基于视觉负荷指标的隧道进口合理遮光设施设置研究＊

陶鹏鹏 冯 超 杜志刚 王明年

（武汉理工大学交通学院1） 武汉 430063）（湖北省林业勘察设计院2） 武汉 430070）

（西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室3） 成都 610031）

0 引 言

公路隧道作为高速公路重要通道节点，对于高速公路安全顺畅通行起着极其重要的作用.隧道路段事故率远高于正常路段，白天晴天为事故多发期［1］.这是由于视觉信息是驾驶员判断道路环境的主要方式［2］，而隧道进口瞳孔照度剧烈过渡，引起“黑洞效应”，诱发驾驶员瞳孔出现剧烈扩张，使驾驶员视觉负荷增加，导致难以有效辨析道路信息，从而交通事故发生.

隧道行车视觉负荷主要为视觉认知负荷和视觉生理负荷.视觉认知负荷主要是由认知过程中刺激信息而引起的信息处理负荷；视觉生理负荷则主要为由眼动而引起的生理性瞳孔反应［3］.瞳孔反应主要包括瞳孔光反应及认知工作反应.瞳孔光反应是一种控制瞳孔的直径在回应任何光线的强度，落在眼睛的视网膜上，协助适应各种级别的黑暗和光明反应.认知工作瞳孔反应是由于周围神经系统的副交感神经活动减少诱发人的认知负荷所引起的瞳孔反应［4］.

瞳孔尺寸主要是受瞳孔对光反应影响［5-6］.Cheng等［7］测量从0.04～4lx各种低照度水平的瞳孔尺寸，结果表明瞳孔尺寸与照度极其相关.胡英奎等［8］测量从0.1～3.5cd／m2的13种照度水平的瞳孔尺寸，并评价合理背景亮度在0.7～3.5 cd／m2之间.

隧道进口遮光设施是用来缓和照度剧烈过渡（一般阴天、雨天则不存在剧烈的照度过渡）的主要方式，而现状削竹式遮光设施形式多样，作用效果并不相同，因此有必要对削竹式遮光设施遮光效果进行探究.本文利用隧道微缩模型模拟真实隧道，多次测量不同形式的削竹式隧道进口瞳孔照度，并利用视觉负荷指标对削竹式遮光设施进行分析和比选，以评价各种遮光设施的优劣，为设计削竹式洞门提供参考.

1 实验设计与数据采集

1.1 实验模型设计

依据《公路隧道设计规范》［9］，采用设计速度80km／h以上、上下分离式的公路隧道，每车道宽度不小于3.75 m，建筑界限高取5.0 m，检修道取0.75m.据以上规范要求，设计比例尺为1∶20的公路隧道微缩模型见图1.

图1 公路隧道微缩模型设计图

1.2 实验条件

为保证实验数据测量可靠性，本次实验选取的自然环境与真实隧道照度测量的环境相近，以减少实验误差.因此实验选在无遮挡物的室外开阔地，5月晴朗的10：00～17：00.

1.3 实验器材

TESTO 545照度仪、微缩模型、笔记本电脑等.

1.4 实验方案

考虑国内隧道线形多采用南北向，以避免阳光对驾驶员视线的直射（隧道东西方向设置，遮光设施失效），降低眩光，故本次微缩模型摆放方位选为南北向.微缩模型隧道进口瞳孔照度测量方案如下：封闭隧道出口，沿行车方向，距洞口-100，-75，-50，-25，0，25，50，75，100cm 位置点，依次测量瞳孔照度.其中遮光设施为30°，45°，60°的正反削竹式洞门.

2 实验结果与分析

2.1 精度检验

为便于体现瞳孔照度下降趋势的变化情况，与实际行车进行精度校核，本文将以微缩模型瞳孔照度变化与路上实测瞳孔照度变化所形成的夹角，检验二者变化趋势精确度.若夹角超过一定阈值则视为模型的照度过渡测量值无效，本实验将夹角阀值定为90°，检验结果见表1.

