一种低成本山区高速公路隧道入口车速控制设施设计方法

摘要

一种低成本山区高速公路隧道入口车速控制设施设计方法，在隧道入口侧墙、路缘石下缘及检修道平面设红白相间标记线及路侧路面、路中车道分界线突起路标，间距为1.5~3m，共同构成高频视觉信息流；在前进方向隧道入口每20~30m设中频信息，隧道每边侧墙从上至下设3层轮廓标,设侧墙竖向标线及2道侧墙白色折线，路面设横向错视觉标线及2道白色折线，组成中频视觉信息流；高、中频率视觉信息采用逆反光材料构成逆反射照明系统。隧道入口前设路侧路面突起路标及横向减速标线（由横向振动标线、横向错视觉标线组成），横向减速标线纵向间距先缩小，后稳定，以构成隧道前减速系统。逆反射照明系统与减速系统组成隧道入口车速控制设施，实现隧道入口车速的合理过渡，适于限速为60~80km/h的山区高速公路隧道入口。

说明书

技术领域

本发明涉及一种低成本山区公路隧道入口的车速控制设施设计方法，采用该设计方法实现隧道入口照明节能与隧道交通安全效益协调。

背景技术

隧道入口照明及车速过渡剧烈，超速普遍，追尾、撞侧墙事故多发。1999年颁布的《JTJ026.1-1999公路隧道通风照明设计规范》、2004年颁布的《JTG/T D 71-2004公路隧道交通工程设计规范》，使我国公路隧道的机电设施配置达到了很高的水平。对于高速公路隧道而言，按照我国国家标准设置照明，每延公里隧道照明负荷应不小于60kW。由于隧道入口段和过渡段的照度要求更高，其消耗的总电量大约占隧道总能耗的20%以上。即每年隧道入口处要消耗的电量为几十万元左右。因而导致公路隧道机电设备配得起，用不起；中西部山区很多高速公路实际运营中，由于交通量较小，因此白天隧道入口开灯率较低，甚至完全不开灯，导致明暗过渡极其剧烈，其中有无阳光的明暗分界面，将隧道分为洞内、洞外，白天照度急剧从几万勒克斯过渡到几百勒克斯，导致驾驶员暗适应过程中，由于车速较高，生理上极容易产生“两眼一抹黑”的视觉盲期，难以视认隧道内交通信息，容易导致隧道超速行为。同时隧道内限速一般比正常路段限速低20~40km/h，隧道入口缺乏相应参照物，驾驶员难以准确判定车速及车距，在隧道入口容易采用剧烈减速行为，也能诱发追尾、撞隧道侧墙事故。如图1即为某限速60km/h高速公路隧道入口现状车速过渡图及理想车速过渡图。

现有隧道照明标准过于保守，有必要针对事故原因及形态设置隧道照明及安全设施。现有隧道照明理论建立在隧道内危险障碍物识别分析基础上，即驾驶员在停车视距范围内能有效视认行驶车道中心10cm大小的障碍物，过于保守，对于交通量较小的我国中西部山区公路隧道也不必要。因此很有必要根据事故形态（追尾、撞侧墙）及事故原因（超速），通过提升驾驶员对侧墙、前方车辆的识别能力，具体为车速控制、车距保持能力，以达到隧道入口交通工程设施安全与效益的统一。

基于光流率车速控制方法得到应用。光流率被认为是影响速度感知的重要视觉因素。光流率是人运动时，空间中各点穿过视野的相对速度。国内外学者通过光流率在交通中“无意识”地进行速度控制的使用来提升公路环境速度知觉，刘兵在硕士论文“基于驾驶员视知觉的车速控制和车道保持机理研究”中（武汉理工大学，2008年）通过心理物理实验得出当光流率小于2Hz，或大于32Hz时，驾驶员会出现速度低估，光流率在4Hz~16Hz时，实验者对速度产生了高估，其中光流率为12Hz高估达到30%以上。

振动减速设施及错视觉标线减速技术广泛应用。振动减速设施在美国、日本及欧洲等经济发达国家已是一项比较成熟的技术，应用非常广泛。道路强制控速设施技术近年来国内业内取得了很大认同，很多地区公路管理部门和维护单位已经在影响比较大的公路事故多发路段大量使用强制减速措施进行通行车速的强制控制。目前在国内、国外已被用的高速公路强制减速设施主要有：道钉减速带、热塑振动减速标线。同时高速公路错视觉标线也广泛应用于减速设施。

