高速公路隧道視覺安全引導技術分析與應用

王啟俊

（中鐵建大橋工程局集團電氣化工程有限公司,天津 130300）

1 概述

高速公路作為保障國民經濟發展的重要命脈，發揮的作用巨大，公路隧道是修筑在地下或是山體中供汽車行駛的通道，是公路工程的重要組成部分[1]。公路隧道施工可有效縮短兩地之間的行車距離，對交通運輸和城市發展都有積極的促進作用。近些年，隨著我國社會經濟的快速發展，高速公路路網建設也在逐步完善。據統計，近十年我國高速公路里程增長一倍之多，截至2020年，總里程達15 萬公里。隨著高速公路逐漸向山區延伸，由于山區地質結構的特殊性和復雜性，導致山區高速公路隧道不斷增多，據統計，截至2019年我國公路隧道數量為19 067 座，同比增長7.5 %，隧道總長度達到1 896.66 萬米，同比增長10%。我國已成為世界上隧道建設數量最多、里程最大的國家。

圖1 2010—2020年我國高速公路總里程及隧道數量統計

然而隨著隧道數量的增加，隧道引發的交通事故也相應增多[2]。通常隧道路段不同于開放性路段，其行車環境較為特殊，最典型的就是在白天和夜間行駛到隧道出入口時，由于受到隧道洞內外光源類型、明暗差異的影響，易產生“黑洞效應”和“白洞效應”，給駕駛員視覺造成過度的負荷，導致操作失控，使得隧道出入口成為高隧道比路段的事故多發位置，占隧道區段事故的近60 %。

目前，我國高速公路隧道內大多通過安裝LED燈具的方式來加強整個隧道內的亮度，進而減小隧道內外的光線差異。LED燈具有使用壽命長、顯色性好、易調控、光線利用率高及不含有害物質等特點[3]，雖然通過安裝LED燈具可一定程度解決高速公路隧道出入口駕駛人員視覺上出現過度的負荷問題，但大量的LED燈具照明能耗巨大，易造成運行成本增加，甚至會造成隧道開燈率低等問題。如何緩解隧道照明能耗和行車安全之間的矛盾，需要進行相關研究。本文分析了隧道照明控制技術發展現狀，進行了一種高速公路隧道視覺安全引導裝置設計，相關研究可為高速公路隧道行車安全及高效運營提供依據。

2 隧道照明技術的發展

隧道照明系統是公路隧道建設工程的重要組成部分，隨著世界各國隧道工程的發展，隧道照明技術也得到了巨大進步，國內外針對隧道照明技術的研究，具體發展可總結為三個階段。

2.1 起步階段。

早在20世紀50年代末，英國科學家WALDRAM針對駕駛員駛近隧道并從洞外看隧道內時會造成視覺辨認障礙物困難等問題，提出了著名的“黑洞效應”并闡述了其嚴重性，致使各國學者開始致力于針對公路隧道照明技術的相關研究[4]。荷蘭學者SCHREUDER于20世紀60年代，根據洞內外亮度變化差異，提出了隧道內照明亮度的改變方法[5]，開啟了針對隧道照明的智能化控制相關研究。

2.2 發展階段

到20世紀70年代初，隨著隧道照明理論的不斷完善，國際照明委員會（International Commission on Illumination，簡稱CIE）出版了第一版有關隧道安全照明的標準《隧道照明國際建議》，為隧道行車安全照明提供了相關的規定與建議。隨后，西方發達國家和國際照明委員會制定了不同類型隧道照明系統的規范和標準，如《歐洲隧道照明指南》和《隧道照明指南》等相關的標準和準則，使得隧道照明的設計和施工更為規范合理，一定程度減少了隧道交通事故。

2.3 完善階段

20世紀90年代和21世紀初，國際照明委員會分別對隧道照明安全標準進行了補充和修訂，至今，2004年修訂出版的《公路隧道和地下通道照明指南》CIE 88-2004一直作為國際隧道安全照明標準。該標準中將隧道照明劃分為四個照明段：入口段、過渡段、中間段和出口段。每個照明段的劃分和照明（亮度）設計需要考慮隧道外的最大亮度、隧道設計的最大車流量和車速等因素[6]。我國針對隧道照明技術相關研究起步較晚，理論技術相對落后，1990年，我國頒布了首部包含隧道照明規定和公路隧道設計的行業標準《公路隧道設計規范》JTJ026-90，其后多次進行了規范的補充和修訂。2014年我國又發布了《公路隧道照明設計細則》JTG/T D70/2-01-2014，對我國隧道照明的設計起到了極大的指導作用。近些年，隨著我國科學技術的飛速發展，隧道照明技術，特別是隧道照明的節能高效設計方面也得到了較大發展。

