公路隧道入口照明狀態對交通安全的影響

胡思濤，朱艷茹，項喬君

(1.淮陰工學院，江蘇 淮安 223003;2.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096)*

0 引言

隧道是公路基礎設施的組成部分，在整個線路中起重要的聯結作用.截至2012年底，全國公路隧道為 10022處、805.27萬米［1］.隧道運營狀況直接影響著公路網的運輸效率和安全性能.統計表明，隧道進出口是交通事故多發的路段［2］，作為兩種不同行車環境的過渡段，其線形設計、抗滑性能過渡、內外環境的差異等都對行車安全產生影響，尤其是進出口亮度變化更是引起交通事故的重要原因之一［3］.

隧道的照明設施，是為了把必要的視覺信息傳遞給駕駛員，提高駕駛的安全性和舒適性，防止因視覺信息不足出現交通事故.隧道內部的明亮程度過低或過高都會對駕駛員造成不良的影響.特別是白天在進出隧道路段出現的“黑洞”與“白洞”效應，會使駕駛員的視覺產生不適感，不同程度地影響其駕駛行為，出現減速操作，增加了后續車輛追尾的可能性.

目前國內外學者從不同角度對隧道照明狀態安全評價展開了研究.國外對于隧道照明的研究，多從駕駛人視覺變化以及明暗適應與交通安全關系角度開展，提出晝間隧道入口段照度值［4］;國內劉洋從生理學與心理學的角度研究隧道光環境對駕駛員的影響［5］;閆桂梅對照度、亮度、眩光等影響因素與視距、行車速度等交通安全參數的關系進行了定性的研究［6］.我國的《公路隧道通風照明設計規范》也有對隧道照明參數的最低值規定［7］.但已有研究對隧道照明狀態與交通安全的關聯性及影響機理方面的研究較少，本文試圖尋求一個“中介”如交通流指標，將隧道照明狀態與交通安全聯系起來，從而定量評價公路隧道照明狀態對交通安全的影響.

1 評價指標的選取

1.1 隧道照明狀態指標

隧道交通流運行規律主要受到亮度影響，這里首先分析隧道亮度及隧道內車輛速度的變化規律，根據亮度變化可以將隧道的照明環境分為五個階段:接近段、入口段、過渡段、中間段、出口段.由于明適應的時間較短，對交通安全的影響相對較小.因此本文著重分析隧道入口照明對交通安全的影響.在照明特征分析中只針對前四個階段，如圖1所示.

圖1 隧道入口亮度變化示意圖

(1)接近段

接近段是指從進入隧道之前，亮度在隧道影響下開始降低，到剛進入洞口的階段.圖1中S為接近段起點，該點亮度即為隧道外亮度L20(S).P為隧道入口，即為接近段的終點，A點為適應點，車輛行駛到這一點后，駕駛員的20°視場已集中在隧道口內部，外部景物基本消失，該點亮度為L20(A)，此時車輛距隧道的距離為適應距離.在由接近段進入入口段的行駛過程中，駕駛員將經歷由隧道外亮度L20降低至入口段亮度Lth的過程.對車輛而言，行駛至S點時，洞口出現在駕駛員視野當中，開始進入接近段.駕駛員在剛開始注意到洞口時，由于隧道內外的亮度差異以及視覺的不適應性，會無法對隧道內部情況做出正確判斷.在該過程中，若亮度變化速率過大，這時就會出現“黑洞效應”，對駕駛員的視覺有不利影響，駕駛員會出于安全角度而進行減速操作.

(2)入口段

入口段是在隧道照明區段中進入隧道后的第一段.駕駛員在接近段行駛時，由于亮度的變化幅度在減小，駕駛員也基本適應隧道內亮度，此時車速將趨于穩定.

(3)過渡段

在公路隧道照明中，介于入口段與中間段的照明區段是過渡段.其功能是緩和入口段亮度Lth到中間段低亮度Ltr的強烈變化(前者往往是后者的數十倍)給駕駛員造成的不利影響，使之能有充分的適應時間.考慮到現實中的亮度變化無法用曲線描述，《公路隧道通風照明設計規范》將該區段的亮度變化用三個階梯形式表示，圖1中Ltr1、Ltr2、Ltr3分別表示三段的亮度大小.

