反光膜對公路隧道內(nèi)部光環(huán)境和行車安全性的改善研究

梁 奇

（山西省交通建設(shè)中心，山西 太原 030006）

公路隧道具有縮短里程、節(jié)約時間、提高交通運輸效率、節(jié)約用地和有利于保護生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點，因而在山區(qū)高速公路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。由于公路隧道頂部和兩側(cè)封閉等構(gòu)造的特殊性，會使駕駛?cè)藛T途經(jīng)隧道時產(chǎn)生“黑洞效應(yīng)”“白洞效應(yīng)”“黑框現(xiàn)象”、管狀視覺和閃爍等特殊的視覺現(xiàn)象。因此，隧道內(nèi)需要采用人工照明以減少特殊視覺現(xiàn)象對交通安全的影響。為降低隧道照明費用，業(yè)內(nèi)人士在照明光源、控制智能化方面做了較多的努力和嘗試，特別是LED燈具和無級調(diào)光方式的應(yīng)用，在降低隧道照明耗能方面取得了一定的成果，但目前隧道照明能耗依然巨大。

為了在確保行車安全的前提下實現(xiàn)隧道照明節(jié)能，學(xué)者們已進行了大量研究，研究的重點主要集中在隧道的接近段[1-3]、入口段[4-7]及隧道照明設(shè)計方法[8-12]等方面。為了降低隧道行車安全風(fēng)險、改善行車環(huán)境，很多工程項目中在隧道側(cè)壁裝飾、線形誘導(dǎo)標(biāo)志、輪廓標(biāo)志方面做了嘗試和實踐，有的甚至已成為標(biāo)準(zhǔn)做法寫在隧道機電或交通安全設(shè)施規(guī)范中。已有公路隧道按此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置了一些以白色反光膜為主要材料的被動反光環(huán)，獲得了廣大司乘人員的好評。工程實踐表明，在保持相近甚至略低的照明水平條件下，通過增設(shè)反光材料進而改善隧道內(nèi)光環(huán)境后，對提高駕駛員駕車舒適性、降低行車事故率、提升交通安全感效果明顯。

為了探索反光材料在公路隧道應(yīng)用中的新形式，充分利用汽車前照燈光改善駕駛員在隧道內(nèi)行車時感受到的光環(huán)境，并評估其行車安全性，筆者依托長邯高速改擴建工程中新建的東陽關(guān)隧道，在隧道內(nèi)側(cè)壁適宜的高度有規(guī)律地布設(shè)高性能的反光膜，結(jié)合原有的隧道照明燈具和控制手段，采用科學(xué)的試驗和測試的方法，研究反光膜對公路隧道內(nèi)部光環(huán)境和行車安全性的改善效果。

1 工程概況

長邯高速改擴建工程新建東陽關(guān)隧道位于山西省黎城縣東陽關(guān)鎮(zhèn)，隧道采用“單洞單向三車道”布設(shè)方案，全長3 360 m，設(shè)計時速80 km/h。隧道建筑限界凈寬為0.75+0.5+3×3.75+0.75+0.75=14.00 m，建筑限界凈高為5.0 m。隧道進口300 m采用復(fù)合式路面，洞內(nèi)采用水泥混凝土路面。

隧道照明系統(tǒng)是按照《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014）進行設(shè)計，劃分為入口段1、入口段2、過渡段1、過渡段2、基本段、出口段1和出口段2共7個照明段。

隧道照明選擇35 W的LED燈作為基本照明光源，在隧道兩側(cè)按照10 m間距交錯布燈；入口段1，在每兩盞LED燈之間再均勻布置4盞400 W的高壓鈉燈（HPS）和兩盞150 W的HPS；在入口段2，在每兩盞LED燈之間均勻布置兩盞400 W的HPS和兩盞100 W的HPS；在過渡段1，在每兩盞LED燈之間均勻布置兩盞150 W的HPS和一盞100 W的HPS；在過渡段2，在每兩盞LED燈中間位置布置一盞100 W的HPS；在基本段僅布置基本照明，即在隧道兩側(cè)間隔10 m交錯布置35 W的LED燈；出口段1的照明水平設(shè)計值與過渡段2相同，布燈方式也與過渡段2相同，即在每兩盞LED燈中間位置再布置一盞100 W的HPS；在出口段2，在每兩盞LED燈中間位置再布置一盞250 W的HPS。所有燈具的安裝高度均為5.5 m。燈具布置方式如圖1所示。

