城市水下道路隧道驾驶安全影响因素分析和改善思路

杜志刚， 梅家林， 倪玉丹， 陈逸飞

(武汉理工大学交通学院， 湖北 武汉 430063)

0 引言

随着经济水平的提高，我国城市交通量呈现爆发式增长，在被江河湖海隔断的城市，传统的桥梁、轮渡等已经无法满足快速增长的交通运输需求。城市水下道路隧道以其不受环境限制、无需大面积拆迁、运行迅速等特点，逐渐成为解决城市跨水域交通的重要途径[1-2]。从19世纪70年代修建第1条水下隧道至今，我国已修建100多座水下隧道，即将投入建设的水下隧道也达100多座，且建设规模与建设里程日益增长[3-5]。城市水下道路隧道与山岭公路隧道及普通城市隧道均为半封闭管状通道，其行车环境存在一定的相同之处，但同时也因其特殊的线形特点而与其他隧道存在差异，如表1所示。因此，分析城市水下道路隧道驾驶安全问题，需要结合城市水下道路隧道行车环境特性进行分析。

城市水下道路隧道里程长、空间封闭，发生交通事故的概率低于开放式路段，但事故危险性及严重性远远高于隧道外部路段，且疏散困难，极易引发二次事故[4-5]。由于城市水下道路隧道承担了大部分城市跨水域交通，分合流交织等使得车流运行较普通隧道更为复杂，导致隧道交通事故数不断增长，如胶州湾海底隧道年事故量为2 000～3 000起，每日交通事故最多超过30次，超速违章事故突出。城市水下特长隧道交通需求突出，交通安全问题严重，但目前尚无相关研究对现有问题及优化方法进行归纳总结，驾驶安全优化方法也较为传统。为了解决上述问题，本文通过总结城市水下道路隧道存在的主要问题，对现有改善措施进行整理与评价，提出城市水下道路隧道安全改善方向；从驾驶人视觉需求与交通事故预防角度出发，提出城市水下道路隧道驾驶安全改善方法，以期为城市水下道路隧道驾驶安全改善提供新思路。

1 城市水下道路隧道驾驶安全研究现状

1.1 事故分布规律

文献[6-10]对城市水下道路隧道与山岭公路隧道及普通城市隧道交通事故分布规律进行了研究，并总结出事故特征，如表2所示。

表2 城市水下道路隧道与山岭公路隧道及普通城市隧道交通事故分布规律对比

城市水下隧道道路条件、交通组成、光环境等与山岭公路隧道存在较大差异，因此，其事故分布规律也存在一定差别。事故时间分布方面，城市水下道路隧道工作日事故频率明显高于周末，且主要集中在上下班高峰，即7：00～10：00和17：00～19：00[11-12]，与山岭公路隧道交通事故高发时间完全不一致，这也与城市水下隧道所处的地理位置、功能定位密切相关。事故空间分布方面，LU等[12]调查分析了上海越江隧道交通事故的时空分布特性，指出隧道事故主要发生在隧道进出口区域，其中接近段与驶离段事故率最高。事故形态方面，城市水下隧道交通事故与山岭公路隧道一样，以追尾碰撞和撞击侧壁事故为主，以轻微事故居多，且火灾事故占比相对较高，达14%[12-14]，如胶州湾海底隧道交通事故形态主要以追尾碰撞和撞击侧壁为主，主要原因是超速和车距保持不当。事故车型方面，城市水下隧道与山岭公路隧道存在较大差异，Eirik等[15]对挪威17条海底隧道的交通事故进行了分析，研究指出即使交通量很小，水下隧道陡坡路段的事故率也明显高于其他路段，其中，事故车型以小轿车为主，占62.26%。

1.2 安全影响因素

交通安全影响因素主要分为人、车、路、环境4大要素。由于车辆性能如制动性、操作性等受客观因素的影响，对驾驶安全提升方法的提出参考意义有限，因此主要从驾驶人因素、隧道光环境以及道路因素3方面进行分析。