這一階段駕駛員要由入口段駛入過渡段，周圍亮度趨于穩定，駕駛員逐步適應內部照明環境，由于亮度相對穩定，部分車輛可能會有一定的加速行為.

(4)中間段

中間段照明的基本任務就是保證停車視距，亮度Lin保持不變并處于較低水平，車輛基本會以勻速行駛.由圖1可以看出，當亮度變化時車速就會降低，亮度變化幅度越大，車速降低越劇烈，說明亮度與車速的變化有明顯的相關性.

隧道內部各段的亮度是各不相同的.一般情況下，隧道入口段的亮度較高，隨著駕駛員逐漸適應隧道內的駕駛環境，亮度漸漸降下來并保持在一個穩定的狀態，在接近出口的部位，亮度再逐漸提高.由此可知，隧道的出入口是亮度變化頻繁的部位，本文主要針對隧道入口的亮度指標進行研究.現在以不同區段亮度變化為基礎，構造一個能夠反映亮度的技術指標，稱之為隧道亮度過渡技術指標，根據隧道照明理論，其計算公式如下［7］:

式中，I為隧道入口亮度過渡技術指標;I1、I2為隧道入口亮度過渡技術分指標;β1、β2為權重系數，表示I1、I2對亮度過渡總指標的影響大小;k為入口段亮度與隧道入口前路面亮度的比值，入口段的亮度取入口內25～55 m段亮度的平均值，這段亮度受自然光影響較小;a，b，η為調整系數，主要考慮了I1、I2的取值范圍以及I2對k1、k2的敏感性，可取a=10，b=0.1，η =0.38;k1為明暗交替點至入口內亮度變化率由快趨緩點的亮度變化率，其值等于兩點的亮度差與距離的比值，A點位于入口內15～25 m位置，主要取決于洞口朝向、季節因素和太陽光強度;k2為入口內亮度變化率由快趨緩點至亮度穩定處的亮度變化率.入口亮度過渡示意如圖2.

圖2 隧道入口亮度過渡示意圖

1.2 交通安全表征指標

道路交通安全狀況是與交通流運行特征聯系在一起的，不同的交通流運行特征對應不同的交通安全狀態，交通流運行平穩，則事故發生的可能性較低，道路安全狀況較好;反之，當交通流處于“非穩定”狀態，車輛之間的干擾增強，事故發生的概率將明顯增大.因此，選取合適的交通流指標能較好地反映實際交通安全狀況.隧道交通流的變化主要體現在受亮度影響、沿空間軸的速度變化上，因此平均速度、速度方差、速度標準差均不宜作為評價指標，而速度差與減速度均體現隧道交通流變化規律.某高速公路隧道實測交通流數據如圖3.

圖3 某公路隧道入口的速度、減速度

結合圖1和圖3可以看出，速度與亮度的變化規律相似，而減速度由于駕駛員駕駛習慣等因素影響，變化波動較大，與亮度的擬合程度沒有速度好.可考慮采用速度差指標體現速度的變化.隧道入口的運行車速差ΔV的計算公式如下:

對于V外，車輛一般在距隧道入口100～150 m位置開始減速，故隧道外基本路段斷面選距隧道入口200 m處，此處亮度是自然的光照亮度，車輛的行駛速度尚未受到隧道的影響.對于V內，由圖3可看出，車輛在進入隧道首先是一個減速的過程，但這個減速過程在到達過渡段時基本結束，車輛開始加速或勻速行駛;為了準確體現隧道內外速度變化的最大值，對于隧道入口斷V內應采用隧道過渡段起點的斷面速度，即V內=Vth;入口段起點的具體位置可根據《公路隧道通風照明設計規范》進行計算確定，隧道入口段長度計算結果見表1.

表1 隧道入口段長度 m

2 評價模型的構建

2.1 數據采集

隧道入口亮度指標選擇晴朗的天氣，采用LS-110亮度計對我國江浙一帶的10個隧道入口路段亮度指標I1和I2進行測定.在所選定的10個隧道的斷面1和斷面2處，采用雷達測速槍獲取經過車輛的地點車速v1和v2，取85%位車速，利用式(2)求出斷面速度差，見表2.

