高速公路隧道视觉安全引导技术分析与应用

王启俊

（中铁建大桥工程局集团电气化工程有限公司,天津 130300）

1 概述

高速公路作为保障国民经济发展的重要命脉，发挥的作用巨大，公路隧道是修筑在地下或是山体中供汽车行驶的通道，是公路工程的重要组成部分[1]。公路隧道施工可有效缩短两地之间的行车距离，对交通运输和城市发展都有积极的促进作用。近些年，随着我国社会经济的快速发展，高速公路路网建设也在逐步完善。据统计，近十年我国高速公路里程增长一倍之多，截至2020年，总里程达15 万公里。随着高速公路逐渐向山区延伸，由于山区地质结构的特殊性和复杂性，导致山区高速公路隧道不断增多，据统计，截至2019年我国公路隧道数量为19 067 座，同比增长7.5 %，隧道总长度达到1 896.66 万米，同比增长10%。我国已成为世界上隧道建设数量最多、里程最大的国家。

图1 2010—2020年我国高速公路总里程及隧道数量统计

然而随着隧道数量的增加，隧道引发的交通事故也相应增多[2]。通常隧道路段不同于开放性路段，其行车环境较为特殊，最典型的就是在白天和夜间行驶到隧道出入口时，由于受到隧道洞内外光源类型、明暗差异的影响，易产生“黑洞效应”和“白洞效应”，给驾驶员视觉造成过度的负荷，导致操作失控，使得隧道出入口成为高隧道比路段的事故多发位置，占隧道区段事故的近60 %。

目前，我国高速公路隧道内大多通过安装LED灯具的方式来加强整个隧道内的亮度，进而减小隧道内外的光线差异。LED灯具有使用寿命长、显色性好、易调控、光线利用率高及不含有害物质等特点[3]，虽然通过安装LED灯具可一定程度解决高速公路隧道出入口驾驶人员视觉上出现过度的负荷问题，但大量的LED灯具照明能耗巨大，易造成运行成本增加，甚至会造成隧道开灯率低等问题。如何缓解隧道照明能耗和行车安全之间的矛盾，需要进行相关研究。本文分析了隧道照明控制技术发展现状，进行了一种高速公路隧道视觉安全引导装置设计，相关研究可为高速公路隧道行车安全及高效运营提供依据。

2 隧道照明技术的发展

隧道照明系统是公路隧道建设工程的重要组成部分，随着世界各国隧道工程的发展，隧道照明技术也得到了巨大进步，国内外针对隧道照明技术的研究，具体发展可总结为三个阶段。

2.1 起步阶段。

早在20世纪50年代末，英国科学家WALDRAM针对驾驶员驶近隧道并从洞外看隧道内时会造成视觉辨认障碍物困难等问题，提出了著名的“黑洞效应”并阐述了其严重性，致使各国学者开始致力于针对公路隧道照明技术的相关研究[4]。荷兰学者SCHREUDER于20世纪60年代，根据洞内外亮度变化差异，提出了隧道内照明亮度的改变方法[5]，开启了针对隧道照明的智能化控制相关研究。

2.2 发展阶段

到20世纪70年代初，随着隧道照明理论的不断完善，国际照明委员会（International Commission on Illumination，简称CIE）出版了第一版有关隧道安全照明的标准《隧道照明国际建议》，为隧道行车安全照明提供了相关的规定与建议。随后，西方发达国家和国际照明委员会制定了不同类型隧道照明系统的规范和标准，如《欧洲隧道照明指南》和《隧道照明指南》等相关的标准和准则，使得隧道照明的设计和施工更为规范合理，一定程度减少了隧道交通事故。

2.3 完善阶段

20世纪90年代和21世纪初，国际照明委员会分别对隧道照明安全标准进行了补充和修订，至今，2004年修订出版的《公路隧道和地下通道照明指南》CIE 88-2004一直作为国际隧道安全照明标准。该标准中将隧道照明划分为四个照明段：入口段、过渡段、中间段和出口段。每个照明段的划分和照明（亮度）设计需要考虑隧道外的最大亮度、隧道设计的最大车流量和车速等因素[6]。我国针对隧道照明技术相关研究起步较晚，理论技术相对落后，1990年，我国颁布了首部包含隧道照明规定和公路隧道设计的行业标准《公路隧道设计规范》JTJ026-90，其后多次进行了规范的补充和修订。2014年我国又发布了《公路隧道照明设计细则》JTG/T D70/2-01-2014，对我国隧道照明的设计起到了极大的指导作用。近些年，随着我国科学技术的飞速发展，隧道照明技术，特别是隧道照明的节能高效设计方面也得到了较大发展。

