高速公路隧道出口至互通立交最短距离的探讨_彭广银.pdf

摘要：针对隧道出口与互通段的交通安全问题，从驾驶员的视认特性的角度出发，通过分析驾驶员在隧道出口与互通段获取标志信息并实施操作的过程，明确了交通标志在隧道内外时出口与互通的最小间距设置参数和计算方法；通过现场试验，研究出隧道出口处驾驶员瞳孔直径变化规律以及瞳孔直径变化比率波动幅度，计算出驾驶员在隧道出口的明适应时间均值为1.782 s，建议交通标志位于隧道内外时隧道出口与互通段的最小间距分别为 400 m 和 500 m。关键词：隧道出口；互通；最短间距；瞳孔直径变化比率中图分类号：U491.2文献标志码：A文章编号：1009-7716（2023）01-0041-04高速公路隧道出口至互通立交最短距离的探讨收稿日期：2022-02-21作者简介：彭广银（1985），男，硕士，高级工程师，从事高等级公路设计工作。彭广银（江苏森尚工程设计研究院有限公司，江苏 南京 210000）DOI:10.16799/ki.csdqyfh.2023.01.0110引言我国幅员辽阔，地形地貌变化多样，对于地形复杂的山区高速公路，由于地形的限制导致互通式立交的出口与隧道洞口的缓冲距离较短，虽然现在的设计中已经充分考虑，但实际设计中的设计方案均为大同小异，且事故发生也较多1。在隧道入口和出口处，由于隧道内外光环境的快速变化，驾驶员的视觉和心理负荷大大增加，很容易引起驾驶员的不良驾驶行为，导致交通事故的发生，而且隧道由于其特殊的环境特征，容易发生二次事故，使得事故在很短的时间内急剧扩大，造成更大的伤亡和财产损失。因此，如何能有针对性的解决此类交通事故的发生是亟待解决的重要问题。国外对于互通式立交最小间距开展较早，目前已经出台相应的标准规范2。主要代表作包括：Patrick T W BroerenBroeren3等人以交通流特性为出发点，将隧道出口与互通段分为三部分进行分析研究，分别对隧道出口洞内外视觉适应段、驾驶员判别入口段以及分流段的最小距离进行了研究，最终确定隧道出入口与立交出入口连接段的最小长度。日本学者 Narisada4运用眼球追踪仪，研究了驾驶员靠近隧道口时眼部运动情况，研究结果表明，在隧道入口前一段距离处，驾驶员的注视点会集中在隧道口。我国起步较晚研究较少，主要集中在互通的通行能力、交通流特性、设计标准等方面，如 高速公路互通式立交分、合流区辅助车道长度设计标准5。石小法、廖军洪6，7等将实际工程与仿真模拟相结合，以驾驶员行车过程中道路的交通量、驾驶员对不同交通标志出现的反应时间等因素为研究对象，确定出隧道出口与互通短的最小间距。赵一飞8等从交通事故特征出发，以驾驶员出口处视觉适应时间以及驾驶员对出口标志的反应操作时间，总结计算出高速公路隧道出口与互通的极限最小间距。冯玉荣9基于交通流理论和仿真模拟的交通冲突技术，对互通式立交的最小间距做了研究。刘桂强10等提出山区高速公路隧道群复杂运营管理问题，并提出了隧道与互通式立交的协调交通控制策略。李新伟11等通过调研运营隧道与互通间距路段的运行速度，对其他隧道与临近互通立交路段的运行车速进行预测，得到了一定成果。为了保障交通安全，降低事故发生率，本文在总结和借鉴以往研究经验的基础上，针对隧道出口与互通段的交通安全问题，从驾驶员的视认特性的角度出发，结合生理心理状态，通过现场试验和室内模拟试验分析，对交通标志和互通最小间距做了相关研究，找出影响隧道出口与互通安全的关键因素并制定合理可靠的交通改善措施。为隧道出口和互通路段提出改善措施，从而提高交通安全，以期为工程实际提供有益参考。1隧道出口与互通立交最小间距分析考虑在条件受限下，在隧道内设置指路标志的情况，隧道出口与互通最小间距的研究分为指路标志设置在隧道内、外两种情况进行研究。1.1交通标志在隧道内驾驶员在隧道内通过交通指路标志的信息获取，URBAN ROADS BRIDGES&FLOOD CONTROL第 1 期（总第 285 期）2023 年 1 月道路交通41并实施操作过程，一共包括了感知阶段、判断准备阶段、动作阶段 3 个阶段。