UC win/road在隧道绿化景观设计中的应用*

□ 陈孟柯,马健霄,王羽尘,刘宇航,汪 亮

(1.南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京 210037；2.江苏宁常镇溧高速公路有限公司，江苏 常州 213018)

隧道外侧绿化景观不仅具有美化隧道环境的作用，同时能够有效引导驾驶人的视线，不同的景观色彩及形式和交通安全联系密切。现阶段，隧道段的绿化景观设计方案大多数停留在设计图纸阶段，设计方案往往侧重艺术效果，缺乏对实际效果的检验。对于绿化景观设计的研究，化希耀提出了利用UDK引擎与SpeedTree相结合对园林景观优化设计[1]，何鹏等人利用CINEMA 4D对园林效果设计进行了探索。绿化效果评估方面[2]，Li X、Weng H等人利用AHP法对城市道路绿化的美学质量进行了综合评价，并得到景观颜色搭配是最重要的影响因素[3]。基于此，本文提出了利用UC win/road对隧道入口段路侧绿化设计方案建模仿真，探究绿化方案的实际效果，进行方案设计反馈。

1 隧道入口段路侧绿化设计理论

高速公路隧道入口段绿化能够美化道路环境、保持隧道边坡水土，同时良好的隧道入口段绿化景观能够有效提高隧道视认性。

1.1 隧道入口段路侧绿化设计理念

高速公路隧道所处地形往往比较复杂、设计速度较快，需要隧道入口段路侧绿化方案既能够提醒驾驶人注意前方隧道又不能长时间吸引驾驶人的视线。因此，高速公路隧道入口段路侧绿化设计方案需要在景观性与视认性两方面进行均衡，基于此对隧道入口段路侧绿化景观设计提出以下理念：

①安全角度：隧道入口段路侧绿化能够对进入隧道的驾驶人视线进行引导，同时入口段路侧绿化能够在低能见度天气下对驾驶人起到提示作用。一旦车辆冲出路外，隧道入口段路侧绿化能够对车辆起缓冲作用，增加行车的安全性。

②景观角度：隧道入口段路侧绿化应具有季节性变换，单调的隧道入口段路侧绿化景观在不同的季节中与隧道周边植被的区别并不明显。隧道入口段路侧绿化景观轮廓应根据隧道段地形进行设计，确保景观方案的工程可行性。

③养护角度：高速公路隧道独特的结构及位置会增加隧道入口段路侧景观养护的难度，因此选取隧道入口段路侧绿化植物时应以不落叶植物为主、植物生长周期不宜太短，避免频繁修剪。选取绿化植物时应因地制宜[4]，尽量以当地植物为主。

1.2 隧道入口段路侧绿化方案设计原则

1.2.1 植物选择

隧道入口段独特的地形对隧道入口段路侧绿化选择有着独特的要求，隧道入口段路侧绿化高度过高时会阻挡驾驶人视线，因此隧道入口段不能选择高大乔木。隧道入口段路侧绿化植物应以灌木为主，同时灌木应具有良好的环境适应性，能够在多种环境中可以正常生长。隧道入口段路侧植物不宜选择落叶植物，植物落叶会导致隧道路侧景观季节性变化较大影响隧道入口段视认性。植物落叶一旦落入行车道内，一方面会给车辆行驶造成安全风险，另一方面会增加养护的难度。

1.2.2 景观颜色设计

高速公路路侧不同景观会给驾驶人带来不同的感受，良好的隧道入口段路侧景观颜色搭配会舒缓驾驶人的情绪，降低驾驶员的疲劳有助于提高行车安全性。隧道入口段路侧绿化植物应选取颜色明亮的植物搭配种植，植物颜色可选择红色、橙色及黄色等。隧道入口段路侧景观颜色设计要考虑绿化植物颜色与隧道边坡现有植被颜色之间的对比，充分发挥景观颜色的作用。

1.2.3 路侧绿化标准段设计

隧道入口段路侧绿化进行设计时，考虑到景观的舒适度及行车安全，需要对绿化进行分区标准段设计。景观标准段设计是基于驾驶人对景观的敏感度及观赏视角的共同作用下，针对绿化方案提出的标准化设计理念。标准段的设计要同时考虑人的视觉特性与高速公路设计速度，基于两者的共同作用确定隧道入口段路侧绿化标准段的长度。

表1 公路景观敏感尺度表

张明浩[5]对高速公路不同速度下的景观敏感尺度，见表1。

标准带的设计应突出大视觉景观绿化，依靠多种植物的不同颜色，不同植株高度和形态特征等形成不同的植物组团，再通过植物方案搭配，将植物组团组合到标准段中，完成标准段的方案设计。

