基于決策視距的隧道洞門立面標記方案比選*

蔣錦港 杜志剛* 徐耀賜 馬兆有

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (逢甲大學運輸科技與管理系2) 臺灣 40724)(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室3) 上海 201804)(公安部交通管理科學研究所道路交通安全公安部重點實驗室4) 無錫 214151)

0 引 言

公路隧道入口段作為事故黑點，車輛撞擊隧道洞門事件頻頻發生.楊錦鳳等[1]統計分析2007—2014年木沖隧道下行線交通事故空間分布特征，指出隧道接近段和入口段為事故易發地段.鐘鼎文[2]將隧道地段劃分為六類，調查發現入口段事故率最高為3.65起/(km·年)，其次是接近段為2.92起/(km·年).黃靜[3]針對隧道交通事故起因的研究分析中指出公路隧道視覺負荷從大到小依次為：夜間隧道外，白天隧道內，夜間隧道內，白天隧道外.隧道進出口視覺負荷顯著大于隧道中部視覺負荷[4].杜志剛等[5]基于駕駛員生理反應，研究公路隧道進出口視覺與行車安全的關系.因此，改善夜間隧道入口段和接近段的視覺環境對提升隧道安全具有重要意義.

李海光等[6]指出秦嶺隧道事故是由于入口整體和局部方向感不足導致的，并針對隧道入口段接近段通過反光環等誘導設施構建高速公路隧道入口視線誘導性.傅磊[7]指出為加強對駕駛員的安全引導及警示效果，隧道入口洞門墻端面及檢修道側壁涂反光立面標記.反光立面標記可提醒駕駛員注意車行道內或近旁有高出路面的構造物，防止發生碰撞.馮浩等[8]基于復雜環境下駕駛員的前視距離研究路側交通標志設置方法.張蘭芳等[9]研究駕駛員在雙向通行長隧道入口段的視認距離與不同車速的關系.

目前隧道入口的研究主要集中在隧道入口段，并以停車視距作為隧道洞口安全設施可視距離的設計依據，沒有著重研究隧道接近段對行車的安全影響，也沒有研究隧道洞門立面標記可視距離的設計依據，而且現存的研究成果幾乎沒有研究夜間隧道洞口立面標記的可視距離和誘導性.因此擬通過研究隧道洞門立面標記的布局方式和可視距離，以期為提高隧道入口安全性提出一種新的研究思路.

1 隧道洞門設計視距分析

1.1 立面標記設計依據分析

文獻[10]將雙向交通隧道的照明需求分為五部分，即將車輛通過一個隧道的距離分為五段：接近段、入口段、過渡段、中間段、出口段.其中接近段的距離采用的是停車視距，即隧道洞門立面標記的設置依據是停車視距.

但是由于夜間能見度低，車輛在駛入隧道前，無法有效判斷洞門位置，車輛行駛軌跡可能會偏離洞門，駕駛員需在采取變換車道、調整車速、停車等幾種駕駛行為中做出決策，比發現當前車道前方障礙物單純的停車行為多出決策時間.所以采用停車視距作為立面標記設計依據不夠安全，需要更長的視距來提供額外的安全和操縱空間.

1.2 決策視距的引入

決策視距是指駕駛人得以安全變換車道、車速、車向或停止，完成安全駕駛所需的距離.車輛行進中，駕駛員如果遇到非預期或較復雜之資訊、路況，可能影響駕駛人辨識或認知其潛在危險性，決策視距能夠提供駕駛人得以充分、有效變換適當車道、車速、車向或停止的安全駕駛距離.所以凡車輛運行過程中須應變(變換車道、變換車速、轉換方向、停車)者，都應采用決策視距作為設計視距.

決策視距由六部分組成，見圖1.目視前方—發現危險—辨識風險—應變—開始采取動作—完成動作.“目視前方-發現危險-辨識風險”這一段距離定義為認知距離，“應變-開始采取動作-完成動作”這一段距離定義為行動距離.將車輛進入隧道的距離分為兩部分：識別段、接近段.其中識別段的距離為決策視距中的認知距離，接近段的距離為決策視距中的行動距離.