1.2.1 驾驶人因素

研究表明，超过90%的交通事故均与驾驶人有关，因此驾驶人自身的生理、心理特性与隧道交通安全密切相关。Jiang等[16]发现驾驶人的性别、年龄、驾驶经验等均会对水下隧道行车安全产生影响。童瑶[17]通过驾驶模拟器对上海越江隧道事故影响因素进行分析，指出"驾驶人因素"与"环境因素"对隧道安全影响最大。卓艳冲等[18]通过实车试验研究了隧道内部驾驶人的视觉特性对驾驶行为及安全的影响。

1.2.2 隧道光环境

城市水下道路隧道相较于一般的城市隧道，其里程更长，环境单调性对驾驶人的影响显著，驾驶疲劳效应明显。王婷[19]的研究发现，与普通城市隧道相比，城市水下道路隧道内部环境单一，会对隧道内交通安全产生影响。王雪松等[20]指出，隧道进出口明暗适应问题以及中部速度错觉现象是导致隧道事故的重要因素。YEUNG等[21]的研究发现，隧道内视觉环境不佳导致驾驶人产生焦躁情绪，从而容易忽视或者错失安全行车所需的参照信息。

1.2.3 道路因素

道路因素主要指隧道的线形设计、路面结构及路面条件等。城市水下道路隧道需要穿越江河湖海等水域，因此纵坡路段较多。国内外的研究表明，水下隧道纵坡路段对驾驶人产生的视觉刺激更加复杂，下坡路段坡长与心率增长率成正比，且隧道变坡点的数量越多、坡度越长，交通事故率越高[22-24]。焦方通等[25-26]的研究指出，隧道线形对驾驶人的心理及行车安全具有影响，弯道曲率越大，扫视角离均系数及通视距离越小，表明驾驶人越紧张，视觉及心理压力越大；而直线路段驾驶负担小，更有益于行车安全。王雪松等[27]研究了车道宽度变化对车辆运行的影响，结果表明隧道车道宽度变化对于车辆运行速度及横向偏移影响较小。路面的强度稳定性、平整度和抗滑性也是影响隧道通行安全的重要原因，但城市水下道路隧道相对于山岭公路隧道而言，路面条件较好，除隧道洞口路面受天气影响外，隧道内部路面状况对于隧道交通安全的影响较小。

总体而言，城市水下道路隧道与山岭公路隧道以及普通城市隧道安全影响因素的主要差异在于道路线形的变化和由此造成的视觉环境，以及驾驶疲劳现象，如表3所示。

表3 城市水下道路隧道与山岭公路隧道及普通城市隧道安全影响因素分析

驾驶人的驾驶行为可以概括为"刺激-感知-决策-反应"的过程。城市水下道路隧道照度环境良好，但整体光环境单调，缺乏有效的视觉刺激，属于典型的弱视觉参照系。长时间处于低信息摄入路段，会导致驾驶人驾驶绩效低下，适应环境后驾驶疲劳效应开始累积，进而导致驾驶人驾驶疲劳、分心、超速等不良驾驶行为，从而引发隧道交通事故。交通事故形成机制如图1所示。因此，城市水下道路隧道交通安全提升方法应改善隧道光环境诱导信息缺乏、有效刺激低下的问题，避免因隧道环境诱发驾驶人错误的驾驶行为而引发交通事故。

图1 交通事故形成机制

1.3 现有改善措施

1.3.1 洞口减光措施

由于灯具照明存在能耗高、养护维护不便等问题，隧道建设者们开始探索更加经济有效、安全便捷的光环境改善措施。Onaygil等[28]提出在隧道洞口采用减光设施来改善隧道内外环境的剧烈变化。ZHANG等[29]、敖敏霞[30]、李满航等[31]的研究均指出在城市水下道路隧道洞口设置遮光棚可达到理想的减光效果。Hamzah等[32]分析了遮光棚形式对隧道内外减光效果的影响，发现光栅式遮光棚可以使隧道照明节能效率最高。Gil-Martin等[33]提出在光栅式遮光棚空隙间铺装漫反射材料可以解决遮光棚光通量分布不均匀的问题，从而提高隧道洞口的视觉适应性。刘明秀等[34]发现在驾驶人进入遮光棚时亮度会发生一次突变，而在隧道洞口处由于遮光棚的存在，亮度又会发生一次小幅度的突变。

