高速公路隧道群交通安全改善理论及方法研究框架

杜志刚 倪玉丹 梅家林 陈逸飞 尹香港

(武汉理工大交通学院 武汉 430063)

0 引 言

截至2019年底，我国共有公路隧道19 067座，总里程1 896.66万m，隧道建设逐渐向山区延伸，在我国西部多山地区公路隧道数量逐渐积累，隧道群特征也愈加凸显，在浙江、贵州、重庆、江西等地均形成了较大规模的隧道群，其中最为出名的秦岭隧道群是世界规模最大的公路隧道群，由136座隧道组成[1].公路隧道作为交通中的半封闭路段，交通事故多发，事故现场也极难处置，往往造成隧道路段交通中断及群死群伤现象.公路隧道群单体隧道数量多，相邻隧道间距近，在交通安全、照明设置及灾害救援方面相互有较强影响.我国公路隧道群光环境主要问题如下.

1)公路隧道群光环境连续、交替、剧烈变化，容易诱发视疲劳及超速行为 交通光环境是由交通中自然光源、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[2].公路隧道光环境特征：隧道外照度高、视觉空间广阔，景观丰富；公路隧道中部照度低、对比度低、环境单调.当车辆驶入隧道时，驾驶人通常会在驶入隧道入口时减速，以适应昏暗的光线条件(“黑洞”)，进入隧道后，驾驶人将减速到低于空旷道路的速度，而出洞驾驶人会加速驶离，较大的速度波动会对交通安全产生影响.隧道群光环境的频繁、交替地剧烈过渡，容易产生节律性视疲劳，致使驾驶人对速度、距离、方向及位置发生较大误判，容易诱发超速行为及追尾撞洞门、侧壁的交通事故.

2)公路隧道群照明中低照度运营普遍存在，照明节能与交通安全矛盾突出 公路隧道内照明设计是影响隧道安全的主要因素之一.我国公路隧道照明标准依据为驾驶人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)，对于交通量较小的中西部公路隧道相对保守，照明能耗过大.2013年全国公路隧道电力系统能耗294亿度电，仅秦岭终南山特长公路隧道每月照明费用即接近200万元.中西部不少公路隧道白天开灯率不高于40%，造成照明设备的重大浪费.对于隧道群而言，JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》[3]规定：“两座隧道间行驶时间按设计速度计算小于15 s，且通过前一座隧道的行驶时间大于30 s时，后续隧道入口段亮度应进行折减，折减系数为20%～50%”.我国公路隧道群照明运营“高配低用”现象普遍存在，即开灯率较低，低照度运营，远低于行业规范值，牺牲了交通安全.

3)公路隧道群具备一定韵律，可利用驾驶人韵律偏好来调控隧道群光环境 韵律有几种典型类型：连续韵律、交错韵律、渐变韵律、起伏韵律[4].借助韵律，既可加强整体的统一性，又可以求得丰富多彩的变化.韵律美广泛体现于建筑、音乐、舞蹈、自然、道路(桥梁)景观中.人类对韵律信息具有天生的偏好，自然界余音绕梁的音乐，婀娜多姿的舞蹈，波涛起伏的大海，波澜壮阔的山脉，都具有一定韵律感，提升环境美感，让人愉悦兴奋，有效缓解疲劳.同时日本一些音乐公路则通过振动音符标线，从振动效果与视觉方面来控制驾驶人车速.公路隧道群由多个单体公路隧道组成，本身具有一定连续重复性、交错性，有利于构造韵律性视觉信息.

文中从预防交通事故的角度出发，利用驾驶人对韵律性信息的偏好及公路隧道群本身的韵律性，提出构建公路隧道群韵律型视觉参照系的思路，来实现公路隧道群交通安全与照明节能的协调统一.

