低等级公路隧道V形反光环合理夹角设置研究*

2020-08-24汤振农周土瑶郑号染杜志刚

交通科技 2020年4期

汤振农周土瑶王磊郑号染杜志刚

(1.金华市公路管理局金华 321001; 2.磐安县公路管理局磐安 322300;3.浙江星宗新能源科技有限公司杭州 310053; 4.武汉理工大学交通学院武汉 430063)

隧道反光环无需完全依赖供电系统，充分利用车辆灯光实现反光性能，从而提升公路隧道轮廓诱导功能，在公路隧道，特别是低等级公路隧道中获得了广泛应用。Wan H.L.等[1]研究表明设置隧道侧壁标志可以显著提高驾驶人的速度感知能力，并通过模拟试验对标志最佳间距及色彩组合形式进行了标定。Zheng Z.J.等[2]结合模拟试验及心理物理试验，指出在隧道内墙设置一定频率的行车诱导标志可有效缩短驾驶人反应时间。杜志刚等[3]根据交通事故致因分析指出视线诱导系统是公路隧道光环境优化的首选方法。

隧道反光环具有安装成本低、经济性好、安全效益高等特点。尚婷等[4]基于驾驶人瞳孔变化对隧道反光环色彩设置进行了研究，发现黄色对瞳孔面积变化影响最大，且反光环色彩值与驾驶人瞳孔面积呈负相关。段萌萌等[5]利用模拟试验分析了不同速度下反光环间距对驾驶人瞳孔的影响，发现反光环间距值与驾驶人瞳孔面积呈负相关。杨理波等[6]定量分析了反光环在高速公路隧道小半径圆曲线路段的诱导效用，发现合理布设3个反光环能够使驾驶人在更短的时间内对隧道线形作出更为准确的判断。

反光环多采用铝板或不锈钢板制作，具有较好安全效益的同时，也具有顶部清洗难度大、长期运营逆反射系数下降较快、占用道路空间限界的弊端。V形反光环在自身清洁程度及结构稳定性等方面具有较大优势，逐步应用于单洞双向的低等级公路隧道中。但目前其夹角度数仍仅是依靠经验进行设置，缺乏理论支撑。本文拟从驾驶人动态视觉的角度出发，对反光环视认性进行分析，以得出低等级公路隧道V形反光环合理夹角设置范围，进一步规范低等级公路隧道V形反光环相关设置标准。

1 反光环视认性分析

反光环外形轮廓与隧道内壁轮廓一致，能够改善驾驶人在隧道行车环境中的空间感和方向感。行车过程中，驾驶人对反光环视认过程见图1，并设定如下。

1)R点为驾驶人动态远视点，此处驾驶人与反光环之间的距离为动态远视距离r，表征行车过程中驾驶人眼睛与所能看清的最远物体之间的距离。

2)F点为感知点，驾驶人在此处感知到反光环的存在，与反光环之间的距离为感知距离f。

3)C点为辨识点，驾驶人在此处能够清晰辨识反光环构件，与反光环之间的距离为辨识距离b。

4)N点为注意点，视觉感知信息经中枢系统处理，反光环的存在引起驾驶人的注意, 驾驶人与反光环之间的距离为注意距离n。

5)V点为警觉点，此处反光环的刺激引起驾驶人的足够警觉，开始诱导其干预自身驾驶行为，驾驶人与反光环之间的距离为警觉距离v。

6)D点为消失点，随着车辆的不断前进，反光环在驾驶人视域范围内逐渐模糊，直至消失，此处驾驶人与反光环之间的距离为消失距离d。

图1 反光环视认过程

警觉点V处反光环给予的视觉刺激程度使得反光环的存在对于诱导驾驶人调控其驾驶行为开始有所作用，而在消失点R处反光环已无法为驾驶人提供有效的视觉刺激。定义警觉点V与消失点D之间的距离为反光环有效诱导距离g，即有效g(诱导距离)=v(警觉距离)-d(消失距离)。反光环在有效诱导距离范围内作用于驾驶人，诱导其调控自身驾驶行为。

行车过程中驾驶人对反光环的观察视线示意见图2，角度e、c分别为行驶过程中驾驶人垂直及侧向视角，L为洞顶高度。人机工程学[7]研究表明：在e≤8°时，驾驶人对前上方物体的视认效果最佳；对于侧向，当c≥15°时，驾驶人对路侧物体的认知能力迅速降低。在普适性原则的基础上，参考JTG D70-2018 《公路隧道设计规范》有关规定，本研究L取值为5.00 m。

图2 驾驶人观察反光环视线示意

警觉点V处驾驶人对V形反光环的视认情况见图3。v为驾驶人警觉距离；y为驾驶人视点高度(小型汽车驾驶人视点高度取值1.20 m)；u为V形反光环夹角；x为反光环高度；m为视点至反光环边缘之间的高度；e表征含义与图2相同；本文研究目的在于寻求u的合理取值，以在保障隧道空间路权的同时更好地发挥V形反光环的诱导效用。

图3 驾驶人对V形反光环的视认情况

2 V形反光环视认性与合理夹角分析

2.1 有效诱导距离

受生理结构限制，驾驶人只对其视野范围内的信息进行识别，随着车辆的行驶，路侧物体所提供的视觉信息将逐渐超出驾驶人视角阈值，在视野范围内消失。当e≤8°时，驾驶人对反光环顶部的视认效果最佳。对于侧向，当c≥15°时，认知能力迅速降低。因此，取e为8°,c为15°时d值中的较大值，对应位置作为反光环的消失点D，即

d=max[(x+m)/tane，w/tanc]

(1)

