反光膜對公路隧道內部光環境和行車安全性的改善研究

梁 奇

（山西省交通建設中心，山西 太原 030006）

公路隧道具有縮短里程、節約時間、提高交通運輸效率、節約用地和有利于保護生態環境等優點，因而在山區高速公路建設中得到了廣泛應用。由于公路隧道頂部和兩側封閉等構造的特殊性，會使駕駛人員途經隧道時產生“黑洞效應”“白洞效應”“黑框現象”、管狀視覺和閃爍等特殊的視覺現象。因此，隧道內需要采用人工照明以減少特殊視覺現象對交通安全的影響。為降低隧道照明費用，業內人士在照明光源、控制智能化方面做了較多的努力和嘗試，特別是LED燈具和無級調光方式的應用，在降低隧道照明耗能方面取得了一定的成果，但目前隧道照明能耗依然巨大。

為了在確保行車安全的前提下實現隧道照明節能，學者們已進行了大量研究，研究的重點主要集中在隧道的接近段[1-3]、入口段[4-7]及隧道照明設計方法[8-12]等方面。為了降低隧道行車安全風險、改善行車環境，很多工程項目中在隧道側壁裝飾、線形誘導標志、輪廓標志方面做了嘗試和實踐，有的甚至已成為標準做法寫在隧道機電或交通安全設施規范中。已有公路隧道按此標準設置了一些以白色反光膜為主要材料的被動反光環，獲得了廣大司乘人員的好評。工程實踐表明，在保持相近甚至略低的照明水平條件下，通過增設反光材料進而改善隧道內光環境后，對提高駕駛員駕車舒適性、降低行車事故率、提升交通安全感效果明顯。

為了探索反光材料在公路隧道應用中的新形式，充分利用汽車前照燈光改善駕駛員在隧道內行車時感受到的光環境，并評估其行車安全性，筆者依托長邯高速改擴建工程中新建的東陽關隧道，在隧道內側壁適宜的高度有規律地布設高性能的反光膜，結合原有的隧道照明燈具和控制手段，采用科學的試驗和測試的方法，研究反光膜對公路隧道內部光環境和行車安全性的改善效果。

1 工程概況

長邯高速改擴建工程新建東陽關隧道位于山西省黎城縣東陽關鎮，隧道采用“單洞單向三車道”布設方案，全長3 360 m，設計時速80 km/h。隧道建筑限界凈寬為0.75+0.5+3×3.75+0.75+0.75=14.00 m，建筑限界凈高為5.0 m。隧道進口300 m采用復合式路面，洞內采用水泥混凝土路面。

隧道照明系統是按照《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014）進行設計，劃分為入口段1、入口段2、過渡段1、過渡段2、基本段、出口段1和出口段2共7個照明段。

隧道照明選擇35 W的LED燈作為基本照明光源，在隧道兩側按照10 m間距交錯布燈；入口段1，在每兩盞LED燈之間再均勻布置4盞400 W的高壓鈉燈（HPS）和兩盞150 W的HPS；在入口段2，在每兩盞LED燈之間均勻布置兩盞400 W的HPS和兩盞100 W的HPS；在過渡段1，在每兩盞LED燈之間均勻布置兩盞150 W的HPS和一盞100 W的HPS；在過渡段2，在每兩盞LED燈中間位置布置一盞100 W的HPS；在基本段僅布置基本照明，即在隧道兩側間隔10 m交錯布置35 W的LED燈；出口段1的照明水平設計值與過渡段2相同，布燈方式也與過渡段2相同，即在每兩盞LED燈中間位置再布置一盞100 W的HPS；在出口段2，在每兩盞LED燈中間位置再布置一盞250 W的HPS。所有燈具的安裝高度均為5.5 m。燈具布置方式如圖1所示。