当前高速公路隧道照明系统主要采用LED照明技术，LED灯具有体积小、节能效果良好、寿命较长等优点。高速公路隧道照明系统改造设计一般包括两种：一种为全部改造为LED灯；另一种采用LED灯与高压钠灯的组合，通过LED灯来实现隧道的基本照明，然后采用高压钠灯来实现加强照明[7]。如今，公路隧道照明技术总体朝着数字化、智能化和人性化的方向发展[8]，特别是随着通信工程、材料学、光学、热工学、计算机技术、电气工程与自动化控制、软件工程、微电子与固体电子学及半导体照明等相关技术的进步与发展，公路隧道照明技术也必将会迎来新的发展和突破。

3 隧道视觉安全引导装置设计

目前高速公路隧道指引装置通常采用反光条粘贴于隧道内部，然后通过行驶车辆的灯光照射产生反光，进而视觉引导车辆行驶，这种反光条虽然使用方便，但是其反光的强弱程度不够均匀，对车辆视觉引导的效果不够显著，因此有必要设计一种更有效的视觉引导的隧道指引装置。虽然高速公路隧道通过安装LED灯具一定程度解决了“黑洞效应”和“白洞效应”，但大量的LED灯具照明能耗巨大，易造成运行成本增加，甚至会造成高速公路隧道开灯率低等问题[9-10]，因此有必要设计一种更经济高效的视觉引导照明装置。

3.1 高速公路隧道指引装置设计

高速公路隧道指引装置设计示意图如图2所示，装置部件主要包括光敏传感器、固定框架、LED灯组、微处理器、PVC透明盖板、引导箭头标识（表面涂抹有荧光涂料）、反光条、支柱及底座板等。首先将装置的LED灯组与外界电源连接，当隧道内部光线变暗时，光敏传感器会感应光信号进而产生电信号，通过导线将其传递到下部微处理器中，微处理器对电信号进行分析处理，进而产生控制指令，控制LED灯组进行通电发亮；LED灯组产生的光照射到PVC透明板上，将PVC透明板表面的引导箭头标识照亮，进而对车辆进行视觉上的引导指示。通过将该装置等距固定于高速公路隧道内部的路沿上，能有效提高高速公路隧道视觉引导效果。

图2 高速公路隧道指引装置设计示意图

3.2 高速公路隧道视觉引导照明装置设计

高速公路隧道视觉引导照明装置设计如图3所示。隧道本体内的LED灯与电源连接，可为隧道内提供光线，在隧道本体左右两侧的引道上增设遮光板，根据晴雨天光线的强弱，对遮光板进行调节，具体为：导向电机启动→带动蜗杆转动→蜗轮转动→转轴转动→齿轮转动→带动齿牙转动→导向块移动→遮光板转动。当太阳光线过强时，通过导向电机转动，使前后两个遮光板均向中间转动，进而对太阳光线起到遮挡作用；当阴雨天光线较弱时，导向电机反向转动，使两个遮光板分别向前后两侧转动，太阳光线从两个遮光板间隙内射引进道内，通过调节间隙的大小可控制引道内的光亮程度，根据太阳光线的不同，对前后两个遮光板进行调节，可使驾驶人员在行驶进出隧道本体时，提高其视觉的舒适度，有效抑制眩光；另外，在遇到下雨天时，通过位于遮光板后侧的挡水板可有效防止雨水顺着遮光板流入支撑架内部而降低支撑架的使用寿命。高速公路隧道视觉引导照明装置设计可为缓解隧道照明能耗和行车安全之间的矛盾提供依据[11]。

图3 高速公路隧道视觉引导照明装置设计示意图

4 结语

随着我国高速公路隧道建设的飞速发展，隧道照明需求会越来越大，隧道照明的设计优化是一项重要课题，既要确保行车安全又要尽量降低照明能耗。本文分析了国内外照明技术的发展现状，并将其划分为三个阶段：起步阶段、发展阶段及完善阶段。国内隧道照明技术起步晚但发展迅速，未来隧道照明技术会继续朝着数字化、智能化和人性化的方向发展。针对目前高速公路隧道指引装置及LED灯照明现状，设计了高速公路隧道指引装置和隧道视觉引导照明装置，可有效提高高速公路隧道视觉引导效果，降低高速公路隧道交通事故发生率，可为高速公路隧道照明和引导设计提供参考。