1 公路隧道群交通安全研究现状

1.1 事故分布规律

在2006—2008年期间，新加坡中央高速公路隧道中追尾事件约占所有交通事故的70%[5].Amundsen等[6]发现，在隧道入口处的事故率较高，而随着驾驶人继续驶入隧道内部，事故率降低.张生瑞等[7]以京珠高速公路隧道群为例进行了隧道群交通事故统计分析，发现隧道群路段事故的主要发生区域为隧道出入口位置，同时在隧道间的连接段也是事故高发区.胡顺峰[8]以云南某公路隧道群为调查对象，分析了隧道群交通事故的时空特性，研究指出该路段交通事故多发生在多雨季，且以一天中的清晨、黄昏及阳光明媚的正午时分为事故高峰期，主要是由于隧道光线不良影响驾驶人行车视线.另外事故形态以追尾碰撞、撞击侧壁为主，占事故总数的75%以上，赖金星等[9]的研究结论与之吻合.张国辉等[10]分析了隧道群不同区段的事故分布特性，发现隧道群后段的事故数明显高于前段，而单体隧道中交通事故主要集中于隧道中后段.戴优华等[11]对隧道交通事故时间、事故地点分布规律、事故类型及事故车型进行了统计分析，发现一般隧道入口事故率最高，而特长隧道则出口段最高，隧道事故形态主要为追尾、刮擦和撞击侧壁，涉事车辆主要为大货车，其次为小客车.

1.2 安全影响因素

1)驾驶人因素 Shao[12]从人因、路面状况、交通安全设施、交通与自然状况等方面综合分析了隧道群事故影响因素.Yan等[13]研究了高速公路隧道群中驾驶人感知特性与交通安全之间的关系，发现驾驶人年龄、驾驶经验及驾驶时间均会影响驾驶人的速度感知，且驾驶时间影响程度最大.Martens等[14]指出在进入隧道时，驾驶人难以感知到前面的车辆或障碍物，往往导致追尾事故增加，并建议增加隧道入口段的对比度.慕慧等[15]定量分析了瞳孔面积变化速度与道路安全之间的关系，然后基于隧道出入口的视觉适应性得出了安全驾驶临界速度的结论.阎莹等[16]构建驾驶人瞳孔面积最大差值与隧道连接段长度之间的曲线模型，提出了改善隧道群路段环境光照度的推荐值.闫彬等[17]研究发现驾驶人的速度估计特性与高速公路隧道群驾驶人的年龄、驾龄以及连续行车时间具有较强的相关性，驾龄、连续行车时间对驾驶人的深视力准确性有显著影响.赵炜华等[18]研究指出，在隧道群出、入口段受间隔距离较小的影响，驾驶人视觉特征变化趋势与单一长隧道入口差异明显.

2)车的因素 车辆的制动性、操作性、车型等均会对驾驶人操作指令的响应速度产生影响，从而影响隧道行车安全性.周忠业等[19]研究了隧道群车辆的行车特性，指出车速是导致隧道群交通事故的重要因素，并通对各路段车速的统计分析，研究了隧道群各段的安全性，研究指出大隧道与小隧道危险性最高之处分别为入口处与出口处，且小车危险性高于大型车.赵跃峰等[20]通过实车试验研究了隧道群路段车辆的速度特性，发现车辆.陈云等[21]研究了不同车型对公路隧道入口驾驶人视觉特性及行车安全的影响，研究结果表明大型车驾驶人瞳孔面积变化比小型车驾驶人更快，但变化幅度更小，所需的对隧道环境的适应距离更长，行车安全性更低.

