基于交通事故预防的高速公路隧道光环境优化研究*

杜志刚 余昕宇 向一鸣 徐弯弯

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430080) (贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司2) 贵阳 550000)

0 引 言

高速公路隧道路段是道路事故黑点，交通事故多发且极易造成群死群伤，在事故总数、受伤人数、死亡人数方面，比例均高于普通公路路段.统计资料显示，公路隧道里程虽仅占公路总里程的0.03%，但隧道交通事故数、死亡人数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驾驶环境导致，而其中影响最大的为隧道光环境.高速公路隧道光环境是由自然光源、人造光源、发光指示标识及景观等共同营造而成，由于其封闭的结构而与相邻公路路段光环境差异显著.因此高速公路隧道光环境的研究与改善一直是隧道交通安全的研究重点，本文从高速公路隧道光环境问题入手，总结分析了现有的高速公路隧道光环境改善方法，结合高速公路隧道驾驶员视错觉特征，提出重构隧道视觉参照系的高速公路隧道光环境优化框架.

1 高速公路隧道光环境存在问题

由于高速公路隧道为半封闭管状结构，故其光环境主要由内部的照明设施营造，但是公路隧道照明耗电量高，我国公路隧道用电量超过300亿度/年，受我国社会经济条件限制，高速公路隧道普遍开灯率低，与相邻公路路段光环境存在较大差异，导致隧道出入口产生“黑洞”与“白洞”效应，同时隧道内昏暗单调的环境也导致“时空隧道”效应.

Waldram[2]首次对隧道的黑洞现象进行阐述.当白天驶入隧道时，照度从几万勒克斯迅速减小到几百勒克斯，空间从广阔空间快速缩小到封闭空间，杜志刚等[3]提出照度剧烈过渡成“黑”，空间剧烈过渡成“洞”，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，即隧道 “黑洞”效应.驾驶员在驶出隧道时看到耀眼白洞，眩光现象明显，形成白洞效应[4]，显著影响驾驶员的视觉功能.高速公路隧道内部空间封闭狭窄，同时由于开灯率低，故其光环境昏暗单调，导致驾驶员的视距不足、视区受限，同时无法准确感知速度、距离、方向等信息，引发驾驶员无意识超速和跟车过近行为，即“时空隧道”效应.

高速公路隧道环境中的时空隧道效应、黑洞效应、白洞效应实质上是一种基于特定视觉参照系的视觉不适与严重视错觉.综上，高速公路隧道光环境典型问题见表1.

表1 高速公路隧道光环境问题分析

2 高速公路隧道光环境改善措施研究

2.1 遮光设施

高速公路隧道遮光设施包括遮光棚、遮阳棚、遮光板等，能有效降低隧道出入口的照度与空间过渡的剧烈程度，降低驾驶员的视觉适应时间，并降低隧道入口段与出口段的照度要求.王长春[8]提出在相距较近的高速公路隧道之间设置遮光棚能实现隧道营运期间的降耗.吴胜忠等[9]提出因地制宜地进行遮光棚建筑、结构设计是遮光棚在公路隧道中应用的关键.

2.2 照明设施

传统的高速公路隧道光环境改善方法为利用灯具来增加隧道内环境亮度，其主要研究内容为照明灯具研究、控制系统研究、绿色能源应用研究三方面.

2.2.1照明灯具

现阶段我国大部分隧道照明多采用白炽灯、荧光灯、高压钠灯、低压钠灯等，大多存在显色性差、能耗高、不易控制、质量稳定性差、寿命短等问题.LED灯作为新型光源与传统光源相比，具有显色性高、耗能少、易于控制、寿命长、稳定性高、对环境无污染、色温范围可控制等优点，且可配合智能控制系统以更好地实现照明节电要求，正在逐渐普及到高速公路隧道照明中.国内很多学者通过实地评价验证了LED灯在隧道内的适用性，张素杰[10]得出LED灯比高压钠灯更适合在隧道照明中使用的结论.

