高亮度铺装层对隧道中间段行车安全的影响_冯学茂.pdf

收稿日期：基金项目：年度广西壮族自治区交通运输行业重点科技项目作者简介：冯学茂（），男，广西博白人，高级工程师，工学博士研究生，：。通讯作者：武建民（），男，河北邢台人，副教授，工学博士，：。第 卷第期 年月长安大学学报（自然科学版）（）冯学茂，覃仲，武建民，等高亮度铺装层对隧道中间段行车安全的影响长安大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：高亮度铺装层对隧道中间段行车安全的影响冯学茂，覃仲，武建民，张恒聪，左闪，赫海涛（中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 ；广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 ；长安大学 公路学院，陕西 西安 ）摘要：为研究高亮度铺装层对隧道中间段行车安全的影响，以路面反光效果和驾驶人视觉特性为基础设计了对比试验；通过不同光学仪器，测量种高亮度铺装层的光学参数，研究其高亮度性能；通过照明计算软件和三维建模软件，制作了种高亮度铺装层隧道内仿真驾驶视频；通过驾驶模拟器系统，采用眼动试验进行不同铺装层隧道内的模拟驾驶，收集驾驶人在不同铺装层隧道内驾驶的眼动数据，以相对安全距离、驾驶人对障碍物注视持续时间和驾驶人瞳孔直径作为生理和心理指标，研究驾驶人在高亮度铺装层隧道中间段驾驶的眼动特性；通过驾乘体验问卷调查，收集驾驶人在不同铺装层隧道内驾驶的主观感受，综合评价了种高亮度铺装层对隧道中间段行车安全的影响。结果表明：高亮度铺装层具有良好的反光效果，钛白粉的掺加对高亮度铺装层的高亮度性能有较好提升作用，钛白粉掺量（质量分数，下同）为 的高亮度铺装层反光效果最佳，隧道中段行车安全性与铺装层的反光效果呈正相关，使用反光效果较好的高亮度铺装层有助于驾驶人在驾驶过程中更早发现障碍物、更容易辨别障碍物，有利于提高隧道中间段的行车安全性；隧道中段行车视觉舒适性与铺装层的反光效果呈负相关，使用高亮度铺装层后隧道内路面反射光线强烈，对驾驶人的视觉舒适度有一定影响。关键词：隧道工程；行车安全性；高亮度铺装层；眼动特性；钛白粉；反光效果中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，（，），：；引言随着经济的快速发展，中国公路建设里程迅速增加。据统计，截至 年底中国公路总里程达到 万，公路密度达到 ；全国公路隧道共 处、万延米，相比 年末增加 处、万延米，其中特长隧道 处、万延米；长隧道 处、万延米。公路事业迅速发展的同时，隧道数量和里程也在急剧增加。然而，隧道内的光线较暗导致行车视线较差，使得隧道成为了事故多发路段，且发生事故后救援困难。隧道光环境是由洞外光环境和洞内照明环境等共同组成的。洞外亮度通常远高于洞内亮度，当驾驶人驶入或驶出隧道时，剧烈的明暗变化易导致驾驶人视觉难以及时适应，会引起“黑洞效应”和“白洞效应”，同时隧道内亮度均匀性较差会产生“斑马效应”。最终，隧道光环境所产生这些不利效应会降低驾驶人的视觉功效、增加驾驶人的视觉负担，甚至造成驾驶人视线错觉的现象，进而诱发隧道交通事故，严重影响了隧道的行车安全，降低了行车舒适性和运营节能效果。因此，如何改善隧道的光环境，改善驾驶人在隧道行车时的视觉环境，提高隧道内行车安全性研究具有重要意义。等通过调查大量交通事故报告，分析了公路隧道事故的主要区段，发现相比于普通路段，隧道交通事故发生频率更高、更为严重，且隧道入口段事故率最高。等分析了新加坡高速公路隧道的 起交通事故，发现隧道进入段和隧道出口段发生交通事故频率明显高于隧道中间段，但是隧道中间段具有发生多车交通事故频率较高的特点。分析了驾驶人视觉特性受不同照明条件的影响程度，提出行车安全受隧道照明条件的显著影响，照明设计应与人眼球的视觉机能相适应。张乐通过研究玻璃集料和浅色石料明色化铺装材料在隧第期冯学茂，等：高亮度铺装层对隧道中间段行车安全的影响道中的应用，发现使用了明色化的铺装层材料隧道内路面平均亮度和反射系数的提升效果较为显著。