肖 堯 杜志剛 陶鵬鵬 王明年

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 成都 610031)

公路隧道出口“白洞”效應(yīng)改善方法研究*

肖 堯1)杜志剛1)陶鵬鵬1)王明年2)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)成都 610031)

針對(duì)隧道出口亮度過(guò)渡不合理的環(huán)境現(xiàn)狀，提出基于防眩原理的漸變圖層設(shè)計(jì)方案，利用照明計(jì)算軟件DIALUX對(duì)改善前后隧道出口段進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證駕駛員瞳孔亮度過(guò)渡改善前后的變化趨勢(shì)和變化規(guī)律，利用隧道微縮模型對(duì)改善前后方案進(jìn)行視頻拍攝，用matlab編程檢測(cè)隧道眩光面積和眩光高度.結(jié)果顯示，改善方案的駕駛員瞳孔亮度比改善前的瞳孔亮度過(guò)渡更加緩和合理，眩光面積減少20%～30%，且眩光高度抬高20%～40%，視覺(jué)負(fù)荷系數(shù)降低了30%～40%，從而可以提升隧道視覺(jué)舒適性，降低駕駛員錯(cuò)誤操作幾率.

公路隧道；“白洞”效應(yīng)；漸變圖層；微縮模型；瞳孔亮度

我國(guó)中西部地區(qū)長(zhǎng)大公路隧道洞內(nèi)外亮度變化劇烈，在隧道出口段，眩光現(xiàn)象明顯，駕駛員極易產(chǎn)生眩暈感,即為隧道出口“白洞”效應(yīng)，易發(fā)生隧道出口車(chē)輛追尾事故，但按國(guó)家規(guī)范設(shè)置照明能耗高，且中西部公路隧道普遍交通量小，運(yùn)營(yíng)總收入遠(yuǎn)不及隧道運(yùn)營(yíng)照明費(fèi)用開(kāi)支，運(yùn)營(yíng)單位無(wú)法承擔(dān)巨額的隧道照明費(fèi)用，采取長(zhǎng)期低照度策略，中西部地區(qū)運(yùn)營(yíng)照度值是規(guī)范值的20%～50%[1]，嚴(yán)重影響了隧道內(nèi)行車(chē)安全[2]，導(dǎo)致隧道出口段交通事故頻發(fā).王輝等[3]通過(guò)隧道實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧道出入口事故類(lèi)型53%為追尾，其中70%為速度誤估.為了改善隧道出口的“白洞”效應(yīng)，現(xiàn)有的改善方法一般為加強(qiáng)照明，長(zhǎng)大隧道出口段照明亮度為隧道中部的5倍以上[4]，或者采用減光格柵等洞外延伸體，不同形狀的出口，例如，削竹式、反削竹式等[5].單一的加強(qiáng)照明不能從根本上改善“白洞”效應(yīng)[6].如何在保證交通安全和滿(mǎn)足隧道瞳孔照度過(guò)渡合理的條件下，盡可能的降低隧道照明設(shè)備的電力消耗，成為公路隧道出口“白洞”效應(yīng)改善方法的重點(diǎn)研究對(duì)象.

1 DIALUX模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

1.1 改善思路

王子楓等[7]研究得出駕駛員在行車(chē)過(guò)程中，駕駛員視線(xiàn)的方向是水平向下1°，如果能將駕駛員視線(xiàn)范圍內(nèi)的眩光抬高，可以減輕眩光對(duì)駕駛員視線(xiàn)的干擾，降低駕駛員的視覺(jué)負(fù)荷.楊韜[8]對(duì)隧道側(cè)壁反光性能研究指出，合理反射系數(shù)的隧道側(cè)墻能夠緩和隧道出口亮度過(guò)渡，抬高眩光區(qū)，減少駕駛員目高以下的眩光面積，延長(zhǎng)駕駛員視覺(jué)適應(yīng)時(shí)間，降低駕駛員視覺(jué)負(fù)荷.潘貝貝等[9]指出隧道路面宜鋪設(shè)反射系數(shù)較高的混凝土路面，隧道洞口接近段宜鋪設(shè)反射系數(shù)較低的瀝青路面以降低洞外亮度，改善隧道出口“白洞”效應(yīng).因此針對(duì)隧道出口“白洞”效應(yīng)，可以通過(guò)小車(chē)和大車(chē)駕駛員視線(xiàn)高度(小車(chē)為1.2 m,大車(chē)為1.8 m)在側(cè)墻設(shè)置漸變反射系數(shù)涂層，與低反射系數(shù)路面形成亮度對(duì)比，來(lái)抬升眩光的高度以及減少正面眩光,見(jiàn)圖1.