2 UC win/road对隧道绿化景观的塑造方法

2.1 地形的塑造

地形是隧道建模不可缺少的部分，各种软件进行隧道建模的基础均为构建地形。UC win/road创建地形范围、标高及三角网大小，进行地形塑造。该方法可以灵活地调整地形曲面，塑造空间尺度较小的地形时优势明显。此外，对于空间尺度较大的地形进行塑造时，可导入其他软件创建的地形文件进行调整，还原真实的地形。

2.2 天气环境的塑造

气候是建模中的重要因素，不同的环境对于景观效果影响程度不同。建模时需要对模型内的天气环境进行塑造。利用UC win/road中的天气选项调节具体参数针对天空颜色、云朵、雨、雪、雾霾等天气环境进行塑造，有助于全面构建模型。

2.3 植物的塑造

植物作为绿化景观设计的重点，无论是在设计时还是在建模仿真时都需要被重点关注。UC win/road中的植物素材库包含了大量的植物素材，满足基础建模的需要，对于部分绿化方案中需要的特色植物，UC win/road可以通过导入外部树种模型的方法对植物进行塑造。按照设计方案中的植物冠幅、胸径、株距等参数进行调整，通过对植物的具体参数进行调整，能够高精度的模拟绿化方案施工后的景观效果。

2.4 UC win/road与其他软件的数据转换

绿化景观的设计是一项复杂的工作，需要利用多种软件进行设计。这意味着绿化景观建模过程中需要对多种软件进行协同工作，UC win/road内置多种软件接口，能够满足多种软件与UC win/road之间的数据转换，为建模过程提供方便。例如，UC win/road可通过3DS文件的格式与3Dmax进行数据转换，与Civil 3D进行数据转换时可通过Civil 3D插件进行数据的调用及导出，UC win/road的软件插口保证了建模过程的高效性和模型的真实性。

3 基于UC win/road的隧道绿化仿真分析

3.1 茅山隧道入口段路侧绿化设计方案

本文以常合高速茅山隧道为例，根据上述理论对茅山隧道入口段路侧绿化景观进行设计。茅山隧道入口段限速80km/h，依据路侧绿化标准段设计原则，将茅山隧道入口段路侧绿化标准段长度设为35m，满足车速80km/h条件下的驾驶人视觉特性要求结合茅山隧道入口段的特殊地形，隧道入口处的边坡不宜种植乔木及落叶植物，因此选取灌木类植物作为标准段植物。结合相关高速公路绿化方案，本研究提出了茅山隧道入口段路侧绿化标准带设计方案，具体方案见图1。

图1 标准段设计方案

该方案根据植物的特殊颜色、形状，对驾驶人起到警示作用，例如金森女贞、红叶石楠、鹿角柏、海桐、红端木[6]等，同时依靠条带状绿化与丛植绿化呈团块状融合种植，组成35m长的波浪状曲线型标准带。

该方案能够通过植被鲜明的外观形状与色彩、植株的规则布局来引导驾驶员的视线，植物选取见表2。

表2 标准带植物

3.2 茅山隧道入口段路侧绿化方案仿真

3.2.1 地形和隧道编辑

茅山隧道独特的地形无法直接通过UC win/road的地形编辑功能完成地形的还原。为解决这个问题，通过UC win/road的数据转换功能导入Civil 3D编辑的茅山隧道三维数字地形曲面到模型中，并调整地形曲面表面贴图完成对茅山隧道所处地形的还原。Civil 3D编辑的地形曲面最小高程27.0m，最大高程306.1m，三维曲面面积约9820.6万m2。UC win/road导入茅山隧道地形曲面时，首先创建27m标高，20km×20km范围的项目，并根据基准点X:420000，Y:505000同步CAD图纸。该方法能够保证UC win/road创建的项目能够完全容纳地形文件。Civil 3D与UC win/road在模型的构建过程中通过数据转换功能对地形及隧道线型进行编辑，如图2所示。

(a) Civil 3D创建的茅山隧道地形曲面

(b) UC win/road中的茅山隧道地形图2 茅山隧道地形

通过在UC win/road中对隧道断面进行编辑，能够最大程度上还原隧道的实际情况。隧道建模较一般道路建模具有更大的挑战性，茅山隧道入口段断面形式复杂，隧道内无紧急停车带，隧道洞口挖方路基横断面与隧道横断面存在断面差，见表3。

