高速公路隧道入口连续视觉参照设施设置研究

潘兵宏，周锡浈，韩雪艳

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

随着我国高速公路里程的不断增加，隧道的数量越来越多，而隧道路段又是高速公路上交通事故的高发地。研究表明，隧道路段的交通事故多集中在隧道入口处，造成这种现象的其中一个原因是车辆驾驶人行驶到隧道入口路段时，在进入隧道前，路侧的地形、植被等，能给驾驶人较强的位置和速度参照，驾驶人能相对准确判断车辆行驶速度和位置，有利于驾驶人准确操控；而进入隧道后，因隧道内洞壁和路面、标线等呈现的参照单调，导致隧道内视觉参照的弱化，在加上隧道入口“黑洞效应”的影响，因而驾驶人不易准确判断车辆行驶速度和位置。此外，隧道内外视觉这种强弱参照系的突变，也容易导致驾驶人在短时间内难以适应，很难及时调整和控制车辆的速度和位置，容易导致超速和驶离车道，进而发生事故。同时，也有研究调查表明：驾驶人在行驶过程中有90%以上的交通信息都是通过视觉获得的，而这些信息构成了公路隧道视觉参考系[1]。因此，有必要对驾驶人在隧道入口的内外段落的视觉参照过渡方法和设置技术进行研究。

近年来，国外学者对隧道入口路段驾驶人视觉特性进行深入研究。C.BOURDY等[2]对隧道入口处可见度随时间亮度变化的影响进行了研究，并评估了隧道入口的短暂性能不足；P. BLASER等[3]提出基于CIE理念的新方法，通过日光产生的亮度和照度已知经验关系以及平均相对日照时间分布，确定了隧道照明装置中所需的亮度水平；A.PEA-GARCA等[4]应用光模拟领域的图形设计软件，结合此前开发的ESTS方程，模拟了3种不同张力结构，提出在隧道中使用太阳光的半透明张力结构的计算优化；L.M. GIL-MARTN等[5]通过在隧道入口前安装遮光栅来改变隧道洞口阈值区域，提出在遮光栅间的空间中引入扩散材料来改善隧道入口处视觉效果。同时，国内学者也对隧道出入口处的光环境、驾驶人的视觉特性等进行了研究。段萌萌等[6]研究发现驾驶人短时间内连续进出隧道会使视觉上多次形成“黑洞、白洞”效应，并根据驾驶人在隧道入口段瞳孔面积的变化规律，建立了隧道入口段的视觉舒适评价体系；张天根等[7]通过模拟驾驶，分析驾驶人视觉特性，提出了基于光过渡最优曲线的隧道吐口减光构筑物方案；陈昌武等[8]研究了隧道内昏暗单调的环境所导致的对比度的降低与低边缘率是驾驶人低估车速的主要原因；胡江碧等[9]也指出了隧道洞口的光环境是影响驾驶人在隧道出入口处获得视觉信息的重要因素，影响着行车安全；王春雨[10]通过隧道路段驾驶人眼动实验，分析驾驶人眼动变化规律，建立了驾驶人注视点纵向距离计算模型，并根据驾驶人瞳孔直径变化率，确定隧道路段驾驶人视觉敏感路段；杜志刚等[11]通过实车实验，回归分析得到进出口照度与驾驶人瞳孔面积成幂函数关系，并以驾驶人瞳孔面积变化率作为隧道出入评价指标；彭成坝等[12]以驾驶人在隧道入口段的暗适应为依据，通过计算得出在隧道入口段与不同亮度折减系数K适应的可变限速值，以保证隧道口驾驶人的安全行驶。

目前国内外对隧道入口路段驾驶人视觉特性的研究多集中于隧道进出口照度的研究。较少研究者针对隧道入口路段外界环境的不同对驾驶人视觉参考系的连续性和过渡进行研究。笔者基于隧道入口视觉参考信息的变化，提出了一种在隧道入口路段能够正确引导驾驶人视线的柔性视觉参照设施，并对视觉参照设施在隧道洞内洞外的设置距离及间距等关键技术指标进行研究。

1 隧道入口视觉参照系特性分析

车辆驾驶人在道路行车过程中，会根据周围的行车环境、条件而建立一个视觉参照系统，以用于确定车辆与周围事物之间的距离、确定车辆的行驶方向与速度。一般来说，车辆驾驶人会在隧道外部环境下形成一个含有高频信息、中频信息、低频信息的强视觉参照系。高频信息由道路两侧树木、建筑物、标志和护栏立柱等组成；中频信息由护栏上轮廓标、路钮、路面标线等组成；低频信息由道路两侧的景观物、标志版面等组成。车辆驾驶人在强视觉参照系下行驶时，其心理感知速度优于实际物理车速，从而保证行车安全(图1)。

