湯振農(nóng) 周土瑤 王 磊 鄭號染 杜志剛

(1.金華市公路管理局 金華 321001; 2.磐安縣公路管理局 磐安 322300;3.浙江星宗新能源科技有限公司 杭州 310053; 4.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

隧道反光環(huán)無需完全依賴供電系統(tǒng)，充分利用車輛燈光實現(xiàn)反光性能，從而提升公路隧道輪廓誘導(dǎo)功能，在公路隧道，特別是低等級公路隧道中獲得了廣泛應(yīng)用。Wan H.L.等[1]研究表明設(shè)置隧道側(cè)壁標志可以顯著提高駕駛?cè)说乃俣雀兄芰Γ⑼ㄟ^模擬試驗對標志最佳間距及色彩組合形式進行了標定。Zheng Z.J.等[2]結(jié)合模擬試驗及心理物理試驗，指出在隧道內(nèi)墻設(shè)置一定頻率的行車誘導(dǎo)標志可有效縮短駕駛?cè)朔磻?yīng)時間。杜志剛等[3]根據(jù)交通事故致因分析指出視線誘導(dǎo)系統(tǒng)是公路隧道光環(huán)境優(yōu)化的首選方法。

隧道反光環(huán)具有安裝成本低、經(jīng)濟性好、安全效益高等特點。尚婷等[4]基于駕駛?cè)送鬃兓瘜λ淼婪垂猸h(huán)色彩設(shè)置進行了研究，發(fā)現(xiàn)黃色對瞳孔面積變化影響最大，且反光環(huán)色彩值與駕駛?cè)送酌娣e呈負相關(guān)。段萌萌等[5]利用模擬試驗分析了不同速度下反光環(huán)間距對駕駛?cè)送椎挠绊?，發(fā)現(xiàn)反光環(huán)間距值與駕駛?cè)送酌娣e呈負相關(guān)。楊理波等[6]定量分析了反光環(huán)在高速公路隧道小半徑圓曲線路段的誘導(dǎo)效用，發(fā)現(xiàn)合理布設(shè)3個反光環(huán)能夠使駕駛?cè)嗽诟痰臅r間內(nèi)對隧道線形作出更為準確的判斷。

反光環(huán)多采用鋁板或不銹鋼板制作，具有較好安全效益的同時，也具有頂部清洗難度大、長期運營逆反射系數(shù)下降較快、占用道路空間限界的弊端。V形反光環(huán)在自身清潔程度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面具有較大優(yōu)勢，逐步應(yīng)用于單洞雙向的低等級公路隧道中。但目前其夾角度數(shù)仍僅是依靠經(jīng)驗進行設(shè)置，缺乏理論支撐。本文擬從駕駛?cè)藙討B(tài)視覺的角度出發(fā)，對反光環(huán)視認性進行分析，以得出低等級公路隧道V形反光環(huán)合理夾角設(shè)置范圍，進一步規(guī)范低等級公路隧道V形反光環(huán)相關(guān)設(shè)置標準。

1 反光環(huán)視認性分析

反光環(huán)外形輪廓與隧道內(nèi)壁輪廓一致，能夠改善駕駛?cè)嗽谒淼佬熊嚟h(huán)境中的空間感和方向感。行車過程中，駕駛?cè)藢Ψ垂猸h(huán)視認過程見圖1，并設(shè)定如下。

1)R點為駕駛?cè)藙討B(tài)遠視點，此處駕駛?cè)伺c反光環(huán)之間的距離為動態(tài)遠視距離r，表征行車過程中駕駛?cè)搜劬εc所能看清的最遠物體之間的距離。

