基于視覺適應性的公路隧道限速研究

慕 慧，楊少偉，趙一飛，潘兵宏

(長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

公路隧道作為路段的特殊構造物，其長管形狀空間及其封閉性造成了洞內(nèi)空氣污染嚴重、洞內(nèi)外亮度差異懸殊、環(huán)境照度低、噪聲污染大、交通空間受限和火災難于消防等一系列嚴重影響交通安全運行的問題，形成公路運輸網(wǎng)絡的瓶頸路段，據(jù)有關資料統(tǒng)計，在隧道內(nèi)發(fā)生事故的比率為每1×109veh·km發(fā)生0.5起。隧道交通事故發(fā)生的地點主要集中在長大隧道進出口200～400 m的路段范圍內(nèi)以及特長隧道的中部。主要原因在于公路隧道進出口亮度的急劇變化，極大地增加了駕駛員視覺心理生理負荷，并誘發(fā)不良駕駛行為;隧道內(nèi)光線差、空間狹窄等特點的存在，使駕駛員產(chǎn)生壓抑心理，并產(chǎn)生急于離開隧道的心理，因此超速行駛，在隧道事故中，車速過快達誘發(fā)事故原因的28%。筆者利用EMR－8B眼動儀系統(tǒng)的實驗結果，定量分析了隧道進出口駕駛員的動態(tài)視覺特性與車輛行駛速度的關系，并用于基于視覺適應的隧道限速值的確定。

1 隧道對駕駛員視覺、心理的影響

車輛在白天行車進入隧道時，由于隧道內(nèi)外亮度差別比較大，駕駛員對光線的突變在短時間內(nèi)很難適應，這個過程為光線暗適應(人從光亮的地方進入黑暗的地方時，開始視覺感受性很低，然后又逐漸提高，恢復了在暗處的視力的過程這個過程叫暗適應)，暗適應造成人眼和心理的不適應。道路上的光線強度與隧道內(nèi)的光線強度差異越大，適應過程中的視覺障礙越嚴重。當汽車運行在明暗急劇變化的道路上時，由于視覺感受性不能立即適應，容易發(fā)生視覺障礙，危及行車安全。在這種情況下，一般駕駛員會不經(jīng)意的采取強制性減速措施－緊急制動，緊急制動會引發(fā)車輛甩尾和側(cè)翻。盡管隧道內(nèi)設置了照明裝置，但總不能完全解決隧道內(nèi)外光線明暗差異現(xiàn)象，因此，車輛低速行駛進入隧道能緩解暗適應帶來的事故影響。

2 隧道限速段長度的確定

2.1 車輛穿越隧道時的速度變化情況

由于隧道內(nèi)特殊的行車環(huán)境，車輛從快要進入隧道到駛出隧道，車輛的行駛速度都在不斷的變化，大致可分為3個階段:隧道前調(diào)整期、隧道中適應期和隧道末調(diào)整期，這一過程可以由圖1粗略的表示［1］:

圖1 隧道地點車速空間變化圖Fig.1 Vehicle speed change chart at tunnel place

從圖1中可以看出車輛在進入隧道前由于當駕駛員對隧道產(chǎn)生緊張和警惕將減速行駛。進入隧道后，由于在隧道入口段車輛已經(jīng)完成了對隧道內(nèi)部適應性的調(diào)整，隨著對隧道內(nèi)部環(huán)境的逐漸適應，駕駛員會逐漸提高行駛速度，根據(jù)實際調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)車輛在適應隧道環(huán)境以后將速度逐漸提高至期望速度，然后以該期望速度行駛一段距離直至進入隧道末調(diào)整階段。隨著車輛即將駛出隧道，面臨隧道內(nèi)外環(huán)境的轉(zhuǎn)換，對于速度較高的小型車輛來說，這時車輛速度的上升幅度將減小，其運行速度將會出現(xiàn)一定的降低。大貨車因在隧道內(nèi)速度較低，隧道出口時速度變化不大。

