逆反射系統在高速公路隧道中的應用研究*

黃 婷 杜志剛 牟星宇 蒙 磊

(1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550000; 2.武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

貴州是一個多山的地區，高速公路中隧道占公路總比重較大，甚至特殊情況時橋隧所占比例達到70%～80%，隨著公路建設的發展，公路隧道建設與日俱增[1]。公路隧道是公路上能耗最大的系統之一，其照明系統全天運行[2]。

本文通過逆反射設施，結合駕駛人的視覺特性和視覺需求，構建高速公路隧道內部逆反射系統，對隧道進行輔助照明與視線誘導，通過依托工程開展推廣應用和工程示范。本項目依托工程為織普高速公路雙山隧道，項目于2018年8月31日建成通車。

1 雙山隧道運營照明現狀

織普高速雙山隧道為雙向四車道的分離式隧道，限速80 km/h，隧道長1 250 m?；菊彰?含應急照明)采用30 W大功率LED燈兩側交錯與對稱布置在隧道兩側壁上；加強照明段輔以100 W、50 W、30 W大功率LED燈照明，兩側對稱與交錯布置在隧道兩側壁上。

2 雙山隧道逆反射系統應用

目前隧道設置的反光環間距無明確的標準規范，僅通過人們以往的經驗來確定其設置參數，缺乏安全性考慮，不能夠做到充分利用間距變換改善駕駛人視覺環境及心理環境。鑒于此，本項目在進行大量理論分析的基礎上，以雙山隧道為依托，對隧道反光環設置過程中其間距對駕駛人動態視覺及心理狀態的影響情況進行研究，為構建舒適型視覺參照系[3-4]進行逆反射系統設計。

2.1 逆反射系統方案設計

基于隧道視覺參照系相關研究[5-6]，可將小尺度高頻率、中尺度中頻率、大尺度小頻率等信息組合設置。誘導信息應盡量對稱，避免對駕駛人產生不良的方向誘導。改善思路見表1。

表1 四方洞隧道逆反射系統設計思路 m

2.1.1出入口段逆反射系統設置方法

入口段(ZK39+810-ZK38+920)：考慮燈具布置是從隧道進口10 m處開始，故反光環設置點為ZK39+810，ZK39+860，ZK39+910，共3個反光環。在隧道電纜溝側壁上左、右對稱設置LED誘導燈(12.5 m/道)，在左、右行車道外設置貓眼道釘，12.5 m/道。視覺平面上參照點數量為6個，信息設置頻率為低頻∶高頻=1∶4。

出口段(ZK38+750～ZK38+810)：反光環設置點在ZK38+760、ZK38+810、ZK39+910，設置方法與入口段一致。

2.1.2過渡段逆反射系統設置方法

為實現反光環間距的逐步過渡，緩解隧道暗適應問題，為駕駛人行車提供最低亮度，提升速度感、距離感、方向感、舒適感，反光環為100～400 m/道(按200→300→400→300→200→100 m進行設置)；應急誘導燈(局部方向感)；路緣LED輪廓標、突起路標(速度感)均為12.5 m/道，并設置彩色反光環區域。過渡段逆反射系統示意見圖1～圖3。

圖1 過渡段布置示意圖

圖2 過渡段逆反射系統側面圖(單位：m)

圖3 過渡段逆反射系統平面圖(單位：m)

2.1.3中間段逆反射系統設置方法

雙山中間段為ZK38+825-ZK39+610路段，由于雙山隧道屬于長隧道，設置彩色反光環區作為提醒段。受隧道長度限制，對提醒段長度進行調整，以500 m為間隔進行設置，通過2次提醒達到喚醒駕駛人注意力的目的。反光環設置間距為200 m/道，顏色為白、綠相間，分別設置于ZK39+410、ZK39+210 、ZK39+010處，兩道反光環之間以50 m間距設置反光條，顏色與反光環一致。貓眼道釘設置12.5 m/道，在電纜溝側壁上設置LED誘導燈12.5 m/道(橫向上與貓眼道釘在同一斷面)。

2.2 室內驗證

2.2.1實驗場景設計

仿真實驗場景由標準場景和對比場景構成，具體參數參照JTG D20-2017 《公路路線設計規范》[7]、JTG D70-2004 《公路隧道設計規范》[8]及JTG D70/2-01-2014 《公路隧道照明設計細則》[9]的規定選取。

2.2.2實驗數據分析

研究基于3Ds Max和E-prime軟件，開展室內仿真實驗，反光環在隧道彎道路段可見區域內的可見個數對駕駛人彎道錯覺程度的影響規律，通過分析試驗數據，得到如下結論。

1) 針對隧道彎道路段駕駛人的彎道錯覺效應，通過反光環可以一定程度緩解駕駛人的彎道錯覺效應。彎道錯覺程度與半徑之間的趨勢見圖4，實驗隧道中雙山隧道可以保障全路線反光環可見數目為3個，彎道錯覺程度與反光環可見個數間的趨勢見圖5。

