流等的變化實現動態調節.目前國內公路隧道多采用自動控制，其可按照事先設定的邏輯實現動態調光，但受其布線回路的限制無法滿足公路隧道照明整體自適應調節[11].近年來在自動控制的基礎上逐漸演變形成智能控制，其利用人工智能、神經網絡等先進技術，根據洞內外亮度進行動態調光，實現因地制宜、按需照明的目的.

2.2.3綠色能源應用

為降低公路隧道照明能耗，部分隧道采用利用綠色能源的照明系統，其使用的綠色能源主要為太陽能和風能.劉紀華[12]通過對道壩子隧道太陽能照明的應用，表明了長隧道利用太陽能的經濟性、環保性.付長建等[13]以臨合高速勒合倉隧道為研究對象，表明高速公路隧道采用風光互補形清潔能源供電技術具有更好的經濟效益和環保效益.

2.3 視線誘導設施

高速公路隧道視線誘導系統是指由標志、標線等交通工程附屬設施(如貓眼道釘、立面標線、反光環等)組成，主要利用逆反射技術，針對高速公路隧道駕駛員視覺特性構建的輔助駕駛員感知行車狀態和環境的誘導系統.

杜志剛等[14]提出隧道入口設置遮光棚和多頻逆反射標線系統來實現隧道入口照度、空間、參照物的合理過渡，隧道中部設立多頻率、多尺寸的逆反射標線系統，以加強隧道弱視覺參照系的誘導系統設置方法.

隧道反光環是隧道誘導系統的重要組成部分，文獻[15]中指出：隧道內反光環具有邊界輪廓清晰，行車誘導效果好的特點，能降低隧道照明用電量，并要求在長隧道、特長隧道內部加裝環形被動反光光環.

3 光環境改善措施評價與展望

高速公路隧道光環境改善措施評價如下.

1) 遮光設施局限性 遮光設施雖能有效緩解隧道出入口照度與空間的劇烈過渡，但如在隧道建設初期沒有設置，則運營期建設實施困難，難以對已有隧道進行改善，同時其建設費用大，在我國公路隧道中應用不多.

2) 公路隧道燈具照明運營養護費用高 我國公路隧道制定的照明標準主要是參照歐洲及日本使用的照明標準，建立依據為駕駛員在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大小)[16]，照明能耗過大，導致公路隧道照明 “高配低用”現象普遍.目前隧道照明節能的重點在改進與優化照明設施以及新能源技術的應用上，側重燈具主動照明，仍存在前期投入過高、性能不穩定、維護成本高等問題.

3) 高速公路隧道視線誘導系統設置缺乏依據，難以統一 現有高速公路隧道視線誘導系統設置混亂，各視線誘導設施的尺寸、設置間距、以及組合搭配方案等缺乏參考標準.同時對于誘導設施與駕駛員視覺特性相關性研究較少.

4) 長大公路隧道誘導系統整體性研究缺乏 現有研究多針對隧道出入口或隧道中部等分段，缺乏隧道的總體研究.對長大隧道駕駛需求考慮少，如距離感、方向感、位置感等.

針對以上分析，提出基于事故預防的高速公路隧道光環境改善方向.

1) 高速公路隧道光環境需采用低成本改善方法 基于照度、亮度標準的隧道燈具照明設施能耗大，但是我國公路隧道低照度運營狀態普遍，照度遠低于國家規范值.針對我國的社會經濟現狀，我國高速公路隧道，更適合用一些低成本、易于維護的隧道光環境改善措施，以實現經濟節能與交通安全的統一.

2) 高速公路隧道光環境改善需立足于駕駛員視覺需求 美國印第安納大學大眾衛生研究所對交通事故成因進行過分析，得出由于駕駛員觀察和判斷錯誤造成的占 84.1%[17]，隧道不良的光環境會降低視距、壓縮視區，導致駕駛員嚴重的視錯覺，影響駕駛員對速度和距離的準確感知，導致低估車速和高估跟車距離，進而誘發交通事故.故隧道光環境改善方向應為優化駕駛員視距與視區，緩解視錯覺.

3) 高速公路隧道視線誘導系統需進一步完善優化 高速公路隧道視線誘導系統能優化駕駛員視距、視區，同時控制駕駛員視錯覺在合理范圍，實現公路隧道交通事故的主動預防，故針對現有誘導系統設置混亂、缺乏標準的問題，亟需開展進一步的優化研究.