逆反射材料及技术已日趋成熟。随着近些年，反光膜、反光片、反光漆等逆反射材料的应用越来越广泛，成本越来越低，同时，逆反射检测技术也进一步完善，这就为隧道内部采用“逆反射照明”夯实了基础。逆反射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，为驾驶人感知，从而改善驾驶者的安全视距，优化道路沿线交通设施视认效果，让驾驶者获得更多的时间、更强化的感受，来判断路况和获取指导信息，以便及时正确的采取安全措施。它是以物理手段调动人的主观能动性，提高行驶安全，是一种节能环保的低成本道路安全解决方案。

现有隧道内一般是通过前方交通设施及景观信息来确定车速、车距，如路面标线、轮廓标、线形诱导标等。但是由于隧道入口照度过渡剧烈，因此隧道内普通交通工程设施难以为驾驶员发现，事故资料也表明它们的作用有限。现有隧道照明主要侧重于隧道照明节能控制、智能照明控制系统、自然光与人工光结合的隧道照明设置等，较少基于交通事故进行研究，也导致设置及运营成本较高，交通安全与效益不匹配。同时现有的基于视觉光流率的速度感知提升方法，对于方向感、距离感方面缺乏研究，也导致驾驶员熟悉局部信息后，敏感程度下降，控速效果降低，甚至出现报复性加速。因此亟需在保障隧道节能与隧道交通安全效益的前提下，从事故形态及原因出发，采用新的隧道入口照明系统及其余交通工程设施设计。

发明内容

本发明针对运营隧道入口照度及控速设施设计不合理，在隧道入口车速过渡剧烈，驾驶员暗适应困难，容易诱发追尾、撞隧道侧墙交通事故的现状。隧道入口前减速设施设置采用振动减速为主，错视觉减速为辅，逐渐过渡为振动减速为辅，错视觉减速为主，其中减速度大小变换为小-大-小的过渡方式，以实现在隧道入口前平稳减速；隧道入口后采用逆反射系统，通过设置高强度反光材料组成的不同频率的轮廓标、侧墙及路缘石下边缘立面标记线与侧墙立面标线、路面横向标线、洞顶横向标线，通过高频、中频多道视觉信息设置，大幅度提高隧道侧墙、路面及相关交通设施的逆反射效率，全面提升驾驶员行车过程中的速度感、方向感、距离感，从而达到规范和引导隧道内的车速控制行为，有效避免事故的发生的目的。

本发明原理：隧道内空间频率在8~12Hz作用下时，感知速度显著大于物理速度，最高达30%以上，而中频、低频条件下（<2Hz），感知速度小于物理速度（参见图2）。在行车环境中，理想感知速度应比物理速度略大为宜（<10%），因此需要将高频、中频信息结合起来，以达到感知速度与物理速度相协调，并实现速度控制的长效机制（参见图3）。同时隧道外根据驾驶员的车速适应性，采用振动与视知觉相结合的减速方式，实现进隧道前的“早减速”、“缓减速”，从而减少进隧道入口缓和减速，以降低车速差。

本发明所采用的技术方案是：

一种低成本山区高速公路隧道入口车速控制设施设计方法，在限速为60~80km/h的低照度高速公路隧道入口，设置隧道入口侧墙、路缘石下缘及检修道平面红白相间标记线及路侧路面、路中分道线突起路标，间距为1.5m~3m，构成空间高频视觉信息流；在前进方向每隔20~30m设置中频信息，隧道入口共设置4道，隧道每边侧墙从上至下设置3层轮廓标,设置侧墙竖向标线及2道侧墙白色折线，侧墙竖向标线或延伸至洞顶，设置路面横向错视觉标线及2道路面白色折线，共同组成空间中频视觉信息流；其高频、中频视觉系统均采用高强度逆反光材料，从而构成逆反射照明系统；在隧道入口前设置基于振动知觉与视知觉的减速系统，该系统含路侧路面突起路标及7道减速标线，每道减速标线均为路面横向振动标线与路面横向错视觉标线的组合，减速区间为110~130m（根据隧道限速为60km/h，80km/h确定），在隧道进洞方向，每道减速标线间距先缩小，之后稳定，从而构成隧道前减速系统；隧道内逆反射照明系统与隧道入口前减速系统共同组成隧道入口车速控制设施系统，以实现隧道入口车速的合理过渡。

