基于丁达尔效应的隧道洞口车辆安全无障碍阻拦技术研究.pdf

引用格式:李平.基于丁达尔效应的隧道洞口车辆安全无障碍阻拦技术研究J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):131.LI Ping.Safety barrier-free blocking technology of vehicles at tunnel entrance based on tyndall effectJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):131.收稿日期:2022-11-28;修回日期:2023-06-06基金项目:重庆市技术创新与应用发展专项(CSTB2022TIAD-KPX0116,CSTB2022TIAD-KPX0117);重庆市交通局项目(2022-02)作者简介:李平(1977),男,吉林白山人,2004 年毕业于长安大学,机械设计及理论专业,硕士,高级工程师,长期从事高速公路收费、养护及安全管理运营工作。E-mail:76183695 。基于丁达尔效应的隧道洞口车辆安全无障碍阻拦技术研究李 平(重庆沪渝高速公路有限公司,重庆 401336)摘要:为解决隧道发生突发性应急事件时,后续车辆存在继续驶入容易造成二次灾害的普遍问题,提出一种基于丁达尔效应的车辆安全无障碍阻拦技术。通过分析丁达尔效应产生的机制,研究在路段形成稳定丁达尔效应车辆无障碍阻拦效果的烟雾发生器和激光的控制参数。研究结果表明:1)烟雾系统喷嘴所需压力随阻力风速的增加而增加,并且喷嘴偏转角越大,所需喷射压力越大;2)根据人眼暂留效应,形成丁达尔效应的激光扫描速度与扫描角度的正切值之间满足正比关系;3)烟雾越轻薄,丁达尔效应越明显,所呈现的光幕阻拦信息越明显,辨识距离越远。结合倾向性调研说明,提出的基于丁达尔效应的光烟雾车辆阻拦技术具有阻拦信息明显、易辨识、易被民众接受的优点。关键词:隧道安全;丁达尔效应;车辆阻拦;无障碍阻拦;智慧管控DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.015中图分类号:U 453.7 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0131-08S Sa af fe et ty y B Ba ar rr ri ie er r-F Fr re ee e B Bl lo oc ck ki in ng g T Te ec ch hn no ol lo og gy y o of f V Ve eh hi ic cl le es s a at t T Tu un nn ne el l E En nt tr ra an nc ce e B Ba as se ed d o on n T Ty yn nd da al ll l E Ef ff fe ec ct tLI Ping(Chongqing Huyu Expressway Co.,Ltd.,Chongqing 401336,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To avoid secondary disaster caused by subsequent vehicles when a sudden emergency occurs in tunnel,a vehicle safety barrier-free blocking technology based on the Tyndall effect is proposed.By analyzing the mechanism of the Tyndall effect,the control parameters of the smoke generator and laser that form a stable barrier free effect for vehicles with the Tyndall effect on road sections are studied.The results show the following:(1)The pressure required for the nozzle of the smoke system increases with increasing resistance wind speed,and the larger the nozzle deflection angle,the larger is the required injection pressure.