反光膜对公路隧道内部光环境和行车安全性的改善研究

2022-09-14梁奇

山西交通科技 2022年4期

梁奇

（山西省交通建设中心，山西太原 030006）

公路隧道具有缩短里程、节约时间、提高交通运输效率、节约用地和有利于保护生态环境等优点，因而在山区高速公路建设中得到了广泛应用。由于公路隧道顶部和两侧封闭等构造的特殊性，会使驾驶人员途经隧道时产生“黑洞效应”“白洞效应”“黑框现象”、管状视觉和闪烁等特殊的视觉现象。因此，隧道内需要采用人工照明以减少特殊视觉现象对交通安全的影响。为降低隧道照明费用，业内人士在照明光源、控制智能化方面做了较多的努力和尝试，特别是LED灯具和无级调光方式的应用，在降低隧道照明耗能方面取得了一定的成果，但目前隧道照明能耗依然巨大。

为了在确保行车安全的前提下实现隧道照明节能，学者们已进行了大量研究，研究的重点主要集中在隧道的接近段[1-3]、入口段[4-7]及隧道照明设计方法[8-12]等方面。为了降低隧道行车安全风险、改善行车环境，很多工程项目中在隧道侧壁装饰、线形诱导标志、轮廓标志方面做了尝试和实践，有的甚至已成为标准做法写在隧道机电或交通安全设施规范中。已有公路隧道按此标准设置了一些以白色反光膜为主要材料的被动反光环，获得了广大司乘人员的好评。工程实践表明，在保持相近甚至略低的照明水平条件下，通过增设反光材料进而改善隧道内光环境后，对提高驾驶员驾车舒适性、降低行车事故率、提升交通安全感效果明显。

为了探索反光材料在公路隧道应用中的新形式，充分利用汽车前照灯光改善驾驶员在隧道内行车时感受到的光环境，并评估其行车安全性，笔者依托长邯高速改扩建工程中新建的东阳关隧道，在隧道内侧壁适宜的高度有规律地布设高性能的反光膜，结合原有的隧道照明灯具和控制手段，采用科学的试验和测试的方法，研究反光膜对公路隧道内部光环境和行车安全性的改善效果。

1 工程概况

长邯高速改扩建工程新建东阳关隧道位于山西省黎城县东阳关镇，隧道采用“单洞单向三车道”布设方案，全长3 360 m，设计时速80 km/h。隧道建筑限界净宽为0.75+0.5+3×3.75+0.75+0.75=14.00 m，建筑限界净高为5.0 m。隧道进口300 m采用复合式路面，洞内采用水泥混凝土路面。

隧道照明系统是按照《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01—2014）进行设计，划分为入口段1、入口段2、过渡段1、过渡段2、基本段、出口段1和出口段2共7个照明段。

隧道照明选择35 W的LED灯作为基本照明光源，在隧道两侧按照10 m间距交错布灯；入口段1，在每两盏LED灯之间再均匀布置4盏400 W的高压钠灯（HPS）和两盏150 W的HPS；在入口段2，在每两盏LED灯之间均匀布置两盏400 W的HPS和两盏100 W的HPS；在过渡段1，在每两盏LED灯之间均匀布置两盏150 W的HPS和一盏100 W的HPS；在过渡段2，在每两盏LED灯中间位置布置一盏100 W的HPS；在基本段仅布置基本照明，即在隧道两侧间隔10 m交错布置35 W的LED灯；出口段1的照明水平设计值与过渡段2相同，布灯方式也与过渡段2相同，即在每两盏LED灯中间位置再布置一盏100 W的HPS；在出口段2，在每两盏LED灯中间位置再布置一盏250 W的HPS。所有灯具的安装高度均为5.5 m。灯具布置方式如图1所示。

图1 隧道灯具布置方式

2 反光膜布设方式

为了充分利用汽车前照灯光为驾驶员构建舒适的隧道内光环境，在新建东阳关隧道按照已有相关规范设计的诱导标和轮廓标的基础上，在两侧隧道壁上再增设一套反光膜系统。在汽车灯的照射下，隧道两侧新增反光膜预期形成两条基本连续的纵向光带。需要指出的是，隧道中的轮廓标是具有视线诱导功能的交通安全设施，设置的主要目的是通过其具有的逆反射性能来指示道路的方向、行车道的边界，以便行车人员更清楚地识别公路隧道的线型及轮廓，从而指引车辆安全行驶；反光膜是一种交通安全工程领域中常见的反光材料，也具有逆反射性能，设置的主要目的是借助在隧道内行驶的汽车前照灯灯光改善隧道内的行车光环境，从而提升隧道内的行车安全性。由于两者设置的目的不同，两者的尺寸和安装方式都不同，轮廓标的尺寸小于本文提出的反光膜尺寸，安装高度低于反光膜的安装高度，安装间距大于反光膜的安装间距。