商艳通过研究驾驶人在草原直线公路行驶的眼动数据，并采用模拟驾驶试验、理论分析与主观评价相结合的研究方法，确定了眨眼持续时间、注视持续时间、瞳孔直径、扫视持续时间、扫视幅度可作为表征草原公路直线路段单调性景观环境下眼动特性的敏感指标。胡月琦研究心智游移和心理负担对驾驶安全的影响及二者在隧道不同路段的变化，发现驾驶人心里负担程度与其对隧道的熟悉程度负相关，但隧道长度与驾驶人心里负担正相关，隧道越长，其行车综合风险越高。祁首铭通过设计实车驾驶试验，采集驾驶人的眼动、脑电特征指标和车辆运行指标数据，并与计算不同难度数学题过程中产生不同程度的认知负荷进行对比研究，发现注意力指数、放松度指数、瞳孔直径等在内的多因素车辆冲突风险辨识指标。李志勇等采用浅色石料和废钢化碎玻璃设计了 种明色化铺装材料，对其应用于隧道的路用性能和照明性能进行分析发现，与普通 相比，明色化铺装材料能显著提升路面平均亮度，能提高隧道照明质量和隧道行车安全。上述研究表明：隧道光环境不良和路面亮度不足，影响驾驶人行车视觉环境是危害隧道内行车安全的重要因素之一；主要通过改变隧道光照条件的方式改善隧道的光环境及路面亮度，但近年来随着对路面材料研究的深入，不少学者逐渐通过改变路面材料，即采用反光效果较好路面材料的方式来改善隧道光环境并提高路面亮度。本文提出的高亮度铺装层是通过使用一种自主研发的浅色环氧沥青作为胶结料，并以钛白粉替代部分传统矿粉制备的一种新型沥青混凝土铺装层。浅色胶结料和钛白粉的应用使得铺装层反光效果得到大幅度提高，且颜色呈现出浅灰白色。研究相同的照明条件下，使用高亮度铺装层对提高隧道铺装层表面亮度的作用以及对隧道内光环境的影响，改善驾驶人在隧道行车的视觉环境，提高隧道的行车安全性，有重要的经济意义和社会意义。高亮度铺装层材料组成为了提高路面的反光效果，提高隧道照明效率，改善驾驶人隧道内的行车视觉环境，提高行车安全性，拟从胶结料和细集料颜色的角度出发，选用自主研发的浅色环氧沥青为胶结料，颜色较浅的石灰岩及高亮的钛白粉制备高亮度铺装层，粗集料为秦 皇 岛 某 钢 铁 公司 的 转 炉 热焖 渣 及 玄 武岩，技术指标见表、表，石灰岩作为细集料，加入一定比例的钛白粉，钛白粉与矿粉质量比分别为、和，通过拌和、碾压成型的方式制备而成的新型沥青混凝土铺装层 铺装层 如图所示。表浅色环氧沥青技术指标 测试指标布氏旋转黏度 （，）针入度（，）软化点 延度（，）含蜡量 测试结果 技术要求 高亮度铺装层高亮度性能评价及色度测定 高亮度铺装层反射比按照文献 推荐的间接法进行高亮度铺装层反射比测量，采用照度计分别测出被测材料表面入射照度和反射照度，由下式计算出其表面反射比表粗集料的物理力学性能指标 指标钢渣玄武岩不同粒级（）下的参数（，（，技术要求不同粒级（）下的参数（，技术要求表观密度（）压碎值（质量分数）洛杉矶磨耗损失（质量分数）坚固性（质量分数）吸水率（质量分数）磨光值 针片状含量（质量分数）浸水膨胀率（体积分数）长安大学学报（自然科学版）年图高亮度铺装层 式中：为反射比；为反射照度（）；为入射照度（）。经计算，种高亮度铺装层反射比见表。由表可知：所有的高亮度铺装层表面反射比均大于普通沥青混凝土铺装层，种高亮度铺装层反射比平均值为 、和 ，为普通沥青混凝土铺装层的 、和 ，但仅为水泥混凝土铺装层反射比的 、和 。表不同铺装层反射比实测结果 铺装层名称测量区域 平均值高亮度铺装层 高亮度铺装层 高亮度铺装层 普通沥青混凝土铺装层 水 泥 混 凝 土 铺装层 高亮度铺装层逆反射系数逆反射系数的物理意义为单位面积在单位光照的条件下所产生的亮度值，反映了隧道行车条件下驾驶人对路面反光亮度的客观评价，可以用来定量评价高亮度铺装层的反光效果。逆反射系数的测量采用道路标线逆反射系数测定仪，测定结果见表。由表可知，所有高亮度铺装层逆反射系数均高于普通沥青混凝土铺装层，且小于水泥混凝土铺装层，其中高亮度铺装层 的逆反射系数与普通沥青混凝土铺装层相接近，高亮度铺装层显著高于普通沥青混凝土沥青铺装层，显著低于水泥混凝土铺装层，高亮度铺装层 的逆反射系数与水泥混凝土铺装层相接近。