基于视错觉的公路隧道环境改善研究新进展*

杜志刚 徐弯弯 孟 爽 李平凡

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (公安部交通管理科学研究所2) 无锡 214063)

基于视错觉的公路隧道环境改善研究新进展*

杜志刚1)徐弯弯1)孟 爽1)李平凡2)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (公安部交通管理科学研究所2)无锡 214063)

我国公路隧道照明运营中开灯率普遍较低，一般不到国家规范值的40%，远低于国家标准，隧道照明节能与交通安全矛盾突出，并造成严重视错觉，驾驶员容易低估车速，高估跟车距离，进而诱发超速行为及追尾、撞侧墙事故.文中总结了国内外对视错觉与道路环境相关性研究、公路隧道照明节能方法的新进展.结果表明，公路隧道时空隧道、黑洞/白洞效应实质是严重的视错觉，而隧道弱视觉参照系是诱发隧道环境严重视错觉，并导致交通事故的主要原因，中西部公路隧道更需要低成本的逆反射改善方法，也指出了逆反射改善方法尚缺乏隧道照明新理论、评价指标及精准化设计.

公路隧道；视错觉；交通安全；照明节能

0 引 言

截至2015年末，我国境内的公路隧道为14 006处，总长达到1 268.39万米，其中特长隧道744处，总长达329.98万米，长隧道3 138处，总长达537.68万米.隧道路段作为道路交通中的关键路段，交通事故多发，极易出现群死群伤.

在机动车的行驶过程中，驾驶员90%以上的交通信息通过视觉获得；驾驶员对所得信息判定车速、车距、障碍物距离，做出决策避免交通事故的发生.我国公路隧道开灯率普遍较低，远低于国家标准，容易造成严重视错觉，使驾驶员产生速度低估和距离高估，进而诱发超速行为及追尾、撞侧墙事故，隧道照明节能与交通安全矛盾突出.

因此文中对公路隧道照明节能与交通安全的矛盾、视错觉理论在道路交通安全中的应用、高速公路隧道照明技术进行综述，分析现有研究存在问题及发展趋势，得出公路隧道光环境改善方向.

1 我国公路隧道交通安全与照明节能矛盾突出

光环境是指由交通中自然光源、人造光源及主动、被动发光的标识、指示及景观耦合营造的动态系统环境.车辆在公路隧道中部高速运行时，由于照度低、参照物少、对比度低、环境单调，驾驶员会显著低估车速、高估跟车距离；急于驶离隧道，容易诱发超速行为，并诱发追尾、撞侧墙的交通事故.

1) 公路隧道弱视知觉参照系环境容易诱发隧道时空隧道、黑洞/白洞效应 车辆在公路隧道中部高速运行时(见图1a))，由于照度低、参照物少(主要为灯具及轮廓标)、对比度低、环境单调(为典型的弱视觉参照系)，驾驶员会显著低估车速、高估跟车距离；急于驶离隧道，容易诱发超速行为.隧道外照度高、视觉空间广阔，景观及交通工程设施丰富，为典型的强视觉参照系.白天隧道入口即是由强视觉参照系向弱视觉参照系环境剧烈过渡的过程(见图1b))，照度从几万lx急剧减少到几百lx，从开阔空间迅速缩小到隧道狭小空间，照度剧烈过渡为“黑”，空间剧烈过渡成“洞”.生理上，驾驶员瞳孔迅速扩大，难以准确在视网膜上聚焦，容易产生“两眼一抹黑”的瞬时盲期，心理上，由于洞外到洞内视觉参照物也急剧减少，视敏度迅速降低，无法看清隧道内信息，即为黑洞效应；在隧道出口，驾驶员看到刺眼眩亮白洞(见图1c))，形成白洞效应，出洞口视觉功能降低，无法准确判定车速与车距.

图1 公路隧道内视觉环境

公路隧道中弱视觉参照系环境中驾驶员的时空隧道、黑洞效应、白洞效应，视知觉表现上是对速度、距离、时间发生较大误判(隧道进口的瞬时盲期、隧道出口眩光均会降低驾驶员视敏度，从而加大这种误判程度).

2) 隧道视觉效应实质是严重视错觉，容易诱发超速行为及交通事 视觉参照系：能为观察者提供重要的视觉线索：大小，覆盖，相互位置，叠加，透视，运动视差，明暗适应，融合，立体视觉，形状，颜色，亮度，视野中的位置等，所有这些相关信息的总和，则成为视觉参照系.

视错觉就是当人或动物观察物体时，基于经验主义或不当的参照系形成的错误判断和感知.在行车过程中，如果缺乏周围参照物时，物体的深度及形状信息将会按照驾驶员认知习性予以估计，容易发生感知及判断失误，诱发视错觉.高速公路交警部门统计表明，驾驶员超速70%为速度错觉诱发，其次为距离错觉诱发[1]，因此减少速度错觉、距离错觉，将能降低超速行为，有效提升交通安全.