當前高速公路隧道照明系統主要采用LED照明技術，LED燈具有體積小、節能效果良好、壽命較長等優點。高速公路隧道照明系統改造設計一般包括兩種：一種為全部改造為LED燈；另一種采用LED燈與高壓鈉燈的組合，通過LED燈來實現隧道的基本照明，然后采用高壓鈉燈來實現加強照明[7]。如今，公路隧道照明技術總體朝著數字化、智能化和人性化的方向發展[8]，特別是隨著通信工程、材料學、光學、熱工學、計算機技術、電氣工程與自動化控制、軟件工程、微電子與固體電子學及半導體照明等相關技術的進步與發展，公路隧道照明技術也必將會迎來新的發展和突破。

3 隧道視覺安全引導裝置設計

目前高速公路隧道指引裝置通常采用反光條粘貼于隧道內部，然后通過行駛車輛的燈光照射產生反光，進而視覺引導車輛行駛，這種反光條雖然使用方便，但是其反光的強弱程度不夠均勻，對車輛視覺引導的效果不夠顯著，因此有必要設計一種更有效的視覺引導的隧道指引裝置。雖然高速公路隧道通過安裝LED燈具一定程度解決了“黑洞效應”和“白洞效應”，但大量的LED燈具照明能耗巨大，易造成運行成本增加，甚至會造成高速公路隧道開燈率低等問題[9-10]，因此有必要設計一種更經濟高效的視覺引導照明裝置。

3.1 高速公路隧道指引裝置設計

高速公路隧道指引裝置設計示意圖如圖2所示，裝置部件主要包括光敏傳感器、固定框架、LED燈組、微處理器、PVC透明蓋板、引導箭頭標識（表面涂抹有熒光涂料）、反光條、支柱及底座板等。首先將裝置的LED燈組與外界電源連接，當隧道內部光線變暗時，光敏傳感器會感應光信號進而產生電信號，通過導線將其傳遞到下部微處理器中，微處理器對電信號進行分析處理，進而產生控制指令，控制LED燈組進行通電發亮；LED燈組產生的光照射到PVC透明板上，將PVC透明板表面的引導箭頭標識照亮，進而對車輛進行視覺上的引導指示。通過將該裝置等距固定于高速公路隧道內部的路沿上，能有效提高高速公路隧道視覺引導效果。

圖2 高速公路隧道指引裝置設計示意圖

3.2 高速公路隧道視覺引導照明裝置設計

高速公路隧道視覺引導照明裝置設計如圖3所示。隧道本體內的LED燈與電源連接，可為隧道內提供光線，在隧道本體左右兩側的引道上增設遮光板，根據晴雨天光線的強弱，對遮光板進行調節，具體為：導向電機啟動→帶動蝸桿轉動→蝸輪轉動→轉軸轉動→齒輪轉動→帶動齒牙轉動→導向塊移動→遮光板轉動。當太陽光線過強時，通過導向電機轉動，使前后兩個遮光板均向中間轉動，進而對太陽光線起到遮擋作用；當陰雨天光線較弱時，導向電機反向轉動，使兩個遮光板分別向前后兩側轉動，太陽光線從兩個遮光板間隙內射引進道內，通過調節間隙的大小可控制引道內的光亮程度，根據太陽光線的不同，對前后兩個遮光板進行調節，可使駕駛人員在行駛進出隧道本體時，提高其視覺的舒適度，有效抑制眩光；另外，在遇到下雨天時，通過位于遮光板后側的擋水板可有效防止雨水順著遮光板流入支撐架內部而降低支撐架的使用壽命。高速公路隧道視覺引導照明裝置設計可為緩解隧道照明能耗和行車安全之間的矛盾提供依據[11]。

圖3 高速公路隧道視覺引導照明裝置設計示意圖

4 結語

隨著我國高速公路隧道建設的飛速發展，隧道照明需求會越來越大，隧道照明的設計優化是一項重要課題，既要確保行車安全又要盡量降低照明能耗。本文分析了國內外照明技術的發展現狀，并將其劃分為三個階段：起步階段、發展階段及完善階段。國內隧道照明技術起步晚但發展迅速，未來隧道照明技術會繼續朝著數字化、智能化和人性化的方向發展。針對目前高速公路隧道指引裝置及LED燈照明現狀，設計了高速公路隧道指引裝置和隧道視覺引導照明裝置，可有效提高高速公路隧道視覺引導效果，降低高速公路隧道交通事故發生率，可為高速公路隧道照明和引導設計提供參考。