圖1 隧道燈具布置方式

2 反光膜布設(shè)方式

為了充分利用汽車前照燈光為駕駛員構(gòu)建舒適的隧道內(nèi)光環(huán)境，在新建東陽關(guān)隧道按照已有相關(guān)規(guī)范設(shè)計的誘導(dǎo)標(biāo)和輪廓標(biāo)的基礎(chǔ)上，在兩側(cè)隧道壁上再增設(shè)一套反光膜系統(tǒng)。在汽車燈的照射下，隧道兩側(cè)新增反光膜預(yù)期形成兩條基本連續(xù)的縱向光帶。需要指出的是，隧道中的輪廓標(biāo)是具有視線誘導(dǎo)功能的交通安全設(shè)施，設(shè)置的主要目的是通過其具有的逆反射性能來指示道路的方向、行車道的邊界，以便行車人員更清楚地識別公路隧道的線型及輪廓，從而指引車輛安全行駛；反光膜是一種交通安全工程領(lǐng)域中常見的反光材料，也具有逆反射性能，設(shè)置的主要目的是借助在隧道內(nèi)行駛的汽車前照燈燈光改善隧道內(nèi)的行車光環(huán)境，從而提升隧道內(nèi)的行車安全性。由于兩者設(shè)置的目的不同，兩者的尺寸和安裝方式都不同，輪廓標(biāo)的尺寸小于本文提出的反光膜尺寸，安裝高度低于反光膜的安裝高度，安裝間距大于反光膜的安裝間距。

在隧道內(nèi)壁安裝反光膜的位置是弧面，為了使反光膜安裝后與隧道壁吻合，并使反光膜與隧道斷面形狀基本一致，將反光膜的形狀加工成扇形。反光膜的形狀和尺寸如圖2所示，反光膜的外?。拷淼辣趥?cè)）長度為70 cm，內(nèi)弧長度為65 cm，寬度為15 cm，扇形反光膜弧形與隧道側(cè)壁一致。該反光膜尺寸基本能覆蓋所有車型前照燈高度的變化范圍。為了使不同車型的駕駛員都能獲得合適的觀測角，新增反光膜系統(tǒng)安裝在隧道兩側(cè)的隧道壁上，反光膜下邊緣到路面的垂直距離為110 cm，反光膜安裝位置如圖3所示。

圖2 反光膜的尺寸（單位：cm）

圖3 隧道反光膜安裝位置示意圖（單位：cm）

增設(shè)反光膜的目的是對駕駛員形成一條基本連續(xù)的光帶，在提高隧道內(nèi)誘導(dǎo)性的同時，提高駕駛員感受到的環(huán)境亮度。通過試驗確定反光膜合適的安裝間距，反光膜的安裝間距選擇4 m和8 m兩種尺寸。沿著隧道行車方向，從隧道入口開始的前1 km范圍內(nèi)，相鄰兩塊反光膜的間距為4 m；從隧道入口開始1 km之后，反光膜安裝間距取為8 m。

該隧道的建筑界限寬度為14 m，若駕駛員位于中間行車道中心線（駕駛員距隧道壁的距離為7 m），駕駛員駕車時注視前方100 m遠(yuǎn)處的路面，則駕駛員看到的反光膜在隧道壁上留下的陰影長度約為2.2 m，即，駕駛員看到的反光膜之間的間隔比實際間隔縮短約2.2 m，其幾何關(guān)系如圖4所示。當(dāng)安裝間距為4 m時，駕駛員實際看到的前方100 m處的反光膜之間的間距為1.8 m左右；當(dāng)安裝間距為8 m時，駕駛員實際看到的前方100 m處的反光膜之間的間距為5.8 m左右。