本发明的方法中，利用隧道入口侧墙、路缘石下缘及检修道平面红白相间标记线，及路侧路面、路中车道分界线突起路标，构成空间频率为8~12hz的高频视觉信息流，以提升驾驶员的速度感。

本发明的方法中，在隧道入口进洞方向设置4道中频视觉信息流，间距为20~30m。每道中频信息包括侧墙上轮廓标、路面横向错视觉标线、侧墙竖向标线、侧墙白色折线与路面白色折线。第一道纵向中频为进洞口10m，第4道为隧道入口90m~130m，隧道每侧墙上设置3层不同高度轮廓标（轮廓标高度、宽度均为正常大小的2倍，以确保进入隧道过程中准确视认），并设置侧墙竖向标线，同时设置2道侧墙白色折线；路面横向设置横向错视觉标线，并同时设置2道路面白色折线，共同组成空间频率为0.5~1.0Hz的中频视信息流，以改善行车中驾驶员的距离知觉及方向知觉。

本发明的方法中，提升速度知觉水平的高频信息主要包括隧道入口侧墙、路缘石下缘及检修道平面红白相间标记线，针对设计车速为60~80km/h的高速公路隧道，其空间频率为8~12Hz，间距取1.5~3m，红白相间标记线高度不超过60cm；同时隧道内路面边缘线外侧及路中车道分界线设立突起路标，与红白相间标记线同频率设置。高频敏感信息流的设置可以提供瞬时速度知觉，增大驾驶员视觉心理响应，并确保车辆运行过程中的驾驶员感知速度显著大于物理速度。

本发明的方法中，提升方向知觉水平的中频信息主要为侧墙竖向标线、侧墙白色折线、侧墙轮廓标及洞顶、路面横向标线、路面白色折线，针对设计车速为60~80km/h的高速公路隧道，设置空间频率为0.5~1.0Hz，间距为20~30m；侧墙竖向标线为白色实线，宽度为55cm，侧墙上从上到下设置3道轮廓标，间距为80~120cm,最下面一道离地面高度约60~80cm；路面横向振动标线为虚线，宽度为45cm，线段长45cm，间隔45cm（参照新国标中高速公路收费站减速标线画法）；中频信息刺激以提供中等心理反应,满足驾驶人的方向感及节奏感。侧墙白色折线及路面白色折线：线总宽300cm，线条宽45cm，2道折线间距为5m；低频信息流可以确保驾驶人行驶过程中与前车进行车距确认，满足驾驶员的距离感，同时路面横向振动标线也能给驾驶员起到行程提醒作用。

本发明的方法中，轮廓标采用钻石级反光膜，突起路标采用白色双面高强级反光膜（考虑到实际运营过程中容易被灰尘覆盖，维护难度大，容易部分失效），路面横向振动标线采用振动型道路反光标线涂料，其余墙面和路面标线采用全天候反光标线。

本发明的方法中，隧道入口前横向采用振动减速标线与错视觉减速标线相结合的方法构建隧道入口前减速系统。系统含7道减速标线及路侧路面突起路标，每道减速标线均为路面横向振动标线与路面横向错视觉标线的组合，最后一道减速标线离洞口约30~50m，减速区间为110~130m（根据隧道限速为60km/h，80km/h确定），每道减速标线间距先缩小，之后稳定，从而构成隧道前减速系统。

本发明的方法中，隧道入口前设置7道横向减速标线，减速标线之间的间距为18~30m(隧道内限速80km/h。进洞方向，前4道间距逐渐减少，后面3道间距保持不变)或15~27m(隧道内限速60km/h，前4道间距逐渐减少，后面3道间距保持不变)，减速区间为130m(80km/h)或112m（限速60km/h）。