圖1 決策視距

決策視距可以根據規范查詢得知，美國國有公路運輸管理員協會(AASHTO)將決策視距分為“A，B，C，D，E”五種狀況，見表1.

表1 決策視距與停車視距規范比較

注：A-農村公路車輛為決策而需停止；B-市區道路車輛為決策而需停止；C-農村公路車輛為決策而需變換車速、車道或車向；D-郊區公路車輛為決策而需變換車速、車道或車向；E-市區道路車輛為決策而需變換車速、車道或車向.

由表1可知，決策視距的長度大于停車視距.AASHTO將決策視距狀況分的更為詳細，能更好應用到實際工程中.雖然決策視距可以根據規范查詢得知，但是規范只是保證了最低安全視距要求，為了更好的安全性，公路隧道入口的決策視距可以根據公式求得,車輛駛向隧道洞口的狀況符合C狀態，所以公路隧道入口決策視距的長度也可采用公式計算.

D=0.278Vt

(1)

式中：D為決策視距長度，m；V為設計速度，km/h；t為應變操作時間，s，一般采用11 s.

識別段的長度：

Dp=Vt

(2)

式中：Dp為識別段長度，m；V為設計速度，mile/h；t為識別時間，s，一般采用2.5 s.

接近段的距離：

Dm=D-Dp

(3)

式中：Dm為接近段長度.

文中研究的對象為公路隧道，設計速度為80 km/h，AASHTO規范決策視距長度為230 m；根據式(1)～(3)求得的決策視距長度為245 m，識別段長度為56 m，接近段的長度為189 m.

2 立面標記方案設計

2.1 設計原理

1) 視覺關注 視覺關注機制(visual attention)是一種主動選擇性的心理活動，指人類視覺總能快速定位重要的目標區域并分析.視覺關注可分為兩種模型.自底向上關注模型主要跟圖像內容的顯著性相關.心理學研究發現[11-12]，當目標具有獨特的方向、形狀、顏色等特征，該顯著目標將會自動吸引更多的關注.在夜間，那些明亮的交通標識會吸引駕駛員的關注.自頂而下關注模型與任務有關.李偉平等[13]通過研究在不同任務條件下的注視點得出：人們搜尋與視覺高級認知任務相關的目標和區域而忽略其它區域.

駕駛員在行駛過程中，對前方道路的方向，障礙物，交通標志等重要交通元素的注意狀態及對復雜情況的即時認知和應對處理是駕駛安全的保障.劉景升等[14]將不同類型安全標志的視覺關注降序排列：指示、警告、禁止、提示.在夜間，在駕駛任務指導下駕駛員的視覺會更加關注那些明亮的箭頭標志等誘導指示信息，這些信息進入眼球后，人腦會形成感知方向，并作出適當的行動或反應.這是一種自底向上關注模型.所以本文從視覺關注機制角度出發，提升隧道洞門立面標記的顯著性和誘導性.

2) 視覺成像 人眼的結構相當于一個凸透鏡，外界物體在視網膜上所成的像是實像，見圖2.物體A′B′視點高度為L′，可視距離為d′，最小可見視角為α，物體垂直人眼的視線，并且視線經過物體的中心.可以得到這樣的關系：

(4)

化簡得到可視距離：

(5)

物體AB視點L比物體A′B′視點L′低，物體AB，A′B′的反射光經過晶狀體，在視網膜形成等大倒立的像A″B″，像A″B″是人眼可分辨物體最小像，根據式(5)可得物體A′B′可視距離d′比物體AB可視距離d遠，.所以物體越高越寬，即視點越高越寬，人能夠看到物體的距離越遠.

圖2 視覺成像簡易模型

所以文中將通過提升立面標記的視點高度和寬度，提升隧道洞門立面標記的有效視認距離.

