基于安全提升的公路隧道涂层墙面标设计方法研究

赵战伟， 史玲娜， 涂 耘， 杨 嘉， 吴金锁， 唐海兵， 楚嘉文

(1.重庆渝黔高速公路有限公司， 重庆 401336； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067；3.自动驾驶技术交通运输行业研发中心， 重庆 400067)

随着我国基础设施建设高质量发展和品质化工程要求的提升，对公路隧道安全运营品质要求越来越高。2019年初，交通运输部下达公路隧道提质升级行动通知，并编制了专门的行动指南，以促进我国公路隧道提质增效[1]。2018年重庆市率先开展了公路隧道照明品质提升工程，为我国公路隧道安全与节能提质升级积累了成功经验[2-3]。

目前，我国公路隧道照明提质升级主要以采用高光效灯具替换原低光效、高光衰灯具为主要技术措施，并结合采用智能化节能控制技术，以达到照明品质提升效果[4-6]。《公路隧道设计规范》(JTG/T D70/2-01—2014)中明确提出路面两侧2 m高范围内宜铺设反射率高的材料[7]。此外，交通运输部在《公路隧道提质升级行动指南》指出可通过在隧道内侧壁敷设反光材料，以达到较好的路面亮度均匀度[8]。美国隧道照明规范ANSI/IESNA RP22-11也指出，建议选择易维护、高反射率、非镜面反射且初始反射率至少为50%的墙面材料[9]。随着材料技术的发展，近些年科技工作者利用新型材料优点开展了对隧道照明品质提升方面的研究，如刘杰君、刘松荣等[10-11]研究了隧道亮化涂装因提高路面亮度和目标物辨识度对照明的提升作用，并将研究成果纳入《隧道照明质量评价规程》(TCECS G：F73-01—2021)；梁波等[12-13]研究了材料对隧道行车视觉功效和小目标可见度的影响；冯守中等[14-15]从材料工艺等方面研究了可用于隧道新型亮化材料的制备及性能测试，并根据材料的发光持续时间提出对应急情况下照明的补充作用；董元帅等[16]研究了将亮化材料用于路面标线的材料配伍性研究，以提高公路交通安全性。

隧道内行车安全性与驾乘人员对隧道信息的辨识度直接有关，目前有关隧道涂装的研究多以整体环境亮化对车辆的辨识性和停车视距的增加为主，但在紧急情况下还应突出如图1所示的重点逃生通道以及紧急避险区域的高清辨识性。为此，本文利用新型材料的亮化耐污易清洁的优势，以满足应急情况下远距离辨识度为前提，研究亮化涂层原理、设计方法、实施技术要点对洞内标志安全辨识的促进作用，并通过工程实施效果测试与事故数据统计得出该安全提升墙面涂层标志实施的有效性。

图1 现有隧道标志在远距离难以辨识

1 隧道安全提升墙面标设计

1.1 安全辨识提升墙面标设计原理

根据隧道行车视觉安全辨识性需求，驾乘人员在紧急情况下的应急措施及效率受停车视距、逃生或避险信息的易辨识性和应急处置信息的明确性等因素影响。

1) 停车视距

根据道路行车生理及行为学理论，驾乘人员在紧急情况下停车所需的最短距离即停车视距S近似由下式表示：

(1)

式中：v表示设计车速；f表示路面摩擦力。即停车视距由反应距离和制动距离构成。

在紧急情况下，驾驶员能在障碍物之前停住作为安全临界点，即驾驶员应能在停车视距处辨识标志信息和突发紧急情况并作出安全反应。

2) 信息可辨识性

在紧急情况下，驾乘人员需在至少1倍停车视距处辨识出前方标志的信息，以便作出正确的逃生或避险反应，包括标志内容、标志信息指明的事件处置方式，以及在低可见度下信息的可辨识性。因此，利用亮化涂装实施方式的多样性，可根据人眼辨识性特点设计对应的安全逃生与警示墙面标的尺寸、形式、色彩以及发光特性，以满足远距离紧急情况下的安全处置需求。

3) 小目标可见度

为保证紧急情况下驾乘人员对墙面标的辨识，采用的墙面标材料反射率和自发光特性应与背景材料不同，并满足墙面标的小目标可见度辨识度要求，IESNA[9]规定小目标可见度(STV)由下式计算：

(2)

式中：VL表示视度，由式(3)计算。

(3)

