基于明暗适应的隧道出入口照明改善方法

第19卷第6期交摇通摇工摇程

摇摇

Vol.19No.6Dec.2019

DOI:10.13986/j.cnki.jote.2019.06.004

基于明暗适应的隧道出入口照明改善方法

王摇健,潘福全,王摇铮,邢摇英,泮海涛,张丽霞

(青岛理工大学机械与汽车工程学院,青岛摇266520)

摘摇要:为了有效缓解隧道出入口因强、弱视觉参照环境的交替而造成的“白洞效应冶和“黑洞效应冶对隧道交通安全造成的危害,通过对人眼视觉的明暗适应机理“白洞冶和“黑洞冶效应的形成与危害进行分析与研究,在此基础上提出出入口扩宽法、遮光棚设置法和自然光引入法3种改善隧道出入口照明环境的方法,旨在实现隧道出入口光环境明暗性的平顺过渡.

关键词:隧道交通;隧道出入口;明暗适应;光环境改善中图分类号:U459郾2

文献标志码:A

文章编号:2096鄄3432(2019)06鄄19鄄04

MethodsforImprovingLightingforRoadTunnelEntranceandExitBasedonLightandDarkAdaptation

WANGJian,PANFuquan,WANGZheng,XINGYing,PANHaitao,ZHANGLixia

(SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266520,China)

Abstract:Inordertoeffectivelyalleviatethenegativeimpactcausedbythe“whiteholeeffect冶and“blackholeeffect冶intunnelentrancesandexits,thispaperanalyzesandexaminestheformationandproposesthreemethodstoimprovethelightingenvironmentoftunnelentrancesandexits:wideningthetransitionoflightanddarkenvironmentintunnelentrancesandexits.

improvement

tunnelports,settingupshadingshedsandintroducingnaturallight.TheseareconducivetoasmoothKeywords:tunneltraffic;tunnelentranceandexit;lightanddarkadaptation;lightenvironmentdangerof“whitehole冶and“blackhole冶effectbasedonthelightanddarkadaptation.Thispaper

0摇引言

公路隧道因其具有缩短交通行程和节省车辆运输时间等突出优势而得到重点发展支持,特别是在新世纪以来,我国公路隧道的建设发展势头迅猛,其1316处总里程500郾5km,飞跃至2017年底总数16229处总里程15285郾1km,我国早已成为世界上

收稿日期:2019鄄08鄄29.

隧道最多、最复杂、发展最快的国家[1].然而,公路封闭性,却也为其交通安全带来了很大的隐患,加剧了交通事故发生的严重性、危害性[2].公路隧道出

隧道由于贯穿山体或者埋置地下而与生俱来的空间

入口是露天环境与隧道环境相互变换的路段空间,露天交通环境光照好、视野开阔,设施与景观丰富,属于典型的强视觉参照环境.与之相比,隧道内驾驶环境单调,照度低,弱视觉参照环境特征明显,故

建设数量与长度也因而快速攀升,从2000年的

基金项目:山东省重点研发计划项目(2018GGX105009),教育部人文社会科学研究规划基金(18YJAZH067),山东省自然科学

基金项目(ZR2016EEM14).

作者简介:王健(1991—),男,硕士研究生,研究方向为交通安全与交通控制,E鄄mail:wj19820558@sina.com.通讯作者:潘福全(1976—),男,博士,教授,研究方向为交通安全与交通控制,E鄄mail:fuquanpan@yeah.net.

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交摇通摇工摇程2019年

而驾驶员驶入隧道前会看到“黑洞冶,驶出隧道前会看到“白洞冶.驾驶员在白天进出隧道洞口区段,需要在这较短的时间与空间内经历强视环境与弱视环境的转变与适应,不仅要应对行驶环境的改变,而且要解决身心适应问题.这导致驾驶员面对信号复杂的隧道出入口稍有失误就很容易发生交通事故.尽管我国绝大多数公路隧道都按照《公路隧道照明设计细则》(JTG/TD70/2鄄01—2014)的标准和要求在隧道内部进行了人工照明系统的配置,但据有关研究表明隧道的交通事故率远高于开放道路段交通事驶人首先感知隧道出入口的交通环境信息,并由此做出分析与判断,然后对车辆实施相应的操作.只有及时准确的感知、判断与措施,以及3个程序的良好配合才能保障驾驶的安全.事实上,驾驶人是道80%左右的信息都依靠视觉获取,而视觉信息对驾驶员的生理和心理具有极大影响.一般地,人们常将视敏度、视野、视觉适应当作视觉研究的主要对象,而这些主要视觉特性对于行车安全的影响无疑是最大的.

路交通人机环境系统的主体,驾驶人在驾驶过程中

故率,其中尤以隧道出入口300m范围内段事故发生率最高[3]与改善具有十分重要的现实意义.故而,对隧道出入口照明环境的研究.

