基于視覺(jué)連續(xù)性的隧道內(nèi)標(biāo)志設(shè)置版面與位置研究

吳朝陽(yáng)，董愛(ài)強(qiáng)

(1．長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；

2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)院研究院有限公司，陜西 西安 710075)

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基于視覺(jué)連續(xù)性的隧道內(nèi)標(biāo)志設(shè)置版面與位置研究

吳朝陽(yáng)1，董愛(ài)強(qiáng)2

(1．長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；

2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)院研究院有限公司，陜西 西安 710075)

摘要:為了研究特殊情況下隧道內(nèi)標(biāo)志設(shè)置的理論及辦法，通過(guò)分析隧道內(nèi)有無(wú)緊急停車帶的建筑凈空限界，結(jié)合駕駛員的心理、生理特征，計(jì)算隧道內(nèi)標(biāo)志版面設(shè)置的合理幾何尺寸；針對(duì)高速公路隧道路段運(yùn)行環(huán)境特性，提出基于視覺(jué)連續(xù)性理念的隧道內(nèi)標(biāo)志設(shè)置，分別分析并計(jì)算在隧道內(nèi)直線、平曲線及結(jié)合豎曲線的路段標(biāo)志版面的設(shè)置位置，為隧道與互通式立交小凈距的隧道內(nèi)合理設(shè)置標(biāo)志版面幾何尺寸及位置提供理論指導(dǎo)。研究結(jié)果表明：隧道內(nèi)標(biāo)志設(shè)置的幾何尺寸受到建筑凈空的限制，其尺寸與通常情況下的尺寸不同，此外，通過(guò)視覺(jué)連續(xù)性的分析得出了標(biāo)志在不同的隧道線形指標(biāo)下設(shè)置的合適位置。

關(guān)鍵詞：隧道；平曲線；豎曲線；視覺(jué)連續(xù)性；標(biāo)志牌尺寸；標(biāo)志牌位置

經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)高速公路的建設(shè)從平原、微丘區(qū)逐漸轉(zhuǎn)移到山區(qū)。山區(qū)高速隧道群、隧道與互通式立交小凈距工程越來(lái)越多。隧道路段與基本路段車輛運(yùn)行特征不同，特別是隧道與互通式立交小凈距的隧道路段。在此路段設(shè)置標(biāo)志時(shí)要充分考慮其特殊性，隧道內(nèi)如果需要設(shè)置標(biāo)志版，其只能設(shè)置在隧道凈空限界之外，但是凈空限界之外的空間有限，為了設(shè)置標(biāo)志版面而擴(kuò)大隧道標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)輪廓斷面，會(huì)成倍增加造價(jià)。此外如需將預(yù)告標(biāo)志設(shè)置與隧道內(nèi)，其預(yù)告標(biāo)志應(yīng)連續(xù)出現(xiàn)，應(yīng)能起到反復(fù)提醒駕駛員和預(yù)告的作用。一方面國(guó)內(nèi)相關(guān)的規(guī)范未對(duì)此做出專門的準(zhǔn)確的規(guī)定，另一方面國(guó)內(nèi)研究隧道出入口與互通立交間距較小時(shí)候的標(biāo)志設(shè)置文獻(xiàn)較多，但是對(duì)如何在隧道內(nèi)標(biāo)志設(shè)置的幾何尺寸及位置研究較少，美國(guó)MUTCD2009版中對(duì)隧道出入口標(biāo)志牌設(shè)置做了說(shuō)明[1]。本文以隧道內(nèi)輪廓斷面不變?yōu)榍疤?，分析?jì)算了不同車道數(shù)、是否有緊急停車帶時(shí)的標(biāo)志版面幾何尺寸；基于駕駛員視覺(jué)連續(xù)性，提出了在隧道內(nèi)直線、平曲線和豎曲線路段的標(biāo)志設(shè)置的位置，為隧道與互通式立交小凈距路段的交通安全提供保障。

1隧道內(nèi)標(biāo)志版幾何尺寸擬定

1.12車道隧道內(nèi)輪廓

經(jīng)過(guò)多年的工程實(shí)踐和理論分析，《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中規(guī)定的兩車道隧道標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)輪廓斷面即拱部為單心半圓，側(cè)墻為大半徑圓弧，仰拱與側(cè)墻間用小半徑圓弧連接。根據(jù)各設(shè)計(jì)速度相應(yīng)的建筑限界，可分別計(jì)算出內(nèi)輪廓斷面幾何尺寸。現(xiàn)以設(shè)計(jì)速度為100 km/h為例，進(jìn)行計(jì)算。

圖1　隧道內(nèi)標(biāo)志版面設(shè)置圖Fig.1 Setting signs in tunnel

圖2　隧道內(nèi)輪廓與標(biāo)志板面尺寸關(guān)系圖Fig.2 Relationship between tunnel profile and the size of the sign