在感知阶段，驾驶员在 F 点发现交通标志，在 R 点完成识别，到达 G 点完成信息认识，这个阶段称为感知阶段；之后，途经标志消失点 K 和标志点 M，驾驶员完成对交通标志信息的分析并判断，在适应隧道出口段光环境变化后到达动作点 E，这个过程称为判断准备阶段；最后，在可插入点 H，驾驶员判断可插入，进行车速调整，到达车速调整点 I，准备侧向插入右方车道，到达横移点 J，车辆横移入右侧车道到达安全距离点 T，准备进入互通下道，至此动作结束，这个过程称为动作阶段，整个过程见图 1。由图 1 可知，隧道出口与互通最小间距 Sn为：Sn=d+S2=d+L1+L2+L3+L4+L5（1）根据冯玉荣9研究，可插入间隙的平均等候时间tw由式（2）计算可得：tw=Hn=1e（t-）-（t-）-1（2）式中：t 为车辆临界时间（s），一般取值为 4 s；为单位时间内平均到达率（辆/s），=Q/3 600，Q 为最大服务交通量（取二级服务水平）；为车头时距（指连续两车通过车道或道路同一地点的时间间隔）最小值，一般取 1.2 s。将以上数值带入式（2），参照相关交通参数取值计算，得到如表 1 所示。因此，等待间隙插入距离 L1为：L1=V3.6tw（3）在等待可插入间隙出现的时间内，车辆一直以变换车道最低车速 Vh匀速行驶，直到车辆可插入，整个过程车辆行驶的距离为 Vhtw。相邻车道的车速一般不相同，相对车速为 V，调整时间 t2为 Vhtw/V。根据相关研究成果，Vh为设计速度 V 的 0.76 倍。因此，判断可插入间隙时间所行驶的距离 L2为：L2=V3.6VhtwV3.167 tw（4）车辆在可变换车道时，驾驶员通过不断调整车速进行变道直到变道成功，这段距离为变换车道调整距离 L3，根据研究表明该段距离所需时间 t3取 2.5 s计算出 L3为：L3=V3.6t3（5）车辆在驾驶员对方向盘的操纵下慢慢横移，需要一定的时间 t4。根据研究结果表明，横移的速度一般为 1 m/s，高速公路道路宽度为 3.75 m，横移时间为道路宽度与横移速度的比值，则 t4为 3.75 s，因此，变换车道横移的距离 L4为：L4=V3.6t4（6）到达互通出口前的安全距离 L5，车辆从外侧车道到达互通匝道需要驾驶员对车辆进行操作，使得车辆能够顺利进入互通匝道口，安全距离视具体情况而定，一般情况下安全距离取 100 m，即：L5=100 m（7）我国公路隧道设计规范（JTG D70-22014）指出，隧道内同向车道分界线在出口端应向洞外延伸 100 m，则d+L1+L2+L3100 m（8）1.2交通标志在隧道外交通标志位于隧道外的驾驶获取标志信息和实施操作的过程和标志在隧道内的过程一致，也分为感知、判断准备和动作三个阶段，如图 2 驾驶员在 F点发现交通标志，经过始读点 R、读完点 G 完成感知阶段，进入判断准备阶段，直至最后动作阶段的完成。根据驾驶员获取标志信息并实施操作的整个过程梳理，要保证驾驶员读完交通标志信息时交通标志并未消失，标志在隧道内时，见图 2，必须保证 bc；彭广银：高速公路隧道出口至互通立交最短距离的探讨图 1隧道内驾驶获取标志信息并实施操作过程表 1车道变换交通参数取值表相关参数单向两车道单向三车道单向四车道车道折减系数1.852.573.18最大服务交通量 Q/（pcuh-1）2 96041125 088平均到达率/（pcus-1）0.4110.3810.353车头时距最小值/s1.2车辆临界间隙 t/s4.0平均等待时间 tw/s2.4572.2031.981图 2隧道外驾驶获取标志信息并实施操作过程2023 年第 1 期42标志在隧道外时，必须保证 am。交通标志在隧道外有别于隧道内，交通标志处于隧道内时，驾驶员在隧道内已经对交通标志进行了发现、识别、认读、和理解，在隧道出口处与互通立交的小间距离主要考虑的因素主要包括车辆出隧道后驾驶员眼睛适应光变化的适应距离、内侧车道换道距离以及隧道标志线的距离。