3)道路与环境因素 隧道群路段与一般公路隧道光环境的主要差别在于光环境变化的循环往复，驾驶人需要适应频繁变化的光环境.英国的DMRB中指出隧道视觉环境的剧烈变化是隧道洞口事故率高的重要原因[22].SWOV中总结了影响隧道交通安全的因素：隧道壁的接近程度、有限的视距、隧道内或附近匝道以及照明特性、封闭的结构，即“隧道壁和隧道顶板的存在”可能会引起驾驶人的焦虑[23].Lemke[24]指出，在隧道口附近事故率比隧道内更高可能是因为“视觉环境突然变化”.Nussbaumer[25]指出隧道交通事故的主要致因是驾驶人在隧道内部放松警惕以及错误的驾驶行为，如隧道入口处无法与前车保持安全距离或错误判断隧道设计、线形走向等.Katja等[26-27]实验表明，黑暗的隧道壁导致驾驶人注意力水平更低，浅色的侧墙更为安全.杜志刚等[28-32]试验表明不少高速公路隧道入口样本存在视觉瞬时盲期，公路隧道中部速度低估接近30%.王文勇[33]研究发现隧道群交通安全受到季节变化的影响.胡顺峰提出碰撞是隧道群交通事故的主要形态，明暗快速交替转换和车辆运行速度过快是事故多发的主要致因.李林超[34]对隧道群事故特性与单一隧道事故特性进行了对比分析发现，隧道群事故规律与相邻隧道连接段的长度有关，且当连接段长度大于500 m时隧道群事故分布规律与单一隧道基本一致.

1.3 事故防治措施

1)隧道照明技术 在公路隧道节能照明的研究中，当前瑞士等国家的公路隧道以逆光照明技术[35]为主，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.近年来，由于LED隧道灯具有高光效、长寿命、易配光、智能调控等优点，LED灯改善隧道照明的研究和应用也逐步增多.Adrian[36]指出，通过20°视场范围内的平均亮度能够满足驾驶人视觉适应过程的隧道进口基本亮度要求，并提出了等效光幕亮度计算方法.Rands[37]研究指出，隧道照明的原则是确保在任何时间和光照条件下，驾驶人在正常路段上均能够以相同的速度安全、舒适的通过隧道.Zeng等[38]提出利用LED灯具的隧道智能照明系统实现隧道照明的节能.Hirakawa等[39]考虑汽车前车灯的作用，研究了对称照明及顺光照明中目标物可见度的变化情况.吴林峰[40]探讨了山区高速公路隧道群的照明系统集约化、智能化控制，以此为驾驶人营造舒适的视觉环境，减少光污染.李成等[41]通过分析毗邻隧道的照明特点，设计了隧道群照明控制方案，以此消除隧道间的明暗适应，从而保障行车安全、提高运营水平.翁季等[42]通过模型实验和实际隧道照明实验对高速公路隧道智慧照明进行了研究.

2)遮光设施 隧道遮光设施是一项可有效缓解隧道内外光线剧烈过渡的设施.韩凯旋等[43]指出在隧道群相邻洞口之间设置遮光棚可降低洞口照明亮度，实现隧道照明节能，同时缓解隧道洞口明暗交替对驾驶人的冲击.阎莹等[44]研究了隧道群光照环境对驾驶人视觉特性的影响，推荐当隧道群连接段间距小于50 m时可设置遮光棚缓解隧道出口光环境过渡，提高驾驶人的视觉适应水平.陶鹏鹏等[45]通过仿真试验研究了不同构造形式遮光棚的遮光效果，研究指出30度反削竹式遮光棚的遮光效果最好.杜志刚等[46]指出长大隧道入口应设置遮光棚，并于多频逆反射系统相结合，实现隧道内外视觉参照系的缓和过渡.

3)护栏防护 沈艾中[47]指出车辆撞击侧壁是造成隧道内人员伤亡的重要原因，因此需要在隧道内设置防护性护栏和防撞设施，用于缓冲车辆的撞击后果，减轻事故严重程度.贾宁[48]提出了一种高度渐变护栏，并通过仿真试验分析了该护栏的安全性，结果表明该护栏有利于防止车辆直接撞击隧道侧壁和检修道.邰永刚等[49]指出普通护栏防护等级过低，无法满足长大下坡隧道入口的安全防护需求，设计了一种高度及刚度逐级过渡的刚性护栏，可实现隧道内外的合理过渡.周海宇[50]研究表明受小半径弯道隧道入口光环境变化的影响，驾驶人通常会在隧道洞口处出行较大的车道偏移，因此隧道入口应设置随路面宽度渐变的隧道护栏，且应过渡指隧道检修道边缘，直至与隧道侧壁相连.

