基于碳中和的公路隧道光環境評價及優化方法

摘要：文章對公路隧道主要安全隱患進行了分析總結，在交通事故特性分析的基礎上，結合“碳中和”目標，從駕駛人視覺需求出發，提出基于路權、人因、駕駛任務的公路隧道光環境評價體系。同時，根據隧道不同區域的環境特點、駕駛人的駕駛特點及疲勞特征，結合運營養護、照明、及誘導等需求，提出針對公路隧道光環境的優化升級方案，在確保地下道路交通安全性的同時提高節能性。

關鍵詞：碳中和；公路隧道；光環境；交通安全

中圖分類號：U453.7? ? 文獻標識碼：A

文意編號：1673-4874（2024）04-0190-02

0 引言

公路隧道是一種修筑在地下供汽車行駛的通道，其能突破山川、水域等地理條件對交通的限制，改善隧道兩側的交通格局，降低運輸成本，極大地促進交通效率。隨著我國經濟快速發展以及基建能力的穩步提升，我國的公路隧道建設總量和規模持續增大。截至2020年，我國公路隧道數量為21 316處，隧道建設總長度達到2 199.93×104 m，已成為了公路隧道大國與公路隧道強國。伴隨著公路隧道里程的增加，隧道能耗問題也逐漸顯現［1］。公路隧道位于地下，這意味著公路隧道無法受到太陽光照，為保障駕駛人、行人的照明需求，絕大部分公路隧道都需要采用人工照明［2］。當前，公路隧道耗電量巨大，不僅帶來了較大的經濟負擔，同時對環境保護造成了不利影響。煤炭發電一直以來是我國主要能源消費，占我國發電量的59%。在考慮“碳中和”的情況下，對公路隧道光環境進行評價并優化，不僅可以有效提升公路隧道交通安全，還可以實現公路隧道的節能減排，有力促進“碳中和”目標的實現。

對于公路隧道光環境評價與優化，有許多學者進行了研究。吳小麗等［3］通過對光源色溫改變、彩色燈光帶、LED點光源像素矩陣、高清圖像投影等特殊光環境方案進行對比試驗，建立起了隧道內視覺環境與駕駛人視覺行為特征及生理反應的聯系。徐萌等［4］分析了彩色燈光視覺調節對長隧道駕駛催眠緩解作用，研究發現紅色特殊色彩燈光帶能夠在保證視覺舒適性的同時給駕駛人提供視覺刺激，起到視覺警示作用，緩解隧道催眠現象。朱合華等［5］綜合色溫對駕駛人生理、心理的影響，提出了城市隧道不同照明段燈具色溫的建議值，以期促進城市隧道的照明安全與節能。閻瑩等［6］研究發現隧道群路段駕駛人瞳孔面積與環境光照度呈指數變化關系，上游隧道出口視覺明適應水平及連接段長度是影響下游隧道及整個隧道群路段視覺適應的主要因素。

當前的研究多集中在分析隧道不良光環境對駕駛人生理及心理的影響，對隧道光環境的研究主要集中在理論層面，并未給出一個全面而系統的公路隧道光環境評價標準，也未給出解決公路隧道光環境問題的優化方案［7］。因此本文基于碳中和，對公路隧道空間路權、駕駛人因及駕駛任務進行分析，對公路隧道駕駛人視覺需求分析及視覺參照系進行分類［8］，建立起涵蓋交通效率、交通安全、碳排放的公路隧道光環境評價標準并給出了相應的優化方案［9］。

1 主要問題與改善思路

公路隧道光環境是一個復雜的系統工程，涵蓋了地下工程、人體生理學、人機工程學等諸多方面［10］。相關研究表明，公路隧道光照亮度和交通安全以及交通效率并沒有線性關系，反而公路隧道過度照明會造成駕駛人“炫目”感，加劇駕駛人的疲勞感，使得駕駛人更容易緊張。此外，公路隧道光環境缺少或設置不當也是當前存在的問題，這不僅僅造成了能源的浪費，也對公路隧道交通安全造成了不利影響。因此，本研究基于“碳中和”，以改善地下通道光環境的目標出發，以駕駛人視覺為參量，對公路隧道光環境進行評價并優化，提升地下通道交通安全性以及通行效率，并有效降低地下通道能源消耗。

本研究將解決以下兩個問題：

（1）理論上，在交通事故特性分析與“碳中和”的基礎上從駕駛人視覺需求出發，提出基于路權、人因、駕駛任務的公路隧道光環境評價體系，為公路隧道光環境優化提供依據［11］。

