低等級公路隧道V形反光環(huán)合理夾角設置研究*

湯振農 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.武漢理工大學交通學院 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反光性能，從而提升公路隧道輪廓誘導功能，在公路隧道，特別是低等級公路隧道中獲得了廣泛應用。Wan H.L.等[1]研究表明設置隧道側壁標志可以顯著提高駕駛人的速度感知能力，并通過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]結合模擬試驗及心理物理試驗，指出在隧道內墻設置一定頻率的行車誘導標志可有效縮短駕駛人反應時間。杜志剛等[3]根據交通事故致因分析指出視線誘導系統(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、經濟性好、安全效益高等特點。尚婷等[4]基于駕駛人瞳孔變化對隧道反光環(huán)色彩設置進行了研究，發(fā)現黃色對瞳孔面積變化影響最大，且反光環(huán)色彩值與駕駛人瞳孔面積呈負相關。段萌萌等[5]利用模擬試驗分析了不同速度下反光環(huán)間距對駕駛人瞳孔的影響，發(fā)現反光環(huán)間距值與駕駛人瞳孔面積呈負相關。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效用，發(fā)現合理布設3個反光環(huán)能夠使駕駛人在更短的時間內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構穩(wěn)定性等方面具有較大優(yōu)勢，逐步應用于單洞雙向的低等級公路隧道中。但目前其夾角度數仍僅是依靠經驗進行設置，缺乏理論支撐。本文擬從駕駛人動態(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)合理夾角設置范圍，進一步規(guī)范低等級公路隧道V形反光環(huán)相關設置標準。

1 反光環(huán)視認性分析

反光環(huán)外形輪廓與隧道內壁輪廓一致，能夠改善駕駛人在隧道行車環(huán)境中的空間感和方向感。行車過程中，駕駛人對反光環(huán)視認過程見圖1，并設定如下。

1)R點為駕駛人動態(tài)遠視點，此處駕駛人與反光環(huán)之間的距離為動態(tài)遠視距離r，表征行車過程中駕駛人眼睛與所能看清的最遠物體之間的距離。

2)F點為感知點，駕駛人在此處感知到反光環(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，駕駛人在此處能夠清晰辨識反光環(huán)構件，與反光環(huán)之間的距離為辨識距離b。

4)N點為注意點，視覺感知信息經中樞系統(tǒng)處理，反光環(huán)的存在引起駕駛人的注意, 駕駛人與反光環(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)的刺激引起駕駛人的足夠警覺，開始誘導其干預自身駕駛行為，駕駛人與反光環(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)在駕駛人視域范圍內逐漸模糊，直至消失，此處駕駛人與反光環(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)的存在對于誘導駕駛人調控其駕駛行為開始有所作用，而在消失點R處反光環(huán)已無法為駕駛人提供有效的視覺刺激。定義警覺點V與消失點D之間的距離為反光環(huán)有效誘導距離g，即有效g(誘導距離)=v(警覺距離)-d(消失距離)。反光環(huán)在有效誘導距離范圍內作用于駕駛人，誘導其調控自身駕駛行為。

行車過程中駕駛人對反光環(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人垂直及側向視角，L為洞頂高度。人機工程學[7]研究表明：在e≤8°時，駕駛人對前上方物體的視認效果最佳；對于側向，當c≥15°時，駕駛人對路側物體的認知能力迅速降低。在普適性原則的基礎上，參考JTG D70-2018 《公路隧道設計規(guī)范》有關規(guī)定，本研究L取值為5.00 m。

圖2 駕駛人觀察反光環(huán)視線示意

警覺點V處駕駛人對V形反光環(huán)的視認情況見圖3。v為駕駛人警覺距離；y為駕駛人視點高度(小型汽車駕駛人視點高度取值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的同時更好地發(fā)揮V形反光環(huán)的誘導效用。

圖3 駕駛人對V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 有效誘導距離

受生理結構限制，駕駛人只對其視野范圍內的信息進行識別，隨著車輛的行駛，路側物體所提供的視覺信息將逐漸超出駕駛人視角閾值，在視野范圍內消失。當e≤8°時，駕駛人對反光環(huán)頂部的視認效果最佳。對于側向，當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為消失點處駕駛人垂直方向視角；c為消失點處駕駛人視線側向角；w為內側車道中心線至側壁的距離，參考JTG B01-2014 《公路工程技術標準》和CJJ 37-2012 《城市道路工程設計規(guī)范》中道路橫斷面設計標準的規(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內所通過的路程，不同車速下駕駛人警覺距離值見表1[8]。

表1 不同車速下駕駛人警覺距離

由前述駕駛人視認行為分析已知

g=v-d

(2)

式中：g為有效誘導距離，m；v為警覺距離，m；d為消失距離，m。

依據限速標準，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)有效誘導距離見表2。

表2 低等級公路隧道反光環(huán)有效誘導距離

2.2 V形反光環(huán)夾角設置視認性

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)。在駕駛人對反光環(huán)的視認過程中，當

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) 降低心理旋轉效應對駕駛人的影響。心理旋轉表征人在頭腦中運用表象對物體進行二維或三維旋轉的想象過程。心理旋轉效應的一個重要特征就是旋轉角度越大，所需時間越長；旋轉角度越小，時間越短。V形反光環(huán)設置夾角后，駕駛人心理旋轉時間縮短，認知反應時間也隨之縮短。

2.3 低等級公路隧道V形反光環(huán)合理夾角的確定

設駕駛人眼睛與反光環(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e=u/4時，駕駛人處于臨界視角狀態(tài)，此處反光環(huán)夾角設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)對應臨界觀察距離，m。

在臨界視角下，駕駛人繼續(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)揮視線誘導作用。當臨界距離不小于其消失距離時，設置夾角u可使得反光環(huán)在視平面上的投影高度和面積均增加，從而在駕駛人主觀視認層面縮小消失距離，增大反光環(huán)有效誘導距離，使得駕駛人保持合理的警覺意識，減少疲勞狀態(tài)對其保持車速、車距及行車軌跡的影響。

根據實際工程應用效果，V形反光環(huán)夾角設置在25°～35°范圍內時，在防塵、阻抗風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，整理不同夾角對應的V形反光環(huán)臨界觀察距離kl及消失距離d關系，見圖4。

圖4 臨界觀察距離kl及消失距離d關系圖

由表3及圖4可得，在夾角不大于32°的情況下，所對應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°。同時為了方便生產及施工單位的統(tǒng)一管理，在低等級隧道路段，建議設置V形反光環(huán)夾角值為30°，可以在考慮防塵、阻抗風力及自重的同時，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，增大其有效誘導距離。此外，合理設置V形反光環(huán)夾角具有以下優(yōu)點。

3.1 提高反光環(huán)構件安全穩(wěn)定性

隧道路段車輛駛過時會出現活塞效應，產生活塞風。在自然風與活塞風的雙重作用下，隧道內部斷面風力作用勢必會對反光環(huán)的結構穩(wěn)定性造成影響。V形反光環(huán)采用類三角形的結構，抗彎能力大幅提升，對于隧道風荷載具有明顯的結構優(yōu)勢，對于長期運營過程中的風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人、行人造成安全隱患。由于V形反光環(huán)結構特點，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，同時仍可依據現有生產及施工技術，在不增加生產和施工造價的條件下予以實現，具有良好的施工操作性能。

3.3 保障隧道空間路權

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，通過調整夾角的方式對其視認性和有效誘導距離進行調控，避免侵入隧道建筑限界，保障豎向空間路權不被侵犯，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 結語

本文根據駕駛人視認性特征，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，降低清洗成本、提高結構穩(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用。