逆反射系统在高速公路隧道中的应用研究*

黄 婷 杜志刚 牟星宇 蒙 磊

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550000; 2.武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

贵州是一个多山的地区，高速公路中隧道占公路总比重较大，甚至特殊情况时桥隧所占比例达到70%～80%，随着公路建设的发展，公路隧道建设与日俱增[1]。公路隧道是公路上能耗最大的系统之一，其照明系统全天运行[2]。

本文通过逆反射设施，结合驾驶人的视觉特性和视觉需求，构建高速公路隧道内部逆反射系统，对隧道进行辅助照明与视线诱导，通过依托工程开展推广应用和工程示范。本项目依托工程为织普高速公路双山隧道，项目于2018年8月31日建成通车。

1 双山隧道运营照明现状

织普高速双山隧道为双向四车道的分离式隧道，限速80 km/h，隧道长1 250 m。基本照明(含应急照明)采用30 W大功率LED灯两侧交错与对称布置在隧道两侧壁上；加强照明段辅以100 W、50 W、30 W大功率LED灯照明，两侧对称与交错布置在隧道两侧壁上。

2 双山隧道逆反射系统应用

目前隧道设置的反光环间距无明确的标准规范，仅通过人们以往的经验来确定其设置参数，缺乏安全性考虑，不能够做到充分利用间距变换改善驾驶人视觉环境及心理环境。鉴于此，本项目在进行大量理论分析的基础上，以双山隧道为依托，对隧道反光环设置过程中其间距对驾驶人动态视觉及心理状态的影响情况进行研究，为构建舒适型视觉参照系[3-4]进行逆反射系统设计。

2.1 逆反射系统方案设计

基于隧道视觉参照系相关研究[5-6]，可将小尺度高频率、中尺度中频率、大尺度小频率等信息组合设置。诱导信息应尽量对称，避免对驾驶人产生不良的方向诱导。改善思路见表1。

表1 四方洞隧道逆反射系统设计思路 m

2.1.1出入口段逆反射系统设置方法

入口段(ZK39+810-ZK38+920)：考虑灯具布置是从隧道进口10 m处开始，故反光环设置点为ZK39+810，ZK39+860，ZK39+910，共3个反光环。在隧道电缆沟侧壁上左、右对称设置LED诱导灯(12.5 m/道)，在左、右行车道外设置猫眼道钉，12.5 m/道。视觉平面上参照点数量为6个，信息设置频率为低频∶高频=1∶4。

出口段(ZK38+750～ZK38+810)：反光环设置点在ZK38+760、ZK38+810、ZK39+910，设置方法与入口段一致。

2.1.2过渡段逆反射系统设置方法

为实现反光环间距的逐步过渡，缓解隧道暗适应问题，为驾驶人行车提供最低亮度，提升速度感、距离感、方向感、舒适感，反光环为100～400 m/道(按200→300→400→300→200→100 m进行设置)；应急诱导灯(局部方向感)；路缘LED轮廓标、突起路标(速度感)均为12.5 m/道，并设置彩色反光环区域。过渡段逆反射系统示意见图1～图3。

图1 过渡段布置示意图

图2 过渡段逆反射系统侧面图(单位：m)

图3 过渡段逆反射系统平面图(单位：m)

2.1.3中间段逆反射系统设置方法

双山中间段为ZK38+825-ZK39+610路段，由于双山隧道属于长隧道，设置彩色反光环区作为提醒段。受隧道长度限制，对提醒段长度进行调整，以500 m为间隔进行设置，通过2次提醒达到唤醒驾驶人注意力的目的。反光环设置间距为200 m/道，颜色为白、绿相间，分别设置于ZK39+410、ZK39+210 、ZK39+010处，两道反光环之间以50 m间距设置反光条，颜色与反光环一致。猫眼道钉设置12.5 m/道，在电缆沟侧壁上设置LED诱导灯12.5 m/道(横向上与猫眼道钉在同一断面)。

2.2 室内验证

2.2.1实验场景设计

仿真实验场景由标准场景和对比场景构成，具体参数参照JTG D20-2017 《公路路线设计规范》[7]、JTG D70-2004 《公路隧道设计规范》[8]及JTG D70/2-01-2014 《公路隧道照明设计细则》[9]的规定选取。

2.2.2实验数据分析

研究基于3Ds Max和E-prime软件，开展室内仿真实验，反光环在隧道弯道路段可见区域内的可见个数对驾驶人弯道错觉程度的影响规律，通过分析试验数据，得到如下结论。

1) 针对隧道弯道路段驾驶人的弯道错觉效应，通过反光环可以一定程度缓解驾驶人的弯道错觉效应。弯道错觉程度与半径之间的趋势见图4，实验隧道中双山隧道可以保障全路线反光环可见数目为3个，弯道错觉程度与反光环可见个数间的趋势见图5。