图1 隧道内外速度感知错觉Fig. 1 Illusion of speed perception inside and outside the tunnel

与隧道外环境相反，在隧道内，驾驶人根据隧道内环境一般只能构建弱视觉参照系，这一参照系主要包括照明灯具及侧墙轮廓标等构成的中频信息，缺少高频及低频信息。而高频信息的缺乏，容易导致驾驶人在仅有中频信息的环境下对车辆的感知速度会较实际物理车速低[13]，从而容易造成隧道内超速事故频发。

隧道内外照明环境突变，也会严重破坏车辆驾驶人视觉信息的连续性，同时在隧道内部行车时，驾驶人会由于弱视觉参照系而错误判断车辆运行速度与行车车距，进而造成安全事故。所以，改善隧道入口视觉参照系过渡情况，在驾驶员适应隧道内较弱参照之前，应在隧道入口段设置一些高频信息，让强视觉参照系不要过快消失是十分必要的。因此提出在隧道入口段一定长度范围内设置视觉参照柱，给驾驶人提供高频信息，并保证视觉参照系的过渡。下面分析视觉参照柱的设置技术要求。

2 视觉参照柱

中频信息的边缘率通常情况下为0.5～2.5 Hz，其作用是给予车辆驾驶人固定间隔、中等程度的心理反应，通过显示隧道边界、内部线性变化来引导车辆的行车安全，保证车辆驾驶人视线连续性。隧道内部的中频信息的获得渠道含有轮廓标、路钮等。

在隧道外部、内部有许多设施可供车辆驾驶人建立空间视觉参考系，但是在隧道入口驾驶人只能依靠路面标线等地面设施来获得视觉信息，在这种路径情况下，车辆驾驶人很容易由于入口处光线的突变，而破坏其视觉信息的连续性，造成行车事故。

为了最大程度上降低前文所述的各种不利情况的发生率，更加正确、自然地引导驾驶人视线，笔者提出了一种容易生产加工、安装的隧道入口视觉柔性参照柱，增强隧道入口内外的视觉参照过渡。此参照柱的主要材料为圆形断面的PVC管，其半径40 mm，高为1 200 mm。参照柱柱身涂有一层红白相间的、宽度为200 mm的红白两色反光膜层(图2)。在行车过程中，驾驶人可以参照布设于路旁的视觉参照柱，知晓其与隧道入口的距离、在隧道路段的行驶速度变化情况，并结合参照柱在视觉上的频率变化，控制速度。

图2 视觉参照柱(单位：mm)Fig. 2 Visual reference column

隧道内，视觉参照柱布设于两侧检修道边缘，而隧道外，其布设在两侧硬路肩外边缘。不同隧道内外视觉参照柱的布设范围是不同的，需要结合实际情况，并且考虑隧道入口路段的速度、横断面变化、光照过渡及驾驶人心生理特性。

隧道内部不设置硬路肩，仅设置路缘带，而隧道外的路基或者桥梁一般设置了硬路肩，所以隧道的横断面尺寸与相接的路基或桥梁横断面尺寸不同。受隧道内墙壁效应的影响，车辆的轨迹也会发生变化。因此隧道入口视觉参照柱设置长度应结合隧道入口前车辆轨迹变化的长度来确定。

2.1 隧道入口视觉参照柱设置长度

2.1.1 隧道内外路幅横断面尺寸变化

因为隧道横断面尺寸与相邻路基或桥梁段的不同，车辆在通过该路段时路侧运行条件发生了变化，使得进出隧道时的行车安全性有所降低。隧道横断面组成尺寸见图3，图3中Wd为行车道宽度；LL、LR分别为隧道左、右侧向宽度；IL、IR分别为隧道左、右侧检修道宽度；dTL、dTR分别为隧道内车身左余宽和车身右余宽，车身左余宽是指车身左侧与行车道中心之间的距离，车身右余宽是指车身右侧与检修道边缘之间的距离。

图3 隧道横断面尺寸示意(单位：m)Fig. 3 Dimensions of the tunnel cross-section

路基(或桥梁)横断面组成尺寸见图4，图4中Wd为行车道宽度；L1、L2分别为左、右硬路肩宽度；LE为路基土路肩宽度(或桥梁路段护栏宽度)；dSL、dSR分别为路基段车身左余宽和右余宽，dSL指在路基或桥梁路段车身左侧与行车道中心之间的距离，dSR指在路基或桥梁路段车身右侧与土路肩边缘之间的距离。

