公路隧道入口照明状态对交通安全的影响

胡思涛，朱艳茹，项乔君

(1.淮阴工学院，江苏 淮安 223003;2.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096)*

0 引言

隧道是公路基础设施的组成部分，在整个线路中起重要的联结作用.截至2012年底，全国公路隧道为 10022处、805.27万米［1］.隧道运营状况直接影响着公路网的运输效率和安全性能.统计表明，隧道进出口是交通事故多发的路段［2］，作为两种不同行车环境的过渡段，其线形设计、抗滑性能过渡、内外环境的差异等都对行车安全产生影响，尤其是进出口亮度变化更是引起交通事故的重要原因之一［3］.

隧道的照明设施，是为了把必要的视觉信息传递给驾驶员，提高驾驶的安全性和舒适性，防止因视觉信息不足出现交通事故.隧道内部的明亮程度过低或过高都会对驾驶员造成不良的影响.特别是白天在进出隧道路段出现的“黑洞”与“白洞”效应，会使驾驶员的视觉产生不适感，不同程度地影响其驾驶行为，出现减速操作，增加了后续车辆追尾的可能性.

目前国内外学者从不同角度对隧道照明状态安全评价展开了研究.国外对于隧道照明的研究，多从驾驶人视觉变化以及明暗适应与交通安全关系角度开展，提出昼间隧道入口段照度值［4］;国内刘洋从生理学与心理学的角度研究隧道光环境对驾驶员的影响［5］;闫桂梅对照度、亮度、眩光等影响因素与视距、行车速度等交通安全参数的关系进行了定性的研究［6］.我国的《公路隧道通风照明设计规范》也有对隧道照明参数的最低值规定［7］.但已有研究对隧道照明状态与交通安全的关联性及影响机理方面的研究较少，本文试图寻求一个“中介”如交通流指标，将隧道照明状态与交通安全联系起来，从而定量评价公路隧道照明状态对交通安全的影响.

1 评价指标的选取

1.1 隧道照明状态指标

隧道交通流运行规律主要受到亮度影响，这里首先分析隧道亮度及隧道内车辆速度的变化规律，根据亮度变化可以将隧道的照明环境分为五个阶段:接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段.由于明适应的时间较短，对交通安全的影响相对较小.因此本文着重分析隧道入口照明对交通安全的影响.在照明特征分析中只针对前四个阶段，如图1所示.

图1 隧道入口亮度变化示意图

(1)接近段

接近段是指从进入隧道之前，亮度在隧道影响下开始降低，到刚进入洞口的阶段.图1中S为接近段起点，该点亮度即为隧道外亮度L20(S).P为隧道入口，即为接近段的终点，A点为适应点，车辆行驶到这一点后，驾驶员的20°视场已集中在隧道口内部，外部景物基本消失，该点亮度为L20(A)，此时车辆距隧道的距离为适应距离.在由接近段进入入口段的行驶过程中，驾驶员将经历由隧道外亮度L20降低至入口段亮度Lth的过程.对车辆而言，行驶至S点时，洞口出现在驾驶员视野当中，开始进入接近段.驾驶员在刚开始注意到洞口时，由于隧道内外的亮度差异以及视觉的不适应性，会无法对隧道内部情况做出正确判断.在该过程中，若亮度变化速率过大，这时就会出现“黑洞效应”，对驾驶员的视觉有不利影响，驾驶员会出于安全角度而进行减速操作.

(2)入口段

入口段是在隧道照明区段中进入隧道后的第一段.驾驶员在接近段行驶时，由于亮度的变化幅度在减小，驾驶员也基本适应隧道内亮度，此时车速将趋于稳定.

(3)过渡段

在公路隧道照明中，介于入口段与中间段的照明区段是过渡段.其功能是缓和入口段亮度Lth到中间段低亮度Ltr的强烈变化(前者往往是后者的数十倍)给驾驶员造成的不利影响，使之能有充分的适应时间.考虑到现实中的亮度变化无法用曲线描述，《公路隧道通风照明设计规范》将该区段的亮度变化用三个阶梯形式表示，图1中Ltr1、Ltr2、Ltr3分别表示三段的亮度大小.