圖1 隧道燈具布置方式

2 反光膜布設方式

為了充分利用汽車前照燈光為駕駛員構建舒適的隧道內光環境，在新建東陽關隧道按照已有相關規范設計的誘導標和輪廓標的基礎上，在兩側隧道壁上再增設一套反光膜系統。在汽車燈的照射下，隧道兩側新增反光膜預期形成兩條基本連續的縱向光帶。需要指出的是，隧道中的輪廓標是具有視線誘導功能的交通安全設施，設置的主要目的是通過其具有的逆反射性能來指示道路的方向、行車道的邊界，以便行車人員更清楚地識別公路隧道的線型及輪廓，從而指引車輛安全行駛；反光膜是一種交通安全工程領域中常見的反光材料，也具有逆反射性能，設置的主要目的是借助在隧道內行駛的汽車前照燈燈光改善隧道內的行車光環境，從而提升隧道內的行車安全性。由于兩者設置的目的不同，兩者的尺寸和安裝方式都不同，輪廓標的尺寸小于本文提出的反光膜尺寸，安裝高度低于反光膜的安裝高度，安裝間距大于反光膜的安裝間距。

在隧道內壁安裝反光膜的位置是弧面，為了使反光膜安裝后與隧道壁吻合，并使反光膜與隧道斷面形狀基本一致，將反光膜的形狀加工成扇形。反光膜的形狀和尺寸如圖2所示，反光膜的外?。拷淼辣趥龋╅L度為70 cm，內弧長度為65 cm，寬度為15 cm，扇形反光膜弧形與隧道側壁一致。該反光膜尺寸基本能覆蓋所有車型前照燈高度的變化范圍。為了使不同車型的駕駛員都能獲得合適的觀測角，新增反光膜系統安裝在隧道兩側的隧道壁上，反光膜下邊緣到路面的垂直距離為110 cm，反光膜安裝位置如圖3所示。

圖2 反光膜的尺寸（單位：cm）

圖3 隧道反光膜安裝位置示意圖（單位：cm）

增設反光膜的目的是對駕駛員形成一條基本連續的光帶，在提高隧道內誘導性的同時，提高駕駛員感受到的環境亮度。通過試驗確定反光膜合適的安裝間距，反光膜的安裝間距選擇4 m和8 m兩種尺寸。沿著隧道行車方向，從隧道入口開始的前1 km范圍內，相鄰兩塊反光膜的間距為4 m；從隧道入口開始1 km之后，反光膜安裝間距取為8 m。

該隧道的建筑界限寬度為14 m，若駕駛員位于中間行車道中心線（駕駛員距隧道壁的距離為7 m），駕駛員駕車時注視前方100 m遠處的路面，則駕駛員看到的反光膜在隧道壁上留下的陰影長度約為2.2 m，即，駕駛員看到的反光膜之間的間隔比實際間隔縮短約2.2 m，其幾何關系如圖4所示。當安裝間距為4 m時，駕駛員實際看到的前方100 m處的反光膜之間的間距為1.8 m左右；當安裝間距為8 m時，駕駛員實際看到的前方100 m處的反光膜之間的間距為5.8 m左右。

圖4 駕駛員在中間車道看到的反光膜的陰影示意圖（單位：m）

反光膜選擇黃色和白色兩種，沿著行車方向，左側隧道壁上安裝黃色反光膜，右側隧道壁上安裝白色反光膜。圖5是安裝了反光膜隧道內環境。

圖5 安裝了反光膜的隧道

3 反光膜對隧道光環境的改善效果

隧道光環境是指駕駛員在隧道內駕車時所處的光環境，可以用駕駛員20°視場內的景物平均亮度表示。隧道內的光環境影響駕駛員的生理指標和心理狀態變化，進而影響行車安全。隧道內的環境因素較多，既有亮度較低的隧道頂、隧道壁和路面，又有亮度較高的光源，還有各種標志、標線、標牌，不同景物的亮度各不相同，為了便于表達隧道內光環境的亮度水平，采用PR-920數字影像亮度計測量隧道內基本段的環境亮度。用PR-920數字影像亮度計在現場拍照后，可以在配套的電腦上操作計算指定區域的景物平均亮度，便于獲得駕駛員20°視場內的景物平均亮度。