图4 路基(或桥梁)横断面尺寸示意(单位：m)Fig. 4 Dimensions of the subgrade (or bridge) cross-section

JTG B01—2014《公路工程技术标准》(以下简称《标准》)规定的不同设计速度下隧道和路基标准横断面尺寸，见表1。

从表1的规定可以看出，不同设计速度下，从路基(或桥梁)段到隧道路段，都是右侧宽度变化幅度大。因此从宽度过渡角度看，考虑隧道内外视觉过渡变化时，应关注右侧路幅宽度的变化。

表1 隧道和路基横断面主要尺寸Table 1 Main dimensions of cross-section of tunnel and subgrade

2.1.2 隧道外视觉参照柱设置长度

在我国JTG D70—2004《公路隧道设计规范》中规定，当隧道内外侧的路基(路面)宽度变化值较大时，为保证横断面过渡的顺适性，隧道入口应设置按照设计速度行驶不小于3 s的路段长度，并且过渡段长度应不小于50 m。上述规定较简单，难以适用于所有情况，应该根据隧道内外路幅宽度的实际情形，并结合该路段车辆的运动规律来确定。

由于车辆在进入隧道前会受到隧道的“墙壁效应”、隧道中间比两侧高度大、检修道突出所带来的影响，导致车辆行驶轨迹会向隧道中心偏移。因大型车的宽度和高度明显比小汽车大，其更容易受到前述因素的影响，因此取大车作为确定横断面过渡段长度的研究对象。为保证车辆在隧道入口路段附近顺适安全地完成上述轨迹的改变，对渐变段长度提出最小长度要求，即横断面宽度过渡段的渐变率应不大于车辆轨迹改变时的渐变率，则有式(1)成立：

(1)

式中：P为横断面过渡段渐变率；Pt为考虑车辆轨迹改变时的渐变率；dTR隧道内车身右余宽值，m；dSR为路基段(或桥梁段)车身右余宽值，m；S为隧道内外不同宽度的横断面过渡段长度，m。

普通路段上正常运行车辆的侧向余宽一般呈正态分布，且车辆的横向位置基本不变，直到即将到达隧道时，驾驶人才会驱使车辆向车道中心移动。根据相关调查发现驾驶员一般在距离隧道口前约60 m时开始调整横向位置，车辆左边缘距行车道边缘0.60 m，即在路基段的车身左余宽为0.60 m；而当其驶入隧道内之后，大型车的横向位置会向路中心偏移0.4 m[14]，此时隧道内的车身左余宽为0.20 m，且在进入隧道口后约60 m结束调整横向位置。因此隧道内外不同宽度的横断面过渡段长度S可取120 m。则隧道内外横断面宽度不同时，隧道外最小过渡段长度Lout可以采用式(2)计算：

(2)

式中：P为横断面过渡段渐变率；S为隧道内外不同宽度的横断面过渡段长度，m；L2为右侧硬路肩宽度，m；Pt为考虑车辆轨迹改变时的渐变率；dTR为隧道内车身右余宽值，m；dSR为路基段(或桥梁段)车身右余宽值，m；LR为右侧侧向宽度，m。

根据表1和图3、图4，可以得到不同设计速度下隧道内外车身两侧的余宽(表2)。采用式(2)可计算隧道内外横断面差异需要的过渡段最小长度值(表2)。

从表2的计算结果可知，在满足车辆轨迹渐变的前提下，隧道右侧路面宽度变化过渡段最小长度在146～156 m之间。驾驶人为适应洞内横断面变窄和墙壁效应所产生的变化，一般会在进入隧道前完成轨迹的调整，因此，为及时给驾驶人提供更准确的位置参考和视觉诱导，可在隧道横断面变窄前的路基或(桥梁)段设置视觉参照柱，并延伸至洞内。则隧道外视觉参照柱设置长度宜与宽度过渡段长度相同。因此，隧道外视觉参照柱设置长度宜参考表2的横断面宽度最小过渡段长度。