(2)According to the human eye persistence effect,there is a proportional relationship between the laser scanning speed that forms the Tyndall effect and the tangent value of the scanning angle.(3)The thinner the smoke,the more obvious the Tyndall effect and the light screen blocking information presented,and the farther is the recognition distance.Based on the tendentious research,it is shown that the light smoke vehicle blocking technology proposed based on the Tyndall effect has the advantages of obvious and easy identification of blocking information and acceptance by the public.K Ke ey yw wo or rd ds s:tunnel safety;Tyndall effect;vehicle blocking;barrier-free blocking;intelligent management and control0 引言 随着我国公路建设的进一步推进,超深埋、超大断面的特长隧道以近 50%的年增长率递增,同时也伴随着对隧道特别是长大隧道运营安全管控要求的提高。近些年来,我国发生多起公路隧道重特大事故,造成惨重的人员伤亡和经济损失,使得如何提高公路隧道运隧道建设(中英文)第 43 卷营安全水平成为众多专家和公路建设及管理者关注的焦点。交通强国建设纲要1和“十四五”现代综合交通运输体系发展规划2均明确提出要加强交通安全设施智能化管控能力建设,增强关键路段主动预警能力,提升关键基础设施安全防护能力,强化交通应急救援能力等。由于隧道不同于开放路段区域,一旦隧道内发生交通事故,后续车辆的继续驶入极易引发二次灾害,导致事故升级,并且车辆在隧道内的堵塞又会严重影响人员的快速疏散逃生以及救援效率,从而加大事故严重性升级。JTG D70/22014公路隧道设计规范 第二册 交通工程与附属设施3规定了公路隧道车道指示器、交通信号灯、火灾报警器的设置要求,以提醒驾乘人员在隧道发生事故时禁止驶入,但由于这些设施的不醒目以及普通民众辨识习惯之间的差异,使得隧道内发生事故时车辆继续驶入成为常态。为切实提高隧道发生突发紧急事故时对洞外车辆的有效阻拦,国内外学者开展了不同层面的研究。早在 2007 年,澳大利亚在悉尼港隧道采用水幕形式在隧道入口处实施了一个大大的“STOP”虚拟停车牌以达到车辆暂停或减速的目的,认为遇到紧急情况采用正面视觉提醒是唯一也是最有效的方法,由于采用水容易导致快速行驶车辆打滑不易刹车以及冬季易结冰等局限性,该技术存在较大的争议。文献4-7从隧道轮廓带、警示线形诱导标、柔性警示柱和防撞极等方面研究了提升隧道行车安全的方法。文献8结合山区高速公路安全现状研究了安全防护设施的设置对交通安全的影响,建立了综合交通事故、设施和交通运营指标的安全风险量化评估模型,以提出针对性的安全设施改造升级建议。文献9从驾驶员的视认特性研究了隧道入口区域的指路标志和减速标线的设置,并从交通标志、诱导设施、防撞装置和管理措施 4 方面分析了提高隧道入口安全的改善措施。上述研究除了澳大利亚的水幕阻拦技术外,基本上均只从设施的设置方法、诱导方法以及评价方法等角度研究隧道行车安全提升方法,缺乏隧道内突发紧急情况时对车辆的有效阻拦机制及技术研究。