高速公路隧道入口連續視覺參照設施設置研究

潘兵宏，周錫湞，韓雪艷

(長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引 言

隨著我國高速公路里程的不斷增加，隧道的數量越來越多，而隧道路段又是高速公路上交通事故的高發地。研究表明，隧道路段的交通事故多集中在隧道入口處，造成這種現象的其中一個原因是車輛駕駛人行駛到隧道入口路段時，在進入隧道前，路側的地形、植被等，能給駕駛人較強的位置和速度參照，駕駛人能相對準確判斷車輛行駛速度和位置，有利于駕駛人準確操控；而進入隧道后，因隧道內洞壁和路面、標線等呈現的參照單調，導致隧道內視覺參照的弱化，在加上隧道入口“黑洞效應”的影響，因而駕駛人不易準確判斷車輛行駛速度和位置。此外，隧道內外視覺這種強弱參照系的突變，也容易導致駕駛人在短時間內難以適應，很難及時調整和控制車輛的速度和位置，容易導致超速和駛離車道，進而發生事故。同時，也有研究調查表明：駕駛人在行駛過程中有90%以上的交通信息都是通過視覺獲得的，而這些信息構成了公路隧道視覺參考系[1]。因此，有必要對駕駛人在隧道入口的內外段落的視覺參照過渡方法和設置技術進行研究。

近年來，國外學者對隧道入口路段駕駛人視覺特性進行深入研究。C.BOURDY等[2]對隧道入口處可見度隨時間亮度變化的影響進行了研究，并評估了隧道入口的短暫性能不足；P. BLASER等[3]提出基于CIE理念的新方法，通過日光產生的亮度和照度已知經驗關系以及平均相對日照時間分布，確定了隧道照明裝置中所需的亮度水平；A.PEA-GARCA等[4]應用光模擬領域的圖形設計軟件，結合此前開發的ESTS方程，模擬了3種不同張力結構，提出在隧道中使用太陽光的半透明張力結構的計算優化；L.M. GIL-MARTN等[5]通過在隧道入口前安裝遮光柵來改變隧道洞口閾值區域，提出在遮光柵間的空間中引入擴散材料來改善隧道入口處視覺效果。同時，國內學者也對隧道出入口處的光環境、駕駛人的視覺特性等進行了研究。段萌萌等[6]研究發現駕駛人短時間內連續進出隧道會使視覺上多次形成“黑洞、白洞”效應，并根據駕駛人在隧道入口段瞳孔面積的變化規律，建立了隧道入口段的視覺舒適評價體系；張天根等[7]通過模擬駕駛，分析駕駛人視覺特性，提出了基于光過渡最優曲線的隧道吐口減光構筑物方案；陳昌武等[8]研究了隧道內昏暗單調的環境所導致的對比度的降低與低邊緣率是駕駛人低估車速的主要原因；胡江碧等[9]也指出了隧道洞口的光環境是影響駕駛人在隧道出入口處獲得視覺信息的重要因素，影響著行車安全；王春雨[10]通過隧道路段駕駛人眼動實驗，分析駕駛人眼動變化規律，建立了駕駛人注視點縱向距離計算模型，并根據駕駛人瞳孔直徑變化率，確定隧道路段駕駛人視覺敏感路段；杜志剛等[11]通過實車實驗，回歸分析得到進出口照度與駕駛人瞳孔面積成冪函數關系，并以駕駛人瞳孔面積變化率作為隧道出入評價指標；彭成壩等[12]以駕駛人在隧道入口段的暗適應為依據，通過計算得出在隧道入口段與不同亮度折減系數K適應的可變限速值，以保證隧道口駕駛人的安全行駛。

目前國內外對隧道入口路段駕駛人視覺特性的研究多集中于隧道進出口照度的研究。較少研究者針對隧道入口路段外界環境的不同對駕駛人視覺參考系的連續性和過渡進行研究。筆者基于隧道入口視覺參考信息的變化，提出了一種在隧道入口路段能夠正確引導駕駛人視線的柔性視覺參照設施，并對視覺參照設施在隧道洞內洞外的設置距離及間距等關鍵技術指標進行研究。

1 隧道入口視覺參照系特性分析

車輛駕駛人在道路行車過程中，會根據周圍的行車環境、條件而建立一個視覺參照系統，以用于確定車輛與周圍事物之間的距離、確定車輛的行駛方向與速度。一般來說，車輛駕駛人會在隧道外部環境下形成一個含有高頻信息、中頻信息、低頻信息的強視覺參照系。高頻信息由道路兩側樹木、建筑物、標志和護欄立柱等組成；中頻信息由護欄上輪廓標、路鈕、路面標線等組成；低頻信息由道路兩側的景觀物、標志版面等組成。車輛駕駛人在強視覺參照系下行駛時，其心理感知速度優于實際物理車速，從而保證行車安全(圖1)。