在隧道內(nèi)設(shè)置標(biāo)志版面如圖1～圖2所示，標(biāo)志版面不得侵入建筑凈空限界，標(biāo)志牌距離隧道內(nèi)輪框L1為安裝距離，標(biāo)志版面高度為L(zhǎng)2，長(zhǎng)度為L(zhǎng)3。

R2=L2+(L1+L2+3.75)2

(1)

可得：

(2)

式中：R為隧道內(nèi)輪廓半徑；L為標(biāo)志版面長(zhǎng)度的一半；L1為標(biāo)志版面安裝距離，取5～10 cm；L2為標(biāo)志版面高度，按表1和表2取值。

表1　漢字高度與速度的關(guān)系

表2　文字的間隔、行距等的規(guī)定

圖3　標(biāo)志版面大樣圖Fig.3 Layout of the sign

1.23車道隧道內(nèi)輪廓

3車道隧道計(jì)算分析過(guò)程同雙車道隧道的計(jì)算分析過(guò)程類似。隧道內(nèi)標(biāo)志版面幾何尺寸建議值如表3所示。

表3　隧道內(nèi)標(biāo)志版面幾何尺寸建議值

注：H×l表示標(biāo)志版面的高×長(zhǎng)。

由表3可知，無(wú)緊急停車帶的雙車道隧道由于建筑凈空的限制不適合設(shè)置圖3(b)的標(biāo)志版面，只能設(shè)置圖3(a)的標(biāo)志版面，其他都結(jié)合實(shí)際情況選擇設(shè)置圖3(a)和圖3(b)的標(biāo)志版面設(shè)置類型，標(biāo)志版面尺寸在滿足駕駛員視覺(jué)需求的情況下，不能超出表3擬定幾何尺寸，否則會(huì)侵入建筑凈空限界之內(nèi)，影響行車的運(yùn)營(yíng)安全。

2隧道內(nèi)標(biāo)志版面設(shè)置位置

2.1基于視覺(jué)特性的隧道口標(biāo)志設(shè)置位置

暗適應(yīng)和光適應(yīng)，當(dāng)人從光亮的地方進(jìn)入暗室時(shí)，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的適應(yīng)，才能逐漸看到物體，這就是暗適應(yīng)現(xiàn)象。這種在黑暗中視覺(jué)感受逐步提高的過(guò)程叫暗適應(yīng)。

暗適應(yīng)包括2種生理過(guò)程：瞳孔大小的變化和錐體視覺(jué)向桿體視覺(jué)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。從光亮外進(jìn)入黑暗的環(huán)境，瞳孔直徑可由2 mm擴(kuò)大到8 mm，使進(jìn)入眼球的光線增加10～20倍[5]。

研究表明，在駕駛員進(jìn)入隧道后至少經(jīng)過(guò)10 s后再設(shè)置標(biāo)志牌，否則設(shè)置了駕駛員也看不見(jiàn)或者看不清楚，距離隧道入口距離T按下式計(jì)算[6]：

(3)

式中：T為標(biāo)志版面距離隧道入口距離，m；V為設(shè)計(jì)速度，km/h；t為行駛時(shí)間，取值10 s。

根據(jù)上式計(jì)算標(biāo)志版面距離隧道入口距離如表4所示。

2.2基于直線段的隧道內(nèi)標(biāo)志版面設(shè)置位置

在直線路段一般不會(huì)存在視距不良路段，但是駕駛員受心理和生理的限制，不會(huì)看到無(wú)限遠(yuǎn)，距離過(guò)遠(yuǎn)時(shí)即使看見(jiàn)也識(shí)別不了版面信息，所以在隧道內(nèi)直線路段設(shè)置版面標(biāo)志時(shí)不能隨意設(shè)置，應(yīng)該充分考慮駕駛員的在不同視力情況下對(duì)不同字高所需的視認(rèn)距離。

表4標(biāo)志版面距離隧道入口距離建議值

Table 4 Recommended value of the distance between the sign and entrance in tunnel

設(shè)計(jì)速度/(km·h-1)406080100120標(biāo)志版面距離隧道入口距離/m111.1167.7222.2277.7333.3取整標(biāo)志版面距離隧道入口距離/m110170220280330

2.3基于平曲線的隧道內(nèi)標(biāo)志設(shè)置位置

2.3.1隧道內(nèi)的視點(diǎn)位置確定

作為道路設(shè)計(jì)依據(jù)的小客車和載重汽車的寬度分別為1.8 m和2.5 m。根據(jù)調(diào)查，小客車的視點(diǎn)大約在其左側(cè)0.5 m的位置，載重汽車的視點(diǎn)大約在其左側(cè)0.6 m的位置，視點(diǎn)位置可確定在高度為1.2 m的地方[7，10]，如圖4所示。