图4 弯道错觉程度与半径之间的趋势

图5 弯道错觉程度与反光环可见个数间的趋势

2) 基于双因素法分析可得，在布设反光环的场景中，驾驶人的弯道错觉程度与弯道半径之间不具有显著因素，而反光环的可见个数对驾驶人的弯道错觉程度具有显著影响。弯道半径和可见个数两者之间的交互作用对驾驶人的弯道错觉程度不具有显著影响。

2.3 室外验证

开展室外实验的目的是通过驾驶人在设置逆反射系统的隧道及仅设置照明系统的隧道进行实车实验，采集各隧道路段行驶时驾驶人的眼动特征数据，分析驾驶人的视距视区、注视特征、瞳孔面积等眼动特征变化规律，以期探究逆反射系统设置的效果。

2.3.1实验设备

实验数据采集使用Dikablis Pro头戴式眼动仪。

2.3.2视距视区

为了更精确地说明驾驶人注视点的分布范围，采用驾驶人视力角进行说明。驾驶人相邻2次注视行为之间扫视的幅度称为扫视距离，扫视距离的50%分位数(中位数)称之为视力角。当驾驶人扫视角度越大，视力角越大，则视点平面分布区域越大，其视认效果越好[10-11]。

通过选取设有逆反射系统的隧道(双山隧道)与只有灯光照明的隧道(普通隧道)的驾驶人注视点数据进行分析，绘制不同类型隧道的不同区域驾驶人注视点位置，见图6、图7。同时，采用询问法，调查驾驶人可见轮廓带的数量，从侧面反映出可视距离的远近。

图6 双山隧道驾驶人注视点分布

图7 贵州省某普通隧道注视点分布

对双山隧道等驾驶人注视点分布进行分析可知。

1) 视区方面，设置逆反射系统后，隧道各分段的驾驶人视力角均有所减小，双山隧道中间段驾驶人视力角比贵州省内其他普通隧道明显更大，说明双山隧道逆反射系统注视点分布更广，视区更大能增大驾驶人的视认范围，提升隧道的视认效果。

2) 在视距方面，不同隧道环境每个分段区域下驾驶人的可视距离为：双山隧道>贵州省内其他普通隧道，在近光灯条件下双山隧道最远可见距离为291 m，远光灯时为590 m，表明驾驶人在双山隧道各区域的可视距离更远，隧道内行车时线形诱导性更强。

3) 综合上述可得，设置逆反射系统比未设置条件下驾驶人视力角有所降低，有效地提升了隧道视认效果，缓解驾驶人的心理紧张程度，改善隧道内视觉环境。

2.3.3瞳孔面积变动稳定性

驾驶人在隧道区域行驶时的瞳孔面积与隧道区域的照度、亮度值等有直接的关系，驾驶人瞳孔面积越稳定，驾驶人的视觉负荷和驾驶负荷就越低。

隧道内驾驶人瞳孔直径与面积见表2、表3。

表2 隧道内驾驶人瞳孔直径与面积值

表3 贵州某普通隧道内驾驶人瞳孔直径与面积值

通过对比贵州省内其他普通隧道内驾驶人瞳孔面积变动情况，可以得出如下结论。

1) 在隧道入口段，逆反射系统下驾驶人的瞳孔面积显著大于灯光照明下的瞳孔面积(P=0)；逆反射系统下，驾驶人的瞳孔面积只有轻微的“视觉震荡”。

2) 双山隧道驾驶人瞳孔直径与面积比贵州其他普通隧道的更小，表明双山隧道的逆反射系统比贵州普通隧道逆反射系统效果更好。

3 结语

本文通过研究逆反射设施，结合驾驶人的视觉特性和视觉需求，构建高速公路隧道内部逆反射系统，应用于贵州织普高速公路双山隧道，并通过室内、室外实验验证，得到结论如下：

1) 通过室内仿真实验，发现反光环可以一定程度缓解驾驶人的弯道错觉效应。当弯道路段可见反光环的个数为3个时，具有良好的诱导效果，(不同半径下的弯道错觉程度均小于5%)。

2) 通过对逆反射系统及照明系统典型隧道进行眼动实验发现，设置逆反射系统的隧道在驾驶人的视距视区及瞳孔变动方面优于仅设置照明系统的隧道；同时双山隧道逆反射系统改善效果优于贵州省内其他普通公路隧道逆反射系统。

3) 本实用工况表明逆反射系统对高速公路隧道中部视错觉及视距视区具有很好的改善效果，可有效提高驾驶人的速度感知能力和距离感知能力，缓解视错觉效应，提升视距、扩大视区，有利于提高驾驶人在高速公路隧道的行车安全性。