圖4 駕駛員在中間車道看到的反光膜的陰影示意圖（單位：m）

反光膜選擇黃色和白色兩種，沿著行車方向，左側(cè)隧道壁上安裝黃色反光膜，右側(cè)隧道壁上安裝白色反光膜。圖5是安裝了反光膜隧道內(nèi)環(huán)境。

圖5 安裝了反光膜的隧道

3 反光膜對隧道光環(huán)境的改善效果

隧道光環(huán)境是指駕駛員在隧道內(nèi)駕車時所處的光環(huán)境，可以用駕駛員20°視場內(nèi)的景物平均亮度表示。隧道內(nèi)的光環(huán)境影響駕駛員的生理指標(biāo)和心理狀態(tài)變化，進而影響行車安全。隧道內(nèi)的環(huán)境因素較多，既有亮度較低的隧道頂、隧道壁和路面，又有亮度較高的光源，還有各種標(biāo)志、標(biāo)線、標(biāo)牌，不同景物的亮度各不相同，為了便于表達隧道內(nèi)光環(huán)境的亮度水平，采用PR-920數(shù)字影像亮度計測量隧道內(nèi)基本段的環(huán)境亮度。用PR-920數(shù)字影像亮度計在現(xiàn)場拍照后，可以在配套的電腦上操作計算指定區(qū)域的景物平均亮度，便于獲得駕駛員20°視場內(nèi)的景物平均亮度。

用PR-920數(shù)字影像亮度計測量隧道內(nèi)的環(huán)境平均亮度時，將測試車輛按照行車方向停在中間行車道的中心線位置，并開啟遠(yuǎn)光燈；將PR-920數(shù)字影像亮度計安裝在測試車輛駕駛員一側(cè)的車外，使鏡頭高度與駕駛員坐在車內(nèi)的視線高度基本一致，鏡頭對著行車方向的前方；將照明工況分別調(diào)整到擬測試的工況狀態(tài)；操作計算機測試該工況下隧道內(nèi)的平均亮度。

實測隧道中反光膜有兩種間距：從隧道入口開始的前1 km范圍內(nèi)，相鄰兩塊反光膜的間距為4 m；從隧道入口開始1 km之后，反光膜安裝間距取為8 m（隧道長度約2.4 km）。為了獲取更多反光膜安裝間距情況下的隧道環(huán)境亮度，從而確定反光膜安裝間距的合理值，隧道最后1 km的反光膜每隔一塊用黑色物品遮擋一塊，得到反光膜間距為16 m的情況。即，測試時反光膜間距有4 m、8 m和16 m三種情況。

考慮測試用車的代表性，測試選用江西五十鈴生產(chǎn)的瑞邁皮卡車。車身尺寸：5 190 mm×1 860 mm×1 785 mm（長×寬×高）；車輛遠(yuǎn)光燈和近光燈光源均為鹵素?zé)?。測試用車車況良好，車輛前照燈正常，前照燈罩上無污染。圖6為用PR-920數(shù)字影像亮度計測量隧道內(nèi)光環(huán)境的照片。

圖6 PR-920數(shù)字影像亮度計現(xiàn)場實測照片

在工況Ⅰ（照明燈全開）、工況Ⅱ（兩側(cè)燈各關(guān)閉1/2）和工況Ⅲ（左側(cè)燈全關(guān)、右側(cè)燈關(guān)閉1/2）照明工況下，反光膜間距分別為4 m、8 m和16 m時測試得到的駕駛員20°視場的平均亮度見表1和圖7。