航空医学中提出黑洞错觉的概念(black-hole illusion)，并认为其是导致飞行员判断失误，诱发夜间飞机降落事故的重要原因；与之类似，公路隧道环境中的时空隧道、黑洞效应、白洞效应实质是一种基于特定视觉参照系的严重视错觉：公路隧道中部诱发原因为弱视觉参照系环境，公路隧道进出口诱发原因为视觉参照系(照度、空间、参照物)的剧烈过渡.

国内23座公路隧道交通事故的调查表明，隧道路段事故是全线平均事故率的1.3～9.67倍(平均为5.17倍)，事故总数、受伤死亡人数和造成经济损失的比例远高于正常路段；对十漫高速公路隧道群调研，结果表明隧道事故70%发生在白天隧道入口，且入口超速比例在50%～60%，事故形态中40%以上为追尾[2].

3) 现有公路隧道低照度运营十分常见，交通工程设施难以发挥作用 我国中西部地区公路隧道照明“高配低用”现象普遍，低照度运营十分常见.我国公路隧道照明标准主要参照欧美照明标准，建立依据为驾驶员在停车视距范围内能有效视认行驶车道中心障碍物(20 cm×20 cm×20 cm)，对于交通量较小的我国中西部公路隧道相对保守，照明能耗过大(2015年我国工业用电电费为美国的4倍，人均收入不及美国的1/7，相对成本为美国的30倍).2013年统计表明全国公路隧道每年发生的耗电费用高达264亿元.秦岭终南山隧道每月照明费用即接近200万元，白天开灯率只有国家规范值的40%.总体而言，我国中西部公路隧道照明运营“高配低用”现象普遍存在；即开灯率较低，低照度运营，远低于国家规范值，牺牲了交通安全[3].

隧道交通工程设施难以发挥作用.高速运行时驾驶员注视点前移，难以通过速度方向盘适时准确判定车速；辅助驾驶系统成本高，难以普及到所有车辆上.同时我国中西部公路隧道开灯率低，主要依靠车辆远光灯照明，并通过环境参照物来判定车速、车距.公路隧道内低照度及低对比度也导致环境参照物难以被驾驶员发现，作用有限.

2 视错觉理论及在道路交通中的应用研究

航空医学的“黑洞错觉” Randall等[4]提出了“黑洞错觉”(black-hole illusion)概念.当夜间高空飞行的飞行员降落时候，由于缺乏周围线索，在长而狭窄的跑道上极容易产生黑洞错觉，飞行员对目标物体的大小、形状、深度均会发生较大的误判，容易诱发飞行事故.

距离知觉是人们空间知觉和运动知觉中的重要认知形式.道路交通领域学者普遍认为碰撞时间是车距保持的最关键因素,赵炜华等[5]研究了判识红、绿色障碍物的空间距离，结果表明,绝对距离和相对距离判识结果均随速度增加而减小，随深度距离增加而增大，夜间判识距离大于白天.

速度知觉的影响因素研究 Hammett等[6]室内模拟实验得出对比度降低会使人们速度的低估.文献[7]在直线公路上减速试验表明，随着适应时间的增长，驾驶员对速度的低估效应逐步放大.Lauckner等[8]指出多数交通事故诱因是车速控制不当，参照物数量越多则车速越慢.

光流率是人运动时，空间中各点穿过视野的相对速度，边缘率是单位时间内穿过观察者视野边缘或间断的数目[9].边缘率是物体速度、移动方向判断的重要线索,人对速度的主观知觉很大程度上取决于局部边缘率.

照度、空间对速度判定的影响 Buchner等[10]提出，低照度环境下，由于眼睛的调节作用，更多光线进入眼睛，晶状体曲度变小，光线折射角度变小，成像也就感觉往后，引起判识距离逐渐增大.Suh等[11]发现，夜间不良照明条件会使驾驶员低估车速，诱发驾驶员超速.程国柱等[12]研究表明，驾驶员夜间感知速度的准确度、识别距离与白天相比下降.

公路环境“时空隧道”效应 Ranney等[13]提出在长直线公路高速行驶时，驾驶员集中注视于前方地平面中心点的现象，称为隧道效应(time-tunnel effect)；单调环境能增大这种效应，表现为驾驶员车速敏感性降低，低估距离，容易诱发疲劳效应，也是瞌睡事故重要诱因.