相较于隧道内，交通标志在隧道外时还需考虑交通标志的发现、识别、认读、理解过程，相对复杂。由图 2 可得，隧道出口到动作结束点 p 的距离Sw：Sw=S1+S2+S3（9）式中：S1为出口驾驶员光环境适应距离，S2为发现点F 到动作点 E 的距离，S3的取值将在下一节内容详细阐述，S3的取值与标志在隧道内的相同，S2的取值引用相关文献模型，S2为：S2=V3.6tf+H2+（B/2）2tan（/2）（10）式中：V 为运行速度（km/h）；tf为标志视认反应时间（s）；H 为标志与小客车驾驶员视线的高差（m），一般取 1.2 m；B 为驾驶员眼睛可视点至单悬臂的指路标志中间距离（m）；为驾驶员眼睛视野的界限角度（），相关研究表明视轴移动 5为最佳，本文 取值 5。2 试验方案设计现场试验主要针对在隧道出口段的眼动特性进行研究，拟通过眼动试验采集隧道中驾驶员的眼动特性参数，该眼动仪眼动追踪技术提供 60 Hz 双眼追踪技术，可对驾驶员的眼动数据进行深化分析。使用时与电脑相连，操作者可采集驾驶员的属性、执行校准、观测实时注视轨迹并实时标注受试者的行为，获取隧道出口段驾驶员眼动的变化规律，得到驾驶员出口明适应适应时间。驾驶员驾车分别对白马隧道、大湾隧道、黄草岭隧道、武隆隧道开展眼动特性试验，利用眼动仪的眼球追踪技术，实时跟踪和采集驾驶员的眼动数据。试验选取 3 名驾驶员，驾驶员年龄分别为 25、27、28 岁，其矫正视力均在 5.0 以上，驾驶员在隧道内驾车保证车速在 80 km/h 左右。每条隧道进行两次试验，分别分路面左侧和右侧试验。由于山区高速地形地貌会对光环境造成影响，驾驶员经过隧道出口明适应后瞳孔直径稳定值不同。因此，本文选取瞳孔直径变化比率作为驾驶员在隧道出口路段光环境适应情况的表征参数。选取试验隧道出口前后 10 s 的试验数据进行分析研究，横轴为时间轴，以隧道出口的时间点为零点，纵轴为瞳孔直径变化比率。驾驶员瞳孔直径变化比率变化正常范围为5%，而对于长隧道路段，隧道洞内的瞳孔直径变化比率较大，出口（时间轴 0 s 的点）后呈减小趋势。三个驾驶员随时间的瞳孔直径变化比率图以及选定点，见图 3 图 5。由图 3 图 5 可知，驾驶员在隧道内即将出洞时，瞳孔直径变化比率波动幅度增大，出隧道后瞳孔直径变化比率在短时间内进行了恢复，波动随之稳定。现将各条隧道试验所得的 24 次有效明适应时间点汇总，见表 2。由表 2 可知，隧道出口明适应时间主要集中在彭广银：高速公路隧道出口至互通立交最短距离的探讨图 5驾驶员 3 不同隧道出口瞳孔直径变化比率图图 4驾驶员 2 不同隧道出口瞳孔直径变化比率图图 3驾驶员 1 不同隧道出口瞳孔直径变化比率图2023 年第 1 期43（下转第 56 页）12.5 s 内，得到本试验隧道出口的明适应时间均值为 1.782 s。国内外对隧道出口明适应的相关研究表明，驾驶员的明适应距离一般按照 3 s 行程计算，与本试验的结果相符，取值偏于安全。根据试验结果，考虑隧道出口相关安全问题，本试验研究明适应距离按照 3 s 行程取值。3隧道出口互通最小间距3.1交通标志在隧道内交通指路标志位于隧道内时，隧道出口与互通最小间距为：Sn=d+L1+L2+L3+L4+L5（11）其中洞口明适应距离 d 为 2 s 行程，由于 Sn行程较短，为简化计算，将隧道出口互通路段视为匀速运动，本文试验时车速为 80 km/h，计算时速度 V 取80 km/h。各个距离计算见表 3。计算得出交通标志在隧道内的互通与出口最小间距 Sn为 370 m。3.2交通标志在隧道外交通指路标志位于隧道外时，考虑驾驶员对交通标志的视认情况，驾驶员驶出隧道出口后最不利情况为左行车右出口和右行车左出口，其反应时间均值分别为 2.21 s 和 2.44 s，考虑室内模拟试验和实际情况的差异性，S2行程计算时 tf取值 3 s，B 取1