基于安全感的高速公路隧道入口视线诱导系统*

李海光 周土瑶 杜志刚 吕宁生

(1.金华市公路管理局 金华 321001; 2.磐安县公路管理局 金华 322300;3.武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

1 公路隧道入口交通事故的多发性

隧道是公路交通的咽喉，不仅事故多发，而且在隧道内发生交通事故后处理困难，易造成群死群伤局面。公路隧道路段在经济损失及事故总数、受伤人数、死亡人数的比例方面均远高于普通公路路段。杨锦凤[1]统计的2007-2014 年G78汕昆高速969起交通事故中，公路隧道交通事故率为相邻普通公路路段的2.6倍。

国内试验研究表明，公路隧道视觉负荷从小到大依次为：白天隧道外、夜间隧道内、白天隧道内、夜间隧道外[2]。隧道进出口视觉负荷显著大于隧道中部视觉负荷，白天隧道入口瞬时视觉负荷大于隧道出口[3]，公路隧道入口段作为事故黑点，车辆撞击隧道洞门的案例较多，事故现场照片见图1。

图1 车辆撞击隧道洞门事故案例

在隧道进出口处驾驶员的视觉存在“黑洞效应”和“白洞效应”是隧道出入口事故多发的主要原因。在照度剧烈过渡时，人眼不能立即适应，容易导致超速行为，产生追尾或撞上隧道壁等事故[4-5]。

2 隧道入口“黑洞”效应的环境原因

1) 公路隧道弱视知觉参照系，容易诱发黑洞/白洞效应。视觉参照系为观察者提供视觉线索：大小、覆盖、位置、叠加、透视、运动视差、明暗适应、融合、立体视觉、形状、颜色、亮度及视野中的位置等，这些相关信息的总和，则称为视觉参照系。

车辆在公路隧道中部高速运行时，由于照度低、参照物(主要为灯具及轮廓标)少、对比度低、环境单调[6]，为典型的弱视觉参照系。隧道外照度高、视觉空间广阔，景观及交通工程设施丰富，为典型的强视觉参照系。白天隧道入口即是由强视觉参照系向弱视觉参照系环境剧烈过渡的过程，照度从几万勒急剧减少到几百勒，从开阔空间迅速缩小到隧道狭小空间，照度剧烈过渡为“黑”，空间剧烈过渡成“洞”。生理上，驾驶员瞳孔迅速扩大，难以准确在视网膜上聚焦，容易产生“两眼一抹黑”的瞬时盲期[7]，心理上，由于洞外到洞内视觉参照物急剧减少，视敏度迅速降低，无法看清隧道内信息，视觉功能降低，无法准确判定车速与车距。隧道内外及隧道进出口的视觉参照系特征见表1。

表1 隧道视觉参照系分析表

2) 公路隧道视觉效应实质是严重视错觉，容易诱发超速行为及交通事故。视错觉就是当人或动物观察物体时，基于经验主义或不当的参照系形成的错误判断和感知。在行车过程中，如果缺乏周围参照物时，物体的深度及形状信息将会按照驾驶员认知习性予以估计，容易发生感知及判断失误，诱发视错觉。高速公路交警部门统计表明，驾驶员超速70%为速度错觉诱发，其次为距离错觉诱发，因此减少速度错觉、距离错觉，将能降低超速行为，有效提升交通安全。隧道内的弱视觉参照系和进出口的剧烈过渡视觉参照系，导致驾驶员缺乏判断自身车速、车距以及行驶方向的视觉线索，从而造成驾驶员对速度、距离、方向等的误判。

3) 现有公路隧道低照度运营十分常见，交通工程设施难以发挥作用。我国公路隧道照明标准主要参照欧美照明标准，建立依据为驾驶员在照明停车视距范围内能有效视认行驶车道中心障碍物(20 cm×20 cm×20 cm)，对于交通量较小的我国中西部公路隧道相对保守，照明能耗过大(2015年我国工业用电电费为美国的3～4倍，人均收入不及美国的1/7，相对成本为美国的20～30倍)。总体而言，我国中西部公路隧道照明运营“高配低用”现象普遍存在，即开灯率较低，运营时照度远低于国家规范值，公路隧道内低照度及低对比度导致环境参照物难以被驾驶员发现，进一步导致驾驶员的视错觉，形成了交通安全隐患。

3 隧道驾驶安全性需求分析

3.1 隧道驾驶员安全感分析

根据马斯洛需求层次理论，将驾驶员的驾驶需求分为功能性需求、安全性需求、舒适性需求以及美观性需求，由于经济与环境条件，对于高速公路隧道应以满足驾驶员安全性需求为主，考虑隧道内驾驶事故致因多为超速、车距保持不足，事故形态为追尾及撞隧道侧壁，故将驾驶员安全感分为速度感、距离感、方向感需求，驾驶员安全感分析及提升方法见表2。

