基于线性诱导的高速公路隧道交通安全优化设计

doi:10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2023.08.1180

摘要/Abstract

摘要：

为缓解高速公路隧道照明能耗高、交通事故损失大且难以救援等问题。借鉴建筑照明领域的线性照明技术理念,提出高速公路隧道线性诱导系统设计方法;综合考虑空间路权、驾驶人因及驾驶任务等指标,构建基于事故预防的线性诱导系统评价体系;分析线性诱导设计的适用性,提出高速公路隧道交通安全整体优化思路,并以隧道入口为例,验证线性诱导系统的作用效果。研究结果表明:利用逆反射、蓄能自发光以及发光二极管(LED)发光显示技术,基于线性诱导原理重构高速公路隧道视觉参照系,能够低成本实现隧道空间的多层线形诱导和多层轮廓诱导,满足不同视觉条件下驾驶人对交通信息的视认能力,确保视线诱导的连续性、一致性,引导驾驶人采取安全合理的行为决策,分解驾驶任务,并减少驾驶行为操作失误的可能性,实现高速公路隧道照明节能与交通安全的统一。

关键词: 线性诱导, 高速公路隧道, 交通安全, 视觉环境, 优化设计, 视觉参照系

Abstract:

In order to alleviate problems of high energy consumption, significant traffic accident losses and difficulties in rescue associated with expressway tunnel lighting, referring to linear lighting technology in the field of architectural lighting, a design method of linear guidance system for highway tunnel was proposed. Considering spatial rights-of-way, driver factorsand driving tasks, an evaluation framework of linear guidance system based on accident prevention was established. Applicability of linear guidance design was analyzed, and an overall optimization approach for expressway tunnel traffic safety was presented. The effectiveness of linear guidance system was validated using tunnel entrance as an example. The results show that by utilizing retroreflection, self-luminous energy storage and Light Emitting Diode(LED) display technologies, visual reference system in expressway tunnels can be reconstructed based on principles of linear guidance. Based on this, multi-layer linear and contour guidance in tunnel space can be realized at low cost, which meets drivers' ability to perceive traffic information under different visual conditions It ensures continuity and consistency of visual guidance, guides drivers to make safe and rational behavioural decisions, decomposes driving tasks, and reduces possibility of driving operation errors. Thus, integration of energy-saving expressway tunnel lighting and traffic safety is achieved.

Key words: linear guidance, expressway tunnel, traffic safety, visual environment, optimization design, visual reference system

郑号染, 杜志刚, 王首硕, 文竞舟, 焦方通. 基于线性诱导的高速公路隧道交通安全优化设计[J]. 中国安全科学学报, 2023, 33(8): 134-141.

ZHENG Haoran, DU Zhigang, WANG Shoushuo, WEN Jingzhou, JIAO Fangtong. Design of traffic safety optimization for expressway tunnel based on linear guidance[J]. China Safety Science Journal, 2023, 33(8): 134-141.

图/表 13

图1

图2

图3

表1

表2

图4

表3

高速公路隧道线性诱导系统优化目标及评价要求

指标	目标	参数	具体释义	相应要求
空间路权	轮廓清晰限界明确	横向	合法行车宽度	①路侧障碍物不得侵入道路横向范围;②隧道横向轮廓及边界清晰明视
		纵向	合法行车长度	①有效视认距离满足行车安全感;②弯道段需进行有效的线形诱导
		竖向	合法行车高度	①洞顶限高、轮廓等信息清晰明视;②障碍物不得侵入道路上侧空间
驾驶人因	易于辨识减少错觉	视距	可清晰明视前方的距离	①对前方路况及障碍物的视认距离需以满足停车视距为最低标准;②弯道、坡道及隧道出入口路段,需重点加强对驾驶人的线形诱导
		视区	可清晰明视前方的广度	①驾驶人能够有效视认路侧及隧道洞顶交通信息;②弯道段需重点加强对驾驶人的轮廓诱导作用;③入口视区应缓和过渡
		视错觉	基于经验主义或不当的参照而形成的错误感知和判断	满足驾驶人对速度、距离、位置、方向、弯度、坡度等信息的有效感知
驾驶任务	逐级诱导分解任务	车道保持	对侧壁等横向障碍物的避碰能力	①满足驾驶人对横向路权的视认需求,降低与侧壁、检修道等障碍物的安全距离控制难度;②为驾驶人提供有效的轮廓诱导,提高其对行车边界的感知能力,控制行车轨迹横向偏移量
		车距保持	对纵向安全车距的保持能力	满足驾驶人距离感知需求,降低其安全车距控制任务难度
		车速控制	对行车速度的控制能力	①调控速度错觉,诱导驾驶人获得良好的速度感并合理控制车速;②出入口、弯道等路段,需重点加强其对速度的合理调控
		路径选择	对行车方向的辨识及选择能力	①为驾驶人提供有效的线形诱导,降低其方向辨识及路径选择难度;②出入口及弯道位置需重点加强线形诱导作用