式中：ΔLactual为物体与背景实际亮度差绝对值；ΔLthreshold为阈值亮度差。

本文所述目标物为墙面标，故采用Lipinski方法，即用真实物体代替目标视板进行小目标可见度评价的方法[17]，STV越高，则墙面标的可视度越好。

4) 设计原理

由于驾驶员观察墙面标的视角与观察隧道立面标志，在《公路隧道设计规范 第二册 交通工程与附属设施》(JTG D70/2—2014)所规定的人行/车行横通道和紧急停车带等标志的视角不同，但要求一致，均需在行车方向上至少1倍停车视距处满足人眼最小分辨角要求，因此，满足隧道行车视觉辨识需求和小目标可见度的涂层墙面标设计原理如图2所示。

图2 涂层墙面标设计原理

图2中，墙面标的L和W表示驾乘人员以v的车速行驶时，在1倍停车视距处能辨识出标志内容及信息的最小纵向(长)及竖向(宽)尺寸，根据视觉辨识性要求，该尺寸应满足下述关系：

(4)

(5)

式中：w表示单个车道的宽度；α和β表示人眼在竖向和纵向的最小分辨角，均为1。根据行车视觉舒适性要求，隧道侧壁有涂装时，墙面标志的中心高度应与涂装区域中心高度一致。

由式(4)、式(5)可得不同设计车速下可辨识墙面标信息时所需的纵向(L)与竖向尺寸(W)，如图3所示。

图3 可辨识墙面标与设计车速的关系

由图3可见，当驾驶员以不同车速行驶时，要满足对墙面标信息的辨识效果，具有信息内容的标志尺寸应随着车速的增加而增大，带有文字信息的标志，其尺寸表示单个文字的尺寸，仅为图形的标志，其尺寸表示单个图形的标志；当整个标志中带有多个图案或文字时，每个或重点需辨识的单个图案均需满足上述尺寸关系。如当隧道行车速度为80 km/h时，离驾驶员最近的图案在纵向方向的长度应为1.7 m，进而相邻图案的纵向距离依次应为1.8 m、2 m等，如图4(a)所示。为便于工程设计和实施，亦可以将同一墙面标的同类图案按同一尺寸设计，此时，每个图案尺寸应以能辨识最远端的图案信息作为设计依据，如图4(b)所示。2种模式下，沿驾驶员行车方向所看到的墙面标信息如图5所示。

(a) 满足辨识需求的不等大尺寸墙面标志

(b) 满足辨识需求的等大尺寸墙面标志

1.2 安全辨识提升墙面标形式设计

根据1.1节的设计原理，结合隧道紧急情况下逃生和避险的信息辨识需求，按时速80 km分别设计了易于驾乘人员辨识的人行横通道逃生信息墙面标、紧急停车带加强诱导墙面标和长大隧道位置分区墙面标，如图6～图8所示。

(a) 不等大尺寸墙面标所见效果

(b) 等大尺寸墙面标所见效果

图6 人行横通道逃生引导加强警示墙面标

图7 紧急停车带避险引导加强警示墙面标

图8 隧道位置分区墙面标

该设计考虑到施工的便利性，同一墙面标中同一类图案采用相同尺寸及对称设计方案，并以最远端图案能辨识作为设计尺寸，在时速80 km下，每个墙面标的设计尺寸如表1所示。同时，为提高安全辨识墙面标在突发紧急情况下的易辨识性，设计中将具备方向引导和重点信息文字可用蓄能发光材料进行涂设，在突发应急情况下，该区域标志可发出不低于3 cd/m2的亮度，并在浓烟情况下具备较强的穿透性，可为突发紧急状态下的逃生和避险起到明显的视觉引导作用。

表1 满足辨识需要的墙面标信息尺寸要求(v=80 km/h) m

2 隧道涂层墙面标效果测试

2.1 工程实施

根据上述安全提升涂层墙面标志设计原理和方法，将研究成果用于重庆石渝高速隧道品质提升改造，结合整体性亮化提升设计，在人行横通道门两侧和紧急停车带靠近行车方向涂设如图6、图7所示墙面标，并在隧道左侧墙面以200 m为间距涂设如图8所示位置分区及紧急电话信息墙面标，每个墙面标内的图案信息满足表1所示的尺寸要求，具体实施前后效果如图9、图10所示。

2.2 安全提升效果

1) 辨识距离测试

为比较该安全提升墙面标对驾驶员的安全辨识作用，试验随机抽查9名驾驶人员以相同行车速度经过设有墙面标的隧道与未设有墙面标的隧道，试验中驾驶员均佩戴SMI ETGTM 眼镜式眼动仪，试验隧道和对比隧道的照明亮度一致。实际记录驾驶员能辨识该区域位置及信息的最远距离如图11所示。