4)视线诱导技术 JTG D81—2017《公路交通安全设施设计规范》[51]中指出：视线诱导设施属于主动引导设施，对提高夜间的行车安全水平有重要作用.视线诱导系统主要通过逆反射技术、蓄能自发光技术实现.逆反射技术主要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.蓄能自发光技术主要通过蓄能自反光材料，以吸光—储光—自发光的形式工作，在一定时间内持续发光.常见具有视线诱导功能的设施包括隧道轮廓带(含隧道反光环、隧道反光条)、隧道腰带线、轮廓标、线形诱导标、突起路标、警示柱、防撞桶、立面标记.

王少飞等[52]研究指出，在高速公路隧道群路段发生突发事件时，根据距离事件发生点的位置，由远及近依次发布提示信息、建议信息、强制信息和紧急信息，以确保驾驶人行车安全.倪娜[53]研究中通过对隧道密集段的交通环境和交通事故的分析，提出基于参考系特性建立隧道出入口的高频、中频及低频参照系.潘晓东等[54]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.文献[23]根据隧道交通事故致因分析公路隧道驾驶人安全需求，表明在隧道路段视线诱导系统能有效调控驾驶人视错觉.文龙等[55]结合实际工程研究公路隧道紧急停车带区域视线诱导设施的设置现状，提出公路隧道紧急停车带区的视线诱导设施优化方法.

1.4 安全评价方法

隧道群交通安全评价可为隧道安全优化提供理论基础与改善方向，目前隧道群安全评价方法主要集中在利用数学模型对隧道群安全影响因素进行综合评价.张生瑞等[56]分析了隧道群路段不同位置运行速度的变化规律，建立了车辆运行速度与采集点位置的函数关系.方守恩等[57]建立了隧道群路段结构物长度和几何线形对车辆速率差以及心率增长率的影响关系模型，提出了基于速率差和心率增长率的隧道群路段安全评价方法.周娜[58]从驾驶人、交通流特性、隧道群环境、交通设施等方面构建了隧道群交通运行环境评价体系.国威等[59]则采用数学模型，从隧道群交通安全主要影响因素方面入手构建了基于相对差异函数的高速公路隧道群交通安全评价模型，通过对隧道群进行交通安全评价分级，为隧道群安全改善措施的设置提供依据.

2 现有研究存在的问题及发展趋势

1)公路隧道群对驾驶人视疲劳节律影响缺少定量评价 驾驶人在公路隧道群的行车过程中需要交替、频繁的明暗适应，更容易诱发驾驶疲劳及视觉障碍.但是目前隧道群光环境的交替循环突变与驾驶人节律性的视疲劳之间缺少定量研究，也导致相应的公路隧道群光环境改善、视线诱导设施的设计缺少理论依据.

2)公路隧道群光环境评价体系缺少交通安全分析 国内外对公路隧道驾驶人眼动行为实验研究的结果表明，一般情况下低照度的隧道较容易发生车速低估、车距高估，进而诱发超速行为及追尾事故.同时，文献[3]中的评价以照度、亮度、均匀度，以及停车视距范围最小障碍物(20 cm×20 cm×20 cm)的辨识等指标为主，缺乏对交通事故原因(疲劳驾驶、超速驾驶)超速及事故形态(追尾及撞侧墙)的关联性分析，也缺乏对空间路权、人因及驾驶任务等因素的考虑，未能建立基于交通安全的隧道群光环境评价体系.