由表1可知，公路隧道模型实验的实验数据在接近隧道进口的过程中，自隧道进口断起点开始瞳孔照度下降趋势的精度发生逐渐减小，且进入隧道模型内部10m 以上，数据降低趋势更大.

2.2 视觉负荷指标

2.2.1 视觉负荷系数

杜志刚［9］利用瞳孔面积变化得出视觉负荷系数，如式（1）～（3）所示.

表1 各测量时间段的微缩模型瞳孔照度对数变化精度及检验表（端墙式）

式中：S为瞳孔面积，mm2；E为驾驶员瞳孔照度，lx；ve为瞳孔面积变化速度；V为隧道入口车辆行车速度，m／s.同时得出瞳孔面积及面积变化临界速度变化关系，见表2.

表2 瞳孔面积及面积变化临界速度关系检验

由表2可得：

式中：vec为隧道进口瞳孔面积变化临界速度.

瞳孔变化过快，则容易超过其适应能力，将引起视觉障碍，产生不良驾驶行为.因此设隧道路段t时刻瞳孔面积速度／瞳孔面积临界速度比率为k（定义为：基于瞳孔面积临界速度的视觉负荷系数），对于白天隧道路段，则有下式成立：

2.2.2 理想照度过渡曲线

若全过程瞳孔面积变化速度都满足式（3），则为平均负荷系数k-，即视觉负荷恒定，则可认为过程瞳孔面积变动引起视觉负荷最合理，照度过渡最为理想.理想瞳孔面积变化速度见式（4）.

可得到进口段理想瞳孔面积见式（5）.

式中：C（1）为常数.驾驶员理想瞳孔照度如式（6）.

2.3 实验结果

本实验利用微缩模型对隧道进口瞳孔照度进行测量，每时段测量20 组.实验数据利用origin7.5进行处理得出下午13：00 照度过渡最剧烈，因此选用13：00照度数据进行分析，该时间段的微缩模型实验结果见图1.

图1 正／反削竹瞳孔照度曲线

为比选各设施遮光效果，采用视觉负荷系数k作为设施效果比选指标，要求各遮光设施最大视觉负荷系数最小，同时要求视觉负荷系数过渡最小.若缓解瞬时盲期的遮光设施视觉负荷k值与理想的视觉负荷k值相近，即更接近理想照度曲线，则遮光设施遮光效果好，因此采用视觉负荷偏离度Sj来度量各遮光设施的视觉负荷系数过渡，Sj越小遮光设施视觉负荷系数过渡越平缓.遮光效果最优效果评价如式（7）.

式中：Sj为第j个项目视觉负荷偏离度；为第j个项目理想视觉负荷k值；kji为项目j第i个特征点视觉负荷k值.

各种方案视觉负荷系数见表3，各遮光设施视觉负荷偏离度见表4.

表3 各种方案视觉负荷系数比较表

表4 各项目视觉负荷偏离度

由表3、表4可见：（1）60°反削竹、45°正削竹、60°正削竹、端墙式洞门视觉负荷相对较大，与理想照度偏离较大，究其原因是60°反削竹遮光长度较短，遮光效果有限，而45°削竹、60°削竹遮光中间部分为镂空，遮光效果不佳；（2）遮光设施遮光效果由优及劣的顺序依次为：30°反削竹、45°反削竹、30°正削竹、45°正削竹、60°反削竹、60°正削竹、端墙式洞门；究其原因是30°正削竹两翼遮光部分较长，有一定的减光效果，但由于遮光多依靠中间部分，因此30°反削竹、45°反削竹的减光效果相对较佳.

3 结 论

1）经过数据有效性分析，公路隧道进口微缩模型（1∶20）能够有效模拟真实隧道进口瞳孔照度过渡.

2）依据隧道进口视觉负荷指标，建立了隧道进口理想照度过渡曲线.

3）依据视觉负荷指标的削竹式遮光设施比选可知，30°反削竹的设施遮光效果最佳.

4）相同角度遮光设施形式，反削竹遮光设施比正削竹遮光效果好.

［1］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.

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