2.2.2照明控制系统

隧道照明控制方式包括人工控制方式、时序控制方式、自动控制方式、智能控制方式.人工控制方式目前已基本被市场淘汰，时序控制方式易于实施且稳定可靠，但无法根据天气、车流等的变化实现动态调节.目前国内公路隧道多采用自动控制，其可按照事先设定的逻辑实现动态调光，但受其布线回路的限制无法满足公路隧道照明整体自适应调节[11].近年来在自动控制的基础上逐渐演变形成智能控制，其利用人工智能、神经网络等先进技术，根据洞内外亮度进行动态调光，实现因地制宜、按需照明的目的.

2.2.3绿色能源应用

为降低公路隧道照明能耗，部分隧道采用利用绿色能源的照明系统，其使用的绿色能源主要为太阳能和风能.刘纪华[12]通过对道坝子隧道太阳能照明的应用，表明了长隧道利用太阳能的经济性、环保性.付长建等[13]以临合高速勒合仓隧道为研究对象，表明高速公路隧道采用风光互补形清洁能源供电技术具有更好的经济效益和环保效益.

2.3 视线诱导设施

高速公路隧道视线诱导系统是指由标志、标线等交通工程附属设施(如猫眼道钉、立面标线、反光环等)组成，主要利用逆反射技术，针对高速公路隧道驾驶员视觉特性构建的辅助驾驶员感知行车状态和环境的诱导系统.

杜志刚等[14]提出隧道入口设置遮光棚和多频逆反射标线系统来实现隧道入口照度、空间、参照物的合理过渡，隧道中部设立多频率、多尺寸的逆反射标线系统，以加强隧道弱视觉参照系的诱导系统设置方法.

隧道反光环是隧道诱导系统的重要组成部分，文献[15]中指出：隧道内反光环具有边界轮廓清晰，行车诱导效果好的特点，能降低隧道照明用电量，并要求在长隧道、特长隧道内部加装环形被动反光光环.

3 光环境改善措施评价与展望

高速公路隧道光环境改善措施评价如下.

1) 遮光设施局限性 遮光设施虽能有效缓解隧道出入口照度与空间的剧烈过渡，但如在隧道建设初期没有设置，则运营期建设实施困难，难以对已有隧道进行改善，同时其建设费用大，在我国公路隧道中应用不多.

2) 公路隧道灯具照明运营养护费用高 我国公路隧道制定的照明标准主要是参照欧洲及日本使用的照明标准，建立依据为驾驶员在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大小)[16]，照明能耗过大，导致公路隧道照明 “高配低用”现象普遍.目前隧道照明节能的重点在改进与优化照明设施以及新能源技术的应用上，侧重灯具主动照明，仍存在前期投入过高、性能不稳定、维护成本高等问题.

3) 高速公路隧道视线诱导系统设置缺乏依据，难以统一 现有高速公路隧道视线诱导系统设置混乱，各视线诱导设施的尺寸、设置间距、以及组合搭配方案等缺乏参考标准.同时对于诱导设施与驾驶员视觉特性相关性研究较少.

4) 长大公路隧道诱导系统整体性研究缺乏 现有研究多针对隧道出入口或隧道中部等分段，缺乏隧道的总体研究.对长大隧道驾驶需求考虑少，如距离感、方向感、位置感等.

针对以上分析，提出基于事故预防的高速公路隧道光环境改善方向.

1) 高速公路隧道光环境需采用低成本改善方法 基于照度、亮度标准的隧道灯具照明设施能耗大，但是我国公路隧道低照度运营状态普遍，照度远低于国家规范值.针对我国的社会经济现状，我国高速公路隧道，更适合用一些低成本、易于维护的隧道光环境改善措施，以实现经济节能与交通安全的统一.

2) 高速公路隧道光环境改善需立足于驾驶员视觉需求 美国印第安纳大学大众卫生研究所对交通事故成因进行过分析，得出由于驾驶员观察和判断错误造成的占 84.1%[17]，隧道不良的光环境会降低视距、压缩视区，导致驾驶员严重的视错觉，影响驾驶员对速度和距离的准确感知，导致低估车速和高估跟车距离，进而诱发交通事故.故隧道光环境改善方向应为优化驾驶员视距与视区，缓解视错觉.

3) 高速公路隧道视线诱导系统需进一步完善优化 高速公路隧道视线诱导系统能优化驾驶员视距、视区，同时控制驾驶员视错觉在合理范围，实现公路隧道交通事故的主动预防，故针对现有诱导系统设置混乱、缺乏标准的问题，亟需开展进一步的优化研究.