表2 隧道驾驶员安全感分析及提升方法表

3.2 隧道入口方向感分析

以秦岭隧道为例，夜间隧道洞内虽设置了照明，但存在以下问题。

1) 整体方向感不足。隧道与桥梁宽度不一致，隧道内灯光昏暗，色温低，诱导性差，难以辨识道路走向，导致车辆较长时间在外侧车道行驶(以路侧密集的标志牌、护栏及路灯灯杆为视觉参照)。

2) 局部方向感不足。当前车道与隧道内车道不连续，驾驶员未能有效感知，导致一直朝着较亮的诱导方向行驶(当前车道+洞口反光板)，见图2。

图2 秦岭1号隧道入口现状方向感分析

秦岭隧道入口整体和局部方向感的不足导致驾驶员沿当前车道和桥梁、隧道的道路边线行驶，从而造成撞击隧道入口侧墙事故。

故对于隧道入口的改善应以提高驾驶员的整体和局部方向感为目标，使驾驶员行驶车道和道路横断面平缓过渡，理想方式见图3。

图3 秦岭1号隧道入口理想方向感

对于提高整体方向感建议采用大尺度的低频信息反光环，增大隧道入口整体轮廓亮度；对于提高局部方向感建议采用小尺度中高频信息猫眼道钉，增大低照度条件下道路边线的可见度，隧道入口夜间方向感分析见表3。

表3 秦岭1号隧道入口夜间方向感分析

表4 隧道入口驾驶员方向感分析及提升方法

4 基于安全感的隧道入口视觉参照系重构

4.1 改善目标

1) 提升整体方向感，确保隧道断面与道路断面的整体连续过渡，降低撞击隧道侧壁、洞门的概率。

2) 提升局部方向感，保证驾驶员隧道外所在车道与隧道内车道的连续诱导，降低驾驶员变道、换道概率。

3) 改善隧道洞口设施的逆反射系数，使反射系数满足隧道洞内反光环>洞门>洞门外景观。

4) 保证驾驶员的合理心理反应，使其保持适当的紧张、兴奋与期待，从而弱化驾驶员逃离隧道的本能。

4.2 改善方法

1) 通过增加洞内局部亮度及对比度来提升视线诱导效果，如设置洞门环形黄黑立面标记线、洞内3道连续高反射系数反光环，见图4，设置洞外护栏立柱设置反光立面标记。

2) 在隧道出入口3～4 s行程范围道路边线及道路中心线处均设连续猫眼道钉，推荐在道路边线处设太阳能猫眼道钉，增强车道诱导性，强化局部方向感。

3) 高频视觉信息：路缘LED轮廓标、猫眼道钉(间距5～13 m，提升速度感)。

4) 中频视觉信息：侧墙设应急诱导灯、反光环(间距20～50 m，提升方向感、距离感)。

图4 隧道入口视线诱导系统透视图

分别建立改善后与改善前的3Dmax视频仿真模型，并选取10名驾驶员参与测试，进行基于IViewX HED Laptop眼动仪的模拟仿真实验，隧道入口前接近段(照明停车视距)范围注视点分布特征见表5。

表5 秦岭1号隧道入改善后注视点分布

由表5可见，改善后秦岭1号隧道入口驾驶员注视点在隧道内分布概率显著提升，隧道光环境安全性得到了较大改善。

5 结语

公路隧道入口特殊的交通环境容易诱发交通事故。文章从隧道视觉参照系出发，对隧道入口交通事故致因进行分析，并以秦岭1号隧道为例对隧道入口具体分析。从驾驶视觉需求与事故预防出发，提出以逆反射技术为主的隧道入口视线诱导设施设置方法，以减少交通事故的发生。该方法成本较低，可提高驾驶员对隧道内信息注意力，提升了隧道入口驾驶方向感。但隧道入口诱导系统对于不同长度，不同运营照明水平的隧道有效性还有待进一步验证。

[1] 杨锦凤，王钟誉，蒋国梁．特长高速公路隧道交通事故特征及预防措施研究[J]．西部交通科技，2015(9):79-82．

[2] 黄静.高速公路隧道驾驶员注视点分布特征分析[J].交通科技,2010(1):91-93.

[3] 杜志刚,黄发明,严新平,等.基于瞳孔面积变动的公路隧道明暗适应时间[J].公路交通科技,2013,30(5):98-102.

[4] 肖志军,栾利强.基于照度的高速公路隧道入口安全评价研究[J].交通科技,2015(6):72-74.

[5] 赵炜华,王丽华,刘浩学,等.高速公路长隧道入口段驾驶人视觉特征变化[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2013,37(2):261-265.

[6] 史晓花,杜志刚,郑展骥,等.公路隧道中部视错觉减速标线的优化[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.