2)F點為感知點，駕駛?cè)嗽诖颂幐兄椒垂猸h(huán)的存在，與反光環(huán)之間的距離為感知距離f。

3)C點為辨識點，駕駛?cè)嗽诖颂幠軌蚯逦孀R反光環(huán)構(gòu)件，與反光環(huán)之間的距離為辨識距離b。

4)N點為注意點，視覺感知信息經(jīng)中樞系統(tǒng)處理，反光環(huán)的存在引起駕駛?cè)说淖⒁? 駕駛?cè)伺c反光環(huán)之間的距離為注意距離n。

5)V點為警覺點，此處反光環(huán)的刺激引起駕駛?cè)说淖銐蚓X，開始誘導(dǎo)其干預(yù)自身駕駛行為，駕駛?cè)伺c反光環(huán)之間的距離為警覺距離v。

6)D點為消失點，隨著車輛的不斷前進，反光環(huán)在駕駛?cè)艘曈蚍秶鷥?nèi)逐漸模糊，直至消失，此處駕駛?cè)伺c反光環(huán)之間的距離為消失距離d。

圖1 反光環(huán)視認過程

警覺點V處反光環(huán)給予的視覺刺激程度使得反光環(huán)的存在對于誘導(dǎo)駕駛?cè)苏{(diào)控其駕駛行為開始有所作用，而在消失點R處反光環(huán)已無法為駕駛?cè)颂峁┯行У囊曈X刺激。定義警覺點V與消失點D之間的距離為反光環(huán)有效誘導(dǎo)距離g，即有效g(誘導(dǎo)距離)=v(警覺距離)-d(消失距離)。反光環(huán)在有效誘導(dǎo)距離范圍內(nèi)作用于駕駛?cè)耍T導(dǎo)其調(diào)控自身駕駛行為。

行車過程中駕駛?cè)藢Ψ垂猸h(huán)的觀察視線示意見圖2，角度e、c分別為行駛過程中駕駛?cè)舜怪奔皞?cè)向視角，L為洞頂高度。人機工程學(xué)[7]研究表明：在e≤8°時，駕駛?cè)藢η吧戏轿矬w的視認效果最佳；對于側(cè)向，當(dāng)c≥15°時，駕駛?cè)藢β穫?cè)物體的認知能力迅速降低。在普適性原則的基礎(chǔ)上，參考JTG D70-2018 《公路隧道設(shè)計規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，本研究L取值為5.00 m。

圖2 駕駛?cè)擞^察反光環(huán)視線示意

警覺點V處駕駛?cè)藢形反光環(huán)的視認情況見圖3。v為駕駛?cè)司X距離；y為駕駛?cè)艘朁c高度(小型汽車駕駛?cè)艘朁c高度取值1.20 m)；u為V形反光環(huán)夾角；x為反光環(huán)高度；m為視點至反光環(huán)邊緣之間的高度；e表征含義與圖2相同；本文研究目的在于尋求u的合理取值，以在保障隧道空間路權(quán)的同時更好地發(fā)揮V形反光環(huán)的誘導(dǎo)效用。

圖3 駕駛?cè)藢形反光環(huán)的視認情況

2 V形反光環(huán)視認性與合理夾角分析

2.1 有效誘導(dǎo)距離

受生理結(jié)構(gòu)限制，駕駛?cè)酥粚ζ湟曇胺秶鷥?nèi)的信息進行識別，隨著車輛的行駛，路側(cè)物體所提供的視覺信息將逐漸超出駕駛?cè)艘暯情撝?，在視野范圍?nèi)消失。當(dāng)e≤8°時，駕駛?cè)藢Ψ垂猸h(huán)頂部的視認效果最佳。對于側(cè)向，當(dāng)c≥15°時，認知能力迅速降低。因此，取e為8°,c為15°時d值中的較大值，對應(yīng)位置作為反光環(huán)的消失點D，即

d=max[(x+m)/tane，w/tanc]

(1)

