肖 尧 杜志刚 陶鹏鹏 王明年
(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室2) 成都 610031)
公路隧道出口“白洞”效应改善方法研究*
肖 尧1)杜志刚1)陶鹏鹏1)王明年2)
(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室2)成都 610031)
针对隧道出口亮度过渡不合理的环境现状,提出基于防眩原理的渐变图层设计方案,利用照明计算软件DIALUX对改善前后隧道出口段进行模拟实验,验证驾驶员瞳孔亮度过渡改善前后的变化趋势和变化规律,利用隧道微缩模型对改善前后方案进行视频拍摄,用matlab编程检测隧道眩光面积和眩光高度.结果显示,改善方案的驾驶员瞳孔亮度比改善前的瞳孔亮度过渡更加缓和合理,眩光面积减少20%~30%,且眩光高度抬高20%~40%,视觉负荷系数降低了30%~40%,从而可以提升隧道视觉舒适性,降低驾驶员错误操作几率.
公路隧道;“白洞”效应;渐变图层;微缩模型;瞳孔亮度
我国中西部地区长大公路隧道洞内外亮度变化剧烈,在隧道出口段,眩光现象明显,驾驶员极易产生眩晕感,即为隧道出口“白洞”效应,易发生隧道出口车辆追尾事故,但按国家规范设置照明能耗高,且中西部公路隧道普遍交通量小,运营总收入远不及隧道运营照明费用开支,运营单位无法承担巨额的隧道照明费用,采取长期低照度策略,中西部地区运营照度值是规范值的20%~50%[1],严重影响了隧道内行车安全[2],导致隧道出口段交通事故频发.王辉等[3]通过隧道实地调查发现,隧道出入口事故类型53%为追尾,其中70%为速度误估.为了改善隧道出口的“白洞”效应,现有的改善方法一般为加强照明,长大隧道出口段照明亮度为隧道中部的5倍以上[4],或者采用减光格栅等洞外延伸体,不同形状的出口,例如,削竹式、反削竹式等[5].单一的加强照明不能从根本上改善“白洞”效应[6].如何在保证交通安全和满足隧道瞳孔照度过渡合理的条件下,尽可能的降低隧道照明设备的电力消耗,成为公路隧道出口“白洞”效应改善方法的重点研究对象.
1.1 改善思路
王子枫等[7]研究得出驾驶员在行车过程中,驾驶员视线的方向是水平向下1°,如果能将驾驶员视线范围内的眩光抬高,可以减轻眩光对驾驶员视线的干扰,降低驾驶员的视觉负荷.杨韬[8]对隧道侧壁反光性能研究指出,合理反射系数的隧道侧墙能够缓和隧道出口亮度过渡,抬高眩光区,减少驾驶员目高以下的眩光面积,延长驾驶员视觉适应时间,降低驾驶员视觉负荷.潘贝贝等[9]指出隧道路面宜铺设反射系数较高的混凝土路面,隧道洞口接近段宜铺设反射系数较低的沥青路面以降低洞外亮度,改善隧道出口“白洞”效应.因此针对隧道出口“白洞”效应,可以通过小车和大车驾驶员视线高度(小车为1.2 m,大车为1.8 m)在侧墙设置渐变反射系数涂层,与低反射系数路面形成亮度对比,来抬升眩光的高度以及减少正面眩光,见图1.
图1 改善前后眩光区对比图
一般隧道洞内地面采用彩色沥青进行铺设,反射性能强,侧墙和顶棚反射性能弱,甚至直接将顶棚铺设成黑色防火材料,随着顶棚和侧墙反射性能提高,更多的光源从侧墙和顶棚反射回眼睛,由于路面反射面积小了,则从路面直接反射到眼睛的光线少了,所以眩光面积切割、变小,眩光区提升.
1.2 改善方法
为了保证隧道内行车安全,要求墙面的亮度和顶棚亮度有一定的对比,这样才能达到视觉“衬托”作用,而使驾驶员更容易发现路面上的障碍物[10].隧道出口段设置渐变涂层设计方案,侧墙深绿色涂料(高度0.6~1.2 m)、中绿色涂料(1.2~1.8 m)、浅绿色涂料(1.8~2.4 m)、淡绿色涂料(2.4~4.2 m)(反射系数逐渐增大)由下至上依次涂抹在侧墙上,以提高顶部照度,改善方法如表1所列,每层涂抹高度依据人眼视野范围确定(小车司机视野高度1.2 m,大车司机为1.8 m),反射系数依次增加,顶棚涂抹反射系数较高的浅蓝色涂料,构成隧道内饰面渐变涂层,用以缓和隧
道出口亮度过渡,达到合理瞳孔亮度过渡的理想情况,本方案适用于限速60~80 km/h、易出现眩光的公路隧道出口.
表1 设计参数参考值
注:式中x为距离洞口距离,y为设计高度,单位为m.
1.3 DIALUX实验模型设计
利用软件DIALUX建立改善前后隧道出口段照明模型,模拟公路隧道照明最不利情况(不布设隧道照明灯具,只考虑自然光计算),黑色沥青混凝土隧道路面反射系数都定为0.15,依据新颁布的《公路隧道照明设计细则》,可以选取隧道模型横断面的宽度w=10.8 m,隧道的高度H=7.2 m,顶棚面圆弧的半径R=4.4 m,模型长度为120 m,考虑隧道出口段长度为60 m,模拟白天正午最不利照明条件(照度过渡最剧烈,视觉负荷最大),涂层1,2,3,4为侧墙深绿色涂料、中绿色涂料、浅绿色涂料,淡绿色涂料,涂层5为顶棚天蓝色涂料.