表2 隧道外视觉参照柱设置长度Table 2 Setting length of visual reference column outside tunnel

2.1.3 隧道内视觉参照柱设置长度

由于晴天隧道内外光环境的剧烈过渡，导致驾驶人在即将驶入隧道洞口时，会出现黑洞效应，人眼需要经历一个暗适应过程来恢复视力，暗适应时间一般不超过3 s[12]。在驾驶人眼睛适应暗环境时，车辆会继续行驶。为保证驾驶人能够在视觉参照柱的引导下保证视觉信息的衔接，在驾驶人眼睛完全适应隧道内的环境后，车辆前照大灯所能照射的范围内也均需布设视觉参照柱。因此隧道内视觉参照柱的设置长度Lin用式(3)计算(表3)。

表3 隧道内视觉参照柱设置最小长度Table 3 Minimum length of visual reference column setting in tunnel

(3)

式中：V为隧道路段的车辆行驶速度，可取隧道路段的设计速度，km/h；t为暗适应的时间，暗适应时间一般不超过3 s[12]；dlight为大车前灯照射距离，取127 m[15]。

2.2 隧道进出口视觉参照柱设置间距

驾驶人瞬时视野范围内至少存在3～4个轮廓标时才能识别出隧道内部线形引导车辆能够正常行驶，因此视觉参照柱的间距设置要求与轮廓标相同。当驾驶人在隧道外行驶时，其瞬时视野为设计速度下的动视野，根据相关文献，车速为80 km/h时，驾驶人的注视点位于车辆前方377 m[16]；当驾驶人在隧道内行驶时，其瞬时视野为车辆前照大灯所能照射的范围，即车辆前方127 m[15]。为保证视觉参照柱的有效性，隧道内外视觉参照柱设置间距应相同，故取隧道内驾驶人瞬时视野计算间距。隧道入口路段驾驶人可视范围如图5。

图5 隧道内驾驶人可视范围示意Fig. 5 Schematic diagram of the visual range of the driverin the tunnel

当车辆位于左侧车道行驶时，右侧车灯照射范围长度比左侧短，故可以采用车辆在左侧车道行驶时右侧参照柱的设置间距值，采用式(4)计算：

(4)

式中：ds为视觉参照柱设置间距；α为大车前灯照射角度，取15°[14]；Wsight为车辆右前灯与右侧视觉参照柱之间的横向距离，m；n为大车前灯照射范围内右侧视觉参照柱的数量，为达到更强的视觉诱导和参照效果，宜取4根。

车辆前大灯的位置一般距离车身两侧边缘约0.30 m。因此当车辆在最左侧车道行驶时，根据隧道内外车身与行车道左边缘的距离、车身宽度(去2.5 m)、单行车道和隧道右侧侧向宽度(右侧硬路肩宽度)可以计算Wsight(表4)。

表4 视觉参照柱设置间距Table 4 Setting spacing of visual reference column

隧道内外左右两侧视觉参照柱设置间距可参照表4计算得到的结果设置，对于隧道入口宽度过渡段也可以根据实际情况适当加密视觉参照柱的设置，以增强驾驶人的指引效果，隧道外在过渡段可采用线性渐变形式设置(图6)。为保证驾驶人视觉的连续性，可在洞内外最小设置长度的基础上各增加至少3根参照柱(图6)。

图6 隧道入口视觉参照柱布置示意Fig. 6 Schematic diagram of visual reference column setting attunnel entrances

3 仿真验证

3.1 试验设备

试验采用的主要设备为UC-win/road和力康PC-80D心脏监测仪。

3.2 试验设计

用UC-win/road建立以岳武高速横断面(单幅路组成为行车道为2×3.75 m，左侧硬路肩为0.75 m，右侧硬路肩为2.50 m，土路肩为2×0.75 m)实际情况为基础的试验仿真环境，采用力康PC-80D心脏监测仪获得驾驶人心率数据。在模拟场景中设置3座直线、纵坡为零的隧道，以桩号K0+000为行车起点，第1段隧道位于K1+065.4～ K2+332.9，第2段隧道位于K2+774.9～ K4+254.3，第3段隧道位于K5+677.8～ K6+363.9。

为保证结论的准确性，选取6名试验者，4男2女，试验者均身心健康且驾驶技术熟练，精神状态良好、睡眠充足。试验安排对比试验组与刺激组两组试验，对比实验组无视觉过渡设施(图7)；刺激实验组为设置视觉参照柱(图8)，综合考虑时间与成本，去掉间距比较近的边缘率，最后保留0.75、1.5、6、32 Hz 4个边缘率进行试验分析，边缘率对应的间距如表5 。