表1 不同照明工況下不同間距反光膜隧道段的光環(huán)境平均亮度 cd/m2

圖7 不同照明工況下不同間距反光膜隧道段的光環(huán)境平均亮度

從表1和圖7可以看出，3種照明工況下均為反光膜間距為4 m的隧道段的環(huán)境亮度最高，反光膜間距為16 m的隧道段的環(huán)境亮度最低。反光膜間距為8 m的隧道段所用反光膜的數(shù)量為反光膜間距為4 m的隧道段所用反光膜數(shù)量的一半，但環(huán)境亮度僅比反光膜間距為4 m的隧道段的環(huán)境亮度降低約10%，環(huán)境亮度降低不明顯；反光膜間距為16 m的隧道段所用反光膜的數(shù)量雖然僅為反光膜間距為4 m的隧道段所用反光膜數(shù)量的25%，但環(huán)境亮度卻比反光膜間距為4 m的隧道段的環(huán)境亮度降低約50%，已經(jīng)難以達到利用反光膜提高環(huán)境亮度的目的。因此，從改善環(huán)境亮度的角度來看，最經(jīng)濟有效的反光膜間距為8 m。

4 反光膜對行車安全性的改善效果

隧道內(nèi)光環(huán)境是否能確保行車安全可以通過駕駛員對路面上障礙物的發(fā)現(xiàn)距離判斷：如果駕駛員能在一個停車視距外發(fā)現(xiàn)路面上的障礙物，駕駛員有足夠的時間對障礙物做出避讓措施，就能確保行車安全；反之，如果駕駛員不能在一個停車視距外發(fā)現(xiàn)路面上的障礙物，則駕駛員在發(fā)現(xiàn)障礙物后沒有足夠時間做出避讓措施，有可能使車輛撞到障礙物而發(fā)生交通事故，無法確保行車安全。

基于該思路，筆者在各典型照明工況下在各照明段路面上的隨機位置放置大小為0.2 m×0.2 m×0.2 m、反射系數(shù)為0.2的正方體標(biāo)準(zhǔn)小目標(biāo)障礙物，讓駕駛員盡可能按照隧道的設(shè)計行車速度80 km/h駕車通過隧道，駕駛員駕車通過隧道時佩戴校準(zhǔn)好的iViewX眼動儀，利用眼動儀記錄駕駛員駕車通過隧道過程中看到的場景數(shù)據(jù)和駕駛員的視覺行為數(shù)據(jù)。根據(jù)iViewX眼動儀記錄的數(shù)據(jù)，利用眼動儀配套的視覺行為分析軟件BeGaze可以讀出駕駛員駕車時發(fā)現(xiàn)障礙物的時刻t1和汽車經(jīng)過障礙物的時刻t2，進而可以求得駕駛員從發(fā)現(xiàn)障礙物到通過障礙物所用的時間 ?t=t2-t1。

駕駛員從距離隧道入口足夠遠(yuǎn)的位置啟動汽車，以確保汽車行駛速度在到達隧道入口前能達到隧道的設(shè)計車速80 km/h。汽車行駛速度達到隧道的設(shè)計車速后，盡可能保持勻速行駛，直至通過測試路段。駕駛員駕車進入隧道時，測試人員用博士能手持雷達測速儀測量車輛的實際行駛速度v。利用駕駛員從發(fā)現(xiàn)障礙物到通過障礙物所用的時間?t與行車速度v即可計算得到駕駛員發(fā)現(xiàn)障礙物的距離S，S=v×?t。

考慮駕駛員的代表性，選擇5位駕駛員進行測試，駕駛員需對測試用車的車況及操作較熟悉，測試駕駛員均無色盲、色弱，校正視力均在5.0以上，所有駕駛員都不佩戴框式眼鏡。

將相同工況下不同駕駛員對同一照明段的標(biāo)準(zhǔn)小目標(biāo)物的發(fā)現(xiàn)距離取平均值，即得到該照明工況下駕駛員對標(biāo)準(zhǔn)小目標(biāo)物的發(fā)現(xiàn)距離，如表2所示。