这一阶段驾驶员要由入口段驶入过渡段，周围亮度趋于稳定，驾驶员逐步适应内部照明环境，由于亮度相对稳定，部分车辆可能会有一定的加速行为.

(4)中间段

中间段照明的基本任务就是保证停车视距，亮度Lin保持不变并处于较低水平，车辆基本会以匀速行驶.由图1可以看出，当亮度变化时车速就会降低，亮度变化幅度越大，车速降低越剧烈，说明亮度与车速的变化有明显的相关性.

隧道内部各段的亮度是各不相同的.一般情况下，隧道入口段的亮度较高，随着驾驶员逐渐适应隧道内的驾驶环境，亮度渐渐降下来并保持在一个稳定的状态，在接近出口的部位，亮度再逐渐提高.由此可知，隧道的出入口是亮度变化频繁的部位，本文主要针对隧道入口的亮度指标进行研究.现在以不同区段亮度变化为基础，构造一个能够反映亮度的技术指标，称之为隧道亮度过渡技术指标，根据隧道照明理论，其计算公式如下［7］:

式中，I为隧道入口亮度过渡技术指标;I1、I2为隧道入口亮度过渡技术分指标;β1、β2为权重系数，表示I1、I2对亮度过渡总指标的影响大小;k为入口段亮度与隧道入口前路面亮度的比值，入口段的亮度取入口内25～55 m段亮度的平均值，这段亮度受自然光影响较小;a，b，η为调整系数，主要考虑了I1、I2的取值范围以及I2对k1、k2的敏感性，可取a=10，b=0.1，η =0.38;k1为明暗交替点至入口内亮度变化率由快趋缓点的亮度变化率，其值等于两点的亮度差与距离的比值，A点位于入口内15～25 m位置，主要取决于洞口朝向、季节因素和太阳光强度;k2为入口内亮度变化率由快趋缓点至亮度稳定处的亮度变化率.入口亮度过渡示意如图2.

图2 隧道入口亮度过渡示意图

1.2 交通安全表征指标

道路交通安全状况是与交通流运行特征联系在一起的，不同的交通流运行特征对应不同的交通安全状态，交通流运行平稳，则事故发生的可能性较低，道路安全状况较好;反之，当交通流处于“非稳定”状态，车辆之间的干扰增强，事故发生的概率将明显增大.因此，选取合适的交通流指标能较好地反映实际交通安全状况.隧道交通流的变化主要体现在受亮度影响、沿空间轴的速度变化上，因此平均速度、速度方差、速度标准差均不宜作为评价指标，而速度差与减速度均体现隧道交通流变化规律.某高速公路隧道实测交通流数据如图3.

图3 某公路隧道入口的速度、减速度

结合图1和图3可以看出，速度与亮度的变化规律相似，而减速度由于驾驶员驾驶习惯等因素影响，变化波动较大，与亮度的拟合程度没有速度好.可考虑采用速度差指标体现速度的变化.隧道入口的运行车速差ΔV的计算公式如下:

对于V外，车辆一般在距隧道入口100～150 m位置开始减速，故隧道外基本路段断面选距隧道入口200 m处，此处亮度是自然的光照亮度，车辆的行驶速度尚未受到隧道的影响.对于V内，由图3可看出，车辆在进入隧道首先是一个减速的过程，但这个减速过程在到达过渡段时基本结束，车辆开始加速或匀速行驶;为了准确体现隧道内外速度变化的最大值，对于隧道入口断V内应采用隧道过渡段起点的断面速度，即V内=Vth;入口段起点的具体位置可根据《公路隧道通风照明设计规范》进行计算确定，隧道入口段长度计算结果见表1.

表1 隧道入口段长度 m

2 评价模型的构建

2.1 数据采集

隧道入口亮度指标选择晴朗的天气，采用LS-110亮度计对我国江浙一带的10个隧道入口路段亮度指标I1和I2进行测定.在所选定的10个隧道的断面1和断面2处，采用雷达测速枪获取经过车辆的地点车速v1和v2，取85%位车速，利用式(2)求出断面速度差，见表2.