用PR-920數字影像亮度計測量隧道內的環境平均亮度時，將測試車輛按照行車方向停在中間行車道的中心線位置，并開啟遠光燈；將PR-920數字影像亮度計安裝在測試車輛駕駛員一側的車外，使鏡頭高度與駕駛員坐在車內的視線高度基本一致，鏡頭對著行車方向的前方；將照明工況分別調整到擬測試的工況狀態；操作計算機測試該工況下隧道內的平均亮度。

實測隧道中反光膜有兩種間距：從隧道入口開始的前1 km范圍內，相鄰兩塊反光膜的間距為4 m；從隧道入口開始1 km之后，反光膜安裝間距取為8 m（隧道長度約2.4 km）。為了獲取更多反光膜安裝間距情況下的隧道環境亮度，從而確定反光膜安裝間距的合理值，隧道最后1 km的反光膜每隔一塊用黑色物品遮擋一塊，得到反光膜間距為16 m的情況。即，測試時反光膜間距有4 m、8 m和16 m三種情況。

考慮測試用車的代表性，測試選用江西五十鈴生產的瑞邁皮卡車。車身尺寸：5 190 mm×1 860 mm×1 785 mm（長×寬×高）；車輛遠光燈和近光燈光源均為鹵素燈。測試用車車況良好，車輛前照燈正常，前照燈罩上無污染。圖6為用PR-920數字影像亮度計測量隧道內光環境的照片。

圖6 PR-920數字影像亮度計現場實測照片

在工況Ⅰ（照明燈全開）、工況Ⅱ（兩側燈各關閉1/2）和工況Ⅲ（左側燈全關、右側燈關閉1/2）照明工況下，反光膜間距分別為4 m、8 m和16 m時測試得到的駕駛員20°視場的平均亮度見表1和圖7。

表1 不同照明工況下不同間距反光膜隧道段的光環境平均亮度 cd/m2

圖7 不同照明工況下不同間距反光膜隧道段的光環境平均亮度

從表1和圖7可以看出，3種照明工況下均為反光膜間距為4 m的隧道段的環境亮度最高，反光膜間距為16 m的隧道段的環境亮度最低。反光膜間距為8 m的隧道段所用反光膜的數量為反光膜間距為4 m的隧道段所用反光膜數量的一半，但環境亮度僅比反光膜間距為4 m的隧道段的環境亮度降低約10%，環境亮度降低不明顯；反光膜間距為16 m的隧道段所用反光膜的數量雖然僅為反光膜間距為4 m的隧道段所用反光膜數量的25%，但環境亮度卻比反光膜間距為4 m的隧道段的環境亮度降低約50%，已經難以達到利用反光膜提高環境亮度的目的。因此，從改善環境亮度的角度來看，最經濟有效的反光膜間距為8 m。

4 反光膜對行車安全性的改善效果

隧道內光環境是否能確保行車安全可以通過駕駛員對路面上障礙物的發現距離判斷：如果駕駛員能在一個停車視距外發現路面上的障礙物，駕駛員有足夠的時間對障礙物做出避讓措施，就能確保行車安全；反之，如果駕駛員不能在一個停車視距外發現路面上的障礙物，則駕駛員在發現障礙物后沒有足夠時間做出避讓措施，有可能使車輛撞到障礙物而發生交通事故，無法確保行車安全。

基于該思路，筆者在各典型照明工況下在各照明段路面上的隨機位置放置大小為0.2 m×0.2 m×0.2 m、反射系數為0.2的正方體標準小目標障礙物，讓駕駛員盡可能按照隧道的設計行車速度80 km/h駕車通過隧道，駕駛員駕車通過隧道時佩戴校準好的iViewX眼動儀，利用眼動儀記錄駕駛員駕車通過隧道過程中看到的場景數據和駕駛員的視覺行為數據。根據iViewX眼動儀記錄的數據，利用眼動儀配套的視覺行為分析軟件BeGaze可以讀出駕駛員駕車時發現障礙物的時刻t1和汽車經過障礙物的時刻t2，進而可以求得駕駛員從發現障礙物到通過障礙物所用的時間 ?t=t2-t1。