尽管国内不同学者10-13研究了隧道智能管控平台的设计,可实现隧道机电设施在突发紧急事件下的一键联动,即可以实现隧道现有车道指示器、交通信号灯及火灾报警器的一键联动,但符合普通民众辨识性需求的车辆有效安全阻拦仍为空白,从而使得隧道内一旦发生突发紧急事件时车辆在隧道内的堵塞仍为常态,为公路隧道运营管理单位带来沉重的安全运营压力。为切实有效提升公路隧道运营安全保障水平,本文从驾驶员的行车正面视觉警醒需求角度出发,开展基于丁达尔效应的隧道洞口车辆安全无障碍阻拦技术研究,分析技术实现的物理机制以及实现有效阻拦的总体方案设计,并重点分析实现远距离可辨识的光烟雾阻拦技术的实现方法,提出利于工程应用的系统设计,以期为填补行业内隧道突发紧急事件下对车辆安全阻拦的空白提供技术支撑。1 技术原理分析根据驾驶视觉及行为理论,在行车过程中,驾驶员对行车方向正前方的交通标志具有最直接的信息获取作用,特别是正前方大面积醒目的提示信息。由于受到限高和侵界等因素影响,常规交通标志无法实现大面积设置在行驶方向的迎车面上。本技术采用光烟雾机制的无障碍阻拦形式,根据丁达尔效应原理采用纳米级烟雾在隧道前方的迎车面上形成薄雾状的胶体介质,再用一定形式展开的红色激光束穿过该介质,形成远距离可见的禁行光束,结合光的色散机制达到在浅红色薄雾胶体介质区域的高亮度红色禁行标志,如图1 所示。图 1 基于丁达尔效应的无障碍车辆阻拦效果Fig.1 Barrier-free vehicle blocking effect based on Tyndall effect本技术的实现需要保证所采用的烟雾直径小于光源波长,光束通过该介质时主要发生散射,从而使得阻拦光束信息图案远距离可见。与其他交通安全标志相比,该技术具备明显的警醒和安全保障作用:1)远距离可见的大断面禁行信息,结合情报板和声光报警器等其他安全提示信息,可实现远距离提醒驾驶员应急信息的作用,警醒性强。2)无阻拦安全性高。形成立体空间薄雾区域的光阻拦信息无实体阻拦设施,即使车辆来不及停下驶过该区域也不会产生撞击等二次事故。3)空间弥散适应性广。采用光烟雾形式在空间存弥散状态,形成的纳米纳水性环保烟雾在空中逐渐消失,对路面和环境无不良影响。并且即开即用,无须像水幕系统加装引水装置,也不存在水幕系统在启动后可能导致路面湿滑和冬季结冰现象,无地域季节应231增刊 1李 平:基于丁达尔效应的隧道洞口车辆安全无障碍阻拦技术研究用的局限性问题。2 丁达尔效应无障碍阻拦实现技术2.1 无障碍阻拦实现机制 本技术在结合其他交通信息标志的基础上,采用快速响应的纳米级烟雾发生系统和定向扫描激光束,在隧道行车方向的迎车面上形成立体空间横向光烟幕阻拦信息。为工程实施和后续维护方便,所采用的烟雾发生系统和激光发生器均集成安装于隧道洞口或洞外路沿两侧,由于该技术具备远距离可见的优势,也可安装于距隧道洞口一定距离的路段位置。具体实现方式如图 2 所示。图 2 隧道光烟幕阻拦系统实现方式Fig.2Implementation of tunnel optical smoke screen blocking system在实现机制上,两侧的烟雾系统由高到低从路侧往路中喷射纳米级薄雾,在行车道上形成半透明纳米级胶体薄雾介质,为达到较好的横向全断面远距离可视效果,该介质分布于路面 3 m 以上高度区域。同时,安装于路侧的激光发生器向介质区域以一定扫射速度和角度发射激光束,由于选用的激光波长和烟雾介质直径满足丁达尔现象发生的条件,使得光束在介质内发生清晰明亮的散射现象,达到阻拦信息远距离可见的效果,具体实现机制如图 3 所示。图 3 基于丁达尔效应的光烟雾阻拦系统实现机制Fig.3 Implementation mechanism of light smoke blocking system based on Tyndall effect为保证由烟雾系统喷射的烟雾结合激光束在行驶车辆的迎车面上形成稳定光幕,烟雾发生系统的喷射方向 与喷射压力 p、风速 v、路面宽度 w 应满足如下关系:p=cwv22c2vdcos。(1)式中:c 为风阻系数;为空气密度;为风向与路面横向水平方面的夹角;cv为所喷射烟雾的速度系数;d 为所喷射烟雾当量直径;v 为当下测得风速,由风速仪所测得。烟雾发生系统调节喷嘴的喷射压力 p 和喷射方向,从而实现在车辆迎车面上形成稳定的纳米级薄烟雾区域,为形成丁达尔效果光幕提供胶体介质。烟雾系统喷嘴压力与偏转角、风速的关系如图 4 和图 5 所示。由图可知,在风阻力前提下,要达到路面区域均有产生胶体介质的烟雾,系统的压力均随着偏转角和风速的增加而增加。