1.4 实验结果分析
在DIALUX照明环境下进行瞳孔亮度计算并得出亮度报表,选取路面为计算对象[11],计算隧道出口段60 m范围内的亮度,得到改善前后隧道出口段路面瞳孔亮度分布表,如表2所列,改善前后设计方案利用隧道微缩模型(微缩比例为10∶1)用行车记录仪拍摄获得,利用软件matlab影像编程得出隧道出口段眩光面积与眩光高度变化情况,见图2、图3及见表3.
表2 改善前后隧道出口段瞳孔亮度分布
由图2,图3及表3分析得知,眩光面积是人眼所看到眩光横向和纵向形成的角度面积区域,隧道出口段改善前亮度呈抛物线性增长趋势,亮度过渡剧烈,易产生“白洞”效应,而改善后亮度在出口段60 m以内,瞳孔亮度过渡合理,且保持固定值不变,符合驾驶员人眼负荷,隧道出口眩光面积减少20%~30%,且眩光高度抬高20%~40%,人眼瞳孔面积变化速率减慢,减少了驾驶员视觉负荷,从而减少隧道出口段交通事故的发生.
图2 隧道出口段眩光面积变化情况
图3 隧道出口段眩光中心高度变化情况
2.1 亮度与眩光面积的变化
杜志刚等[12]在隧道进出口视觉适应实验找出照度与瞳孔面积变化关系为
表3 3种方案眩光面积与眩光高度变化对比
注:X,Y为人眼所看到眩光横向和纵向形成角度.
(1)
式中:a,b均为常数.
由于隧道出口瞳孔明适应影响并不显著,眩
光作用更明显,眩光面积与视野范围横纵向角度关系为
A=πh2tanXtanY
(2)
式中:X,Y为视野范围横纵向角度;h为人眼距离眩光中心点距离.
(3)
(4)
式中:c,d均为常数
路面亮度L与路面照度成正比例,即
L=Eq
(5)
式中:q为常数,称为亮度系数,与路面材料反射特性有关,将各式代入式(2)可以得到
(6)
2.2 亮度变化与眩光面积变化速度关系
在隧道出口60 m范围内,试验加速度绝对值大多不超过0.5 m/s2,行程较短,一般为2 s左右.为简化计算,将式(3)两边对时间t求导,可得
(7)
2.3 亮度变化与视觉负荷系数关系
研究表明,隧道出口视觉负荷与眩光面积变化速度正相关,隧道出口视觉负荷系数定义为眩光面积变化速度与眩光面积变化临界速度的比值,即
(8)
式中:Veer为隧道出口眩光面积变化临界速度;Veer=0.060 6A2-1.235A+3.315 8.
由表2可以计算出隧道出口视觉负荷系数在60 m内的变化情况见表4.
表4 隧道出口段视觉负荷系数变化对比
由表4分析得出,经过涂层改善后的隧道出口段视觉负荷系数明显降低,降低视觉负荷系数30%~40%,降减轻了驾驶员视觉负荷,提高了隧道出口行车安全,说明改善方案从视觉安全性方面是可行的.
1) 设计方案能够减少隧道出口正面眩光源面积,并且抬高眩光高度,降低眩光的直接影响设计方案适用于中西部等低照度条件的公路隧道(限速值在60~80 km/h).
2) 应用渐变图层设计方案后的隧道出口段瞳孔亮度过渡比改善前更加合理,眩光面积减少20%~30%,且眩光高度抬高20%~40%,视觉负荷系数降低了30%~40%,视觉适应顺畅,驾驶员能够更好,更快地适应洞外亮度,对中西部公路隧道内行车安全有利.
3) 在我国中西部边远地区公路隧道高配低用现象普遍,通过合理的瞳孔亮度过渡,可以达到减少照明要求,节约能源,降低能耗的目的.
4) 从隧道照明、安全性两个方面进行比较,改善后方案比改善前方案更具有普遍的实用价值和安全价值.
今后的研究可以考虑从隧道中部设置多频率反射标线,达到提前控速,增强行车安全的目的,同时可以对实际隧道进行进一步实验验证,以提高实验结论的科学性和可行性.
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Highway Tunnel Improvement Method of the "White Hole" Effect
XIAO Yao1)DU Zhigang1)TAO Pengpeng1)WANG Mingnian2)
(TransportationSchool,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China;)1)(KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,MinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)2)
The design scheme use computer software of lighting- DIALUX to take simulation experiment aimed at improving the transition of the brightness inside and outside the tunnel, and it can verify the effect of the improvement toward the change trend and regular pattern of the pupil luminance of the drivers at the tunnel. Tunnel miniature is used to shooting different projects, which is using matlab to detect glare area and height. The results show that the transition of the driver's pupil luminance becomes more moderate and reasonable in the design scheme, the area of glare decline 20%~30%,and the height of glare incline 20%~40% ,visual load factor decline30%~40%,which in this way, visual comfort in the tunnel can be improved, the rate of error operating decreased.
highway tunnel;“white hole” effect; gradient coating;tunnel miniature; pupil luminance
2015-02-20
*国家自然科学基金项目(批准号:51008241)、西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室开放基金课题(批准号:TTE2014-07)资助
U491.5
10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.027
肖 尧(1990- ):男,硕士生,主要研究领域为 交通工程