1.3.2 洞内光环境品质提升方法

1.3.2.1 隧道灯具照明

灯具照明是城市水下道路隧道最普遍且必须的一种光环境改善手段，用于提升隧道行车环境亮度、安全性与舒适性。最初城市水下道路隧道灯具照明主要集中在LED光源的选择以及智能调控方面[35-37]。随着水下隧道建设数量与里程的逐渐增加，对内部行车环境的美观性要求也越来越高，越来越多的学者与隧道管理者开始尝试将隧道照明与景观设计相结合。Patten等[38]通过仿真试验研究了隧道顶部设置灯光图案对驾驶人行车安全的影响，发现在特长隧道中适当的景观设计可以给予驾驶人适当的视觉刺激，有助于行车安全[38]。Brookhuis等[39]提出合理的灯光和隧道侧壁图案设计可降低城市隧道内部交通事故的发生概率。例如： 武汉东湖隧道在局部隧道顶部添加梅花主题的装饰灯，通过不同的主题色将隧道分割成多个短隧道；博鳌隧道通过设置LED光带构建波浪图案，美化隧道行车环境；苏州独墅湖隧道在顶部设置绿色"泡泡"灯光，改善行车环境单调性。城市水下道路隧道照明景观设计如图2所示。

(a) 博鳌隧道

(b) 苏州独墅湖隧道

1.3.2.2 视线诱导技术

城市水下道路隧道里程较长，行车环境单一，为了缓解驾驶人在水下隧道内信息匮乏的问题，有学者开始尝试利用视线诱导技术丰富水下隧道内行车环境，强化隧道内信息参照作用。视线诱导系统主要包括轮廓标、诱导标、立面标记、标线等在内的交通工程设施，主要用于显示隧道空间轮廓，提供速度、距离等参照信息，诱导驾驶人行车视线。在意大利和法国之间的勃朗峰隧道两侧设有蓝色LED诱导灯, 设置间距为150 m, 当驾驶人在行车时能同时看到2盏蓝色LED诱导灯，即可表示已保持规定距离[40]。我国部分公路隧道和城市隧道也采用隧道LED诱导灯显示隧道线形轮廓，提供速度、距离等参照信息，如图3(a)所示；部分城市隧道的路缘设置了黄黑相间的立面标记线，用来提高驾驶人对检修道的辨识度，并且提升驾驶人对车速的判断能力，如图3(b)所示。

(a) 隧道LED诱导灯

(b) 隧道路缘黄黑立面标记线

Carmody[41]首次提出使用隧道壁向驾驶人传达信息的可能性，并提出用于速度信息的垂直条纹和用于坡度信息的水平条纹设计方法。Kircher等[42]在驾驶模拟器中研究了隧道设计和照明对驾驶人的影响，发现与照明相比，浅色的墙壁更有助于驾驶人保持对前方道路的视觉关注。Qin等[43]的研究发现增加隧道侧壁环境信息可以提高隧道内部视觉环境以及驾驶舒适性与安全性。孙建明等[44]提出一种在城市水下特长隧道中部提供多频率、多尺度韵律信息的光环境优化方法，以改善驾驶人在隧道中部信息感知能力降低的问题。杜志刚等[45]指出在城市水下道路隧道入口引道设置视线诱导可以提高驾驶人的速度感、距离感，降低反应时间，实现低成本与安全性的协同发展。倪玉丹等[46]的研究表明，隧道视线诱导方案可提升驾驶人在城市水下隧道中部的速度判断准确率，缓解驾驶人长时间驾驶产生的疲劳感。蒋旭[47]利用信息频率对驾驶人车速感知的影响，以武汉长江隧道为例，提出城市水下道路隧道多频诱导设计方法，并通过仿真试验验证了方法的有效性。例如： 杭州紫之隧道采用LED光环凸显隧道轮廓，提示驾驶人在隧道匝道分合流需谨慎驾驶；玄武湖隧道中部按一定间隔设置侧壁诱导图案，帮助驾驶人保持安全跟车距离，并在隧道弯道路段设置主动发光线形诱导标志，显示弯道线形特征，提升驾驶人弯道感知能力。城市水下道路隧道视线诱导方案如图4所示。