在隧道内壁安装反光膜的位置是弧面，为了使反光膜安装后与隧道壁吻合，并使反光膜与隧道断面形状基本一致，将反光膜的形状加工成扇形。反光膜的形状和尺寸如图2所示，反光膜的外弧（靠近隧道壁侧）长度为70 cm，内弧长度为65 cm，宽度为15 cm，扇形反光膜弧形与隧道侧壁一致。该反光膜尺寸基本能覆盖所有车型前照灯高度的变化范围。为了使不同车型的驾驶员都能获得合适的观测角，新增反光膜系统安装在隧道两侧的隧道壁上，反光膜下边缘到路面的垂直距离为110 cm，反光膜安装位置如图3所示。

图2 反光膜的尺寸（单位：cm）

图3 隧道反光膜安装位置示意图（单位：cm）

增设反光膜的目的是对驾驶员形成一条基本连续的光带，在提高隧道内诱导性的同时，提高驾驶员感受到的环境亮度。通过试验确定反光膜合适的安装间距，反光膜的安装间距选择4 m和8 m两种尺寸。沿着隧道行车方向，从隧道入口开始的前1 km范围内，相邻两块反光膜的间距为4 m；从隧道入口开始1 km之后，反光膜安装间距取为8 m。

该隧道的建筑界限宽度为14 m，若驾驶员位于中间行车道中心线（驾驶员距隧道壁的距离为7 m），驾驶员驾车时注视前方100 m远处的路面，则驾驶员看到的反光膜在隧道壁上留下的阴影长度约为2.2 m，即，驾驶员看到的反光膜之间的间隔比实际间隔缩短约2.2 m，其几何关系如图4所示。当安装间距为4 m时，驾驶员实际看到的前方100 m处的反光膜之间的间距为1.8 m左右；当安装间距为8 m时，驾驶员实际看到的前方100 m处的反光膜之间的间距为5.8 m左右。

图4 驾驶员在中间车道看到的反光膜的阴影示意图（单位：m）

反光膜选择黄色和白色两种，沿着行车方向，左侧隧道壁上安装黄色反光膜，右侧隧道壁上安装白色反光膜。图5是安装了反光膜隧道内环境。

图5 安装了反光膜的隧道

3 反光膜对隧道光环境的改善效果

隧道光环境是指驾驶员在隧道内驾车时所处的光环境，可以用驾驶员20°视场内的景物平均亮度表示。隧道内的光环境影响驾驶员的生理指标和心理状态变化，进而影响行车安全。隧道内的环境因素较多，既有亮度较低的隧道顶、隧道壁和路面，又有亮度较高的光源，还有各种标志、标线、标牌，不同景物的亮度各不相同，为了便于表达隧道内光环境的亮度水平，采用PR-920数字影像亮度计测量隧道内基本段的环境亮度。用PR-920数字影像亮度计在现场拍照后，可以在配套的电脑上操作计算指定区域的景物平均亮度，便于获得驾驶员20°视场内的景物平均亮度。

用PR-920数字影像亮度计测量隧道内的环境平均亮度时，将测试车辆按照行车方向停在中间行车道的中心线位置，并开启远光灯；将PR-920数字影像亮度计安装在测试车辆驾驶员一侧的车外，使镜头高度与驾驶员坐在车内的视线高度基本一致，镜头对着行车方向的前方；将照明工况分别调整到拟测试的工况状态；操作计算机测试该工况下隧道内的平均亮度。

实测隧道中反光膜有两种间距：从隧道入口开始的前1 km范围内，相邻两块反光膜的间距为4 m；从隧道入口开始1 km之后，反光膜安装间距取为8 m（隧道长度约2.4 km）。为了获取更多反光膜安装间距情况下的隧道环境亮度，从而确定反光膜安装间距的合理值，隧道最后1 km的反光膜每隔一块用黑色物品遮挡一块，得到反光膜间距为16 m的情况。即，测试时反光膜间距有4 m、8 m和16 m三种情况。

考虑测试用车的代表性，测试选用江西五十铃生产的瑞迈皮卡车。车身尺寸：5 190 mm×1 860 mm×1 785 mm（长×宽×高）；车辆远光灯和近光灯光源均为卤素灯。测试用车车况良好，车辆前照灯正常，前照灯罩上无污染。图6为用PR-920数字影像亮度计测量隧道内光环境的照片。

图6 PR-920数字影像亮度计现场实测照片

在工况Ⅰ（照明灯全开）、工况Ⅱ（两侧灯各关闭1/2）和工况Ⅲ（左侧灯全关、右侧灯关闭1/2）照明工况下，反光膜间距分别为4 m、8 m和16 m时测试得到的驾驶员20°视场的平均亮度见表1和图7。

表1 不同照明工况下不同间距反光膜隧道段的光环境平均亮度 cd/m2

图7 不同照明工况下不同间距反光膜隧道段的光环境平均亮度

从表1和图7可以看出，3种照明工况下均为反光膜间距为4 m的隧道段的环境亮度最高，反光膜间距为16 m的隧道段的环境亮度最低。反光膜间距为8 m的隧道段所用反光膜的数量为反光膜间距为4 m的隧道段所用反光膜数量的一半，但环境亮度仅比反光膜间距为4 m的隧道段的环境亮度降低约10%，环境亮度降低不明显；反光膜间距为16 m的隧道段所用反光膜的数量虽然仅为反光膜间距为4 m的隧道段所用反光膜数量的25%，但环境亮度却比反光膜间距为4 m的隧道段的环境亮度降低约50%，已经难以达到利用反光膜提高环境亮度的目的。因此，从改善环境亮度的角度来看，最经济有效的反光膜间距为8 m。

