基于安全感的高速公路隧道入口視線誘導(dǎo)系統(tǒng)*

李海光 周土瑤 杜志剛 呂寧生

(1.金華市公路管理局 金華 321001; 2.磐安縣公路管理局 金華 322300;3.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

1 公路隧道入口交通事故的多發(fā)性

隧道是公路交通的咽喉，不僅事故多發(fā)，而且在隧道內(nèi)發(fā)生交通事故后處理困難，易造成群死群傷局面。公路隧道路段在經(jīng)濟(jì)損失及事故總數(shù)、受傷人數(shù)、死亡人數(shù)的比例方面均遠(yuǎn)高于普通公路路段。楊錦鳳[1]統(tǒng)計(jì)的2007-2014 年G78汕昆高速969起交通事故中，公路隧道交通事故率為相鄰普通公路路段的2.6倍。

國(guó)內(nèi)試驗(yàn)研究表明，公路隧道視覺負(fù)荷從小到大依次為：白天隧道外、夜間隧道內(nèi)、白天隧道內(nèi)、夜間隧道外[2]。隧道進(jìn)出口視覺負(fù)荷顯著大于隧道中部視覺負(fù)荷，白天隧道入口瞬時(shí)視覺負(fù)荷大于隧道出口[3]，公路隧道入口段作為事故黑點(diǎn)，車輛撞擊隧道洞門的案例較多，事故現(xiàn)場(chǎng)照片見圖1。

圖1 車輛撞擊隧道洞門事故案例

在隧道進(jìn)出口處駕駛員的視覺存在“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”是隧道出入口事故多發(fā)的主要原因。在照度劇烈過渡時(shí)，人眼不能立即適應(yīng)，容易導(dǎo)致超速行為，產(chǎn)生追尾或撞上隧道壁等事故[4-5]。

2 隧道入口“黑洞”效應(yīng)的環(huán)境原因

1) 公路隧道弱視知覺參照系，容易誘發(fā)黑洞/白洞效應(yīng)。視覺參照系為觀察者提供視覺線索：大小、覆蓋、位置、疊加、透視、運(yùn)動(dòng)視差、明暗適應(yīng)、融合、立體視覺、形狀、顏色、亮度及視野中的位置等，這些相關(guān)信息的總和，則稱為視覺參照系。

車輛在公路隧道中部高速運(yùn)行時(shí)，由于照度低、參照物(主要為燈具及輪廓標(biāo))少、對(duì)比度低、環(huán)境單調(diào)[6]，為典型的弱視覺參照系。隧道外照度高、視覺空間廣闊，景觀及交通工程設(shè)施豐富，為典型的強(qiáng)視覺參照系。白天隧道入口即是由強(qiáng)視覺參照系向弱視覺參照系環(huán)境劇烈過渡的過程，照度從幾萬勒急劇減少到幾百勒，從開闊空間迅速縮小到隧道狹小空間，照度劇烈過渡為“黑”，空間劇烈過渡成“洞”。生理上，駕駛員瞳孔迅速擴(kuò)大，難以準(zhǔn)確在視網(wǎng)膜上聚焦，容易產(chǎn)生“兩眼一抹黑”的瞬時(shí)盲期[7]，心理上，由于洞外到洞內(nèi)視覺參照物急劇減少，視敏度迅速降低，無法看清隧道內(nèi)信息，視覺功能降低，無法準(zhǔn)確判定車速與車距。隧道內(nèi)外及隧道進(jìn)出口的視覺參照系特征見表1。