(a) 紫之隧道LED光环

(b) 玄武湖隧道侧壁诱导图案

1.3.3 交通安全设施优化

城市水下道路隧道所处区域的特殊性，要求其配套交通安全设施更加完备有效，周家嘴路隧道洞口、厦门翔安海底隧道洞口均设置纵向减速标线，帮助驾驶人合理降低车速，实现安全驾驶。部分隧道通过在洞口及特殊路段设置如弯道彩色沥青路面，形成视觉刺激，诱导驾驶人降低车速，同时加强隧道洞口的路面摩擦度，起到防滑作用，降低雨雪天交通事故的发生概率。大部分城市水下道路隧道，如武汉长江公铁隧道、杭州紫之隧道等均在隧道外部一定距离设置可变信息板提供隧道以及交通安全信息，并在隧道内部设置车道指示器、出口预告标志、指路标线等设施帮助驾驶人控制车辆行车方向，提高行车安全与通行效率。城市水下道路隧道交通安全设施优化如图5所示。

(a) 洞口减速标线

(b) 可变信息板

1.3.4 智能化交通管控设施

随着科技的进步，智能化管控技术逐渐成为城市水下道路隧道驾驶安全提升方法的热点。廖志鹏等[48]基于大数据搭建了城市隧道运营风险评估系统，对隧道运行风险进行实时预警与控制。王清波[49]以武汉多条隧道为例，分析城市隧道监控系统的通用架构，从而建立集隧道运营监测、交通控制、灾害预警报警等功能于一体的较为通用的城市隧道智能监控系统。戴友锋等[50]研究了上海越江通道的交通流特征及其空间分布特点，提出城市水下道路隧道交通信息诱导系统的构想，其基本思想为通过子系统实时获取隧道内交通数据，通过综合处理平台处理相关数据并将相关信息及时反馈给隧道内通行的车辆，以实现隧道交通的合理调控。

1.3.5 现有改善措施评价

现有安全改善措施主要通过加强照明与增设遮光棚来缓解隧道内外环境光照强度的巨大差异，设置标志标线等交通安全设施控制车辆行驶速度，内部通过将灯具照明与景观设计相结合，强化隧道环境的美观性，缓解驾驶环境单调和驾驶人驾驶疲劳，新兴的隧道智能管控技术可以及时反馈隧道内部交通流信息及事故状况，提升通行效率与安全性，然而，上述方法均无法解决隧道视觉参照信息匮乏的问题。视线诱导技术可以通过低成本的优化方法，通过合理设置视觉诱导信息的频率、尺寸、形式，为驾驶人提供安全驾驶所需的视觉参照，但也存在设置依据与评价标准不足等问题。现有改善措施对比如表4所示。

表4 现有改善措施对比

综上所述，提出城市水下道路隧道光环境改善方向： 对隧道的交通事故特性(事故形态和原因)和驾驶人视觉需求进行深入分析及评价，利用视线诱导技术与隧道照明相结合，为城市水下道路隧道驾驶安全优化提供新思路。

2 城市水下道路隧道驾驶安全改善新思路

城市水下道路隧道驾驶安全与驾驶人、车辆性能、道路条件以及行车环境密切相关，但从安全提升的角度，对于诸多已建城市水下道路隧道，对驾驶人及交通管理者而言，最重要以及最容易改善的因素应该是隧道行车环境。因此，需要以提升隧道视觉环境质量、改善视觉为优化目标，通过对城市水下道路隧道驾驶人视觉需求进行分析，进而重构视觉参照系，提升城市水下道路隧道驾驶安全。城市水下道路隧道驾驶安全优化思路如图6所示。