图 4 烟雾系统喷嘴压力与偏转角之间的关系Fig.4 Relationship between nozzle pressure and deflection angle of smoke system图 5 烟雾系统喷嘴压力与风速之间的关系Fig.5Relationship between nozzle pressure and wind speed of smoke system为在这种胶体介质上形成明显的丁达尔现象,实现警示信息的高亮度远距离可辨识,大功率激光光源按速度 vr进行扫描:vr=2wtan t0。(2)式中:为激光束所成图像需要的半角,可根据阻拦信息的图案形式进行调整;t0为人眼暂留效果所需的时间,通常为 0.10.4 s。2.2 无障碍阻拦抗风稳定性技术 根据研究表明,本技术实现的效果与烟雾空间分布均匀性有关,特别是激光束的亮度与光束分布区域331隧道建设(中英文)第 43 卷的烟雾分布浓度有关。由于从烟雾发生器喷射的烟射分布与当下风向风速有关,在自然风速的 v 作用下,安装于道路两侧的烟雾发生器的喷嘴所喷射出来的烟雾应到达对面路侧,满足此喷射要求的喷嘴压力与自然风速需符合以下要求。1)自然风表现为阻力风时:p=cwv22c2vd。(3)式中 cv为烟雾喷射的速度系数,通常取 0.95。当该阻力风向与路面横向垂直方向有一定夹角 时(见图 6),喷嘴压力与式(1)一致,喷嘴的偏转角度与风向夹角 满足以下关系:-=。(4)图 6 阻力风时的烟雾喷射系统喷嘴与风向之间的关系Fig.6Relationship between nozzles of smoke injection system and wind direction under wind resistance2)当自然风表现为顺风时,由喷嘴喷出的烟雾在顺风作用下均可以到达道路对面(见图 7)。当该自然风与路面横向垂直方向有一定夹角 时,喷嘴的喷射方向 与 应满足互补关系,即:=-。(5)图 7 顺风状态下烟雾喷射系统喷嘴与风向之间的关系Fig.7 Relationship between nozzle of smoke injection system and wind direction in downwind state本技术在应用上主要用于隧道洞口之外,起到紧急情况下阻止外部车辆继续驶入隧道的作用,在实际应用中可将系统以对向发射的方式安装于车道两侧护栏以外区域,从而在车道立体空间形成无障碍光烟雾阻拦区域。在隧道洞外交通风和自然风同时作用情况下,由两侧向中间喷射的烟雾将各受到顺风和阻力风的作用,根据上述风向风压监测结果进行喷嘴的喷射方向与压力控制,可实现烟雾基本往指定方向喷射以形成丁达尔效应所需的胶体介质。由于本技术形成胶体介质的核心关键在于外界风力作用下能在指定区域形成持续性薄型烟雾,并与一定速度扫射的激光束结合形成远处清晰可见的丁达尔效应光阻拦信息,不但在白天晴天可达到效果,且通过试验验证雨雾天气更有助于增加胶体介质的形成。针对不同天气的技术应用试验测试,将在后续论文中进行细化阐述。2.3 丁达尔效应无障碍阻拦联动控制为达到预期的隧道突发应急情况下对车辆的安全有效阻拦,避免后续车辆继续驶入隧道,本技术的实施上与隧道内外的其他交通信息设施进行联动,使车辆在隧道前方路段即可第一时间获悉隧道内的应急事件信息。结合公路设计时自 300500 m 区域沿着行车方向一键启动相关预警阻拦信息,并将无障碍应急车辆阻拦信息与隧道内外相关安全机电设施进行联动,使驾驶员在 300500 m 区域开始警醒减速,并在丁达尔横向全断面车辆阻拦系统前停住不再驶入隧道内。具体联动控制如图 8 所示。为保证阻拦系统在启动时符合驾乘人员的心理及驾驶行为需求,整个联动系统在设置上先通过门架情报板的提示信息和由远及近声光报警器由小到大的报警声提示引起驾驶人员的警觉并减速,行至基于丁达尔效应的横向无障碍阻拦系统之前可以停止前行。安装在阻拦系统前方的视频监测系统通过监测到的车辆阻拦效果自动判别光烟雾系统的关闭时机,并自动记录未停止的车辆数上报监控中心,给专业救援队伍提供隧道内被困车辆人员数量支撑救援方案的制定。3 测试与调研 由本技术形成的丁达尔光烟雾阻拦系统具有远距离可见的优点,为保证形成的阻拦信息安全有效,试验测试了不同环境亮度下光烟雾阻拦信息的可辨识距离,并通过问巻调查的方式调研了驾乘人员在隧道内发生突发紧急情况时对管控策略的倾向性和服从性。