3)公路隧道群普通改善措施实际改善效果有限 我国现有公路隧道照明规范能耗高，交通量较小的中西部隧道难以承担.因此，不少隧道长期低照度运营，隧道群中的短、中隧道往往降低了照明水平，导致驾驶环境舒适性进一步降低，诱发更多的不良驾驶行为及交通事故.普通的改善方法如LED光源照明、逆光照明、智能照明设备以及遮光设施等投入高，维护成本大，实际普及度不高，照明节能与交通安全矛盾突出；而护栏防护属于被动安全措施，效率低下，无法降低事故的发生概率.

4)公路隧道群光环境低成本视线诱导优化方法缺乏理论支撑 现有低成本视线诱导系统(如隧道轮廓带方案)往往会大幅降低公路隧道照度及亮度，远低于现行标准，也亟需新的理论支撑.同时视线诱导系统对于降低现有公路隧道营运照明水平的幅度，隧道轮廓带设置位置、间距、大小等的优化，及其与其余的视线诱导设施(轮廓标、突起路标、立面标记、线形诱导标等)协同作用等方面均缺乏系统性研究.

3 隧道群交通安全改善研究框架

现有研究表明，公路隧道群交通事故主要是由于不良驾驶行为导致的，如车距保持不当、超速、误判线形等，而驾驶人的驾驶行为与隧道光环境密切相关.隧道照明与遮光设施的设置可以一定程度上提升隧道群光环境质量，但实际应用情况有待提高，隧道“高配低用”现象严重，通常以牺牲安全达到节能的目的，而护栏防护出于被动地位，无法主动预防事故的发生.视线诱导技术是一项可兼顾节能与安全诱导的提升光环境质量的技术，但其设置缺乏理论依据与设置标准，因此文中在分析隧道交通安全相关资料的基础上，考虑隧道群天然韵律感与驾驶人节律性疲劳之间的联系，提出隧道群交通安全改善研究理论框架，旨在优化隧道群视线诱导技术，提升隧道群行车安全性，见图1.

图1 隧道群交通安全改善研究框架

4 隧道群交通安全改善研究关键内容

1)公路隧道群光环境与驾驶人节律性视疲劳相关性研究 节律性视疲劳指反复出现的视觉疲劳，包括反应时间显著变慢，视认准确率显著下降等，隧道群路段行车里程长，光环境变化频繁，易导致驾驶人产生节律性疲劳，从而导致驾驶人感知判断能力减弱，反应迟缓，无法及时规避危险而发生交通事故，且主要发生在隧道群后段.为缓解隧道群路段光环境循环剧烈变动对驾驶人疲劳状态的影响，传统上都是将单体隧道分段，利用照明设施、遮光设施等来改善隧道群的光环境，重点考量对象为隧道群路段各单体隧道光环境状态是否合理，而对驾驶人本身对韵律性信息的偏好特性及视觉疲劳状态具有节律性的特点考虑不足，也没有将多个隧道作为整体考虑.隧道群天然具有连续重复的韵律感，因此可利用隧道群的韵律特性，研究隧道群光环境与驾驶人节律性疲劳之间的相关性，从而为隧道群光环境的改善提供理论基础.

2)多层次公路隧道群视觉参照系重构理论 根据马斯洛需求层次理论，人的需求分为生理、安全、爱/归属、尊重、自我实现等.驾驶需求从下到上有功能性、安全性、舒适性、美观性等不同需求，呈递进关系；对应的光环境是基本型、安全型、舒适型、韵律型视觉参照系，见图2.对现状公路隧道群照明系统布灯特征及运营状态、隧道连接段光照特征及交通安全进行分析，针对现有交通状况及照明运营状况下公路隧道群路段视觉需求，提出光环境构建思路：公路隧道群路段应设置韵律型视觉参照系，在不同单体隧道进出口缓和剧烈的视觉参照系过渡(增加安全性)，隧道中部加强弱视觉参照系(增加安全性和舒适性)，相邻隧道连接段设置韵律型信息(增加局部韵律性)，全路段设置韵律型信息系统(增加整体韵律性)，同时利用视线诱导系统予以实现.