图6 城市水下道路隧道驾驶安全优化思路

2.1 城市水下道路隧道交通事故特性分析

城市水下道路隧道交通事故形态集中，主要为追尾碰撞及撞击侧壁事故，主要事故致因是由不良的隧道光环境引发的不当驾驶行为。城市水下道路隧道与一般隧道一样，存在出入口光环境骤变的问题，视觉参照环境差异大，驾驶人适应能力不足；而隧道内部"边墙效应"明显，环境单调且里程长，内部缺乏视觉参照信息，长时间驾驶易造成驾驶人感知能力减弱，因缺乏视觉刺激致使驾驶人疏忽、分心、反应迟缓等。隧道行车环境与交通事故之间存在明显的相关性，分析隧道环境特征与驾驶人信息需求，对于水下隧道事故预防具有积极的作用。

2.2 基于视觉需求的视觉参照系重构

当驾驶人在城市水下道路隧道内行驶时，其视觉需求主要为看清必要的驾驶环境并辅助其获取线形走向、速度、距离等信息，从而实现安全驾驶。依据马斯洛需求层次理论将城市水下道路隧道内驾驶人视觉需求分为功能性需求、安全性需求、舒适性需求，对应地提出3种视觉参照系。驾驶人视觉需求与视觉参照系分类见图7。驾驶人视觉需求与视觉参照系相关性见表5。

图7 驾驶人视觉需求与视觉参照系分类

表5 驾驶人视觉需求与视觉参照系相关性

城市水下道路隧道现状环境为基本型视觉参照系，按规范设置道路标志、标线及相关交通工程设施，但城市水下道路隧道交通组成复杂，行车里程长，不仅需要为驾驶人提供基础的道路交通信息，还需要为驾驶人打造安全舒适的行车环境。因此，提出城市水下道路隧道驾驶安全优化思路： 以构建舒适型视觉参照系为目标，通过视线诱导技术与隧道照明相结合的方法，缓解隧道进出口段视觉参照系的剧烈过渡，增强隧道内部视觉参照，提升隧道行车舒适性与安全性。

2.3 城市水下道路隧道驾驶安全优化设计方法研究

首先进行主题色的选择，研究表明不同的色彩会通过人们的视觉对色彩的感受而产生一系列生理、心理和类似物理的效应，形成丰富的联想、深刻的寓意和象征[51]。色彩的心理效应如表6所示。其中红色、黄色为警示色，往往含有警示、禁止等含义，蓝色和绿色更沉静，有助于辅助驾驶人保持冷静。结合城市水下道路隧道所处的地理位置，选择与水接近的蓝色为主题色。

表6 色彩的心理效应

对隧道进行分段设计，根据JTG/T D70/2-02-2014《公路隧道照明细则》，可将城市水下道路隧道分为接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段。同时，根据城市水下道路隧道里程长、易造成驾驶人驾驶疲劳的特点，将中间段进一步分为普通区和疲劳唤醒区。城市水下道路隧道不同区段驾驶人信息需求与改善对策如表7所示。

表7 城市水下道路隧道不同区段驾驶人信息需求与改善对策

1)接近段需要使驾驶人在坡道上合理控制车速与跟车距离，可通过遮光棚设施与引道照明与诱导方案，使驾驶人提前适应隧道环境，提升接近段驾驶人的速度感、距离感与坡度感，降低车辆控制难度。

2)出入口段主要满足驾驶人方向感与距离感，可通过智能照明系统以及视线诱导设施，如立面标记、LED灯带、突起路标等，缓和视距、视区过渡。

3)过渡段及中间段普通区主要满足驾驶人的速度感、距离感，一方面，可利用多项交通工程设施构成多频率、多尺度组合信息，缓解视错觉，规范交通行为；另一方面，城市水下隧道路缘带宽度较窄，隧道侧壁效应更加明显，通过LED灯带及侧壁竖向条纹信息强化隧道侧壁轮廓，帮助驾驶人更好地感知隧道横向宽度及道路限界，降低隧道侧壁效应对驾驶人的影响，改善驾驶人的生理和心理负荷。