表1 隧道視覺參照系分析表

2) 公路隧道視覺效應(yīng)實(shí)質(zhì)是嚴(yán)重視錯(cuò)覺，容易誘發(fā)超速行為及交通事故。視錯(cuò)覺就是當(dāng)人或動(dòng)物觀察物體時(shí)，基于經(jīng)驗(yàn)主義或不當(dāng)?shù)膮⒄障敌纬傻腻e(cuò)誤判斷和感知。在行車過程中，如果缺乏周圍參照物時(shí)，物體的深度及形狀信息將會(huì)按照駕駛員認(rèn)知習(xí)性予以估計(jì)，容易發(fā)生感知及判斷失誤，誘發(fā)視錯(cuò)覺。高速公路交警部門統(tǒng)計(jì)表明，駕駛員超速70%為速度錯(cuò)覺誘發(fā)，其次為距離錯(cuò)覺誘發(fā)，因此減少速度錯(cuò)覺、距離錯(cuò)覺，將能降低超速行為，有效提升交通安全。隧道內(nèi)的弱視覺參照系和進(jìn)出口的劇烈過渡視覺參照系，導(dǎo)致駕駛員缺乏判斷自身車速、車距以及行駛方向的視覺線索，從而造成駕駛員對(duì)速度、距離、方向等的誤判。

3) 現(xiàn)有公路隧道低照度運(yùn)營(yíng)十分常見，交通工程設(shè)施難以發(fā)揮作用。我國(guó)公路隧道照明標(biāo)準(zhǔn)主要參照歐美照明標(biāo)準(zhǔn)，建立依據(jù)為駕駛員在照明停車視距范圍內(nèi)能有效視認(rèn)行駛車道中心障礙物(20 cm×20 cm×20 cm)，對(duì)于交通量較小的我國(guó)中西部公路隧道相對(duì)保守，照明能耗過大(2015年我國(guó)工業(yè)用電電費(fèi)為美國(guó)的3～4倍，人均收入不及美國(guó)的1/7，相對(duì)成本為美國(guó)的20～30倍)。總體而言，我國(guó)中西部公路隧道照明運(yùn)營(yíng)“高配低用”現(xiàn)象普遍存在，即開燈率較低，運(yùn)營(yíng)時(shí)照度遠(yuǎn)低于國(guó)家規(guī)范值，公路隧道內(nèi)低照度及低對(duì)比度導(dǎo)致環(huán)境參照物難以被駕駛員發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步導(dǎo)致駕駛員的視錯(cuò)覺，形成了交通安全隱患。

3 隧道駕駛安全性需求分析

3.1 隧道駕駛員安全感分析

根據(jù)馬斯洛需求層次理論，將駕駛員的駕駛需求分為功能性需求、安全性需求、舒適性需求以及美觀性需求，由于經(jīng)濟(jì)與環(huán)境條件，對(duì)于高速公路隧道應(yīng)以滿足駕駛員安全性需求為主，考慮隧道內(nèi)駕駛事故致因多為超速、車距保持不足，事故形態(tài)為追尾及撞隧道側(cè)壁，故將駕駛員安全感分為速度感、距離感、方向感需求，駕駛員安全感分析及提升方法見表2。

表2 隧道駕駛員安全感分析及提升方法表

3.2 隧道入口方向感分析

以秦嶺隧道為例，夜間隧道洞內(nèi)雖設(shè)置了照明，但存在以下問題。

1) 整體方向感不足。隧道與橋梁寬度不一致，隧道內(nèi)燈光昏暗，色溫低，誘導(dǎo)性差，難以辨識(shí)道路走向，導(dǎo)致車輛較長(zhǎng)時(shí)間在外側(cè)車道行駛(以路側(cè)密集的標(biāo)志牌、護(hù)欄及路燈燈桿為視覺參照)。

2) 局部方向感不足。當(dāng)前車道與隧道內(nèi)車道不連續(xù)，駕駛員未能有效感知，導(dǎo)致一直朝著較亮的誘導(dǎo)方向行駛(當(dāng)前車道+洞口反光板)，見圖2。

圖2 秦嶺1號(hào)隧道入口現(xiàn)狀方向感分析

秦嶺隧道入口整體和局部方向感的不足導(dǎo)致駕駛員沿當(dāng)前車道和橋梁、隧道的道路邊線行駛，從而造成撞擊隧道入口側(cè)墻事故。

故對(duì)于隧道入口的改善應(yīng)以提高駕駛員的整體和局部方向感為目標(biāo)，使駕駛員行駛車道和道路橫斷面平緩過渡，理想方式見圖3。

圖3 秦嶺1號(hào)隧道入口理想方向感

對(duì)于提高整體方向感建議采用大尺度的低頻信息反光環(huán)，增大隧道入口整體輪廓亮度；對(duì)于提高局部方向感建議采用小尺度中高頻信息貓眼道釘，增大低照度條件下道路邊線的可見度，隧道入口夜間方向感分析見表3。