4 反光膜对行车安全性的改善效果

隧道内光环境是否能确保行车安全可以通过驾驶员对路面上障碍物的发现距离判断：如果驾驶员能在一个停车视距外发现路面上的障碍物，驾驶员有足够的时间对障碍物做出避让措施，就能确保行车安全；反之，如果驾驶员不能在一个停车视距外发现路面上的障碍物，则驾驶员在发现障碍物后没有足够时间做出避让措施，有可能使车辆撞到障碍物而发生交通事故，无法确保行车安全。

基于该思路，笔者在各典型照明工况下在各照明段路面上的随机位置放置大小为0.2 m×0.2 m×0.2 m、反射系数为0.2的正方体标准小目标障碍物，让驾驶员尽可能按照隧道的设计行车速度80 km/h驾车通过隧道，驾驶员驾车通过隧道时佩戴校准好的iViewX眼动仪，利用眼动仪记录驾驶员驾车通过隧道过程中看到的场景数据和驾驶员的视觉行为数据。根据iViewX眼动仪记录的数据，利用眼动仪配套的视觉行为分析软件BeGaze可以读出驾驶员驾车时发现障碍物的时刻t1和汽车经过障碍物的时刻t2，进而可以求得驾驶员从发现障碍物到通过障碍物所用的时间 ∆t=t2-t1。

驾驶员从距离隧道入口足够远的位置启动汽车，以确保汽车行驶速度在到达隧道入口前能达到隧道的设计车速80 km/h。汽车行驶速度达到隧道的设计车速后，尽可能保持匀速行驶，直至通过测试路段。驾驶员驾车进入隧道时，测试人员用博士能手持雷达测速仪测量车辆的实际行驶速度v。利用驾驶员从发现障碍物到通过障碍物所用的时间∆t与行车速度v即可计算得到驾驶员发现障碍物的距离S，S=v×∆t。

考虑驾驶员的代表性，选择5位驾驶员进行测试，驾驶员需对测试用车的车况及操作较熟悉，测试驾驶员均无色盲、色弱，校正视力均在5.0以上，所有驾驶员都不佩戴框式眼镜。

将相同工况下不同驾驶员对同一照明段的标准小目标物的发现距离取平均值，即得到该照明工况下驾驶员对标准小目标物的发现距离，如表2所示。

表2 各照明工况下小目标的平均发现距离 m

从表2可以看出，照明工况Ⅰ下，驾驶员对出现在各照明段上的障碍物均能在一个停车视距外发现（按设计行车速度80 km/h计算，纵坡为0时的停车视距为100 m）。在照明工况Ⅱ下，对入口段和过渡段障碍物的发现距离大于一个停车视距，但对基本段1障碍物的发现距离略小于一个停车视距。在照明工况Ⅲ下，驾驶员对出现在入口段1、过渡段2和基本段1的障碍物的发现距离均小于一个停车视距。在照明工况Ⅱ和照明工况Ⅲ下，从眼动仪记录的数据中未能读出驾驶员发现基本段2上障碍物的时间，这可能与基本段2上障碍物放置位置（放在路面上较暗处）和照明工况（这两个照明工况下路面照明水平较低）有关，需要结合其他测试数据进行进一步分析。

从测试结果来看，在照明工况Ⅰ下，按照设计行车速度（80 km/h）行车，驾驶员能在一个停车视距外发现障碍物的存在，能保证行车安全；在照明水平较低的照明工况Ⅱ下，驾驶员也基本能在一个停车视距外发现障碍物的存在，基本能保证行车安全；在照明工况Ⅲ下，按照设计行车速度行车，难以保证行车安全，适当降低行车速度，按照60～70 km/h的速度行车，基本能保证行车安全（60 km/h速度，纵坡为0时对应的安全停车距离为56 m）。

从路面照明水平与驾驶员对障碍物发现距离的对应关系来看，在照明工况Ⅰ下，各段的路面亮度均大于设计值，驾驶员对障碍物的发现距离也大于相应的停车视距；在照明工况Ⅱ下，各加强段路面亮度均略小于路面亮度的设计值，但驾驶员在该照明工况下对障碍物的发现距离基本都大于一个停车视距。由此来看，在隧道内装设反光膜系统后，在汽车前照灯的作用下，由于驾驶员感受到的隧道光环境的改善，驾驶员更容易发现路面上的障碍物。从驾驶员对路面上障碍物的发现距离来看，即使适当降低隧道内的照明水平，仍能确保行车安全，说明装设反光膜系统后，隧道内行车的安全性得到明显提升。在确保行车安全的前提下，可以适当降低隧道内的照明水平，说明装设反光膜系统有助于在确保交通安全的前提下实现隧道照明节能。