表3

图5

表4

表5

图6

表6

图7

参考文献 10

[1]	GHADBAN N R, ABDELLA G M, AL-KHALIFA K N, et al. A real case-based study exploring influence of human age and gender on drivers' behavior and traffic safety[J]. Advances in Intelligent Systems and Computing, 2018, 597:807-816.
[2]	梅家林, 杜志刚, 郑号染, 等. 不同时段特长隧道入口区域视觉负荷研究[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(6):176-181. doi: 10.16265/j.cnki.issn 1003-3033.2021.06.023
	MEI Jialin, DU Zhigang, ZHENG Haoran, et al. Research on visual load at entrance area of extra-long tunnel in different periods[J]. China Safety Science Journal, 2021, 31 (6):176-181. doi: 10.16265/j.cnki.issn 1003-3033.2021.06.023
[3]	包逸帆, 王明年, 秦鹏程, 等. 基于视觉适应曲线的公路隧道群遮阳棚设计[J]. 现代隧道技术, 2020, 57(6):120-126.
	BAO Yifan, WANG Mingnian, QIN Pengcheng, et al. Design of the shading shed for highway tunnel groups based on the visual adaptation curve[J]. Modern Tunnelling Technology, 2020, 57(6):120-126.
[4]	段玉良, 孙巧燕, 王晓明, 等. 公路隧道景观照明设计[J]. 隧道建设:中英文, 2019, 39(增2): 283-293.
	DUAN Yuliang, SUN Qiaoyan, WANG Xiaoming, et al. Landscape lighting design of highway tunnel[J]. Tunnel Construction, 2019, 39(S2): 283-293.
[5]	尹力, 史玲娜, 刘贞毅, 等. 基于发光反光高性能涂料的隧道照明安全与节能技术应用研究[J]. 隧道建设:中英文, 2019, 39(增1):327-333.
	YIN Li, SHI Lingna, LIU Zhenyi, et al. Application of tunnel lighting safety and energy saving technology based on luminescent reflective high performance coatings[J]. Tunnel Construction, 2019, 39(S1):327-333.
[6]	赵晓华, 鞠云杰, 李佳, 等. 基于驾驶行为和视觉特性的长大隧道突起路标作用效果评估[J]. 中国公路学报, 2020, 33 (6):29-41. doi: 10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.06.003
	ZHAO Xiaohua, JU Yunjie, LI Jia, et al. Evaluation of the effect of rpms in extra-long tunnels based on driving behavior and visual characteristics[J]. China Journal of Highway and Transport, 2020, 33 (6):29-41. doi: 10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.06.003
[7]	杜志刚, 倪玉丹, 杨理波, 等. 高速公路隧道曲线路段视线诱导设施有效性试验[J]. 交通运输工程学报, 2020, 20 (1):215-225.
	DU Zhigang, NI Yudan, YANG Libo, et al. Effectiveness experiment of sight induction facilities of curve sections in highway tunnel[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2020, 20 (1):215-225.
[8]	杜志刚, 徐弯弯, 向一鸣. 基于视线诱导的公路隧道光环境优化研究框架[J]. 中国公路学报, 2018, 31 (4):122-129.
	DU Zhigang, XU Wanwan, XIANG Yiming. Research on light environment improvement framework of highway tunnel based on visual guidance[J]. China Journal of Highway and Transport, 2018, 31 (4):122-129.
[9]	杜志刚, 陈逸飞, 焦方通, 等. 面向主动诱导的自解释道路环境评价体系及优化应用[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(11):47-54. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2022.11.0460
	DU Zhigang, CHEN Yifei, JIAO Fangtong, et al. Evaluation system and optimization application of self-explaining road environment oriented positive guidance[J]. China Safety Science Journal, 2022, 32(11):47-54. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2022.11.0460
[10]	杨理波, 杜志刚, 徐弯弯, 等. 隧道内不同组合信息条件下驾驶员视错觉研究[J]. 中国安全科学学报, 2018, 28(1): 32-37. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2018.01.006
	YANG Libo, DU Zhigang, XU Wanwan, et al. Research on drivers' visual illusion in tunnels under different combined visual information conditions[J]. China Safety Science Journal, 2018, 28(1): 32-37. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2018.01.006