表3 秦嶺1號(hào)隧道入口夜間方向感分析

表4 隧道入口駕駛員方向感分析及提升方法

4 基于安全感的隧道入口視覺參照系重構(gòu)

4.1 改善目標(biāo)

1) 提升整體方向感，確保隧道斷面與道路斷面的整體連續(xù)過渡，降低撞擊隧道側(cè)壁、洞門的概率。

2) 提升局部方向感，保證駕駛員隧道外所在車道與隧道內(nèi)車道的連續(xù)誘導(dǎo)，降低駕駛員變道、換道概率。

3) 改善隧道洞口設(shè)施的逆反射系數(shù)，使反射系數(shù)滿足隧道洞內(nèi)反光環(huán)>洞門>洞門外景觀。

4) 保證駕駛員的合理心理反應(yīng)，使其保持適當(dāng)?shù)木o張、興奮與期待，從而弱化駕駛員逃離隧道的本能。

4.2 改善方法

1) 通過增加洞內(nèi)局部亮度及對(duì)比度來提升視線誘導(dǎo)效果，如設(shè)置洞門環(huán)形黃黑立面標(biāo)記線、洞內(nèi)3道連續(xù)高反射系數(shù)反光環(huán)，見圖4，設(shè)置洞外護(hù)欄立柱設(shè)置反光立面標(biāo)記。

2) 在隧道出入口3～4 s行程范圍道路邊線及道路中心線處均設(shè)連續(xù)貓眼道釘，推薦在道路邊線處設(shè)太陽能貓眼道釘，增強(qiáng)車道誘導(dǎo)性，強(qiáng)化局部方向感。

3) 高頻視覺信息：路緣LED輪廓標(biāo)、貓眼道釘(間距5～13 m，提升速度感)。

4) 中頻視覺信息：側(cè)墻設(shè)應(yīng)急誘導(dǎo)燈、反光環(huán)(間距20～50 m，提升方向感、距離感)。

圖4 隧道入口視線誘導(dǎo)系統(tǒng)透視圖

分別建立改善后與改善前的3Dmax視頻仿真模型，并選取10名駕駛員參與測(cè)試，進(jìn)行基于IViewX HED Laptop眼動(dòng)儀的模擬仿真實(shí)驗(yàn)，隧道入口前接近段(照明停車視距)范圍注視點(diǎn)分布特征見表5。

表5 秦嶺1號(hào)隧道入改善后注視點(diǎn)分布

由表5可見，改善后秦嶺1號(hào)隧道入口駕駛員注視點(diǎn)在隧道內(nèi)分布概率顯著提升，隧道光環(huán)境安全性得到了較大改善。

5 結(jié)語

公路隧道入口特殊的交通環(huán)境容易誘發(fā)交通事故。文章從隧道視覺參照系出發(fā)，對(duì)隧道入口交通事故致因進(jìn)行分析，并以秦嶺1號(hào)隧道為例對(duì)隧道入口具體分析。從駕駛視覺需求與事故預(yù)防出發(fā)，提出以逆反射技術(shù)為主的隧道入口視線誘導(dǎo)設(shè)施設(shè)置方法，以減少交通事故的發(fā)生。該方法成本較低，可提高駕駛員對(duì)隧道內(nèi)信息注意力，提升了隧道入口駕駛方向感。但隧道入口誘導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)于不同長(zhǎng)度，不同運(yùn)營(yíng)照明水平的隧道有效性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

[1] 楊錦鳳，王鐘譽(yù)，蔣國(guó)梁．特長(zhǎng)高速公路隧道交通事故特征及預(yù)防措施研究[J]．西部交通科技，2015(9):79-82．

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