圖1 隧道內外速度感知錯覺Fig. 1 Illusion of speed perception inside and outside the tunnel

與隧道外環境相反，在隧道內，駕駛人根據隧道內環境一般只能構建弱視覺參照系，這一參照系主要包括照明燈具及側墻輪廓標等構成的中頻信息，缺少高頻及低頻信息。而高頻信息的缺乏，容易導致駕駛人在僅有中頻信息的環境下對車輛的感知速度會較實際物理車速低[13]，從而容易造成隧道內超速事故頻發。

隧道內外照明環境突變，也會嚴重破壞車輛駕駛人視覺信息的連續性，同時在隧道內部行車時，駕駛人會由于弱視覺參照系而錯誤判斷車輛運行速度與行車車距，進而造成安全事故。所以，改善隧道入口視覺參照系過渡情況，在駕駛員適應隧道內較弱參照之前，應在隧道入口段設置一些高頻信息，讓強視覺參照系不要過快消失是十分必要的。因此提出在隧道入口段一定長度范圍內設置視覺參照柱，給駕駛人提供高頻信息，并保證視覺參照系的過渡。下面分析視覺參照柱的設置技術要求。

2 視覺參照柱

中頻信息的邊緣率通常情況下為0.5～2.5 Hz，其作用是給予車輛駕駛人固定間隔、中等程度的心理反應，通過顯示隧道邊界、內部線性變化來引導車輛的行車安全，保證車輛駕駛人視線連續性。隧道內部的中頻信息的獲得渠道含有輪廓標、路鈕等。

在隧道外部、內部有許多設施可供車輛駕駛人建立空間視覺參考系，但是在隧道入口駕駛人只能依靠路面標線等地面設施來獲得視覺信息，在這種路徑情況下，車輛駕駛人很容易由于入口處光線的突變，而破壞其視覺信息的連續性，造成行車事故。

為了最大程度上降低前文所述的各種不利情況的發生率，更加正確、自然地引導駕駛人視線，筆者提出了一種容易生產加工、安裝的隧道入口視覺柔性參照柱，增強隧道入口內外的視覺參照過渡。此參照柱的主要材料為圓形斷面的PVC管，其半徑40 mm，高為1 200 mm。參照柱柱身涂有一層紅白相間的、寬度為200 mm的紅白兩色反光膜層(圖2)。在行車過程中，駕駛人可以參照布設于路旁的視覺參照柱，知曉其與隧道入口的距離、在隧道路段的行駛速度變化情況，并結合參照柱在視覺上的頻率變化，控制速度。

圖2 視覺參照柱(單位：mm)Fig. 2 Visual reference column

隧道內，視覺參照柱布設于兩側檢修道邊緣，而隧道外，其布設在兩側硬路肩外邊緣。不同隧道內外視覺參照柱的布設范圍是不同的，需要結合實際情況，并且考慮隧道入口路段的速度、橫斷面變化、光照過渡及駕駛人心生理特性。

隧道內部不設置硬路肩，僅設置路緣帶，而隧道外的路基或者橋梁一般設置了硬路肩，所以隧道的橫斷面尺寸與相接的路基或橋梁橫斷面尺寸不同。受隧道內墻壁效應的影響，車輛的軌跡也會發生變化。因此隧道入口視覺參照柱設置長度應結合隧道入口前車輛軌跡變化的長度來確定。

2.1 隧道入口視覺參照柱設置長度

2.1.1 隧道內外路幅橫斷面尺寸變化

因為隧道橫斷面尺寸與相鄰路基或橋梁段的不同，車輛在通過該路段時路側運行條件發生了變化，使得進出隧道時的行車安全性有所降低。隧道橫斷面組成尺寸見圖3，圖3中Wd為行車道寬度；LL、LR分別為隧道左、右側向寬度；IL、IR分別為隧道左、右側檢修道寬度；dTL、dTR分別為隧道內車身左余寬和車身右余寬，車身左余寬是指車身左側與行車道中心之間的距離，車身右余寬是指車身右側與檢修道邊緣之間的距離。

圖3 隧道橫斷面尺寸示意(單位：m)Fig. 3 Dimensions of the tunnel cross-section

路基(或橋梁)橫斷面組成尺寸見圖4，圖4中Wd為行車道寬度；L1、L2分別為左、右硬路肩寬度；LE為路基土路肩寬度(或橋梁路段護欄寬度)；dSL、dSR分別為路基段車身左余寬和右余寬，dSL指在路基或橋梁路段車身左側與行車道中心之間的距離，dSR指在路基或橋梁路段車身右側與土路肩邊緣之間的距離。