表2 不同隧道入口的亮度值和斷面速度差

2.2 評價模型

根據上文的分析，隧道入口亮度過渡條件不佳會造成駕駛員暗適應恐懼或看不清前方道路情況而突然減速，對車流的穩定性及行車安全性造成影響.直觀上看入口處的亮度過渡技術指標與運行車速差之間存在某種聯系.由隧道交通流運行規律可知，二者具有較好的相關性，可考慮通過回歸分析建立二者之間的關系模型.根據表2數據，利用SPSS軟件可得I1和運行車速差的擬合曲線為ΔV=1.24e0.24I1，R2=0.994;I2與運行車速差擬合曲線為ΔV=0.99e0.93I1，R2=0.975.可見隧道入口處產生的運行車速差與I1和I2都具有較好的相關性.隧道入口處的亮度過渡安全是I1和I2綜合作用的結果.類似地，采用SPSS軟件可得入口亮度過渡技術指標與運行車速差的關系模型如下:

其擬合度為0.996.結合式(1)可得隧道入口處亮度過渡技術指標:

圖4為實測值與回歸模型計算值的比較，從中可以看出，基于指數的回歸模型能較好的反映ΔV與總指標Iin之間的關系.

圖4 模型計算值與實測值比較

2.3 影響等級劃分標準

上文已建立隧道指標與交通流指標的關系，為了進一步評價照明狀態對交通安全的影響，這里需要確定斷面車速差與交通安全的關系.

大量研究表明，運行車速差與道路事故率有一定相關性［9-10］.當兩相鄰路段上的運行車速差不超過10 km/h時，事故率較低;當兩相鄰路段上的運行車速差在10～20 km/h之間時，事故率一般;當兩相鄰路段上的運行車速差超過20 km/h時，事故率較高［11］.這種將路段車速差ΔV作為評價道路安全的方法，在歐美許多國家得到廣泛的應用［12］.本文借鑒上述方法，將隧道照明狀態對交通安全的影響分為三個等級:安全、一般安全、不安全，各等級的劃分閾值見表3.

表3 隧道入口照明狀態對交通安全的影響等級劃分標準

3 結論

本文以交通流指標為媒介，分析了隧道入口照明狀態指標對交通安全的影響機理，成功地建立起高速公路隧道照明檢測數據與交通安全的關系，為高速公路隧道照明的養護和管理提供了科學的依據.主要得出以下結論:

(1)隧道出入口亮度的變化是導致隧道交通流變化的重要因素.在分析亮度對交通流的影響的基礎上，構建了入口亮度過渡技術指標，選取了斷面速度差作為交通安全的表征指標;

(2)利用實測數據，建立了入口亮度過渡技術指標與斷面速度差的關系模型;

(3)以斷面速度差為依據，將隧道照明狀態對交通安全的影響分為三個等級，確定了各影響等級所對應的入口亮度過渡技術指標的閾值.

［1］中華人民共和國交通部.2012年公路水路交通運輸行業發展統計公報［EB/OL］.http://www.moc.gov.cn/zhuzhan/tongjigongbao/fenxigongbao/hangyegongbao/201304/t20130426_1402794.html，2013-04-26.

［2］倪洪亮，戴憂華，趙慶鑫.高速公路隧道事故分布研究［J］.公路，2010(4):126-129

［3］戴憂華，郭忠印，馬艷，倪洪亮.高速公路隧道運行環境安全評價指標［J］.同濟大學學報(自然科學版)，2010，38(8):1171-1176.

［4］趙煒華，劉浩學.我國高速公路隧道照明問題研究［J］.公路，2013(4):217-220.

［5］劉洋.基于駕駛員生理與心理反應的公路隧道光環境分析［D］.包頭:內蒙古農業大學，2009.

［6］閆桂梅.公路隧道通風照明與行車安全的關系研究［D］.重慶:重慶交通大學，2008.

［7］中華人民共和國交通部.JTJ026.1-199公路隧道通風照明設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［8］郭忠印，孔令旗，王琰，等.隧道進出口運行安全研究報告［R］.上海:同濟大學，2007.

［9］蔣銳.高速公路基本路段交通安全分析［D］.福州:福建農林大學，2005.

［10］杜博英，方守恩.車速降低與交通安全評價［J］.山東交通科技，2002(1):66-68.

［11］裴玉龍，程國柱.高速公路車速離散性與交通事故的關系及車速管理研究［J］.中國公路學報，2004(1):74-78.

［12］劉運通.道路安全指南［M］.北京:人民交通出版社，2004.