圖4　駕駛員的視點(diǎn)位置Fig.4 Position of the driver’s viewpoint

該視點(diǎn)位置為車輛基本保持在行車道中間正常行駛的情況。不利情況是車輛靠近左側(cè)路緣帶行駛,屬非正常情況且行駛時(shí)間較短，故文中未作考慮。

表5　公路隧道建筑限界橫斷面組成最小寬度

2.3.2橫凈距確定

根據(jù)《隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，當(dāng)設(shè)計(jì)速度>60 km/h時(shí)行車道寬度為3.75 m，當(dāng)設(shè)計(jì)速度為60 km/h時(shí)行車道寬度為3.50 m；當(dāng)設(shè)計(jì)速度為120 km/h時(shí)右側(cè)側(cè)向余寬為1.25 m，當(dāng)設(shè)計(jì)速度為100 km/h時(shí)右側(cè)側(cè)向余寬為1.00 m，當(dāng)100 km/h>設(shè)計(jì)速度≥60 km/h時(shí)右側(cè)側(cè)向余寬為0.75 m；當(dāng)設(shè)計(jì)速度V≥60 km/h時(shí)右側(cè)檢修道寬度為0.75 m，如表5所示。根據(jù)上述情況計(jì)算隧道內(nèi)最外側(cè)車道的橫凈距如表6～7所示。

表6右偏隧道內(nèi)最外側(cè)車道的橫凈距

Table 6 Net cross spacing of the outermost lane in the right side tunnel

設(shè)計(jì)速度/(km·h-1)小車橫凈距/m大車橫凈距/m1204.2754.5251004.0254.275803.7754.025603.6503.900

表7左偏隧道內(nèi)最外側(cè)車道的橫凈距

Table 7 Net cross spacing of the outermost lane in the lift side tunnel

設(shè)計(jì)速度/(km·h-1)小車橫凈距/m大車橫凈距/m1203.7754.0251003.5253.775803.5253.775603.4003.650

在隧道內(nèi)橫凈距是已知的，在圓曲線上設(shè)置標(biāo)志版面距離不宜大于視距S，平曲線內(nèi)橫凈距計(jì)算公式為：

(4)

上式右項(xiàng)泰勒展開(kāi)式得：

(5)

(6)

2.3.3隧道內(nèi)視距S2計(jì)算值

駕駛員雖然能看到S范圍之內(nèi)物體，但是由于隧道內(nèi)標(biāo)志版面的特殊性，BB`恰好是標(biāo)志版面與駕駛員視線相切的點(diǎn)，在S1范圍內(nèi)只看得到部分標(biāo)志版面上的信息(例如CC`)，因此，駕駛員能完全看到標(biāo)志版面的有效范圍是S2，S1和S2根據(jù)圖5幾何關(guān)系按下式計(jì)算：

(7)

(8)

圖5　平曲線內(nèi)標(biāo)志位置設(shè)置示意圖Fig.5 Set of the sign in horizontal curve

式中：h為最大橫凈距，m；S為視距，m；R為圓曲線半徑；RS為汽車行駛軌跡半徑(即視點(diǎn)位置半徑)，m。

應(yīng)根據(jù)地址、地形、路線走向、通風(fēng)等因素確定隧道的平曲線線形。當(dāng)設(shè)為曲線時(shí)，不宜采用設(shè)超高的平曲線，并且不應(yīng)采用設(shè)加寬的平曲線。隧道內(nèi)圓曲線半徑不宜小于表8規(guī)定值[2]。

表8　隧道路段曲線半徑

右偏隧道內(nèi)視距S計(jì)算值見(jiàn)表9。

表9　右偏隧道內(nèi)視距S計(jì)算值

注：括號(hào)外表示小客車計(jì)算值，“()”內(nèi)表示貨車計(jì)算值。

左偏隧道內(nèi)視距S計(jì)算值見(jiàn)表10。

表10　左偏隧道內(nèi)視距S計(jì)算值

注：括號(hào)外表示小客車計(jì)算值，“()”內(nèi)表示貨車計(jì)算值。

2.3.4隧道內(nèi)視距S2值的建議值

在設(shè)有平曲線的隧道內(nèi)，如果圓曲線半徑過(guò)小，由于隧道內(nèi)的橫凈距值較小，會(huì)導(dǎo)致視距不良，駕駛員在平曲線的前半段不能看到平曲線的后半段，若標(biāo)志版面設(shè)置在駕駛員看不見(jiàn)區(qū)域，就起不到及時(shí)提醒駕駛員提前做好準(zhǔn)備的作用，不利于行車安全；如果平曲線很大，雖然視距良好，但受駕駛員心理和生理的影響，標(biāo)志牌設(shè)置位置不宜大于表11規(guī)定值。綜合上述，版面標(biāo)志牌設(shè)置間距建議值如表11～12所示。