圖4 路基(或橋梁)橫斷面尺寸示意(單位：m)Fig. 4 Dimensions of the subgrade (or bridge) cross-section

JTG B01—2014《公路工程技術標準》(以下簡稱《標準》)規定的不同設計速度下隧道和路基標準橫斷面尺寸，見表1。

從表1的規定可以看出，不同設計速度下，從路基(或橋梁)段到隧道路段，都是右側寬度變化幅度大。因此從寬度過渡角度看，考慮隧道內外視覺過渡變化時，應關注右側路幅寬度的變化。

表1 隧道和路基橫斷面主要尺寸Table 1 Main dimensions of cross-section of tunnel and subgrade

2.1.2 隧道外視覺參照柱設置長度

在我國JTG D70—2004《公路隧道設計規范》中規定，當隧道內外側的路基(路面)寬度變化值較大時，為保證橫斷面過渡的順適性，隧道入口應設置按照設計速度行駛不小于3 s的路段長度，并且過渡段長度應不小于50 m。上述規定較簡單，難以適用于所有情況，應該根據隧道內外路幅寬度的實際情形，并結合該路段車輛的運動規律來確定。

由于車輛在進入隧道前會受到隧道的“墻壁效應”、隧道中間比兩側高度大、檢修道突出所帶來的影響，導致車輛行駛軌跡會向隧道中心偏移。因大型車的寬度和高度明顯比小汽車大，其更容易受到前述因素的影響，因此取大車作為確定橫斷面過渡段長度的研究對象。為保證車輛在隧道入口路段附近順適安全地完成上述軌跡的改變，對漸變段長度提出最小長度要求，即橫斷面寬度過渡段的漸變率應不大于車輛軌跡改變時的漸變率，則有式(1)成立：

(1)

式中：P為橫斷面過渡段漸變率；Pt為考慮車輛軌跡改變時的漸變率；dTR隧道內車身右余寬值，m；dSR為路基段(或橋梁段)車身右余寬值，m；S為隧道內外不同寬度的橫斷面過渡段長度，m。

普通路段上正常運行車輛的側向余寬一般呈正態分布，且車輛的橫向位置基本不變，直到即將到達隧道時，駕駛人才會驅使車輛向車道中心移動。根據相關調查發現駕駛員一般在距離隧道口前約60 m時開始調整橫向位置，車輛左邊緣距行車道邊緣0.60 m，即在路基段的車身左余寬為0.60 m；而當其駛入隧道內之后，大型車的橫向位置會向路中心偏移0.4 m[14]，此時隧道內的車身左余寬為0.20 m，且在進入隧道口后約60 m結束調整橫向位置。因此隧道內外不同寬度的橫斷面過渡段長度S可取120 m。則隧道內外橫斷面寬度不同時，隧道外最小過渡段長度Lout可以采用式(2)計算：

(2)

式中：P為橫斷面過渡段漸變率；S為隧道內外不同寬度的橫斷面過渡段長度，m；L2為右側硬路肩寬度，m；Pt為考慮車輛軌跡改變時的漸變率；dTR為隧道內車身右余寬值，m；dSR為路基段(或橋梁段)車身右余寬值，m；LR為右側側向寬度，m。

根據表1和圖3、圖4，可以得到不同設計速度下隧道內外車身兩側的余寬(表2)。采用式(2)可計算隧道內外橫斷面差異需要的過渡段最小長度值(表2)。

從表2的計算結果可知，在滿足車輛軌跡漸變的前提下，隧道右側路面寬度變化過渡段最小長度在146～156 m之間。駕駛人為適應洞內橫斷面變窄和墻壁效應所產生的變化，一般會在進入隧道前完成軌跡的調整，因此，為及時給駕駛人提供更準確的位置參考和視覺誘導，可在隧道橫斷面變窄前的路基或(橋梁)段設置視覺參照柱，并延伸至洞內。則隧道外視覺參照柱設置長度宜與寬度過渡段長度相同。因此，隧道外視覺參照柱設置長度宜參考表2的橫斷面寬度最小過渡段長度。