駕駛員從距離隧道入口足夠遠的位置啟動汽車，以確保汽車行駛速度在到達隧道入口前能達到隧道的設計車速80 km/h。汽車行駛速度達到隧道的設計車速后，盡可能保持勻速行駛，直至通過測試路段。駕駛員駕車進入隧道時，測試人員用博士能手持雷達測速儀測量車輛的實際行駛速度v。利用駕駛員從發現障礙物到通過障礙物所用的時間?t與行車速度v即可計算得到駕駛員發現障礙物的距離S，S=v×?t。

考慮駕駛員的代表性，選擇5位駕駛員進行測試，駕駛員需對測試用車的車況及操作較熟悉，測試駕駛員均無色盲、色弱，校正視力均在5.0以上，所有駕駛員都不佩戴框式眼鏡。

將相同工況下不同駕駛員對同一照明段的標準小目標物的發現距離取平均值，即得到該照明工況下駕駛員對標準小目標物的發現距離，如表2所示。

表2 各照明工況下小目標的平均發現距離 m

從表2可以看出，照明工況Ⅰ下，駕駛員對出現在各照明段上的障礙物均能在一個停車視距外發現（按設計行車速度80 km/h計算，縱坡為0時的停車視距為100 m）。在照明工況Ⅱ下，對入口段和過渡段障礙物的發現距離大于一個停車視距，但對基本段1障礙物的發現距離略小于一個停車視距。在照明工況Ⅲ下，駕駛員對出現在入口段1、過渡段2和基本段1的障礙物的發現距離均小于一個停車視距。在照明工況Ⅱ和照明工況Ⅲ下，從眼動儀記錄的數據中未能讀出駕駛員發現基本段2上障礙物的時間，這可能與基本段2上障礙物放置位置（放在路面上較暗處）和照明工況（這兩個照明工況下路面照明水平較低）有關，需要結合其他測試數據進行進一步分析。

從測試結果來看，在照明工況Ⅰ下，按照設計行車速度（80 km/h）行車，駕駛員能在一個停車視距外發現障礙物的存在，能保證行車安全；在照明水平較低的照明工況Ⅱ下，駕駛員也基本能在一個停車視距外發現障礙物的存在，基本能保證行車安全；在照明工況Ⅲ下，按照設計行車速度行車，難以保證行車安全，適當降低行車速度，按照60～70 km/h的速度行車，基本能保證行車安全（60 km/h速度，縱坡為0時對應的安全停車距離為56 m）。

從路面照明水平與駕駛員對障礙物發現距離的對應關系來看，在照明工況Ⅰ下，各段的路面亮度均大于設計值，駕駛員對障礙物的發現距離也大于相應的停車視距；在照明工況Ⅱ下，各加強段路面亮度均略小于路面亮度的設計值，但駕駛員在該照明工況下對障礙物的發現距離基本都大于一個停車視距。由此來看，在隧道內裝設反光膜系統后，在汽車前照燈的作用下，由于駕駛員感受到的隧道光環境的改善，駕駛員更容易發現路面上的障礙物。從駕駛員對路面上障礙物的發現距離來看，即使適當降低隧道內的照明水平，仍能確保行車安全，說明裝設反光膜系統后，隧道內行車的安全性得到明顯提升。在確保行車安全的前提下，可以適當降低隧道內的照明水平，說明裝設反光膜系統有助于在確保交通安全的前提下實現隧道照明節能。

5 結語

根據工程案例的實際情況，在隧道內布設反光膜系統，充分利用汽車前照燈光，改善駕駛員在隧道內行車時感受到的光環境，進而提升隧道內的行車安全性，從測試結果可以得到以下主要結論：

a）在考慮汽車前照燈光的情況下，在隧道內布設反光膜系統能有效改善隧道內的行車光環境。對依托工程而言，最經濟有效的反光膜布設間距為8 m，對于其他不同寬度的隧道，需要計算或實地測試確定最經濟有效的反光膜布設間距。

b）在考慮汽車前照燈光的情況下，在隧道內布設反光膜系統能有效提升隧道內的行車安全性；在確保行車安全的前提下，在隧道內布設反光膜系統有利于隧道照明節能。