圖1 改善前后眩光區(qū)對(duì)比圖

一般隧道洞內(nèi)地面采用彩色瀝青進(jìn)行鋪設(shè)，反射性能強(qiáng)，側(cè)墻和頂棚反射性能弱，甚至直接將頂棚鋪設(shè)成黑色防火材料，隨著頂棚和側(cè)墻反射性能提高，更多的光源從側(cè)墻和頂棚反射回眼睛，由于路面反射面積小了，則從路面直接反射到眼睛的光線(xiàn)少了，所以眩光面積切割、變小，眩光區(qū)提升.

1.2 改善方法

為了保證隧道內(nèi)行車(chē)安全，要求墻面的亮度和頂棚亮度有一定的對(duì)比，這樣才能達(dá)到視覺(jué)“襯托”作用，而使駕駛員更容易發(fā)現(xiàn)路面上的障礙物[10].隧道出口段設(shè)置漸變涂層設(shè)計(jì)方案，側(cè)墻深綠色涂料(高度0.6～1.2 m)、中綠色涂料(1.2～1.8 m)、淺綠色涂料(1.8～2.4 m)、淡綠色涂料(2.4～4.2 m)(反射系數(shù)逐漸增大)由下至上依次涂抹在側(cè)墻上，以提高頂部照度，改善方法如表1所列，每層涂抹高度依據(jù)人眼視野范圍確定(小車(chē)司機(jī)視野高度1.2 m,大車(chē)司機(jī)為1.8 m)，反射系數(shù)依次增加，頂棚涂抹反射系數(shù)較高的淺藍(lán)色涂料，構(gòu)成隧道內(nèi)飾面漸變涂層，用以緩和隧

道出口亮度過(guò)渡，達(dá)到合理瞳孔亮度過(guò)渡的理想情況，本方案適用于限速60～80 km/h、易出現(xiàn)眩光的公路隧道出口.

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)參考值

注：式中x為距離洞口距離，y為設(shè)計(jì)高度，單位為m.

1.3 DIALUX實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

利用軟件DIALUX建立改善前后隧道出口段照明模型，模擬公路隧道照明最不利情況(不布設(shè)隧道照明燈具，只考慮自然光計(jì)算)，黑色瀝青混凝土隧道路面反射系數(shù)都定為0.15，依據(jù)新頒布的《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》，可以選取隧道模型橫斷面的寬度w=10.8 m，隧道的高度H=7.2 m，頂棚面圓弧的半徑R=4.4 m，模型長(zhǎng)度為120 m，考慮隧道出口段長(zhǎng)度為60 m，模擬白天正午最不利照明條件(照度過(guò)渡最劇烈,視覺(jué)負(fù)荷最大)，涂層1，2，3，4為側(cè)墻深綠色涂料、中綠色涂料、淺綠色涂料，淡綠色涂料，涂層5為頂棚天藍(lán)色涂料.

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在DIALUX照明環(huán)境下進(jìn)行瞳孔亮度計(jì)算并得出亮度報(bào)表，選取路面為計(jì)算對(duì)象[11]，計(jì)算隧道出口段60 m范圍內(nèi)的亮度，得到改善前后隧道出口段路面瞳孔亮度分布表，如表2所列，改善前后設(shè)計(jì)方案利用隧道微縮模型(微縮比例為10∶1)用行車(chē)記錄儀拍攝獲得，利用軟件matlab影像編程得出隧道出口段眩光面積與眩光高度變化情況，見(jiàn)圖2、圖3及見(jiàn)表3.