式中：d為消失距離，m；x為反光環(huán)高度，m；m為視點至反光環(huán)邊緣的距離，洞頂高度L為5.00 m，視點高度y為1.20 m，則有(x+m)為3.80 m；e為消失點處駕駛?cè)舜怪狈较蛞暯牵籧為消失點處駕駛?cè)艘暰€側(cè)向角；w為內(nèi)側(cè)車道中心線至側(cè)壁的距離，參考JTG B01-2014 《公路工程技術(shù)標準》和CJJ 37-2012 《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》中道路橫斷面設(shè)計標準的規(guī)定，對于低等級公路，w取值7.00 m。

由式(1)可得消失距離d為27.04 m。

已有研究表明，一般情況下，警覺距離為車輛在12 s內(nèi)所通過的路程，不同車速下駕駛?cè)司X距離值見表1[8]。

表1 不同車速下駕駛?cè)司X距離

由前述駕駛?cè)艘曊J行為分析已知

g=v-d

(2)

式中：g為有效誘導(dǎo)距離，m；v為警覺距離，m；d為消失距離，m。

依據(jù)限速標準，低等級公路隧道路段限速一般不超過40 km/h,綜合式(1)、式(2)及表1，可得低等級公路隧道反光環(huán)有效誘導(dǎo)距離見表2。

表2 低等級公路隧道反光環(huán)有效誘導(dǎo)距離

2.2 V形反光環(huán)夾角設(shè)置視認性

對于V形反光環(huán)夾角為u、高度為x的情況，有無夾角時反光環(huán)迎車面在視平面上的投影高度分別為x×cose和x×cos(e-u/2)。在駕駛?cè)藢Ψ垂猸h(huán)的視認過程中，當(dāng)

x×cose

(3)

即e>u/4時，采用夾角u后V形反光環(huán)迎車面在視平面上的投影高度和面積均有所增加，在不擴大對隧道凈空占用面積的前提下，V形反光環(huán)視認性得到增強。原因如下。

1) 反光環(huán)迎車面高度增加，其視覺誘導(dǎo)信息視角及視野投影面積均隨之增大，視認性隨之提高。

2) 降低心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對駕駛?cè)说挠绊?。心理旋轉(zhuǎn)表征人在頭腦中運用表象對物體進行二維或三維旋轉(zhuǎn)的想象過程。心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的一個重要特征就是旋轉(zhuǎn)角度越大，所需時間越長；旋轉(zhuǎn)角度越小，時間越短。V形反光環(huán)設(shè)置夾角后，駕駛?cè)诵睦硇D(zhuǎn)時間縮短，認知反應(yīng)時間也隨之縮短。

2.3 低等級公路隧道V形反光環(huán)合理夾角的確定

設(shè)駕駛?cè)搜劬εc反光環(huán)沿道路前進方向距離為k。由式(3)可知，車輛行進過程中e逐漸增加，直至當(dāng)e=u/4時，駕駛?cè)颂幱谂R界視角狀態(tài)，此處反光環(huán)夾角設(shè)置與否對其視認性無影響，此時有

kl=(x+m)/tan(u/4)

(4)

式中：kl為臨界視角時，反光環(huán)對應(yīng)臨界觀察距離，m。

在臨界視角下，駕駛?cè)死^續(xù)行駛時，V形反光環(huán)夾角u將提高其視認性，更好地發(fā)揮視線誘導(dǎo)作用。當(dāng)臨界距離不小于其消失距離時，設(shè)置夾角u可使得反光環(huán)在視平面上的投影高度和面積均增加，從而在駕駛?cè)酥饔^視認層面縮小消失距離，增大反光環(huán)有效誘導(dǎo)距離，使得駕駛?cè)吮３趾侠淼木X意識，減少疲勞狀態(tài)對其保持車速、車距及行車軌跡的影響。

根據(jù)實際工程應(yīng)用效果，V形反光環(huán)夾角設(shè)置在25°～35°范圍內(nèi)時，在防塵、阻抗風(fēng)力及自重方面均有一定的正面效果，故分別取u=25°～35°，由式(4)得不同夾角u對應(yīng)的臨界觀察距離kl，見表3。