近些年,有关公路隧道出入口照明问题的研究越来越多,但是基于驾驶员视觉明暗适应的隧道出入口的研究还非常有限.黄发明[4]利用缩小化的隧道洞口模型模拟隧道出入口照度过渡的驾驶环境,借助E鄄prime2郾0平台对受测试者进行视觉-心理反应测验,并在研究的基础上针对“黑洞效应冶提出一些改进建议.丁光明等[5]通过实际隧道环境行车试验,对驾驶人接近隧道出口过程中的视觉特征变化规律进行研究,构建了出口区段驾驶人视觉方面的网络模型,并从信息认知舒适性和行车安全角度提出相关改进措施.杜志刚[6]通过高速公路隧道行车实验,对驾驶员通过隧道进出口过程中视觉适应性问题进行研究,发现在驾驶员进出隧道中瞳孔面积变化规律,以及隧道长度与视觉适应性之间的关系.当然,也有一些专家和学者致力于实现隧道洞口照明环境的改善,肖尧等[7]从防眩原理出发,提出渐变图层设计方案以解决隧道出口亮度差异太大的问题.潘贝贝等[8]表示利用沥青和混凝土的不同反光性能对隧道内和洞口路面铺设材料进行改善,可以为缓解“白洞效应冶.这些研究成果为隧道出入口照明环境的改善提供了一定的借鉴与帮助,但是在实用性方面尚有不足.鉴于此,本文在总结现有的研究理论和成果的基础上,为隧道交通现有的照明系统提出更加经济实用且具有环保特点的隧道出入口照明改善方案,通过隧道照明环境的优化实现对隧道出入口交通安全的提升.

1摇隧道明暗适应分析

1郾1摇明暗适应机理

驾驶人在道路驾驶行为中,需要经历感知、判断与措施3个程序.随着越来越接近隧道出入口,驾

视觉适应是指人的眼球对于外界光照刺激所产生的感受性变化.人的眼球具有一定的自我调节能力,随着光线的改变,人眼瞳孔会做出相应的改变,分布在视网膜上的感光细胞的光感敏感度也会变化,从而实现人眼在一定范围下的光照变化适应性.人眼视觉对光照环境从暗淡到明亮的适应过程称为明适应,也被叫做光适应.相反,在光照环境从明亮到黯淡的转变中,人眼的视觉适应过程被称为暗适应.在明适应过程中,视觉光敏度会有所降低,当驾驶人从暗环境突然进入亮环境时,人眼感受光的能力会出现短暂的下降,视觉会因强光的冲击出现一片“空白冶,只能感受到明光的存在,但却难以看清周边环境,需要一小会儿的缓冲才能恢复正常的视觉.如果暗环境和明环境的亮度反差较大,两种视觉环境过度太快,或会造成人体视觉系统的损伤,故而可以将明适应视为人体视觉系统的自我保护过程.相比之下,暗适应过程中,人体视觉光敏度会得到增强[9]并分辨黯淡的光环境,视觉系统通过一系列的调节以逐渐适应,这个过程所需时间比明适应所需时间更长,如果完全适应新的昏暗的环境需要更长时间.

1郾2摇“黑洞白洞效应境无法避免的一种光学现象黑洞效应冶和“白洞效应.冶由于白天期间是公路隧道交通环

,隧道内外光照强度差距较大,进入隧道或者驶离隧道都有面临强视觉参照环境与弱视觉参照环境之间的转换.由于隧道内灯光照度低,而隧道外阳光照度高,所以驾驶人从隧道外靠近隧道洞口时,受“暗适应冶1影响(a)).,会而由于外部较为强烈的自然光照看到隧道洞口如同一个“黑洞,冶驾驶员(如图在接近隧道出口时则会看到隧道的出口如一个发光

的“白洞冶,并经历“明适应冶的过程(如图1(b)).若是到了夜间,隧道内的光灯光照明往往会比隧道外的光照更亮,这对于夜间行车的驾驶人而言遇到摇第6期王摇健,等:基于明暗适应的隧道出入口照明改善方法21

的将会与白天相反的视觉效应,即驾驶人在靠近隧道出口以及离开过程中,看到的是一个“黑洞冶,并经历“暗适应冶;进入隧道入口过程中,视觉里出现的则是一个“白洞冶,视觉系统经历“明适应冶[10].当然,夜间的隧道内外的光照强度差远没有白天的强烈,所以夜间的明暗适应给视觉系统造成的负担相对较为轻松.