表2 改善前后隧道出口段瞳孔亮度分布

由圖2，圖3及表3分析得知，眩光面積是人眼所看到眩光橫向和縱向形成的角度面積區(qū)域，隧道出口段改善前亮度呈拋物線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，亮度過(guò)渡劇烈，易產(chǎn)生“白洞”效應(yīng)，而改善后亮度在出口段60 m以?xún)?nèi)，瞳孔亮度過(guò)渡合理，且保持固定值不變，符合駕駛員人眼負(fù)荷，隧道出口眩光面積減少20%～30%，且眩光高度抬高20%～40%，人眼瞳孔面積變化速率減慢，減少了駕駛員視覺(jué)負(fù)荷，從而減少隧道出口段交通事故的發(fā)生.

圖2 隧道出口段眩光面積變化情況

圖3 隧道出口段眩光中心高度變化情況

2 基于眩光面積的視覺(jué)負(fù)荷系數(shù)安全性評(píng)價(jià)

2.1 亮度與眩光面積的變化

杜志剛等[12]在隧道進(jìn)出口視覺(jué)適應(yīng)實(shí)驗(yàn)找出照度與瞳孔面積變化關(guān)系為

表3 3種方案眩光面積與眩光高度變化對(duì)比

注：X，Y為人眼所看到眩光橫向和縱向形成角度.

(1)

式中：a,b均為常數(shù).

由于隧道出口瞳孔明適應(yīng)影響并不顯著，眩

光作用更明顯，眩光面積與視野范圍橫縱向角度關(guān)系為

A=πh2tanXtanY

(2)

式中：X,Y為視野范圍橫縱向角度；h為人眼距離眩光中心點(diǎn)距離.

(3)

(4)

式中：c,d均為常數(shù)

路面亮度L與路面照度成正比例，即

L=Eq

(5)

式中：q為常數(shù)，稱(chēng)為亮度系數(shù)，與路面材料反射特性有關(guān)，將各式代入式(2)可以得到

(6)

2.2 亮度變化與眩光面積變化速度關(guān)系

在隧道出口60 m范圍內(nèi)，試驗(yàn)加速度絕對(duì)值大多不超過(guò)0.5 m/s2，行程較短，一般為2 s左右.為簡(jiǎn)化計(jì)算，將式(3)兩邊對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可得

(7)

2.3 亮度變化與視覺(jué)負(fù)荷系數(shù)關(guān)系

研究表明，隧道出口視覺(jué)負(fù)荷與眩光面積變化速度正相關(guān)，隧道出口視覺(jué)負(fù)荷系數(shù)定義為眩光面積變化速度與眩光面積變化臨界速度的比值，即

(8)

式中：Veer為隧道出口眩光面積變化臨界速度；Veer=0.060 6A2-1.235A+3.315 8.

由表2可以計(jì)算出隧道出口視覺(jué)負(fù)荷系數(shù)在60 m內(nèi)的變化情況見(jiàn)表4.

表4 隧道出口段視覺(jué)負(fù)荷系數(shù)變化對(duì)比

由表4分析得出，經(jīng)過(guò)涂層改善后的隧道出口段視覺(jué)負(fù)荷系數(shù)明顯降低，降低視覺(jué)負(fù)荷系數(shù)30%～40%，降減輕了駕駛員視覺(jué)負(fù)荷，提高了隧道出口行車(chē)安全，說(shuō)明改善方案從視覺(jué)安全性方面是可行的.

3 結(jié) 論

1) 設(shè)計(jì)方案能夠減少隧道出口正面眩光源面積，并且抬高眩光高度，降低眩光的直接影響設(shè)計(jì)方案適用于中西部等低照度條件的公路隧道(限速值在60～80 km/h).