表2 不同隧道入口的亮度值和断面速度差

2.2 评价模型

根据上文的分析，隧道入口亮度过渡条件不佳会造成驾驶员暗适应恐惧或看不清前方道路情况而突然减速，对车流的稳定性及行车安全性造成影响.直观上看入口处的亮度过渡技术指标与运行车速差之间存在某种联系.由隧道交通流运行规律可知，二者具有较好的相关性，可考虑通过回归分析建立二者之间的关系模型.根据表2数据，利用SPSS软件可得I1和运行车速差的拟合曲线为ΔV=1.24e0.24I1，R2=0.994;I2与运行车速差拟合曲线为ΔV=0.99e0.93I1，R2=0.975.可见隧道入口处产生的运行车速差与I1和I2都具有较好的相关性.隧道入口处的亮度过渡安全是I1和I2综合作用的结果.类似地，采用SPSS软件可得入口亮度过渡技术指标与运行车速差的关系模型如下:

其拟合度为0.996.结合式(1)可得隧道入口处亮度过渡技术指标:

图4为实测值与回归模型计算值的比较，从中可以看出，基于指数的回归模型能较好的反映ΔV与总指标Iin之间的关系.

图4 模型计算值与实测值比较

2.3 影响等级划分标准

上文已建立隧道指标与交通流指标的关系，为了进一步评价照明状态对交通安全的影响，这里需要确定断面车速差与交通安全的关系.

大量研究表明，运行车速差与道路事故率有一定相关性［9-10］.当两相邻路段上的运行车速差不超过10 km/h时，事故率较低;当两相邻路段上的运行车速差在10～20 km/h之间时，事故率一般;当两相邻路段上的运行车速差超过20 km/h时，事故率较高［11］.这种将路段车速差ΔV作为评价道路安全的方法，在欧美许多国家得到广泛的应用［12］.本文借鉴上述方法，将隧道照明状态对交通安全的影响分为三个等级:安全、一般安全、不安全，各等级的划分阈值见表3.

表3 隧道入口照明状态对交通安全的影响等级划分标准

3 结论

本文以交通流指标为媒介，分析了隧道入口照明状态指标对交通安全的影响机理，成功地建立起高速公路隧道照明检测数据与交通安全的关系，为高速公路隧道照明的养护和管理提供了科学的依据.主要得出以下结论:

(1)隧道出入口亮度的变化是导致隧道交通流变化的重要因素.在分析亮度对交通流的影响的基础上，构建了入口亮度过渡技术指标，选取了断面速度差作为交通安全的表征指标;

(2)利用实测数据，建立了入口亮度过渡技术指标与断面速度差的关系模型;

(3)以断面速度差为依据，将隧道照明状态对交通安全的影响分为三个等级，确定了各影响等级所对应的入口亮度过渡技术指标的阈值.

［1］中华人民共和国交通部.2012年公路水路交通运输行业发展统计公报［EB/OL］.http://www.moc.gov.cn/zhuzhan/tongjigongbao/fenxigongbao/hangyegongbao/201304/t20130426_1402794.html，2013-04-26.

［2］倪洪亮，戴忧华，赵庆鑫.高速公路隧道事故分布研究［J］.公路，2010(4):126-129

［3］戴忧华，郭忠印，马艳，倪洪亮.高速公路隧道运行环境安全评价指标［J］.同济大学学报(自然科学版)，2010，38(8):1171-1176.

［4］赵炜华，刘浩学.我国高速公路隧道照明问题研究［J］.公路，2013(4):217-220.

［5］刘洋.基于驾驶员生理与心理反应的公路隧道光环境分析［D］.包头:内蒙古农业大学，2009.

［6］闫桂梅.公路隧道通风照明与行车安全的关系研究［D］.重庆:重庆交通大学，2008.

［7］中华人民共和国交通部.JTJ026.1-199公路隧道通风照明设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［8］郭忠印，孔令旗，王琰，等.隧道进出口运行安全研究报告［R］.上海:同济大学，2007.

［9］蒋锐.高速公路基本路段交通安全分析［D］.福州:福建农林大学，2005.

［10］杜博英，方守恩.车速降低与交通安全评价［J］.山东交通科技，2002(1):66-68.

［11］裴玉龙，程国柱.高速公路车速离散性与交通事故的关系及车速管理研究［J］.中国公路学报，2004(1):74-78.

［12］刘运通.道路安全指南［M］.北京:人民交通出版社，2004.