渡.这样的设计可以有效地增加自然光的引入,从而让洞口内外光照明暗差异变小,让驾驶人在隧道出入口可以更好地适应明暗交替的驾驶环境.与此同时,扩宽后的隧道洞口更像是一个“灌风口冶,能增加隧道口的进风量,从而达到提升隧道内通风效率以及净空的目的.该法在隧道施工方面具有较强的技术操作性,从隧道运营管理来看也具备较为可图1摇隧道“黑洞效应冶与“白洞效应冶

摇

2摇公路隧道出入口照明改善方法

正是由于隧道内外环境的光照反差矛盾在隧道出入口突然出现,导致隧道出入口段一直成为交通事故频发地带.为此需要针对此问题采取有效的改进措施降低公路隧道出入口照明过度不合理而带来的危害.基于对隧道出入口黑洞白洞效应和明暗适3应机理分析2郾种改善方案,本文为公路隧道出入口照明环境提出

1摇出入口扩宽法

.

隧道建设是一项复杂的大工程,科学的设计与施工有利于为驾驶人提供良好的驾驶环境,如道路坡度(横向坡度和纵向坡度)、隧道线型构造等因素都将对隧道交通安全产生重大影响.本文提出的出入口扩宽法旨在通过工程建设实现隧道出入口环境的改善.如图2所示,按照区段位置的不同可以将公路隧道分为隧道入口段、中间段和出口段,将隧道洞口处扩大,即在隧道施工中将隧道出入口区段的横截面积由隧道洞内向隧道洞外扩大>h.以隧道入口段为例,使得h12,并实现O1到O2之间的平滑过

观的经济效益.

图2摇隧道出入口扩宽法示意图

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2摇遮光棚设置法

大量工程实践证明,遮光棚在实现隧道出入口段的光照明亮平缓过渡,弱化隧道出入口的“黑洞效应冶和“白洞效应冶方面有很好的作用(如图3).遮光棚一般选用透明或者半透明材质,通过遮光棚的设置,可以在隧道洞口外形成亮光的过渡段,让驾驶人在行驶中更好地适应视觉上的明暗差异冲击,降低晕眩不适反应,提升隧道驾驶的安全性.总的

来说,遮光棚的作用主要表现在遮光、遮雨,以及作为交通景观构成等方面.目前,在隧道工程中应用的遮光棚主要有隧洞式和遮顶式2种形式,前者在隔音效果方面具有较好表现,后者工程造价相对更低.然而,现有的隧道出入口遮光棚应用比例还不够高,且投入使用的隧道洞口遮光棚所选用的遮光板材的遮光效果是一样的,并未针对洞口内外视觉亮度的差距进行遮光性能过渡处理,因而无法充分实现隧道口光环境的明暗过渡的平缓性和顺畅性.为达到此目的,减弱隧道洞口内外照度差对人眼的刺激,隧道遮光棚应该在靠近洞口一端选用深色遮光板,在远离隧道洞口的另一端选用浅色或者全透明遮光板,遮光棚中间的遮光板的透光效果尽可能平滑过渡.

2郾3摇自然光引入法

隧道是半封闭的空间环境,隧道通道内没有天然光源,为保证交通环境的可视效果,需要安置人工照明系统,并实现全天24h的持续照明,因此,照明损耗在隧道运营能源消耗中占比非常大.要实现隧道出入口明暗平缓过渡,要么降低洞外光照亮度,要么增加洞内亮度.考虑到日光作为一种光照强、经

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交摇通摇工摇程2019年

发挥着越来越重要的作用.但是一直以来,隧道出入口段因为光照环境的差异而形成的“黑洞效应冶和“白洞效应冶一直给隧道交通安全带来严重威胁.本文基于人眼明暗适应机理,对黑洞效应和白洞效应的形成与危害进行分析,然后提出入口扩宽法、遮光棚设置法和自然光引入法3种改善隧道出入口照明环境的方法,其中前两种方法属于隧道建设层面,具有较强的可操作性,至于本文提出的自然光引入法的设计方案属于后期运营管理层面,当然,自然光引入法在具体的实现技术方面还有诸多有待改进与图3摇隧道遮光棚的2种常见形式

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济环保的天然光源,本文提出引入自然光的设计方案,通过将洞外阳光引入隧道内来增加洞内亮度.考虑到隧道口的朝向、太阳的方位等现实因素,该方案的基本思路是在道路两侧布置若干经过有效组合的反射镜装置,将阳光反射到隧道出入口段的顶部,通过隧道顶部的漫反射实现隧道洞口段光照的同步增强,实施效果如图4所示.为了更好地应对太阳方位的变化,该套反射镜组合装置要能够实现自动的方向调节,确保阳光最后能发射到隧道顶层,而不能对驾驶人产生刺目光线.

图4摇反射装置实施效果示意图

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3摇结束语

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公路隧道作为交通建筑的重要组成形式之一,

提升之处.与传统的以人工照明提高隧道出入口段亮度的方法相比,本文所供方案在经济环保方面无疑占据显著优势.参考文献:

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