种高亮度铺装层反光效果均优表不同铺装层逆反射系数测量结果 （）铺装层名称测量区域 平均值高亮度铺装层 高亮度铺装层 高亮度铺装层 普通沥青混凝土铺装层 水泥混凝土铺装层 于普通沥青混凝土铺装层，但比水泥混凝土铺装层的反光效果依旧较低，种高亮度铺装层反光效果由大到小依次为铺装层、铺装层、铺装层。高亮度铺装层色度测定颜色是由亮度和色度共同表示的，色度是不包括亮度在内的颜色性质，它反映颜色的色调和饱和度。为进一步了解高亮度铺装层的光学特性并为后续建立高亮度铺装层隧道内行车视频，研究高亮度铺装层对隧道中间段行车安全性的影响奠定参数基础，本文使用 彩色亮度计直接测得种高亮度铺装层的 和 色度坐标。测试结果见表。表不同铺装层色度坐标测定结果 铺装层名称 色度坐标 色度坐标高亮度铺装层（，）（，）高亮度铺装层（，）（，）高亮度铺装层（，）（，）普通沥青混凝土铺装层（，）（，）由表可知，种高亮度铺装层表面颜色的色调均接近中性色调，即黑、白、灰。根据相关文献可知，不同色相的视觉舒适度依次为暖色调、中性色调、冷色调。因此，高亮度铺装层的颜色对驾驶人第期冯学茂，等：高亮度铺装层对隧道中间段行车安全的影响视觉舒适性无明显不利危害。基于眼动试验的高亮度铺装层隧道中间段行车安全 试验内容由上文研究结果可知，高亮度铺装层具有良好的亮度特性，能显著提升隧道内路面亮度。因此，基于高亮度铺装层的高亮度特性，以相对安全距离、注视持续时间、瞳孔直径变化、以及驾乘舒适度作为主观评价指标，借助驾驶模拟器系统，通过眼动试验的人机交互方式开展隧道内使用高亮度铺装层对驾驶安全的研究 ，眼动试验驾驶模拟场景见图。其中：相对安全距离和对应的相对安全时间为引入参数，相对安全距离为发现障碍物时驾驶人所在位置与障碍物所在位置的道路纵向距离差；相对安全时间为驾驶人发现障碍物的时间和车头到达障碍物所在位置的时间间隔。图眼动试验模拟驾驶场景 试验过程 仿真视频制作基于高亮度铺装层反射比和色度坐标的测定结果，采用 软件建立高亮度铺装层和普通沥青混凝土铺装层仿真隧道，制作匀速驾驶仿真视频。仿真隧道全长 ，设计时速 ，为单向双车道。经计算，仿真隧道中间段长 ，在 匀速状态下，隧道中间段的驾驶时长为 。驾乘体验问卷设计问卷共分为驾驶人基本信息和高度铺装层驾乘体验调查两部分，通过问卷调查获取驾驶人对仿真视频真实程度，对路面亮度、障碍物可见度及视觉舒适程度的主观感受，进而从驾驶人的主观角度评价隧道内使用高亮度铺装层对驾驶安全的影响。被试选取为保证试验严谨性，所有被试采用区域公开招募的方式进行。所有被试均保证身体健康，无红绿色盲等影响驾驶安全的疾病；拥有小汽车驾照 或以上，有一定的驾驶经历；试验前 内睡眠充足，无饮酒、服用精神类药物等。被试在招募时被告知试验全部时长约人，试验结束可以获取 元的劳务报酬，且整个试验过程完全自愿参加。经过筛选，最终试验共招募 名志愿者作为被试对象，其中名男性志愿者因不适应模拟器出现视觉眩晕退出；最终试验人数为 名，男性 名，女性名。要求被试试验前填写被试相关信息。经统计，相关信息见表表。受西安地区 年年底疫情的严重影响，被试对象多为在校男性研究生及少数其他人员，被试驾驶频率偏低。表被试年龄分布 被试年龄段岁，），），）性别男女男女男女人数 表被试驾龄分布 被试驾龄年（，（，（，以上性别男女男女男女男女人数 表被试驾驶熟练度 驾驶熟练度专业熟练一般不熟练性别男女男女男女男女人数 表被试驾驶喜好度 驾驶喜爱度热衷偏好一般反感性别男女男女男女男女人数 试验准则（）驾驶过程中须规范驾驶行为，不可出现玩手机或其他分心驾驶行为。（）为避免不同铺装层间的相互干扰且避免疲劳驾驶，禁止被试不间断的连续进行多种铺装层眼动试验，被试每完成次铺装层相应眼动试验后，应进行 的休息，休息完成后方可进行下一步试验。（）试验为模拟隧道中间段驾驶行为，周围须屏蔽其他环境光源，如办公灯、台灯等。长安大学学报（自然科学版）年 试验步骤具体试验步骤如下：（）试验