2) 應(yīng)用漸變圖層設(shè)計(jì)方案后的隧道出口段瞳孔亮度過(guò)渡比改善前更加合理，眩光面積減少20%～30%，且眩光高度抬高20%～40%，視覺(jué)負(fù)荷系數(shù)降低了30%～40%，視覺(jué)適應(yīng)順暢，駕駛員能夠更好，更快地適應(yīng)洞外亮度，對(duì)中西部公路隧道內(nèi)行車(chē)安全有利.

3) 在我國(guó)中西部邊遠(yuǎn)地區(qū)公路隧道高配低用現(xiàn)象普遍，通過(guò)合理的瞳孔亮度過(guò)渡，可以達(dá)到減少照明要求，節(jié)約能源，降低能耗的目的.

4) 從隧道照明、安全性?xún)蓚€(gè)方面進(jìn)行比較，改善后方案比改善前方案更具有普遍的實(shí)用價(jià)值和安全價(jià)值.

今后的研究可以考慮從隧道中部設(shè)置多頻率反射標(biāo)線(xiàn)，達(dá)到提前控速，增強(qiáng)行車(chē)安全的目的，同時(shí)可以對(duì)實(shí)際隧道進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)論的科學(xué)性和可行性.

[1]中華人民共和國(guó)交通部.JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[2]戴憂(yōu)華,郭忠印.高速公路隧道路段交通安全特性研究[J].交通信息與安全,2010,28(2)：45-51.

[3]王 輝,劉浩學(xué),趙煒華，等.公路隧道環(huán)境中交通事故特征分析[J].公路,2009(11):144-147.

[4]朱小清.照明技術(shù)手冊(cè)[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[5]王毅才.隧道工程[M].北京:人民交通出版社,2006.

[6]俞宇萍,徐忠陽(yáng).隧道洞口交通安全影響因素分析與對(duì)策[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化, 2006(4):104-108.

[7]王子楓，王曉梅.高速公路隧道出口防眩技術(shù)研究進(jìn)展[J].公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版,2014(6):273-274.

[8]楊 韜.隧道照明反射增量系數(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[9]潘貝貝，翁 季.公路隧道洞口減光措施的研究綜述[J].燈與照明，2013(3):18-23.

[10]陳仲林，翁 季，胡英奎，等.道路照明測(cè)量方法研究[J].燈與照明，2005(6):7-9.

[11]金紹晨.基于DIALUX隧道照明仿真設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013(10):26-28.

[12]DU Zhigang，ZHANji Zheng，MIAO Zheng，et al.Drivers’ visual comfort at highway tunnel portals: a quantitative analysis based on visual oscillation[J].Transportation Research Part D: Transport and Environment, 2014,31(8):37-47.

Highway Tunnel Improvement Method of the "White Hole" Effect

XIAO Yao1)DU Zhigang1)TAO Pengpeng1)WANG Mingnian2)

(TransportationSchool,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China;)1)(KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,MinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)2)

The design scheme use computer software of lighting- DIALUX to take simulation experiment aimed at improving the transition of the brightness inside and outside the tunnel, and it can verify the effect of the improvement toward the change trend and regular pattern of the pupil luminance of the drivers at the tunnel. Tunnel miniature is used to shooting different projects, which is using matlab to detect glare area and height. The results show that the transition of the driver's pupil luminance becomes more moderate and reasonable in the design scheme, the area of glare decline 20%～30%,and the height of glare incline 20%～40% ,visual load factor decline30%～40%,which in this way, visual comfort in the tunnel can be improved, the rate of error operating decreased.

highway tunnel；“white hole” effect； gradient coating；tunnel miniature； pupil luminance

2015-02-20

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：51008241)、西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金課題(批準(zhǔn)號(hào)：TTE2014-07)資助

U491.5

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.027

肖 堯(1990- )：男，碩士生,主要研究領(lǐng)域?yàn)?交通工程