速度错觉在道路交通中的应用研究 Campbell等[14]认为如果驾驶员低估其行驶速度，则行驶速度高于期望速度，如果驾驶员高估其行驶速度，则行驶速度低于期望速度，可利用该原理来进行速度控制.Hunter等[15]发现，横向标线和边缘线都能够降低车速，同时等间距逐渐减小的边缘线减速效果强于等间距逐渐减小的横向标线,白天减速效果好于夜间.Gates等[16]研究表明，边缘率长期降速效果低于短期效果，减速标线设计可采用等间距、逐段缩小间距和逐条缩减间距三种设计理念.刘兵[17]通过模拟实验得出当边缘率小于2 Hz，或大于32 Hz时，驾驶员会出现速度低估，边缘率在4～16 Hz时，实验者对速度产生了高估.

隧道视觉实验研究 Martens等[18]指出驾驶员在进入隧道时，照度剧烈过渡，难以感知到前面的车辆或障碍物，导致视觉诱导受限，往往导致追尾等交通事故增加，并建议合理设置隧道入口段的对比度.Katja等[19]实验表明，隧道内驾驶员注视点会较长时间离开道路，浅色的侧墙更为安全.潘晓东等[20]研究表明：在长隧道侧墙设置10～20 m间距矩形图案可增加速度感.郑晅等[21]通过室内模拟试验，得出隧道环境亮度安全临界阈值为5 cd/m2.胡江碧等[22]通过行车试验，得出隧道入口安全舒适照明亮度折减系数比现行标准高.杜志刚等[23]试验表明，多数山区公路隧道入口样本存在视觉瞬时盲期，证实黑洞效应的存在；同时模拟实验表明，低照度条件下，公路隧道中部速度低估接近30%，也从实验上证实了时空隧道效应.

3 高速公路隧道照明节能技术的研究

为了保障隧道交通安全，根据《公路隧道通风照明设计规范》(1999)规定“超过100 m长度”即设置照明，这也产生很高的照明费用，2013年统计表明全国公路隧道每年发生的耗电费用高达264亿元.因此一些隧道照明节能技术也相继被推出，逆光照明技术.即从被照射物体的背面进行照明，从而提高目标的背景亮度，使之更容易辨认；瑞士大多公路隧道均采用此种照明方式[24].LED光源照明.由于LED隧道灯具有高光效、长寿命、易配光、智能调控等优点，近年来也尝试采用LED灯改善隧道照明.最新的《公路隧道照明设计细则》(JTG D702-2014)规定LED灯、逆光照明方式用于隧道内基本段照明时，亮度标准可以适当降低.

逆反射照明是通过逆反射材料增加障碍物的局部亮度及对比度，从而提升障碍物的视认性.相对于传统照明而言，逆反射照明是一种高效节能的照明方式.逆反射概念是指反射光线从靠近入射光线的反方向向光源返回的反射.利用光的逆反射原理，通过人工技术合成，就形成了实现光线逆反射效果的逆反射材料.逆反射照明技术最大特点是充分利用车辆前灯的亮光，通过逆反射材料的表面结构，为驾驶员感知，有利于在低照度环境下，提高安全设施的视认性，见图2.Joceline Rogé等[25]通过研究低照度下汽车与摩托车相撞发现，采用高对比度具逆反射性能的彩色路面能够显著增强摩托车的可见性，同时提高汽车驾驶员的视距.

图2 公路逆反射原理示意图

2015年贵州省交通运输厅在《贵州省高速公路勘察设计指导意见》(交建设[2015]46号)中指出：隧道内反光环具有边界轮廓清晰，行车诱导效果好的特点，能降低隧道照明用电量.同时四川、浙江也开展了相应公路隧道反光环试验段.运用了反光环技术的少数高速公路隧道，进一步降低了开灯率(有些则全部关闭).万红亮等[26]研究表明，在25%，50%，100%亮度水平条件下，高频信息(见图3，4～8 Hz，路侧立面标记线)、低频信息(0.5～2 Hz，竖向半环形白色标线)能降低速度错觉与反应时间，有利于交通安全.

图3 公路隧道多频标线系统改善方案示意图

4 现有研究存在的问题及发展趋势

1) 公路隧道光环境驾驶员速度错觉、距离错觉阈值未能确定 不良的公路隧道光环境容易诱发较大的速度错觉、距离错觉，对行车安全极为不利，因此亟须确定公路隧道光环境合理的速度错觉、距离错觉水平(阈值)，以确保行车安全，同时对隧道照明及交通工程设施提供指导作用.

2) 公路隧道环境与速度错觉、距离错觉的之间定量关系未能建立 国内外研究也得出不同边缘率信息刺激下驾驶员容易出现速度错觉，同时也对不同隧道照明条件驾驶员眼动行为进行了实验研究.但未能建立低照度公路隧道环境视觉参照系与驾驶员视错觉(速度错觉、距离错觉)之间定量关系.