图2 驾驶人视觉需求、视觉参照系及评价体系

3)公路隧道群交通安全评估体系 对于每种需求，特别是安全性、舒适性、美观性，借鉴交通事故特性提出行车安全评价指标，借鉴行车平顺性及驾驶疲劳方面研究提出行车舒适性指标，借鉴音乐、舞蹈韵律感共性，提出韵律性评价指标，见图2及表1.

表1 公路隧道群光环境评价指标体系

4)基于事故预防的公路隧道群视线诱导系统设置方法 单体隧道而言事故主要发生在出入口路段，隧道群路段的连接段同样为事故高发区，因此重点对公路隧道洞口及隧道连接段进行详细分析.根据文献[3]中隧道分段原则，并考虑长大隧道及隧道群驾驶人节律性视疲劳特性，将隧道按图3分为多个区段.

图3 公路隧道分段示意

隧道入口附近驾驶人需要适应隧道内外缓解的剧烈变化，明确隧道轮廓与洞门位置，同时合理控制车距与行车速度，主要需要满足驾驶人的速度感、距离感及方向感，因此可以通过多道频率信息组合技术与逆反射技术结合，构建隧道入口安全型视觉参照系.隧道中部环境昏暗，视觉参照作用薄弱，容易使驾驶人放松警惕，产生驾驶疲劳，且隧道群包含多座隧道，驾驶人对于位置感的缺失也容易引发不安全感，诱使驾驶人加速驶离隧道区域，诱发超速行为.研究表明适当设置隧道兴奋点，提高隧道群刺激作用，有助于驾驶人的审美感受，忽略隧道光环境的负面影响.因此隧道中间段应通过多频率、多尺度、多色彩的视线诱导技术，丰富隧道行车环境，提升行车舒适感.隧道出口与隧道连接段可采用洞内视线诱导设施与洞外多尺度警示柱组合，缓和单体隧道出口光环境剧烈过渡现象，实现相邻隧道连接段光环境富有节奏感和韵律感的设计目标，调节视疲劳节律，具体改善措施见表2，部分区域设计方法示意图见图4.

表2 公路隧道群分段及视线诱导设施设置初步方案

图4 隧道群视线诱导系统设置示意图

5 结 语

1)高速公路隧道群交通事故主要发生在在隧道群后段，特别是隧道入口区域；主要环境诱因是隧道洞口光环境的循环往复，驾驶人需要多次历经“黑洞”“白洞”的转换，易导致驾驶人产生节律性疲劳.而隧道群天然具有连续重复的韵律特性，驾驶人具备韵律性偏好，因可考虑将其应用于优化隧道群光环境，提升隧道群行车安全性.

2)现有改善措施如隧道照明、遮光棚、护栏防护等应用效率不高.隧道群路段照明成本高，通常开灯率较低，牺牲安全达到节能的目的；遮光棚应用少，针对性不足；隧道护栏为被动防护，难以降低隧道事故发生概率.视线诱导技术可兼顾节能与安全诱导，但其设置缺乏理论依据，设置方法较为混乱.

3)考虑隧道群天然韵律感与驾驶人节律性疲劳之间的相关性，提出隧道群交通安全改善研究理论框架：构建隧道群安全型、舒适型、韵律型视线诱导系统，满足隧道群不同路段(连接段、识别段、接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段、驶离段)的差异化需求，为隧道群交通安全改善提供了新的思路.

4)以构建公路隧道群韵律型视觉参照系为目标，提出了隧道群视线诱导系统设置方法：利用逆反射、蓄能发光、LED发光显示技术，将多频率、多尺度、多色彩视觉诱导信息组合，缓和单体隧道出入口区域视觉参照系的剧烈过渡；强化隧道中部弱视觉参照系；提供连续重复、渐变、起伏、交错信息，提升隧道连接段、隧道中部舒适性、韵律性，下一步将通过仿真试验验证隧道群整体方案对驾驶人安全感知的改善程度.