圖4 彎道錯覺程度與半徑之間的趨勢

圖5 彎道錯覺程度與反光環可見個數間的趨勢

2) 基于雙因素法分析可得，在布設反光環的場景中，駕駛人的彎道錯覺程度與彎道半徑之間不具有顯著因素，而反光環的可見個數對駕駛人的彎道錯覺程度具有顯著影響。彎道半徑和可見個數兩者之間的交互作用對駕駛人的彎道錯覺程度不具有顯著影響。

2.3 室外驗證

開展室外實驗的目的是通過駕駛人在設置逆反射系統的隧道及僅設置照明系統的隧道進行實車實驗，采集各隧道路段行駛時駕駛人的眼動特征數據，分析駕駛人的視距視區、注視特征、瞳孔面積等眼動特征變化規律，以期探究逆反射系統設置的效果。

2.3.1實驗設備

實驗數據采集使用Dikablis Pro頭戴式眼動儀。

2.3.2視距視區

為了更精確地說明駕駛人注視點的分布范圍，采用駕駛人視力角進行說明。駕駛人相鄰2次注視行為之間掃視的幅度稱為掃視距離，掃視距離的50%分位數(中位數)稱之為視力角。當駕駛人掃視角度越大，視力角越大，則視點平面分布區域越大，其視認效果越好[10-11]。

通過選取設有逆反射系統的隧道(雙山隧道)與只有燈光照明的隧道(普通隧道)的駕駛人注視點數據進行分析，繪制不同類型隧道的不同區域駕駛人注視點位置，見圖6、圖7。同時，采用詢問法，調查駕駛人可見輪廓帶的數量，從側面反映出可視距離的遠近。

圖6 雙山隧道駕駛人注視點分布

圖7 貴州省某普通隧道注視點分布

對雙山隧道等駕駛人注視點分布進行分析可知。

1) 視區方面，設置逆反射系統后，隧道各分段的駕駛人視力角均有所減小，雙山隧道中間段駕駛人視力角比貴州省內其他普通隧道明顯更大，說明雙山隧道逆反射系統注視點分布更廣，視區更大能增大駕駛人的視認范圍，提升隧道的視認效果。

2) 在視距方面，不同隧道環境每個分段區域下駕駛人的可視距離為：雙山隧道>貴州省內其他普通隧道，在近光燈條件下雙山隧道最遠可見距離為291 m，遠光燈時為590 m，表明駕駛人在雙山隧道各區域的可視距離更遠，隧道內行車時線形誘導性更強。

3) 綜合上述可得，設置逆反射系統比未設置條件下駕駛人視力角有所降低，有效地提升了隧道視認效果，緩解駕駛人的心理緊張程度，改善隧道內視覺環境。

2.3.3瞳孔面積變動穩定性

駕駛人在隧道區域行駛時的瞳孔面積與隧道區域的照度、亮度值等有直接的關系，駕駛人瞳孔面積越穩定，駕駛人的視覺負荷和駕駛負荷就越低。

隧道內駕駛人瞳孔直徑與面積見表2、表3。

表2 隧道內駕駛人瞳孔直徑與面積值

表3 貴州某普通隧道內駕駛人瞳孔直徑與面積值

通過對比貴州省內其他普通隧道內駕駛人瞳孔面積變動情況，可以得出如下結論。

1) 在隧道入口段，逆反射系統下駕駛人的瞳孔面積顯著大于燈光照明下的瞳孔面積(P=0)；逆反射系統下，駕駛人的瞳孔面積只有輕微的“視覺震蕩”。

2) 雙山隧道駕駛人瞳孔直徑與面積比貴州其他普通隧道的更小，表明雙山隧道的逆反射系統比貴州普通隧道逆反射系統效果更好。

3 結語

本文通過研究逆反射設施，結合駕駛人的視覺特性和視覺需求，構建高速公路隧道內部逆反射系統，應用于貴州織普高速公路雙山隧道，并通過室內、室外實驗驗證，得到結論如下：

1) 通過室內仿真實驗，發現反光環可以一定程度緩解駕駛人的彎道錯覺效應。當彎道路段可見反光環的個數為3個時，具有良好的誘導效果，(不同半徑下的彎道錯覺程度均小于5%)。

2) 通過對逆反射系統及照明系統典型隧道進行眼動實驗發現，設置逆反射系統的隧道在駕駛人的視距視區及瞳孔變動方面優于僅設置照明系統的隧道；同時雙山隧道逆反射系統改善效果優于貴州省內其他普通公路隧道逆反射系統。

3) 本實用工況表明逆反射系統對高速公路隧道中部視錯覺及視距視區具有很好的改善效果，可有效提高駕駛人的速度感知能力和距離感知能力，緩解視錯覺效應，提升視距、擴大視區，有利于提高駕駛人在高速公路隧道的行車安全性。