式中：d为消失距离，m；x为反光环高度，m；m为视点至反光环边缘的距离，洞顶高度L为5.00 m，视点高度y为1.20 m，则有(x+m)为3.80 m；e为消失点处驾驶人垂直方向视角；c为消失点处驾驶人视线侧向角；w为内侧车道中心线至侧壁的距离，参考JTG B01-2014 《公路工程技术标准》和CJJ 37-2012 《城市道路工程设计规范》中道路横断面设计标准的规定，对于低等级公路，w取值7.00 m。

由式(1)可得消失距离d为27.04 m。

已有研究表明，一般情况下，警觉距离为车辆在12 s内所通过的路程，不同车速下驾驶人警觉距离值见表1[8]。

表1 不同车速下驾驶人警觉距离

由前述驾驶人视认行为分析已知

g=v-d

(2)

式中：g为有效诱导距离，m；v为警觉距离，m；d为消失距离，m。

依据限速标准，低等级公路隧道路段限速一般不超过40 km/h,综合式(1)、式(2)及表1，可得低等级公路隧道反光环有效诱导距离见表2。

表2 低等级公路隧道反光环有效诱导距离

2.2 V形反光环夹角设置视认性

对于V形反光环夹角为u、高度为x的情况，有无夹角时反光环迎车面在视平面上的投影高度分别为x×cose和x×cos(e-u/2)。在驾驶人对反光环的视认过程中，当

x×cose

(3)

即e>u/4时，采用夹角u后V形反光环迎车面在视平面上的投影高度和面积均有所增加，在不扩大对隧道净空占用面积的前提下，V形反光环视认性得到增强。原因如下。

1) 反光环迎车面高度增加，其视觉诱导信息视角及视野投影面积均随之增大，视认性随之提高。

2) 降低心理旋转效应对驾驶人的影响。心理旋转表征人在头脑中运用表象对物体进行二维或三维旋转的想象过程。心理旋转效应的一个重要特征就是旋转角度越大，所需时间越长；旋转角度越小，时间越短。V形反光环设置夹角后，驾驶人心理旋转时间缩短，认知反应时间也随之缩短。

2.3 低等级公路隧道V形反光环合理夹角的确定

设驾驶人眼睛与反光环沿道路前进方向距离为k。由式(3)可知，车辆行进过程中e逐渐增加，直至当e=u/4时，驾驶人处于临界视角状态，此处反光环夹角设置与否对其视认性无影响，此时有

kl=(x+m)/tan(u/4)

(4)

式中：kl为临界视角时，反光环对应临界观察距离，m。

在临界视角下，驾驶人继续行驶时，V形反光环夹角u将提高其视认性，更好地发挥视线诱导作用。当临界距离不小于其消失距离时，设置夹角u可使得反光环在视平面上的投影高度和面积均增加，从而在驾驶人主观视认层面缩小消失距离，增大反光环有效诱导距离，使得驾驶人保持合理的警觉意识，减少疲劳状态对其保持车速、车距及行车轨迹的影响。

根据实际工程应用效果，V形反光环夹角设置在25°～35°范围内时，在防尘、阻抗风力及自重方面均有一定的正面效果，故分别取u=25°～35°，由式(4)得不同夹角u对应的临界观察距离kl，见表3。

表3 V形反光环临界观察距离与夹角关系

在反光环消失距离d取值为27.04 m的前提下，整理不同夹角对应的V形反光环临界观察距离kl及消失距离d关系，见图4。

图4 临界观察距离kl及消失距离d关系图

由表3及图4可得，在夹角不大于32°的情况下，所对应的临界观察距离均满足不小于消失距离的要求，因此，合理夹角范围为25°～32°。同时为了方便生产及施工单位的统一管理，在低等级隧道路段，建议设置V形反光环夹角值为30°，可以在考虑防尘、阻抗风力及自重的同时，使得V形反光环视认性得到有效提高。

3 V形反光环建议夹角可行性分析

对低等级公路隧道V形反光环夹角进行合理设置，能够大幅度提高V形反光环视认性能，增大其有效诱导距离。此外，合理设置V形反光环夹角具有以下优点。

3.1 提高反光环构件安全稳定性

隧道路段车辆驶过时会出现活塞效应，产生活塞风。在自然风与活塞风的双重作用下，隧道内部断面风力作用势必会对反光环的结构稳定性造成影响。V形反光环采用类三角形的结构，抗弯能力大幅提升，对于隧道风荷载具有明显的结构优势，对于长期运营过程中的风荷载和自重荷载有良好的阻抗作用。

3.2 易于施工

隧道拱顶反光环若采用钢、铝等硬度较大的材料会对驾驶人、行人造成安全隐患。由于V形反光环结构特点，可采用ABS塑料取代传统的钢、铝材料，变形能力较大，避免伤害人体及车体，同时仍可依据现有生产及施工技术，在不增加生产和施工造价的条件下予以实现，具有良好的施工操作性能。

3.3 保障隧道空间路权

传统反光环的宽度大于20 cm会侵入公路建筑限界而被车辆刮蹭，影响反光环的使用效果且不安全。在不改变V形反光环对隧道竖向断面占用高度的前提下，通过调整夹角的方式对其视认性和有效诱导距离进行调控，避免侵入隧道建筑限界，保障竖向空间路权不被侵犯，保证了车辆通过隧道路段过程中的安全净空。

3.4 降低养护清洗成本

机动车在隧道内行驶中往往会携带尘土并卷起尘埃颗粒物，各类污染物在隧道环境中逐渐扩散积累，吸附在反光环基体表面，影响其视认性能。而隧道洞顶反光环清洗操作困难，考虑交通安全往往需要中断交通流。V形反光环由于具有斜切面，向下呈俯角，使得污染物在重力作用下，不易吸附在洞顶V形反光环上，可以有效防止灰尘堆积，降低运营养护清洗频率及成本。