(a) 实施前

(b) 实施后

(a) 实施前

(b) 实施后

图11 有无墙面标的辨识距离

由图11所见，在相同亮度水平下，驾驶人员经过设置有墙面标的隧道时，对人行横通道和紧急停车带的辨识距离明显高于未设置墙面标的隧道达50%左右，并且通过驾驶人员的主观反馈，驾驶员经过设有墙面标的隧道时，不仅能提前清晰辨识出这些区域的位置，更能辨识出这些标志所指示的含义，可以在紧急情况下第一时间获取正确的逃生及应急方式，对提高应急逃生和事故避险效率作用明显。

2) 小目标可见度测试

为分析安全提升墙面标对安全辨识性的质效提升作用，试验测试了相同照明条件下，无墙面标和有墙面标对应人行横通道、紧急停车带和分区位置墙面标的小目标可见度，如图12所示。

图12 有无墙面标的小目标可见度

由图12可见，在人行横通道和紧急停车带设置墙面标后，由于具备明显的色彩和反射率反差，所测得的小目标可见度较未设置墙面标有显著提高，提升比值80%以上，特别是位置分区墙面标，在未有该墙面标时，驾乘人员无法快速识别所处位置和区域，在设置了位置分区墙面标后，小目标可见度从之前的接近为0提高到4.7，辨识效果提升显著。

3) 墙面标区域注视参数测试

试验还测试了驾驶员经过设置墙面标和未设置有墙面标的隧道，驾驶员在关注人行横通道、隧道分区位置以及紧急停车带区域时的视觉特性参数，结果如表2所示。

表2 有无墙面标的隧道注视参数比较

表2表明，驾驶员在经过设置有墙面标的隧道时，在安全区域的注视持续时间比重为45.5%，低于未设有墙面标隧道的安全区域注视持续比重即65.4%，且在安全区域的注视次数少于未设置有墙面标的隧道，表明后者因有明显的墙面标使得驾驶员对这些区域的信息获取更直观且更易辨识，从而有益于缓解驾驶员行驶于隧道的紧张情绪，提高对突发性事件的反应速度和能力，降低隧道内发生碰撞或追尾等交通事故的概率，提高行车安全性。

4) 交通事故对比分析

为进一步得到隧道涂装后且设置墙面标后对隧道运营安全的提升作用，项目组对重庆石渝高速所辖隧道涂装与设置墙面标前后的全年交通事故进行调研，得到改造前后同期隧道交通事故对比情况，结果如表3所示。

表3 改造前后隧道交通事故比较

从表3可见，在实施了安全提升墙面涂装后，前后2年同期相比，隧道内交通事故有明显降低，死亡和伤人事故下降100%，轻微事故下降52.27%，总体事故降幅为54.35%，有效保障人身安全，降低财产损失，技术实施的安全提升和社会效益明显。

3 结论与讨论

本文根据隧道行车视觉适应性特点，创新性提出利用新型高效耐污隧道涂层技术设置隧道墙面标的方法，通过分析满足辨识性需求的墙面标图案尺寸与行车速度或停车视距之间的关系，得出对应行车速度下的墙面标图案尺寸设计方案，并结合具体隧道设计了提升安全辨识的长大隧道人行横通道、紧急停车带和位置分区墙面标，通过技术原理分析、试验认证和效果跟踪，得到如下结论：

1) 隧道墙面标图案尺寸应随设计车速的增加而增大，特别是纵向尺寸与车速关系较大。

2) 逃生通道和应急避险区域在按尺寸要求设置墙面标后，可有效提高驾乘人员对该区域的位置和信息辨识性，与未设置墙面标的同类隧道相比，可提高这些区域的辨识距离在50%左右，对该区域的小目标可见度可提高80%以上。

3) 因墙面标的设置使驾乘人员对区域信息获取更直观且更易辨识，可缓解驾驶员的紧张情绪，提高安全性。

4) 隧道亮化涂装和墙面标的设置可明显提高行车安全性，降低交通事故率，根据实际数据，可实现降低交通事故率达50%以上。

隧道亮化涂装墙面标由于大面积显示的易辨识性对隧道安全提升的作用已被证实，加之与墙面涂装一体的易清洗性，为后期运营养护带来便利。由于墙面标具有实现方式多样化优点，在安全提升效果上还跟信息图案的配色和设计有关，亦与隧道整体环境的协调一致有关，下一步将针对不同安全管控需求进行墙面标的细化设计，以指导更广泛的工程实际需求。