2.2 隧道限速段長度的確定

根據(jù)上述分析，在進入隧道前車輛速度調(diào)整過程需要一定的距離，考慮小客車速度較高，出于安全考慮將該段距離長度取25 s的運行速度行程L25;在隧道出口路段由于駕駛員同樣需要有一個速度調(diào)整過程，該調(diào)整距通常比進入隧道入口前的調(diào)整距離要小一些，故出于安全考慮將該距離取與進入隧道前調(diào)整期距離相同，仍取25 s的運行速度行程L25。故公路隧道限速段包括隧道前后25 s行程范圍段。

3 隧道限速值的確定

3.1 瞳孔面積變化與行車安全分析

駕駛員在行車過程中，80% ～90%的信息依靠瞳孔由外界獲得，對于駕駛員而言，瞳孔大小變化能很好地表述視覺負荷程度。隧道進出口照度急劇變化，使得駕駛員瞳孔面積變化速率迅速增加。當瞳孔面積變化速率過大，超出駕駛員視覺適應能力時，將使得瞳孔難于準確聚焦以使視網(wǎng)膜上成像清晰，從而產(chǎn)生嚴重的視覺障礙，甚至出現(xiàn)不能分辨出道路的情況［2］。

取隧道進出口路面照度為E，單位為lx，駕駛員瞳孔面積為S，單位為mm2。研究表明，公路隧道進出口log(ES)與logE呈線性關系(顯著性水平為0.0001):

其中:a，b均為常數(shù)，因路面材料、進口與出口、駕駛員視覺特性的不同而取值不同。

對式(2)兩邊時間求導，得瞳孔面積變化速度ve為:

其中:x為測量點至洞口的距離，m(洞外為負，洞內(nèi)為正);v為試驗車輛行駛速度，m/s。

由式(3)可知，對于隧道進出口，駕駛員瞳孔面積變化速度ve與行車速度、照度過渡斜率成正比，即車輛行駛速率越高、照度過渡斜率越大，越容易產(chǎn)生視覺障礙，影響駕駛安全。據(jù)試驗統(tǒng)計結果表明，白天在隧道進口，ve>4 mm2/s且持續(xù)時間t>0.2 s時(日本學者研究表明:對較為復雜的信息視覺加工，所用最小視覺停留時間為0.165 s;根據(jù)試驗統(tǒng)計結果，加之交通標志的視認性與隧道內(nèi)行車安全密切相關，因而視覺刺激臨界時間采用交通標志視認試驗中常用最小視覺認知時間0.2 s。)，可視為駕駛員在暗適應過程中出現(xiàn)嚴重視覺障礙。在隧道出口:ve<6 mm2/s且持續(xù)時間t>0.2 s時，可認為駕駛員在明適應過程中出現(xiàn)嚴重視覺障礙。

3.2 基于視覺適應性的限速值確定

將瞳孔面積變化臨界速度vec=4 mm2/s(暗適應)或 －6 mm2/s(明適應)代入式(3)，可得基于視覺適應能力的隧道進出口機動車臨界速度vc為:

在t1時刻如機動車行駛速度小于式(4)計算所得的臨界速度，且t1+T(T=0.2 s)時刻的速度亦小于t1+T時刻的臨界速度，則可認為t1時刻所對應車速安全。如不滿足上述條件，則可認為該時刻車速過高，行車不安全。

為保證行車安全，車輛行使速度除了應小于等于視覺適應的臨界速度外，還應小于或等于隧道的設計速度，故取隧道限速段全線最低的“安全速度”作為隧道的限速值，即:

其中:v限為隧道路段限制速度，km/h;vs為隧道的設計速度km/h。

3.3 應用實例

某高速公路上一隧道設計速度為80 km/h，車輛臨界速度與洞口距離關系如圖2。

圖2 車輛臨界速度與隧道洞口距離關系Fig.2 Relationship between the vehicle critical speed and the distance from tunnel port

從圖2可知，隧道進口任一時刻的臨界速度均大于設計速度，隧道出口附近的臨界速度小于設計速度，故取隧道出口機動車最小的臨界速度vc為該隧道的限速值，即該隧道的限速值取70 km/h。

4 結語

通過分析隧道對駕駛員視覺、心理的影響，確定了隧道限速路段的長度，提出了基于駕駛員視覺適應性的限速思想，并根據(jù)瞳孔面積與隧道進出口光照度定量關系，得出基于視覺適應能力的隧道進出口機動車臨界速度，結合隧道本身的條件得出保證行車安全的隧道限速值。

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