431增刊 1李 平:基于丁达尔效应的隧道洞口车辆安全无障碍阻拦技术研究图 8 结合无障碍阻拦系统的联动控制Fig.8 Linkage control combined with barrier-free blocking system3.1 可辨识距离试验 根据紧急情况下可辨识需求,试验测试了白天晴天、白天阴天和夜间 3 种情况下的系统可辨识距离。将光烟雾阻拦系统安装于试验隧道前方路面两侧,两者相距 8 m,根据实际工程安装条件,烟雾发射器安装高度距路面 2 m 并对向发射,在横向路面区域形成均匀胶体介质;激光发生器安装于底部,在实际工程应用中可将其安装于护拦以上高度,并以自下而上的方向按一定频率扫射,从而在胶体介质区域形成空间交叉的光阻拦信息。形成的光烟雾阻拦系统的白天和夜间拍摄效果见图 9。图 9 白天和夜间的光烟雾阻拦效果Fig.9 Light smoke blocking effects in daylight and nighttime为达到同种工况下的测试结论,试验中控制烟雾发生系统的喷烟浓度,并采用相同强度的激光束以相同扫描速度进行定向扫射,分别测试相同喷烟浓度的阻拦系统在不同天气下的可辨识距离,以及相同天气下不同喷烟浓度对可辨识距离的影响。对于不同测试时段,试验随机选择 20 位经过该区域的驾驶员进行测试,测试流程如图 10 所示。图 10 测试流程图Fig.10 Chart of test flow试验随机选取 20 位经过该区域的驾驶员进行测试,在不同天气和时段条件下,当驾驶员以 60 km/h 的531隧道建设(中英文)第 43 卷正常行车速度驶向试验区域时,在能清晰辨识光阻拦信息时告知试验人员,由试验记录人员记录其所在位置并测算辨识距离,结果如图 11 所示。图 11 不同天气和时段的光烟雾阻拦系统可辨认距离Fig.11Recognition distance of light smoke blocking system in different weather and time由图 11 可见,在不同天气和时段条件下,同样参数下的光烟雾阻拦系统的最远可辨识距离不同。在白天晴天模式下受到外界强太阳光的影响,可辨识距离最短,约为 113.5 m;阴天由于外界光照不强,可辨识距离达 165 m;夜间效果最好,整个系统在 200 m 以外都处于可视状态,辨清光束形成的阻拦信息的辨识距离为 205 m。根据驾驶行为理论,80 km 时速的停车视距为 100 m,当隧道内发生应急事件时,通过设置在距隧道口 300500 m 加强声光报警与交通情报板的信息使驾驶员开始警醒减速,行至距隧道口 100 m 附近已可将速度降至 80 km 左右,根据试验所测,即使是最不利辨识的白天光环境下,系统的辨识距离也大于停车视距,可以满足交通安全行车需求,并且根据技术实现原理和机制,即使在穿过该阻拦区域未能及时停住,由于该阻拦区域与车辆之间无触感介质与车辆的直接接触,车辆穿过该区域不会因触感接触产生应急反应造成次生灾害,可有效保障交通安全。此外,试验测试了不同烟雾浓度下的光阻拦系统的可辨识距离和光束亮度,通过烟雾发生器的控制系统改变烟雾浓度由 20%至 100%递增,在相同行车速度下测试驾驶员对光阻拦信息的可辨识距离,烟雾浓度越高辨识距离越短,如图 12 所示。由于烟雾浓度对散射激光的穿透性有一定阻碍作用,试验用光亮度计测试了 1 倍停车视距即 56 m 处不同烟雾浓度下的光阻拦系统的亮度,如图 12 所示。烟雾浓度越大,形成的阻拦光束亮度越小。根据测试结果可知,本系统所采用的烟雾介质属于产生丁达尔效果的胶体介质,无需太高浓度,在激光束所处区域内,烟雾浓度越小,介质越均匀,丁达尔效果的光柱现象越明显,光烟雾阻拦效果越佳,并且烟雾浓度越小,对光束的遮挡越小,可辨识距离越大。由此可见,为形成稳定辨识度高的光烟雾阻拦信息,产生胶体的烟雾浓度控制是本技术的关键。图 12 烟雾浓度对辨识距离和光束亮度的影响Fig.12 Influence of smoke concentration on identification distance and beam brightness3.2 倾向性调研 作为一种全新的隧道应急安全主动管控技术,为保证该技术的有效性和社会公众的接受性,研究中在高速路口、服务区、收费站等不同路段对 344 名驾驶员进行本技术的倾向性和服从性开展广泛调研,如图 13所示。