表2 隧道外視覺參照柱設置長度Table 2 Setting length of visual reference column outside tunnel

2.1.3 隧道內視覺參照柱設置長度

由于晴天隧道內外光環境的劇烈過渡，導致駕駛人在即將駛入隧道洞口時，會出現黑洞效應，人眼需要經歷一個暗適應過程來恢復視力，暗適應時間一般不超過3 s[12]。在駕駛人眼睛適應暗環境時，車輛會繼續行駛。為保證駕駛人能夠在視覺參照柱的引導下保證視覺信息的銜接，在駕駛人眼睛完全適應隧道內的環境后，車輛前照大燈所能照射的范圍內也均需布設視覺參照柱。因此隧道內視覺參照柱的設置長度Lin用式(3)計算(表3)。

表3 隧道內視覺參照柱設置最小長度Table 3 Minimum length of visual reference column setting in tunnel

(3)

式中：V為隧道路段的車輛行駛速度，可取隧道路段的設計速度，km/h；t為暗適應的時間，暗適應時間一般不超過3 s[12]；dlight為大車前燈照射距離，取127 m[15]。

2.2 隧道進出口視覺參照柱設置間距

駕駛人瞬時視野范圍內至少存在3～4個輪廓標時才能識別出隧道內部線形引導車輛能夠正常行駛，因此視覺參照柱的間距設置要求與輪廓標相同。當駕駛人在隧道外行駛時，其瞬時視野為設計速度下的動視野，根據相關文獻，車速為80 km/h時，駕駛人的注視點位于車輛前方377 m[16]；當駕駛人在隧道內行駛時，其瞬時視野為車輛前照大燈所能照射的范圍，即車輛前方127 m[15]。為保證視覺參照柱的有效性，隧道內外視覺參照柱設置間距應相同，故取隧道內駕駛人瞬時視野計算間距。隧道入口路段駕駛人可視范圍如圖5。

圖5 隧道內駕駛人可視范圍示意Fig. 5 Schematic diagram of the visual range of the driverin the tunnel

當車輛位于左側車道行駛時，右側車燈照射范圍長度比左側短，故可以采用車輛在左側車道行駛時右側參照柱的設置間距值，采用式(4)計算：

(4)

式中：ds為視覺參照柱設置間距；α為大車前燈照射角度，取15°[14]；Wsight為車輛右前燈與右側視覺參照柱之間的橫向距離，m；n為大車前燈照射范圍內右側視覺參照柱的數量，為達到更強的視覺誘導和參照效果，宜取4根。

車輛前大燈的位置一般距離車身兩側邊緣約0.30 m。因此當車輛在最左側車道行駛時，根據隧道內外車身與行車道左邊緣的距離、車身寬度(去2.5 m)、單行車道和隧道右側側向寬度(右側硬路肩寬度)可以計算Wsight(表4)。

表4 視覺參照柱設置間距Table 4 Setting spacing of visual reference column

隧道內外左右兩側視覺參照柱設置間距可參照表4計算得到的結果設置，對于隧道入口寬度過渡段也可以根據實際情況適當加密視覺參照柱的設置，以增強駕駛人的指引效果，隧道外在過渡段可采用線性漸變形式設置(圖6)。為保證駕駛人視覺的連續性，可在洞內外最小設置長度的基礎上各增加至少3根參照柱(圖6)。

圖6 隧道入口視覺參照柱布置示意Fig. 6 Schematic diagram of visual reference column setting attunnel entrances

3 仿真驗證

3.1 試驗設備

試驗采用的主要設備為UC-win/road和力康PC-80D心臟監測儀。

3.2 試驗設計

用UC-win/road建立以岳武高速橫斷面(單幅路組成為行車道為2×3.75 m，左側硬路肩為0.75 m，右側硬路肩為2.50 m，土路肩為2×0.75 m)實際情況為基礎的試驗仿真環境，采用力康PC-80D心臟監測儀獲得駕駛人心率數據。在模擬場景中設置3座直線、縱坡為零的隧道，以樁號K0+000為行車起點，第1段隧道位于K1+065.4～ K2+332.9，第2段隧道位于K2+774.9～ K4+254.3，第3段隧道位于K5+677.8～ K6+363.9。

為保證結論的準確性，選取6名試驗者，4男2女，試驗者均身心健康且駕駛技術熟練，精神狀態良好、睡眠充足。試驗安排對比試驗組與刺激組兩組試驗，對比實驗組無視覺過渡設施(圖7)；刺激實驗組為設置視覺參照柱(圖8)，綜合考慮時間與成本，去掉間距比較近的邊緣率，最后保留0.75、1.5、6、32 Hz 4個邊緣率進行試驗分析，邊緣率對應的間距如表5 。