（2）技術上，根據隧道不同區域的環境特點、駕駛人的駕駛特點及疲勞特征，結合運營養護需求、照明及誘導等技術發展需求，提出針對性的公路隧道光環境優化升級方案（圖1），在確保公路隧道交通安全性的同時提高地下道路節能性［12］。

公路隧道出口段亮度和視覺參照變化劇烈，加之交通流量大，極易發生超速現象和撞側壁事故；隧道中部環境單調、路面與側壁對比度低，易出現路權不明、駕駛疲勞，造成駕駛人對于車速、車距、坡度等感知失誤或分心、疏忽等不良駕駛行為，故公路隧道光環境優化應重構視覺參照系，提升公路隧道光環境［13-14］。對于公路隧道光環境優化，主要包括4個部分，如圖2所示。

2 改善建議

2.1 公路隧道設施（照明、交通工程設施）碳足跡分析，減少能源消耗

公路隧道的設施主要為照明設備與安全設置，當前的照明設備主要為各種燈泡、燈管。安全設置多為一些電子產品（電子顯示屏、攝像頭、聲音播放裝置等）以及玻璃產品。通過對地下道路設施的生產、包裝、運輸、生命周期使用、報廢處理等各個環節的碳足跡分析，可得出公路隧道設施的能源消耗情況，并將當前的公路隧道設施與擬優化的道路設施進行能耗對比。

2.2 公路隧道光環境評價，提高交通效率、交通安全、碳排放等綜合指標

空間路權包括橫向路權、豎向路權、縱向路權，構成了行車道的基本功能，如圖3所示。駕駛人因主要包括視距、視區、視錯覺（速度錯覺、距離錯覺、方向錯覺等）［15］。駕駛任務主要包括車速控制、車道及車距保持，駕駛人因及駕駛任務構成了交通安全評價的基本要素［16］。

基于線性誘導原理的公路隧道視線誘導系統，綜合利用點、線、環等局部視覺參照元素，對公路隧道輪廓及線形進行組合誘導設計，從空間路權、駕駛人因、駕駛任務三方面進行綜合考慮，改善公路隧道光環境整體視覺參照系，從交通效率、交通安全、碳排放等綜合指標對公路隧道光環境進行評價［17］。如圖4所示。

2.3 使用低碳、全壽命周期更長的材料及方法

從事故預防的角度出發，全面考慮駕駛人行車安全需求，基于線性誘導原理對公路隧道交通安全設施優化設計［18］。通過合理設置交通設施，如視線誘導設施、照明燈具、景觀裝飾等，重構隧道視覺參照系，以改善隧道視覺參照系；并基于運營養護需求、照明、誘導等技術發展需求，結合駕駛人的視覺需求分析，提高公路隧道通行效率。通過碳足跡分析，比較線形誘導系統與普通照明系統的節能效果；利用鋼化玻璃產品替換普通易碎玻璃，利用長壽命節能燈替換普通白熾燈，利用交通零能耗的誘導標志代替部分電子屏、語音裝置，采取低碳全壽命周期更長的材料及方法減碳。

2.4 高中低頻誘導信息相結合重構地下道路視覺參照系

公路隧道主要可以分為出入口與內部兩部分?；谟寐啡嗽诠匪淼啦煌范未嬖诓煌沫h境特點，結合用路人的視覺需求，對不同區段用路人的視覺需求進行分析并提出具體的光環境改善方法［19］。采用高中低頻誘導信息豐富隧道視覺參照系，同時采用不同尺寸與不同色彩信息，即高頻小尺度、中頻中尺度與低頻大尺度組合，從而合理控制駕駛人視錯覺，輔助駕駛人判斷車速、車距和坡度等駕駛信息。通過低能耗或零能耗的線性誘導裝置代替部分燈光照明，實現節能減排。

3 結語

（1）公路隧道光環境缺少或設置不當是當前存在較多的問題，這不僅僅造成了能源的浪費，也對地下通道交通安全造成了不利影響。

（2）基于線性誘導原理的公路隧道視線誘導系統，綜合利用點、線、環等局部視覺參照元素，對公路隧道輪廓及線形進行組合誘導設計，公路隧道設計從空間路權、駕駛人因、駕駛任務三方面進行綜合考慮，可以有效改善公路隧道光環境整體視覺參照系，提高交通效率、保障交通安全，降低碳排放。

（3）采用高中低頻誘導信息豐富公路隧道視覺參照系，同時采用不同尺寸與不同色彩信息，即高頻小尺度、中頻中尺度與低頻大尺度組合，從而合理控制駕駛人視錯覺，輔助駕駛人判斷車速、車距和坡度等駕駛信息。

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作者簡介：韋逸清（1993—），工程師，主要從事高速公路建設管理工作。