3) 缺乏基于整体视觉参照系的车速控制、车距保持方法的系统研究 现有道路安全实验表明：对于4～16 Hz边缘率会出现较大的速度高估，会造成驾驶员恐慌情绪，对于行车安全极为不利.同时现有研究集中于利用局部边缘率改善速度知觉，对于方向感、距离感研究少，也导致驾驶员熟悉局部信息后，敏感程度下降，长时控速效果降低，且容易诱发疲劳.因此亟须从整体视觉参照系及长时效应的角度来进行改善.

4) 隧道反光环、轮廓带改善方法突破现有隧道照明规范，理论依据不足.隧道内反光环、轮廓带本质而言也是一种低成本的逆反射技术，通过加强局部亮度、信息密度而加强隧道内弱视觉参照系，给驾驶员提供更强的视觉参照，以减少驾驶员视错觉(速度错觉、距离错觉).现有的隧道内反光环、轮廓带做法突破了相关规范的规定(设置反光环的隧道内照明亮度值一般远低于我国现行规范)，急需新的交通安全理论支撑.同时现有改善方法评价指标如何，是否会诱发超速行为及眩光？我国公路隧道种类众多，隧道长度、宽度、线形条件，照明水平、设计车速也有较大差异；反光光环设置位置、间距、大小是否合理，能否进一步优化？也缺乏系统性报告.

5 结 论

1) 公路隧道驾驶员视错觉是交通事故的重要原因.从隧道外到隧道内，照度、空间、参照物剧烈过渡，即从强视觉参照系(隧道外照度充分、空间广阔、参照物多)剧烈过渡到隧道内弱视觉参照系(照度不足、空间狭小、参照物少)，导致驾驶员难以适应；驾驶员长期在隧道内弱视觉参照系环境行驶，视觉信息刺激不足；均容易产生严重视错觉(高估车距、低估跟车距离)，进而诱发超速，急刹车等行为，产生追尾及撞侧墙的交通事故.

2) 基于视错觉的隧道照明新理论.现行的隧道照明规范，主要依据是对停车视距范围内路面20 cm×20 cm×20 cm大小障碍物的准确辨识.可依据我国公路隧道主要事故原因(超速及刹车)、事故形态(追尾及撞侧墙)，从对路面障碍物的准确视认转变为对路侧障碍物(缘石及侧墙)及前车车距、本车速度的准确认知为基础.因此以事故预防为主，提出隧道照明新理论，实质是重构公路隧道视觉参照系：增强公路隧道内弱视觉参照系，缓和隧道进出口视觉参照系剧烈过渡.

3) 基于视错觉的公路隧道照明评价指标.高速公路超速70%以上为速度错觉诱发，其次为距离错觉.因此可以速度错觉、距离错觉、反应时间为评价指标，以驾驶员对车速、车距及时准确的判断为评价目标.

4) 低成本公路隧道照明与逆反射系统协同设置方法.隧道内反光环、轮廓带本质而言是一种逆反射技术，通过加强局部亮度、信息密度而加强隧道内弱视觉参照系，与轮廓标、路缘立面标记线、突起路标等共同给驾驶员提供更强的视觉参照，以减少驾驶员视错觉(速度错觉、距离错觉).因此逆反射技术与主动照明协同设置，应成为公路隧道照明的一种重要选择，对中西部公路隧道运营更具典型意义.

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New Research on Improvement Research of Highway Tunnel Based on Visual Illusion

DU Zhigang1)XU Wanwan1)MENG Shuang1)LI Pingfan2)

(WuhanUniversityofTechnology,SchoolofTransportation,Wuhan430000,China)1)(TrafficManagementResearchInstituteoftheMinistryofPublicSecurity,Wuxi214036,China)2)

The rate of China’s highway tunnel lighting in operation is generally low, which is commonly less than 40% of the national standard value and far below the national standard. There is significant contradiction between energy saving of tunnel lighting and traffic safety, and it is always leading to serious visual illusion. Drivers will underestimate the driving speed, and overestimate the car-following distance. As a result, over-speed behaviors and accidents like rear-end collision or hitting the side wall may occur. This paper summarizes the research on the correlation between visual illusion and road environment, and new developments of road tunnel lighting (focusing on reflective method). The main conclusion is drawn that the substance of Time-tunnel effect and Black-hole or White-hole illusion in highway tunnel is a serious visual illusion. The weak visual reference system in tunnels is the main reason that induces serious visual illusion and causes serious traffic accidents in tunnel environment. Finally, the new theory and evaluating indicator of tunnel lighting based on visual illusion, low-cost tunnel lighting method are discussed in this paper.

highway tunnel; visual illusion; traffic safety; lighting energy saving

2017-01-14

*国家自然科学基金资助(51578433)

U453.7

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.002

杜志刚(1977—)：男，博士，教授，主要研究领域为交通运输规划与管理