表3 横断面参数

隧道入口段建模时，为解决隧道入口段存在断面差的问题，本文采用创建自定义道路断面，根据道路中线的位置定义行车道及道路其他部分，并按照隧道断面变化点调整隧道断面的方法完成隧道入口段模型的精确塑造。

3.2.2 隧道附属设施的配置

茅山隧道复杂的道路基础设施对隧道建模提出了较高的要求，UC win/road素材库中的基础模型难以满足高精度建模的要求，在建模过程中利用3Dmax对模型进行编辑并将模型导入UC win/road，依据实际情况设置模型材质及光源的方法塑造隧道附属设施真实效果。以门架式交通标志为例，在3Dmax中完成门架及交通标志面板的编辑并将其导入UC win/road中，通过UC win/road的模型编辑功能对门架的材质、交通标志版面进行细致调整。门架和交通标志采用实际材质的图片以35%的光滑度进行贴图处理，并结合标志的大小设置贴图大小。

根据交通标志反光的特性，在UC win/road中设置标志的照明效果。开启标志的夜间照明效果及车辆的远光灯模式，设置车辆远光灯最大照度400lx，光衰减常数100，标志面板反射量2.0。通过以上参数的设置，夜间车辆远光灯照射交通标志的反光效果与实际情况相差甚微，如图3所示。

(a)门架式交通标志效果

(b)夜间门架式交通标志效果图3 隧道附属模型编辑

3.2.3 路侧绿化景观的塑造

隧道入口段路侧绿化景观的塑造是建模仿真的核心，对于隧道入口段路侧绿化景观的塑造，根据茅山隧道入口段路侧绿化设计方案构建隧道入口段路侧绿化模型。建模过程中，根据绿化方案在UC win/road中选取相应的二维树木在隧道入口段进行配置，保证路侧绿化景观的塑造效果能够真实贴近绿化方案施工后实际效果。

3.3 茅山隧道入口段路侧绿化方案分析

本文按照隧道入口段路侧绿化设计原则对茅山隧道入口段路侧绿化进行设计，利用UC win/road对隧道入口段路侧绿化方案建模，并进行仿真实验分析入口段路侧绿化方案效果。

(a)隧道入口段设计前景观

(b)隧道入口段设计后景观图4 隧道入口段绿化景观对比

选取设计前后的茅山隧道入口段三维模型进行仿真，如图4所示，使用Tobii Glass2眼动仪、无线生理模块及模拟驾驶仪采集10名实验对象的注视比例及驾驶过程中的心率进行整理分析，如图5、6所示。

图5 实验对象注视比例

采用设计前隧道入口段模型开展模拟驾驶仿真时，驾驶人的注视比例曲线呈波浪线形状变化。注视比例曲线集中在63%～64%，该趋势表明驾驶人驾驶过程中对隧道入口段路侧环境关注程度较高。采用设计后隧道入口段模型进行模拟驾驶仿真时，驾驶人的注视比例曲线同样呈波浪线形状变化，注视比例集中在74%～76%，较设计前方案提高约12%。

驾驶过程中的心率变化能够明显表征绿化对驾驶人心理的影响[7-8]，利用Origin对驾驶人模拟驾驶仿真过程中的心率分布统计显示，驾驶人的心率主要集中在80bpm上下，属于正常水平，如图6-(a)所示。对比设计前后驾驶人模拟驾驶仿真过程的平均心率(AVHR)发现，驾驶人采用方案设计后模型开展模拟驾驶仿真时，平均心率较方案设计前有所降低，最大幅度18.60%，最小幅度6.49%，如图6-(b)所示。

(a)驾驶人心率分布

(b)驾驶人平均心率图6 实验对象心率

仿真结果显示，茅山隧道入口段路侧绿化方案能够有效提高驾驶人的注视比例并舒缓驾驶人的情绪。隧道入口段路侧景观的艺术效果在隧道路侧绿化设计后有较大提升，通过模拟隧道入口段路侧绿化设计方案，对驾驶人的视线引导效果明显。

4 结束语

从交通安全的角度实现了UC win/road在隧道绿化景观设计中的应用，根据交通安全的要求提出了隧道入口段路侧绿化景观的设计理念。以茅山隧道为设计对象，进行了隧道入口段绿化景观方案设计并利用UC win/road对茅山隧道入口段路侧绿化方案进行建模仿真分析。通过实例，验证了UC win/road能够直观的评价景观设计方案的实施效果，分析结果能够直接反馈用于景观设计过程。