表3 V形反光環(huán)臨界觀察距離與夾角關(guān)系

在反光環(huán)消失距離d取值為27.04 m的前提下，整理不同夾角對應(yīng)的V形反光環(huán)臨界觀察距離kl及消失距離d關(guān)系，見圖4。

圖4 臨界觀察距離kl及消失距離d關(guān)系圖

由表3及圖4可得，在夾角不大于32°的情況下，所對應(yīng)的臨界觀察距離均滿足不小于消失距離的要求，因此，合理夾角范圍為25°～32°。同時為了方便生產(chǎn)及施工單位的統(tǒng)一管理，在低等級隧道路段，建議設(shè)置V形反光環(huán)夾角值為30°，可以在考慮防塵、阻抗風(fēng)力及自重的同時，使得V形反光環(huán)視認性得到有效提高。

3 V形反光環(huán)建議夾角可行性分析

對低等級公路隧道V形反光環(huán)夾角進行合理設(shè)置，能夠大幅度提高V形反光環(huán)視認性能，增大其有效誘導(dǎo)距離。此外，合理設(shè)置V形反光環(huán)夾角具有以下優(yōu)點。

3.1 提高反光環(huán)構(gòu)件安全穩(wěn)定性

隧道路段車輛駛過時會出現(xiàn)活塞效應(yīng)，產(chǎn)生活塞風(fēng)。在自然風(fēng)與活塞風(fēng)的雙重作用下，隧道內(nèi)部斷面風(fēng)力作用勢必會對反光環(huán)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響。V形反光環(huán)采用類三角形的結(jié)構(gòu)，抗彎能力大幅提升，對于隧道風(fēng)荷載具有明顯的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，對于長期運營過程中的風(fēng)荷載和自重荷載有良好的阻抗作用。

3.2 易于施工

隧道拱頂反光環(huán)若采用鋼、鋁等硬度較大的材料會對駕駛?cè)?、行人造成安全隱患。由于V形反光環(huán)結(jié)構(gòu)特點，可采用ABS塑料取代傳統(tǒng)的鋼、鋁材料，變形能力較大，避免傷害人體及車體，同時仍可依據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)及施工技術(shù)，在不增加生產(chǎn)和施工造價的條件下予以實現(xiàn)，具有良好的施工操作性能。

3.3 保障隧道空間路權(quán)

傳統(tǒng)反光環(huán)的寬度大于20 cm會侵入公路建筑限界而被車輛刮蹭，影響反光環(huán)的使用效果且不安全。在不改變V形反光環(huán)對隧道豎向斷面占用高度的前提下，通過調(diào)整夾角的方式對其視認性和有效誘導(dǎo)距離進行調(diào)控，避免侵入隧道建筑限界，保障豎向空間路權(quán)不被侵犯，保證了車輛通過隧道路段過程中的安全凈空。

3.4 降低養(yǎng)護清洗成本

機動車在隧道內(nèi)行駛中往往會攜帶塵土并卷起塵埃顆粒物，各類污染物在隧道環(huán)境中逐漸擴散積累，吸附在反光環(huán)基體表面，影響其視認性能。而隧道洞頂反光環(huán)清洗操作困難，考慮交通安全往往需要中斷交通流。V形反光環(huán)由于具有斜切面，向下呈俯角，使得污染物在重力作用下，不易吸附在洞頂V形反光環(huán)上，可以有效防止灰塵堆積，降低運營養(yǎng)護清洗頻率及成本。

4 結(jié)語

本文根據(jù)駕駛?cè)艘曊J性特征，針對低等級公路隧道路段V形反光環(huán)合理夾角提出建議值為30°，不僅能有效提升反光環(huán)視認性，還具有保障隧道空間路權(quán)，降低清洗成本、提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，易于施工等優(yōu)點。建議在限速20～40 km/h的低等級單洞雙向公路隧道中廣泛應(yīng)用。