图7 无视觉过渡设施Fig. 7 No visual transition facilities

图8 设置视觉参照柱Fig. 8 Setting visual referencecolumn

表5 边缘率与间距之间的关系[17]Table 5 Relationship between edge rate and spacing

参照系设施布设按ABBA法进行，具体的设施布设位置与试验顺序安排如表6，表6中1表示设置视觉参照柱，0表示不设置视觉参照柱。

表6 试验安排与视觉参照系过渡设施设置位置Table 6 Test arrangement and location of visual reference systemtransition facilities

3.3 试验步骤

首先对6名试验者进行试验讲解培训，让试验者适应不同车速下的参照物感知特征，每个试验者按表6的顺序完成12次试验，在每次试验结束后按迫选法要求选择各通过路段的心理感知速度。待6名试验者均完成12次试验后整理数据。

3.4 试验结果分析

3.4.1 视觉参考柱对驾驶人心理的影响

对力康PC-80D心脏监测仪采集的心率数据结果进行统计汇总，以视觉过渡设施段的平均心率为基础值，以不设置视觉参考柱的各边缘率下的平均心率为比较值，得到不同速度下相对心率图如图9。

图9 不同速度下相对心率比较Fig. 9 Comparison of relative heart rate at different speeds

根据图9可以看出，设速度为100 km/h和120 km/h时，设视觉参考柱能明显降低驾驶人心率，且在设32 Hz的视觉参考柱下降低幅度最大，表明视觉参考柱能明显降低驾驶人的心理负担，有利于行驶安全。

3.4.2 视觉参考柱对驾驶人感知速度的影响

将每次试验结果后驾驶人感知的速度值与仿真平台记录的驾驶人实际的行驶速度进行对比分析，得到图10。

图10 感知速度与实际速度比较Fig. 10 Comparison of perceived velocity and actual velocity

根据图10可知，在设置了视觉参照柱之后，驾驶人对行驶速度的感知准确性较不设视觉参照柱将大大提升，且随着边缘率增大，视觉参考柱设置间距减小，驾驶人将高估行车速度，实际行驶速度更慢；视觉参照柱的设置在各个速度下都能极大改善驾驶人对速度的感知，有利于隧道内行车安全。

3.4.3 视觉参考柱对驾驶人行驶速度的影响

将驾驶人在各个指定速度下、设视觉参考柱场景(刺激组)下的行驶速度与无视觉过渡设施段(参照组)的行驶速度进行统计分析，得到图11。

图11 参考组与刺激组的行驶速度对比Fig. 11 Driving speed comparison between the reference group andthe stimulus group

根据图11可知，在设置了视觉参照柱之后，驾驶车辆在隧道段的行驶速度明显低于不设视觉参照系，说明视觉参照柱的设置有利于驾驶人在隧道内减速行驶，更利于行车安全。

3.4.4 视觉参考柱对驾驶人行驶横向位置的影响

对仿真平台记录的车辆在道路上的横向位置进行统计分析，得到参考组与刺激组情况下的车辆中心离行车道边线的距离(即横向位置)对比图12。

图12 参考组与刺激组的横向位置对比Fig. 12 Horizontal position comparison between the reference groupand the stimulus group

根据图12可知，在设置了视觉参照柱之后，驾驶车辆在隧道段的横向位置明显远于不设视觉参照系，说明视觉参照柱的设置有利于车辆的行驶安全。

4 结 论

1)针对目前隧道入口路段由于光线及行驶条件的变化，驾驶人行驶的参照系发生变化，导致驾驶人出现视觉信息衔接不畅甚至中断，影响行车安全性的问题，提出了一种通过在隧道入口设置视觉参照柱，达到延续驾驶人视觉的强视觉参考的方法。视觉参照柱的设置能够帮助驾驶人在隧道内外重建一套连续的视觉参照系统，更好地保持驾驶人在隧道内外视觉参照的连续性，有利于驾驶人控制车速和车辆位置。

2)提出的视觉参照柱易加工生产、抗腐蚀、耐老化。该参照柱底面采用直径为80 mm的圆形，高度为1 200 mm，其材质为PVC管，柱身包覆由红白相间而组成的反光膜层，红白颜色的设置宽度均为200 mm。

3)通过分析隧道内外横断面宽度的变化和车辆轨迹变化特点，建立了隧道内外视觉参照柱的设置长度和间距计算模型，并给出了不同设计速度下，隧道内外视觉参照柱的设置长度和间距的建议值。同时提出了隧道内外视觉参照柱的设置过渡方式。

4)研究成果为隧道入口驾驶人的视觉参照系统的建立提供了理论依据，为隧道内外驾驶人的视线诱导提供新的思路和技术解决方案。