表11　右偏隧道內(nèi)視距S計(jì)算值

注：括號(hào)外表示小客車計(jì)算值，“()”內(nèi)表示貨車計(jì)算值。

表12　左偏隧道內(nèi)視距S計(jì)算值

注：括號(hào)外表示小客車計(jì)算值，“()”內(nèi)表示貨車計(jì)算值。

2.4基于豎曲線的隧道內(nèi)標(biāo)志設(shè)置位置

由圖6幾何關(guān)系可得：

φ=2α=2β

(9)

(10)

(11)

(12)

L1=ηR

(13)

L2=L-L1

(14)

式中：ψ為垂直方向上方視野，取值30°～50°[8]；φ為垂直方向下方視野；η為L(zhǎng)1弧長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的圓心角；α為AB弧長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的圓心角；β為BC弧長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的圓心角；γ為L(zhǎng)2弧長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的圓心角；H為凈空高度，一般取5 m[9]；R為豎曲線半徑；Δh為駕駛員視點(diǎn)高度。

隧道內(nèi)豎曲線半徑不宜小于表8規(guī)定值[9]。由式(9)～(14)計(jì)算得豎曲線路段內(nèi)L2計(jì)算值見(jiàn)表14。

表13　豎曲線最小半徑

表14　豎曲線路段內(nèi)L2

注：括號(hào)外表示小客車計(jì)算值，“()”內(nèi)表示貨車計(jì)算值。

3結(jié)論

1)隧道內(nèi)標(biāo)志版面設(shè)置單行文字和雙方文字所需要的版面幾何尺寸不同(結(jié)果見(jiàn)表3)，有無(wú)緊急停車帶的標(biāo)志版面的幾何尺寸也不同，設(shè)計(jì)速度80 km/h的無(wú)緊急停車帶的雙車道隧道，標(biāo)志版面不能設(shè)置雙行文字，為隧道與互通式立交小凈距的隧道內(nèi)合理設(shè)置標(biāo)志版面幾何尺寸提供理論指導(dǎo)。

2)在平曲線路段，大貨車和小客車的標(biāo)志設(shè)置間距計(jì)算結(jié)果非常相近，可以按照小客車的計(jì)算結(jié)果作為參考依據(jù)來(lái)設(shè)置標(biāo)志間距。

3)在平曲線路段，左偏曲線和右偏曲線之間的計(jì)算結(jié)果相差較大，在設(shè)置標(biāo)志版面時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的曲線偏向及曲線半徑設(shè)置不同的標(biāo)志間距，為隧道與互通式立交小凈距的隧道位于平曲線時(shí)的標(biāo)志版面設(shè)置位置提供理論指導(dǎo)。

4)計(jì)算結(jié)果表明，滿足視距所需要的凸型豎曲線半徑遠(yuǎn)小于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的隧道內(nèi)豎曲線半徑值。因此，在凸形豎曲線路段，滿足《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的隧道內(nèi)豎曲線半徑值也能滿足視距的要求，按照《公路交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)置手冊(cè)》規(guī)定布設(shè)標(biāo)志版面可以滿足行車安全的需要。

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(編輯陽(yáng)麗霞)

Setting of traffic sign in tunnel based on the visual continuity

WU Zhaoyang1, DONG Aiqiang2

(1.Highway School, Chang’an University, Xi’an 710064, China;2.CCCC First Highway Consultants CO., LTD, Xi’an 710075, China)

Abstract:In order to study the theory and method of setting traffic sign in tunnel under special circumstance, this paper determined the size of traffic signs in tunnel, by analyzing the clearance of the tunnel that with the emergency strip or not, combined with driver’s psychological, physiological characteristics. Base on the special traveling environment characteristics of the tunnel and the concept of the visual continuity of the driver. The exact positions of the traffic signs that should be set in the tunnelshorizontal curve and vertical curve were analyzed and calculated. Theoretical guidances to determine the traffic signssize and exact position in the tunnel which have limits net distance with the interchange were also provided in this paper. The study shows that: due to the limits of the tunnel clearance, it needs different size of the sign. And base on the visual continuity, right position for the sign is determined.

Key words:tunnel; horizontal alignment; vertical alignment; visual continuity; signs size; signs location

中圖分類號(hào)：U417.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)02-0369-06

通訊作者：吳朝陽(yáng)(1987-)，男，陜西興平人，博士研究生，從事公路工程(道路勘測(cè)設(shè)計(jì)，交通安全)的研究；E-mail:wuzhaoyang1208@126.com

收稿日期：2015-07-06