设施名称	诱导作用	诱导作用强度
设施名称	诱导作用	线形	轮廓
突起路标	①对标线的视认起到辅助作用,某些情况下可取代标线功能; ②勾勒车道边界及线形走向
立面标记	①纵向连续设置于检修道路缘时,兼具线形/轮廓诱导功能,明确横/纵向路权; ②以环形、弧形结构设置于隧道入口及紧急停车带位置时,明确障碍物轮廓	检修道

		洞门及紧急停车带

弹性交通柱	①出入口高密度设置,遮住剧烈过渡的护栏及检修道路缘,确保线形诱导的连续一致性; ②采用较大尺度的红底、黄绿荧光膜,确保低照度下的视认性
线形诱导标	①中密度设置于入口识别段、接近段及出口驶离段,提前压缩视区,缓和空间剧烈过渡; ②与洞内反光环保持轮廓诱导的连续性、一致性
矩形轮廓标	①高密度设置,勾勒隧道检修道路缘轮廓,明确横向路权; ②提升速度感
轮廓带	①主要有环形轮廓带(反光环)及条形轮廓带(反光条),勾勒出隧道轮廓,提高空间路权感知能力; ②弯道段,对轮廓带间距的合理布设,较好的线形诱导效果; ③明确与前车车距、行驶方向,颜色适当变化可缓解疲劳	反光条(条形轮廓带)

		反光环(环形轮廓带)

元素类型	视认距离	设施示例
竖向短线条 0.18 m<长<0.50 m、0.04 m<宽<0.08 m	>停车视距	矩形轮廓标
竖向中线条 0.50 m≤长<2 m、0.08 m≤宽<0.80 m	>停车视距	弹性交通柱
竖向长线条 2 m≤长<5 m、0.15 m≤宽<0.40 m	>简单识别视距	反光条、警示型线形诱导标、紧急停车带弧形立面标记
纵向短线条长<1.50 m	>停车视距	路缘短立面标记
纵向中线条 1.50 m≤长<3 m	>简单识别视距	路缘长立面标记、组合式线形诱导标
纵向长线条长≥3 m	不间断设置, 连续视认	腰带线
环状信息	>复杂识别视距	反光环、隧道洞口环形立面标记

构建方式	照明	多点诱导	线性诱导
呈现效果	整体亮度	点状信息为主	线性诱导为主,点状信息为辅
信息量	不足	过量(过载)	适量
技术手段	灯具照明	逆反射、蓄能自发光、LED发光显示	逆反射、蓄能自发光、LED发光显示
元素类型	灯具	小尺度点状信息	点(小尺度)、线(短/中/长)、环(大尺度)
布置方式	高频、高位	高频、低/中位	高/中/低频、低/中/高位相结合

构建方式	建安费	养护费	耐久性	合计
照明	3	3	2	8
多点诱导	1	2	2	5
线性诱导	2	1	1	4

效果	空间路权	驾驶人因	驾驶任务
改善前	端墙与洞口轮廓对比不明显、“黑洞效应”显著,横/纵/竖向路权不明确	①视距视区剧烈过渡;②视觉参照信息不足,容易产生距离、方向等错觉	入口处驾驶任务需求:辨识洞门>明暗适应>降低车速>保持车道>路径选择,驾驶任务复杂
改善后	①多层线形诱导:弹性交通柱、突起路标保持线形诱导的连续性、一致性;②多层轮廓诱导:警示型线形诱导标、洞门立面标记、反光环保持轮廓诱导的连续性、一致性	①复杂识别视距可视:洞门立面标记、反光环;②简单识别视距可视:警示型线形诱导标;③停车视距可视:弹性交通柱;④提前压缩视区,提前适应;⑤多频率信息组合,调控视错觉	①对驾驶人进行分级诱导,降低驾驶任务负荷;②分解驾驶任务,降低驾驶任务操作难度