4)唤醒区满足驾驶人韵律感需求，通过韵律型图案阶段性地给予驾驶人视觉刺激，缓解驾驶疲劳，提高驾驶人的舒适性，并提升隧道中部环境美感。城市水下道路隧道视线诱导方案示例如图8所示。我国城市水下道路隧道长度均较长，并且多为特长隧道，若隧道长度大于3 000 m，在隧道中部可以设置疲劳唤醒区；若隧道长度小于3 000 m，需考虑隧道线形、照明、诱导设施等因素，酌情考虑是否在隧道中部设置疲劳唤醒区。

2.4 城市水下道路隧道驾驶安全优化方法评价指标体系

目前针对隧道行车环境的评价，主要通过照度水平和亮度均匀度等指标，但是隧道行车环境不仅仅包括照度环境，还应考虑封闭单调条件对驾驶人的影响，需结合隧道使用者视觉特性和视觉需求提出一种新的评价方法。依据驾驶人视觉需求分类，提出隧道光环境视觉参照系评价指标，如表8所示。基本型视觉参照系需要满足道路交通基本规范及空间路权；安全型视觉参照系在此基础上，需将视距、视区及视错觉控制在合理范围，调控驾驶任务；舒适型视觉参照系则还需保障驾驶人长时间驾驶不疲劳，保证行程上出现适当差异性和韵律感，应沿行车方向适当提供视觉刺激，即行程差异性。研究表明，韵律型图案有助于改善驾驶人在长大隧道内部的驾驶疲劳现象[52]，因此，本文选用行程差异性与韵律性图案以检验隧道光环境设置的合理性。

表8 城市水下道路隧道驾驶安全优化评价指标

3 结论与讨论

1)城市水下道路隧道视觉环境容易导致不良的驾驶行为，从而引发交通事故，应从驾驶人视觉需求与交通事故预防角度来提升隧道的交通安全性。城市水下道路隧道进出口光环境差异大，隧道内部里程长、环境单调，驾驶疲劳及边墙效应明显，易造成超速、车距保持不当以及车道保持不当等不良驾驶行为，因此，隧道驾驶安全优化应结合驾驶人视觉需求进行设置。

2)应将视觉诱导与隧道照明相结合，提升城市水下道路隧道的安全性、舒适性。现有城市水下道路隧道交通安全改善措施应以隧道照明为主、景观设计为辅，同时辅以遮光、标志、标线等设施，存在成本高、养护维护困难、视觉刺激过强等问题。视线诱导技术是一项较为经济有效的改善措施，但缺乏设置理论与依据，有待进一步完善。隧道照明与视线诱导技术相结合，成为新的隧道驾驶安全提升方法研究趋势。

3)根据驾驶人视觉需求分析，针对隧道不同路段差异化需求，提出隧道视觉参照系重构思路： 以构建城市水下特长隧道舒适型视觉参照系为目标，考虑隧道中部不同路段运行环境的特点及视觉需求，通过照明与诱导设施结合设置的方法，采用多频率、多尺度、多色彩和多形状的组合信息，丰富城市水下道路隧道内部视觉参照系，优化视觉环境质量，减少视错觉，缓解驾驶疲劳，为城市水下道路隧道驾驶安全优化提供新的思路与方法。

4)提出城市水下道路隧道驾驶安全优化方法评价指标。传统城市隧道视觉环境评价方法多为灯具照明评价，未考虑视觉和驾驶心理方面的评价。本文对驾驶人视觉需求进行分析，选取空间路权、人因与驾驶任务、舒适性与韵律性5方面的指标对隧道驾驶安全优化方法进行评价。

5)城市水下道路隧道照明技术已趋于成熟，但光环境的质量还有待进一步提高，尤其是视线诱导与照明设计相结合的驾驶安全优化方法是未来重要的研究方向。同时，本文提出的光环境评价及优化方法主要为理论框架，下一步将通过仿真试验进一步完善优化方法并验证其对驾驶安全的提升程度。