2.2 方案設計

隧道洞門立面標記是隧道入口段安全的一項重要內容.文中研究高速公路隧道，結構為分離式獨立雙洞隧道，車道寬3.75 m，限高5.0 m，右側向寬0.75 m，左側向寬0.5 m，檢修道寬度0.75 m.根據調查得知，目前我國隧道洞門立面標記大多采用兩種形式.第一種方案是洞門兩邊各設置矩形黃黑立面標記，高度一般只要求2.5 m，寬度沒有明確規定.為了方便比較，方案一的立面標記采用高250 cm、寬60 cm的尺寸，見圖3a).第二種方案是在洞門設置30 cm寬的環形黃黑立面標記，見圖3b).

圖3 改善前方案

針對隧道洞門立面標記的改善設計主要包括兩部分：可視距離和誘導性功能.首先是可視距離的改善設計：根據視覺成像原理，視點越高越寬，可視距離d越遠，所以采用30 cm寬環形黃黑立面標記，視點縱向最高高度為730 cm，視點橫向最大寬度也變為1 105 cm.其次是增強誘導性：根據視覺關注原理，夜間駕駛員更加關注明亮的箭頭誘導信息，所以外側用寬20 cm，長60 cm的兩根條形立面標記組成雙箭頭樣式，指向隧道洞口，所以橫向視點寬度也變為1 225 cm，見圖4.

圖4 方案三

三種方案初步評價具體見表2.由于夜間立面標記的可視距離還受夜間能見度、立面標記逆反射率和汽車車燈照度等因素的影響，且夜間可視距離是否滿足決策視距要求，所以還需實驗進一步評價.

表2 改善后前后對比表 cm

3 實驗評價

3.1 實驗設計

為驗證方案的合理性，本實驗采取3ds Max構建夜晚隧道洞門模型進行實驗，定義場景尺寸和照明環境，選用車輛燈具，并對燈具進行安裝配置，模擬車輛開著遠光燈駛向公路隧道洞口，以60 km/h的速度±2.5 km/h的作為仿真視頻的速度.每個方案構建駕駛員視角運動軌跡正常和運動軌跡偏離洞門兩個視頻.

向社會招募有駕駛經驗且矯正后視力1.0以上的被試者30人，分為20～30歲、>30～40歲和>40～50歲共三個年齡段，每個年齡段都為10人.

判斷準確率指駕駛員在實驗中準確判斷出運動軌跡方向的概率，為

視認距離是指駕駛人行車可清晰明視前方的距離.本實驗視認距離的衡量指標為：

視認距離=駕駛員判斷出隧道入口時駕駛員與隧道洞口的距離.

在模擬實驗中，判斷準確率越高、視認距離越遠且滿足決策視距要求，說明此方案效果越好.仿真視頻在E-prime平臺上進行播放，實驗場景是由三種方案組成，方案順序隨機，其中一個方案的駕駛員視角運動軌跡偏離洞門，并保證每個方案的駕駛員視角運動軌跡偏離洞門的次數相同.被試者在每個場景分別需重復三次實驗，30名被試者共計180次.

3.2 實驗流程

步驟1利用3ds Max軟件制作仿真視頻，將所有視頻剪輯成同等時間長度，然后在大屏幕上投影，被試者與大屏幕的距離設置為6 m.

步驟2實驗開始前10 min，主試者講解實驗流程，并且讓被試者熟悉實驗環境.

步驟3被試者按規范進行就坐，在主試者的提示下進行模擬駕駛實驗.

步驟4播放視頻，計時起點為隧道前400 m處，被試者判斷出隧道口時按下儀器上對應按鈕，記下距離，隨后繼續，抵達接近段的時候，駕駛員需判別是否需要糾正方向并按下對應按鈕，隨后直到仿真結束.

步驟5暫停2 min播放事先準備好的風景圖給被試者看，緩解實驗壓力.