圖7 無視覺過渡設施Fig. 7 No visual transition facilities

圖8 設置視覺參照柱Fig. 8 Setting visual referencecolumn

表5 邊緣率與間距之間的關系[17]Table 5 Relationship between edge rate and spacing

參照系設施布設按ABBA法進行，具體的設施布設位置與試驗順序安排如表6，表6中1表示設置視覺參照柱，0表示不設置視覺參照柱。

表6 試驗安排與視覺參照系過渡設施設置位置Table 6 Test arrangement and location of visual reference systemtransition facilities

3.3 試驗步驟

首先對6名試驗者進行試驗講解培訓，讓試驗者適應不同車速下的參照物感知特征，每個試驗者按表6的順序完成12次試驗，在每次試驗結束后按迫選法要求選擇各通過路段的心理感知速度。待6名試驗者均完成12次試驗后整理數據。

3.4 試驗結果分析

3.4.1 視覺參考柱對駕駛人心理的影響

對力康PC-80D心臟監測儀采集的心率數據結果進行統計匯總，以視覺過渡設施段的平均心率為基礎值，以不設置視覺參考柱的各邊緣率下的平均心率為比較值，得到不同速度下相對心率圖如圖9。

圖9 不同速度下相對心率比較Fig. 9 Comparison of relative heart rate at different speeds

根據圖9可以看出，設速度為100 km/h和120 km/h時，設視覺參考柱能明顯降低駕駛人心率，且在設32 Hz的視覺參考柱下降低幅度最大，表明視覺參考柱能明顯降低駕駛人的心理負擔，有利于行駛安全。

3.4.2 視覺參考柱對駕駛人感知速度的影響

將每次試驗結果后駕駛人感知的速度值與仿真平臺記錄的駕駛人實際的行駛速度進行對比分析，得到圖10。

圖10 感知速度與實際速度比較Fig. 10 Comparison of perceived velocity and actual velocity

根據圖10可知，在設置了視覺參照柱之后，駕駛人對行駛速度的感知準確性較不設視覺參照柱將大大提升，且隨著邊緣率增大，視覺參考柱設置間距減小，駕駛人將高估行車速度，實際行駛速度更慢；視覺參照柱的設置在各個速度下都能極大改善駕駛人對速度的感知，有利于隧道內行車安全。

3.4.3 視覺參考柱對駕駛人行駛速度的影響

將駕駛人在各個指定速度下、設視覺參考柱場景(刺激組)下的行駛速度與無視覺過渡設施段(參照組)的行駛速度進行統計分析，得到圖11。

圖11 參考組與刺激組的行駛速度對比Fig. 11 Driving speed comparison between the reference group andthe stimulus group

根據圖11可知，在設置了視覺參照柱之后，駕駛車輛在隧道段的行駛速度明顯低于不設視覺參照系，說明視覺參照柱的設置有利于駕駛人在隧道內減速行駛，更利于行車安全。

3.4.4 視覺參考柱對駕駛人行駛橫向位置的影響

對仿真平臺記錄的車輛在道路上的橫向位置進行統計分析，得到參考組與刺激組情況下的車輛中心離行車道邊線的距離(即橫向位置)對比圖12。

圖12 參考組與刺激組的橫向位置對比Fig. 12 Horizontal position comparison between the reference groupand the stimulus group

根據圖12可知，在設置了視覺參照柱之后，駕駛車輛在隧道段的橫向位置明顯遠于不設視覺參照系，說明視覺參照柱的設置有利于車輛的行駛安全。

4 結 論

1)針對目前隧道入口路段由于光線及行駛條件的變化，駕駛人行駛的參照系發生變化，導致駕駛人出現視覺信息銜接不暢甚至中斷，影響行車安全性的問題，提出了一種通過在隧道入口設置視覺參照柱，達到延續駕駛人視覺的強視覺參考的方法。視覺參照柱的設置能夠幫助駕駛人在隧道內外重建一套連續的視覺參照系統，更好地保持駕駛人在隧道內外視覺參照的連續性，有利于駕駛人控制車速和車輛位置。

2)提出的視覺參照柱易加工生產、抗腐蝕、耐老化。該參照柱底面采用直徑為80 mm的圓形，高度為1 200 mm，其材質為PVC管，柱身包覆由紅白相間而組成的反光膜層，紅白顏色的設置寬度均為200 mm。

3)通過分析隧道內外橫斷面寬度的變化和車輛軌跡變化特點，建立了隧道內外視覺參照柱的設置長度和間距計算模型，并給出了不同設計速度下，隧道內外視覺參照柱的設置長度和間距的建議值。同時提出了隧道內外視覺參照柱的設置過渡方式。

4)研究成果為隧道入口駕駛人的視覺參照系統的建立提供了理論依據，為隧道內外駕駛人的視線誘導提供新的思路和技術解決方案。