表2 各照明工況下小目標(biāo)的平均發(fā)現(xiàn)距離 m

從表2可以看出，照明工況Ⅰ下，駕駛員對出現(xiàn)在各照明段上的障礙物均能在一個停車視距外發(fā)現(xiàn)（按設(shè)計行車速度80 km/h計算，縱坡為0時的停車視距為100 m）。在照明工況Ⅱ下，對入口段和過渡段障礙物的發(fā)現(xiàn)距離大于一個停車視距，但對基本段1障礙物的發(fā)現(xiàn)距離略小于一個停車視距。在照明工況Ⅲ下，駕駛員對出現(xiàn)在入口段1、過渡段2和基本段1的障礙物的發(fā)現(xiàn)距離均小于一個停車視距。在照明工況Ⅱ和照明工況Ⅲ下，從眼動儀記錄的數(shù)據(jù)中未能讀出駕駛員發(fā)現(xiàn)基本段2上障礙物的時間，這可能與基本段2上障礙物放置位置（放在路面上較暗處）和照明工況（這兩個照明工況下路面照明水平較低）有關(guān)，需要結(jié)合其他測試數(shù)據(jù)進行進一步分析。

從測試結(jié)果來看，在照明工況Ⅰ下，按照設(shè)計行車速度（80 km/h）行車，駕駛員能在一個停車視距外發(fā)現(xiàn)障礙物的存在，能保證行車安全；在照明水平較低的照明工況Ⅱ下，駕駛員也基本能在一個停車視距外發(fā)現(xiàn)障礙物的存在，基本能保證行車安全；在照明工況Ⅲ下，按照設(shè)計行車速度行車，難以保證行車安全，適當(dāng)降低行車速度，按照60～70 km/h的速度行車，基本能保證行車安全（60 km/h速度，縱坡為0時對應(yīng)的安全停車距離為56 m）。

從路面照明水平與駕駛員對障礙物發(fā)現(xiàn)距離的對應(yīng)關(guān)系來看，在照明工況Ⅰ下，各段的路面亮度均大于設(shè)計值，駕駛員對障礙物的發(fā)現(xiàn)距離也大于相應(yīng)的停車視距；在照明工況Ⅱ下，各加強段路面亮度均略小于路面亮度的設(shè)計值，但駕駛員在該照明工況下對障礙物的發(fā)現(xiàn)距離基本都大于一個停車視距。由此來看，在隧道內(nèi)裝設(shè)反光膜系統(tǒng)后，在汽車前照燈的作用下，由于駕駛員感受到的隧道光環(huán)境的改善，駕駛員更容易發(fā)現(xiàn)路面上的障礙物。從駕駛員對路面上障礙物的發(fā)現(xiàn)距離來看，即使適當(dāng)降低隧道內(nèi)的照明水平，仍能確保行車安全，說明裝設(shè)反光膜系統(tǒng)后，隧道內(nèi)行車的安全性得到明顯提升。在確保行車安全的前提下，可以適當(dāng)降低隧道內(nèi)的照明水平，說明裝設(shè)反光膜系統(tǒng)有助于在確保交通安全的前提下實現(xiàn)隧道照明節(jié)能。

5 結(jié)語

根據(jù)工程案例的實際情況，在隧道內(nèi)布設(shè)反光膜系統(tǒng)，充分利用汽車前照燈光，改善駕駛員在隧道內(nèi)行車時感受到的光環(huán)境，進而提升隧道內(nèi)的行車安全性，從測試結(jié)果可以得到以下主要結(jié)論：

a）在考慮汽車前照燈光的情況下，在隧道內(nèi)布設(shè)反光膜系統(tǒng)能有效改善隧道內(nèi)的行車光環(huán)境。對依托工程而言，最經(jīng)濟有效的反光膜布設(shè)間距為8 m，對于其他不同寬度的隧道，需要計算或?qū)嵉販y試確定最經(jīng)濟有效的反光膜布設(shè)間距。

b）在考慮汽車前照燈光的情況下，在隧道內(nèi)布設(shè)反光膜系統(tǒng)能有效提升隧道內(nèi)的行車安全性；在確保行車安全的前提下，在隧道內(nèi)布設(shè)反光膜系統(tǒng)有利于隧道照明節(jié)能。