4 基于事故預防的高速公路隧道光環境優化研究框架

高速公路隧道交通事故致因主要為不良光環境產生的不良視覺參照系,進而導致的駕駛員視距視區受限和視知覺誤判(視錯覺).隧道遮光設施和照明設施直接從緩和隧道出入口照度過渡和提升隧道中部照度出發，對駕駛員的視知覺誤判考慮較少.而高速公路隧道視線誘導系統從視覺參照系的重構出發，以駕駛員的視錯覺和視距視區為評價指標，能從駕駛員根源改善隧道光環境，預防交通事故發生，見表2.

表2 公路隧道視線誘導系統與傳統燈具照明比較

故提出以優化隧道視線誘導系統為主要目標的高速公路隧道光環境優化研究框架，主要包括以下幾部分.

1) 高速公路隧道交通事故特征與隧道駕駛員視錯覺相關性研究 公路隧道交通事故多為追尾和撞側墻，事故致因多為超速、跟車過近、偏離車道和疲勞駕駛，其與駕駛員在隧道不良光環境(劇烈過渡、昏暗、單調、封閉)下的產生視錯覺存在相關性.通過心理物理實驗和注視點分布特征對駕駛員視錯覺和視距視區特性進行度量，并驗證其與高速公路隧道交通事故的相關性.

2) 高速公路隧道不良光環境下的視覺參照系與視錯覺相關性研究 公路隧道視覺參照系劃分為視距、視區、參照物三部分，低照度公路隧道內光環境下，駕駛員視距不足、視區受限、參照物缺乏，駕駛員無法獲取足夠的視覺線索，且與相鄰公路路段差異較大，為不良視覺參照系：隧道內部為弱視覺參照系、隧道出入口為劇烈過渡視覺參照系.在不良視覺參照系下駕駛員易產生視錯覺，通過模擬仿真實驗構建不同類型的視覺參照系，結合不良駕駛行為與視錯覺的相關性，進一步驗證及確定不同視覺參照系會誘發的視錯覺種類以及程度，并對公路隧道視覺參照系進行分層.

3) 高速公路隧道安全型視覺參照系重構思路研究 針對高速公路隧道不良光環境，提出緩和劇烈過渡的視覺參照系和增強弱視覺參照系的改善思路.根據交通安全是高速公路隧道需滿足的最低需求，提出構建安全型視覺參照系的改善目標，并分別對于公路隧道入口段和出口段進行分析，見表3.

表3 高速公路隧道安全型視覺參照系分析

4) 基于事故預防的高速公路隧道視線誘導系統優化方法研究 針對高速公路隧道交通事故特點，在已有的公路隧道誘導系統設置案例分析與實驗研究的基礎上，利用逆反射材料制作的誘導設施，如隧道反光環和反光條、貓眼道釘、輪廓標等，提出分別滿足駕駛員速度感、距離感、方向感、位置感的安全型視覺參照系構建方法，設置多頻、多尺寸、多形狀組合誘導信息改善公路隧道光環境，見表4.同時利用視錯覺指標、視距視區指標和疲勞指標對誘導系統進行驗證與改善提升其完備性.

5 結 論

1) 高速公路隧道光環境存在隧道出入口照度、視距、視區、參照物劇烈過渡和隧道中部環境單調昏暗、視覺與視區受限的問題，誘發隧道進出口駕駛員“黑洞”與“白洞”效應和隧道中部 “時空隧道”效應，引發駕駛員視錯覺和超速、近距離跟車、駕駛疲勞等不良駕駛行為，導致追尾、撞側墻等交通事故發生.

表4 安全型視覺參照系分析及提升方法表

2) 公路隧道入口遮光設施和隧道照明設施建安費和運營養護費高，高速公路隧道視線誘導系統投入小，易于養護，可以實現交通安全與照明節能的協調統一，更具可操作性.

3) 基于駕駛員速度感、距離感、方向感、位置感和視距視區要求，提出公路隧道視覺參照系重構思路，利用低成本的逆反射材料增加局部亮度與對比度，采用多頻率、多尺寸、多形狀信息，重構公路隧道安全型視覺參照系，實現高速公路隧道光環境低成本改善.