基于视觉适应性的公路隧道限速研究

慕 慧，杨少伟，赵一飞，潘兵宏

(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

公路隧道作为路段的特殊构造物，其长管形状空间及其封闭性造成了洞内空气污染严重、洞内外亮度差异悬殊、环境照度低、噪声污染大、交通空间受限和火灾难于消防等一系列严重影响交通安全运行的问题，形成公路运输网络的瓶颈路段，据有关资料统计，在隧道内发生事故的比率为每1×109veh·km发生0.5起。隧道交通事故发生的地点主要集中在长大隧道进出口200～400 m的路段范围内以及特长隧道的中部。主要原因在于公路隧道进出口亮度的急剧变化，极大地增加了驾驶员视觉心理生理负荷，并诱发不良驾驶行为;隧道内光线差、空间狭窄等特点的存在，使驾驶员产生压抑心理，并产生急于离开隧道的心理，因此超速行驶，在隧道事故中，车速过快达诱发事故原因的28%。笔者利用EMR－8B眼动仪系统的实验结果，定量分析了隧道进出口驾驶员的动态视觉特性与车辆行驶速度的关系，并用于基于视觉适应的隧道限速值的确定。

1 隧道对驾驶员视觉、心理的影响

车辆在白天行车进入隧道时，由于隧道内外亮度差别比较大，驾驶员对光线的突变在短时间内很难适应，这个过程为光线暗适应(人从光亮的地方进入黑暗的地方时，开始视觉感受性很低，然后又逐渐提高，恢复了在暗处的视力的过程这个过程叫暗适应)，暗适应造成人眼和心理的不适应。道路上的光线强度与隧道内的光线强度差异越大，适应过程中的视觉障碍越严重。当汽车运行在明暗急剧变化的道路上时，由于视觉感受性不能立即适应，容易发生视觉障碍，危及行车安全。在这种情况下，一般驾驶员会不经意的采取强制性减速措施－紧急制动，紧急制动会引发车辆甩尾和侧翻。尽管隧道内设置了照明装置，但总不能完全解决隧道内外光线明暗差异现象，因此，车辆低速行驶进入隧道能缓解暗适应带来的事故影响。

2 隧道限速段长度的确定

2.1 车辆穿越隧道时的速度变化情况

由于隧道内特殊的行车环境，车辆从快要进入隧道到驶出隧道，车辆的行驶速度都在不断的变化，大致可分为3个阶段:隧道前调整期、隧道中适应期和隧道末调整期，这一过程可以由图1粗略的表示［1］:

图1 隧道地点车速空间变化图Fig.1 Vehicle speed change chart at tunnel place

从图1中可以看出车辆在进入隧道前由于当驾驶员对隧道产生紧张和警惕将减速行驶。进入隧道后，由于在隧道入口段车辆已经完成了对隧道内部适应性的调整，随着对隧道内部环境的逐渐适应，驾驶员会逐渐提高行驶速度，根据实际调查分析发现车辆在适应隧道环境以后将速度逐渐提高至期望速度，然后以该期望速度行驶一段距离直至进入隧道末调整阶段。随着车辆即将驶出隧道，面临隧道内外环境的转换，对于速度较高的小型车辆来说，这时车辆速度的上升幅度将减小，其运行速度将会出现一定的降低。大货车因在隧道内速度较低，隧道出口时速度变化不大。

2.2 隧道限速段长度的确定

根据上述分析，在进入隧道前车辆速度调整过程需要一定的距离，考虑小客车速度较高，出于安全考虑将该段距离长度取25 s的运行速度行程L25;在隧道出口路段由于驾驶员同样需要有一个速度调整过程，该调整距通常比进入隧道入口前的调整距离要小一些，故出于安全考虑将该距离取与进入隧道前调整期距离相同，仍取25 s的运行速度行程L25。故公路隧道限速段包括隧道前后25 s行程范围段。

3 隧道限速值的确定

3.1 瞳孔面积变化与行车安全分析

驾驶员在行车过程中，80% ～90%的信息依靠瞳孔由外界获得，对于驾驶员而言，瞳孔大小变化能很好地表述视觉负荷程度。隧道进出口照度急剧变化，使得驾驶员瞳孔面积变化速率迅速增加。当瞳孔面积变化速率过大，超出驾驶员视觉适应能力时，将使得瞳孔难于准确聚焦以使视网膜上成像清晰，从而产生严重的视觉障碍，甚至出现不能分辨出道路的情况［2］。

取隧道进出口路面照度为E，单位为lx，驾驶员瞳孔面积为S，单位为mm2。研究表明，公路隧道进出口log(ES)与logE呈线性关系(显著性水平为0.0001):

其中:a，b均为常数，因路面材料、进口与出口、驾驶员视觉特性的不同而取值不同。

对式(2)两边时间求导，得瞳孔面积变化速度ve为:

其中:x为测量点至洞口的距离，m(洞外为负，洞内为正);v为试验车辆行驶速度，m/s。

由式(3)可知，对于隧道进出口，驾驶员瞳孔面积变化速度ve与行车速度、照度过渡斜率成正比，即车辆行驶速率越高、照度过渡斜率越大，越容易产生视觉障碍，影响驾驶安全。据试验统计结果表明，白天在隧道进口，ve>4 mm2/s且持续时间t>0.2 s时(日本学者研究表明:对较为复杂的信息视觉加工，所用最小视觉停留时间为0.165 s;根据试验统计结果，加之交通标志的视认性与隧道内行车安全密切相关，因而视觉刺激临界时间采用交通标志视认试验中常用最小视觉认知时间0.2 s。)，可视为驾驶员在暗适应过程中出现严重视觉障碍。在隧道出口:ve<6 mm2/s且持续时间t>0.2 s时，可认为驾驶员在明适应过程中出现严重视觉障碍。

3.2 基于视觉适应性的限速值确定

将瞳孔面积变化临界速度vec=4 mm2/s(暗适应)或 －6 mm2/s(明适应)代入式(3)，可得基于视觉适应能力的隧道进出口机动车临界速度vc为:

在t1时刻如机动车行驶速度小于式(4)计算所得的临界速度，且t1+T(T=0.2 s)时刻的速度亦小于t1+T时刻的临界速度，则可认为t1时刻所对应车速安全。如不满足上述条件，则可认为该时刻车速过高，行车不安全。

为保证行车安全，车辆行使速度除了应小于等于视觉适应的临界速度外，还应小于或等于隧道的设计速度，故取隧道限速段全线最低的“安全速度”作为隧道的限速值，即:

其中:v限为隧道路段限制速度，km/h;vs为隧道的设计速度km/h。

3.3 应用实例

某高速公路上一隧道设计速度为80 km/h，车辆临界速度与洞口距离关系如图2。

图2 车辆临界速度与隧道洞口距离关系Fig.2 Relationship between the vehicle critical speed and the distance from tunnel port

从图2可知，隧道进口任一时刻的临界速度均大于设计速度，隧道出口附近的临界速度小于设计速度，故取隧道出口机动车最小的临界速度vc为该隧道的限速值，即该隧道的限速值取70 km/h。

4 结语

通过分析隧道对驾驶员视觉、心理的影响，确定了隧道限速路段的长度，提出了基于驾驶员视觉适应性的限速思想，并根据瞳孔面积与隧道进出口光照度定量关系，得出基于视觉适应能力的隧道进出口机动车临界速度，结合隧道本身的条件得出保证行车安全的隧道限速值。

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