步驟6被試者休息完后，根據步驟4進行下一個方案的實驗.

步驟7被試者需要分別完成改善前后三組實驗，間隔休閑2 min后繼續重復實驗三次.

步驟8用E-prime 2.0軟件導出實驗數據，然后人工整理實驗數據，計算出隧道洞門視認距離作為有效視認距離.

步驟9分別計算和分析各組實驗的判斷準確率和有效視認距離，對實驗結果取平均值并具體分析.

實驗場景圖見圖5.

圖5 實驗場景圖

3.3 實驗結果分析

3.3.1視認距離分析

實驗結果見圖6.

圖6 不同方案不同年齡的視認距離圖

由圖6可知，駕駛員年齡20～40歲，視認距離相差不大，當年齡大于40歲后，視認距離隨著年齡的增加而減少.方案一的隧道洞口視認距離遠小于決策視距，方案二的視認距離能夠滿足規范的決策視距要求，方案三的視認距離能夠滿足更安全的決策視距要求；對比方案一和方案二的數據可知，方案二能夠提升被試者的隧道洞口視認距離.對比方案一和方案三的數據可得，被試者的隧道洞口視認距離都有大幅度的提升，提升程度大于方案二.且成年后，年齡越大改善幅度越大，40～50歲年齡段視認距離提升程度高達87.9%，其他兩個年齡段分別73.5%和74.3%.這表明本文所設計的隧道洞門立面標記方案能有效的提升駕駛員的視認距離，且方案優越性：方案三>方案二>方案一.

利用SPSS軟件對視認距離時間數據進行單因素方差分析，所得結果見表3.

由表3可知，以0.05為顯著性水平，改善后的隧道洞口立面標記方案對駕駛員視認距離的影響顯著.

表3 改善方案對視認距離的方差分析

3.3.2判別準確率

判斷準確率與年齡關系分析結果見圖7所示.

圖7 不同方案不同年齡的判斷準確率圖

由圖7可知,同理于視認距離，對比方案一與方案二，方案二可以提高各年齡段的判斷準確率；對比方案一與方案三，方案三可以提高各年齡段的判斷準確率，平均高達26.7%，高年齡組判斷準確率提升尤為顯著，高達30.2%；隨著年齡的上升，判斷準確率降低，20～30歲年齡組判斷準確率比40～50歲年齡組高7%左右.這表明本文所設計的隧道洞門立面標記方案能有效的提升誘導性，且方案優越性：方案三>方案二>方案一.

利用SPSS軟件對判斷準確率數據進行單因素方差分析，所得結果見表6.

表6 方案三對判斷準確率的方差分析

由表6可知，以0.05為顯著性水平，改善后的隧道洞門立面標記方案對駕駛員判斷準確率的影響顯著.

4 結 語

1) 車輛在駛向隧道時，駕駛員對判斷隧道洞門的視認距離不夠和無法有效判斷洞門的方向，駕駛員無法及時采取有效措施，導致車輛撞擊隧道洞門等事故發生.

2) 隧道洞門的夜間視認距離與年齡相關，老年駕駛者的視認性隨年齡增長而下降,反應變慢.

3) 相較于矩形塊方案，環形塊方案和環形塊+箭頭方案，可有效提升駕駛員夜間對隧道洞門的視認距離，達到視認距離大于規范中決策視距的效果，并增強了誘導性.環形塊+箭頭方案夜間隧道洞門平均視認距離相較與矩形塊方案提升了78.1%，平均判別準確率提升了26.7%，且是三種方案中平均視認距離最遠，能夠達到更安全的決策視距要求，具有最強的誘導性.

文中建議在實際工程中隧道洞門立面標記方案實施的優先等級：環形塊+箭頭方案>環形塊方案>矩形塊方案.由于本文實驗是室內仿真，缺乏一定的可靠度，下一步將會進行實車實驗對隧道洞門立面標記做進一步研究.