4 基于事故预防的高速公路隧道光环境优化研究框架

高速公路隧道交通事故致因主要为不良光环境产生的不良视觉参照系,进而导致的驾驶员视距视区受限和视知觉误判(视错觉).隧道遮光设施和照明设施直接从缓和隧道出入口照度过渡和提升隧道中部照度出发，对驾驶员的视知觉误判考虑较少.而高速公路隧道视线诱导系统从视觉参照系的重构出发，以驾驶员的视错觉和视距视区为评价指标，能从驾驶员根源改善隧道光环境，预防交通事故发生，见表2.

表2 公路隧道视线诱导系统与传统灯具照明比较

故提出以优化隧道视线诱导系统为主要目标的高速公路隧道光环境优化研究框架，主要包括以下几部分.

1) 高速公路隧道交通事故特征与隧道驾驶员视错觉相关性研究 公路隧道交通事故多为追尾和撞侧墙，事故致因多为超速、跟车过近、偏离车道和疲劳驾驶，其与驾驶员在隧道不良光环境(剧烈过渡、昏暗、单调、封闭)下的产生视错觉存在相关性.通过心理物理实验和注视点分布特征对驾驶员视错觉和视距视区特性进行度量，并验证其与高速公路隧道交通事故的相关性.

2) 高速公路隧道不良光环境下的视觉参照系与视错觉相关性研究 公路隧道视觉参照系划分为视距、视区、参照物三部分，低照度公路隧道内光环境下，驾驶员视距不足、视区受限、参照物缺乏，驾驶员无法获取足够的视觉线索，且与相邻公路路段差异较大，为不良视觉参照系：隧道内部为弱视觉参照系、隧道出入口为剧烈过渡视觉参照系.在不良视觉参照系下驾驶员易产生视错觉，通过模拟仿真实验构建不同类型的视觉参照系，结合不良驾驶行为与视错觉的相关性，进一步验证及确定不同视觉参照系会诱发的视错觉种类以及程度，并对公路隧道视觉参照系进行分层.

3) 高速公路隧道安全型视觉参照系重构思路研究 针对高速公路隧道不良光环境，提出缓和剧烈过渡的视觉参照系和增强弱视觉参照系的改善思路.根据交通安全是高速公路隧道需满足的最低需求，提出构建安全型视觉参照系的改善目标，并分别对于公路隧道入口段和出口段进行分析，见表3.

表3 高速公路隧道安全型视觉参照系分析

4) 基于事故预防的高速公路隧道视线诱导系统优化方法研究 针对高速公路隧道交通事故特点，在已有的公路隧道诱导系统设置案例分析与实验研究的基础上，利用逆反射材料制作的诱导设施，如隧道反光环和反光条、猫眼道钉、轮廓标等，提出分别满足驾驶员速度感、距离感、方向感、位置感的安全型视觉参照系构建方法，设置多频、多尺寸、多形状组合诱导信息改善公路隧道光环境，见表4.同时利用视错觉指标、视距视区指标和疲劳指标对诱导系统进行验证与改善提升其完备性.

5 结 论

1) 高速公路隧道光环境存在隧道出入口照度、视距、视区、参照物剧烈过渡和隧道中部环境单调昏暗、视觉与视区受限的问题，诱发隧道进出口驾驶员“黑洞”与“白洞”效应和隧道中部 “时空隧道”效应，引发驾驶员视错觉和超速、近距离跟车、驾驶疲劳等不良驾驶行为，导致追尾、撞侧墙等交通事故发生.

表4 安全型视觉参照系分析及提升方法表

2) 公路隧道入口遮光设施和隧道照明设施建安费和运营养护费高，高速公路隧道视线诱导系统投入小，易于养护，可以实现交通安全与照明节能的协调统一，更具可操作性.

3) 基于驾驶员速度感、距离感、方向感、位置感和视距视区要求，提出公路隧道视觉参照系重构思路，利用低成本的逆反射材料增加局部亮度与对比度，采用多频率、多尺寸、多形状信息，重构公路隧道安全型视觉参照系，实现高速公路隧道光环境低成本改善.