本发明的方法中，进洞方向，隧道入口前设置的7道横向减速标线，路面横向振动标线及路面横向错视觉标线条数组合依次为：1+1、2+1、2+2、3+2、2+2、2+3、1+3，以构成小-大-小的速度过渡方式及振动减速向错视觉过渡的方式，以达到隧道入口舒适、缓和的减速效果。

发明优点如下：

1）在隧道入口侧墙及路缘石下缘设计小尺度、高频率的红白相间立面、平面标记线，同时路面两侧、路中车道分界线设置同样频率的突起路标，共同作用，能提高驾驶员的瞬时感知速度；

2）在隧道入口侧墙设置中等频率的多排轮廓标，同时隧道路面、侧墙设置等同密度的横向闭合白色环线，共同作用，并确保驾驶员在进入洞口行驶过程中能看到前进方向至少4个轮廓标，能提升驾驶人的方向感。

3）在隧道入口侧墙和路面设置中频的车距确认线（白色折线），能增加驾驶员的距离感。

4）根据室内模拟实验表明，低照度(1/8到1/2照度国家规范值设置环境)、低对比度隧道入口条件下，采用本方法的隧道入口逆反射照明，在60~100km/h车速时，驾驶员的知觉速度比物理速度大10%左右，同时知觉碰撞时间（碰撞时间是车距保持的关键因素）也比碰撞时间大5%左右，同时认知失误率也显著降低；表明了按照本方法设置的逆反射照明系统，能全面提升驾驶员的速度感、方向感、距离感。

5）隧道入口前设置的基于振动与错视觉的低成本减速设施，将主动减速与被动减速相结合，能实现隧道入口“早减速”、“缓减速”，缓和隧道入口的暗适应。

6）本方法综合考虑视觉控速与振动控速结合，从主动、被动安全两方面全面改善驾驶员隧道入口行车车速适应性，是一种典型的人因工程改善方法，容易为驾驶员理解执行。

7）本方法采用低成本的高反光构成的道路标线和视觉诱导系统，不涉及大规模道路基础设施，投资少，施工易，见效快，能改善隧道照明、确保隧道安全。

附图说明

图1：隧道入口现状车速与理想车速过渡示意图

   图2：不同光流率下感知速度与物理速度关系示意图

图3：理想感知速度、实际物理速度关系示意图

图4：隧道入口交通安全设施设置立面图

图5：隧道入口交通安全设施设置平面图

图6：隧道入口交通安全设施设置横断面图

图中：1-路侧路面、路中车道分界线突起路标；2-隧道入口侧墙、路缘石下缘及检修道平面红白相间标记线；3-轮廓标；4-侧墙竖向标线；5-路面横向错视觉标线；6-路面白色折线；7-路面横向振动标线；8-侧墙白色折线；9-车道分界线；10-车道边缘线；11-洞顶灯具。

具体实施方式

1）先清洗隧道侧墙和路面，施画隧道入口侧墙、路缘石下缘及检修道平面红白相间标记线2及路侧路面、路中车道分界线突起路标1；

2）隧道侧墙上从下至上安装多层轮廓标3，并施画侧墙竖向标线4延伸到洞顶，隧道路面设置路面横向错视觉标线5；

3）按照国标施画两道路面白色折线6（间距为5m），并在折线之间设置1道路面横向错视觉标线5，与路面纵向相同位置设置隧道侧墙白色折线8；

4）隧道入口安装路面横向振动标线7、路面横向错视觉标线5、路侧路面及路中车道分界线突起路标1；

5）隧道内外路面施画车道分界线9、车道边缘线10，安装洞顶灯具11。

注意事项：

1）本方法适用于低照度的高速公路隧道入口，对现有的隧道照明系统是一种有益的补充，因此要求隧道内安装有照明机电系统，且运营照明不能全部关闭。

2）本方法需要在隧道入口前设置隧道内请开灯行驶的警告性标志，适用于限速为60~80km/h的公路隧道。

3）本方法中隧道内部内逆反射照明系统应注意保养、维护，当轮廓标反光系数降低到设计数值的70%以上时，应注意更换反光膜。

4）对于隧道中部正常路段，可以将轮廓标设置为正常大小，轮廓标间距可适当增大；同时设立低频的错视觉标线、振动标线实现车距保持、行程提醒作用。