图 13 调研现场Fig.13 Spot of survey被调研驾驶员的身份比例如图 14 所示。图 14 问卷参与者驾驶身份比例Fig.14 Proportion of driving identity of questionnaire participants当隧道内发生突发紧急事件时,根据图 1518 所示调研结果,有 48%的驾驶员希望把阻拦信息设置在隧道洞口,有 44%的驾驶员倾向设置在隧道前方路段,意味着 90%以上的驾驶员均希望在隧道外有明显的车辆禁止驶入信息。在交通阻拦方式上,68%的驾驶员倾向采用光烟雾这种无障碍的虚拟阻拦技术,并且 86%的驾驶员希望能通过有效阻拦技术将车阻拦在隧道外,如果有可能,79%的驾驶员希望能驶离事故路段。631增刊 1李 平:基于丁达尔效应的隧道洞口车辆安全无障碍阻拦技术研究图 15 驾驶者对隧道事故交通封闭起点的设置倾向Fig.15 Drivers tendency to set starting point of traffic closure in tunnel accidents图 16 驾驶者对隧道交通封闭方式倾向Fig.16 Drivers tendency towards tunnel traffic closure图 17 驾驶者对获知应急信息后的停车位置倾向Fig.17 Drivers parking position tendency after receiving emergency information图 18 驾驶者对获知应急信息后的行为方式倾向Fig.18Drivers behavioral tendency after receiving emergency information从上述调研结果可知,当隧道内发生突发紧急事件时,社会公众对本技术具有明显的倾向性和服从性,并希望可以将本技术设置在隧道洞口或前方路段,在有可能的条件下也可以将本技术设置在岔道前方进行引流。4 结论与建议 本文通过分析隧道发生突发应急事件时采用正面视觉提醒是最有效阻拦车辆继续驶入的方法,提出一种基于丁达尔效应的隧道洞口安全无障碍阻拦技术。根据丁达尔效应原理研究符合隧道行车视觉辨识性需求的胶体介质与激光束相结合的光烟雾阻拦系统表现形式,研究安全无障碍阻拦技术的发生机制,以及形成稳定光烟雾阻拦信息的烟雾发生装置与激光发生器的工作机制,并提出形成稳定阻拦信息的系统抗风稳定性要求。通过现场试验和调研得出本技术具备突发紧急情况下远距离可辨,并具备广泛的公众选择倾向性等优点,可填补隧道发生突发应急事件安全有效阻拦车国内继续驶入的技术空白。具体结论如下:1)基于丁达尔效应的隧道洞口车辆安全无障碍阻拦技术属于国内外首创的具备适用性广的隧道安全主动管控技术,具备立体空间全断面警醒性强、无碰撞介质与车辆接触、对路面和环境无不良影响等明显安全优点。2)本技术具备远距离可辨识的优点,可用于隧道洞口及路段区域,晴天白天亦远距离可见,夜间可辨识距离高于白天可辨识距离。3)所形成的光烟雾阻拦信息的可辨识距离与亮度与系统喷射烟雾浓度有关,浓度越低可辨识距离越远,信息越清晰。4)要形成路面区域横向稳定光烟雾阻拦信息,烟雾发生系统的压力受风速风向影响较大,结合喷射浓度对辨识距离的影响机制,通过控制烟雾发生器形成稳定胶体介质是本技术的关键。5)调研表明,在隧道内发生突发应急事件时,社会公众更倾向在隧道洞外采用类似本技术的立体空间无障碍阻拦技术来对车辆进行管控,避免车辆继续驶入隧道,有条件的情况希望可以驶离事故路段。研究团队将进一步细化不同天气条件下的光阻拦系统实施效果,并结合实际工程对实际路段上的光阻拦系统的实施效果进行跟踪测试,结合隧道智慧管控平台实现本技术与现有管控平台的联动,以进一步提升隧道安全智慧管控水平。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 中共中央、国务院.交通强国建设纲要EB/OL.2019-09-19.http:/ General Committee of the communist Party of China,731隧道建设(中英文)第 43 卷the State Council of China.Construction outline of transportation powerEB/OL.2019-09-19.http:/ 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