杜志剛, 梅家林, 倪玉丹, 陳逸飛
(武漢理工大學交通學院, 湖北 武漢 430063)
隨著經濟水平的提高,我國城市交通量呈現爆發(fā)式增長,在被江河湖海隔斷的城市,傳統(tǒng)的橋梁、輪渡等已經無法滿足快速增長的交通運輸需求。城市水下道路隧道以其不受環(huán)境限制、無需大面積拆遷、運行迅速等特點,逐漸成為解決城市跨水域交通的重要途徑[1-2]。從19世紀70年代修建第1條水下隧道至今,我國已修建100多座水下隧道,即將投入建設的水下隧道也達100多座,且建設規(guī)模與建設里程日益增長[3-5]。城市水下道路隧道與山嶺公路隧道及普通城市隧道均為半封閉管狀通道,其行車環(huán)境存在一定的相同之處,但同時也因其特殊的線形特點而與其他隧道存在差異,如表1所示。因此,分析城市水下道路隧道駕駛安全問題,需要結合城市水下道路隧道行車環(huán)境特性進行分析。
城市水下道路隧道里程長、空間封閉,發(fā)生交通事故的概率低于開放式路段,但事故危險性及嚴重性遠遠高于隧道外部路段,且疏散困難,極易引發(fā)二次事故[4-5]。由于城市水下道路隧道承擔了大部分城市跨水域交通,分合流交織等使得車流運行較普通隧道更為復雜,導致隧道交通事故數不斷增長,如膠州灣海底隧道年事故量為2 000~3 000起,每日交通事故最多超過30次,超速違章事故突出。城市水下特長隧道交通需求突出,交通安全問題嚴重,但目前尚無相關研究對現有問題及優(yōu)化方法進行歸納總結,駕駛安全優(yōu)化方法也較為傳統(tǒng)。為了解決上述問題,本文通過總結城市水下道路隧道存在的主要問題,對現有改善措施進行整理與評價,提出城市水下道路隧道安全改善方向;從駕駛人視覺需求與交通事故預防角度出發(fā),提出城市水下道路隧道駕駛安全改善方法,以期為城市水下道路隧道駕駛安全改善提供新思路。
文獻[6-10]對城市水下道路隧道與山嶺公路隧道及普通城市隧道交通事故分布規(guī)律進行了研究,并總結出事故特征,如表2所示。
表2 城市水下道路隧道與山嶺公路隧道及普通城市隧道交通事故分布規(guī)律對比
城市水下隧道道路條件、交通組成、光環(huán)境等與山嶺公路隧道存在較大差異,因此,其事故分布規(guī)律也存在一定差別。事故時間分布方面,城市水下道路隧道工作日事故頻率明顯高于周末,且主要集中在上下班高峰,即7:00~10:00和17:00~19:00[11-12],與山嶺公路隧道交通事故高發(fā)時間完全不一致,這也與城市水下隧道所處的地理位置、功能定位密切相關。事故空間分布方面,LU等[12]調查分析了上海越江隧道交通事故的時空分布特性,指出隧道事故主要發(fā)生在隧道進出口區(qū)域,其中接近段與駛離段事故率最高。事故形態(tài)方面,城市水下隧道交通事故與山嶺公路隧道一樣,以追尾碰撞和撞擊側壁事故為主,以輕微事故居多,且火災事故占比相對較高,達14%[12-14],如膠州灣海底隧道交通事故形態(tài)主要以追尾碰撞和撞擊側壁為主,主要原因是超速和車距保持不當。事故車型方面,城市水下隧道與山嶺公路隧道存在較大差異,Eirik等[15]對挪威17條海底隧道的交通事故進行了分析,研究指出即使交通量很小,水下隧道陡坡路段的事故率也明顯高于其他路段,其中,事故車型以小轎車為主,占62.26%。
交通安全影響因素主要分為人、車、路、環(huán)境4大要素。由于車輛性能如制動性、操作性等受客觀因素的影響,對駕駛安全提升方法的提出參考意義有限,因此主要從駕駛人因素、隧道光環(huán)境以及道路因素3方面進行分析。
1.2.1 駕駛人因素
研究表明,超過90%的交通事故均與駕駛人有關,因此駕駛人自身的生理、心理特性與隧道交通安全密切相關。Jiang等[16]發(fā)現駕駛人的性別、年齡、駕駛經驗等均會對水下隧道行車安全產生影響。童瑤[17]通過駕駛模擬器對上海越江隧道事故影響因素進行分析,指出"駕駛人因素"與"環(huán)境因素"對隧道安全影響最大。卓艷沖等[18]通過實車試驗研究了隧道內部駕駛人的視覺特性對駕駛行為及安全的影響。
1.2.2 隧道光環(huán)境
城市水下道路隧道相較于一般的城市隧道,其里程更長,環(huán)境單調性對駕駛人的影響顯著,駕駛疲勞效應明顯。王婷[19]的研究發(fā)現,與普通城市隧道相比,城市水下道路隧道內部環(huán)境單一,會對隧道內交通安全產生影響。王雪松等[20]指出,隧道進出口明暗適應問題以及中部速度錯覺現象是導致隧道事故的重要因素。YEUNG等[21]的研究發(fā)現,隧道內視覺環(huán)境不佳導致駕駛人產生焦躁情緒,從而容易忽視或者錯失安全行車所需的參照信息。
1.2.3 道路因素
道路因素主要指隧道的線形設計、路面結構及路面條件等。城市水下道路隧道需要穿越江河湖海等水域,因此縱坡路段較多。國內外的研究表明,水下隧道縱坡路段對駕駛人產生的視覺刺激更加復雜,下坡路段坡長與心率增長率成正比,且隧道變坡點的數量越多、坡度越長,交通事故率越高[22-24]。焦方通等[25-26]的研究指出,隧道線形對駕駛人的心理及行車安全具有影響,彎道曲率越大,掃視角離均系數及通視距離越小,表明駕駛人越緊張,視覺及心理壓力越大;而直線路段駕駛負擔小,更有益于行車安全。王雪松等[27]研究了車道寬度變化對車輛運行的影響,結果表明隧道車道寬度變化對于車輛運行速度及橫向偏移影響較小。路面的強度穩(wěn)定性、平整度和抗滑性也是影響隧道通行安全的重要原因,但城市水下道路隧道相對于山嶺公路隧道而言,路面條件較好,除隧道洞口路面受天氣影響外,隧道內部路面狀況對于隧道交通安全的影響較小。
總體而言,城市水下道路隧道與山嶺公路隧道以及普通城市隧道安全影響因素的主要差異在于道路線形的變化和由此造成的視覺環(huán)境,以及駕駛疲勞現象,如表3所示。
表3 城市水下道路隧道與山嶺公路隧道及普通城市隧道安全影響因素分析
駕駛人的駕駛行為可以概括為"刺激-感知-決策-反應"的過程。城市水下道路隧道照度環(huán)境良好,但整體光環(huán)境單調,缺乏有效的視覺刺激,屬于典型的弱視覺參照系。長時間處于低信息攝入路段,會導致駕駛人駕駛績效低下,適應環(huán)境后駕駛疲勞效應開始累積,進而導致駕駛人駕駛疲勞、分心、超速等不良駕駛行為,從而引發(fā)隧道交通事故。交通事故形成機制如圖1所示。因此,城市水下道路隧道交通安全提升方法應改善隧道光環(huán)境誘導信息缺乏、有效刺激低下的問題,避免因隧道環(huán)境誘發(fā)駕駛人錯誤的駕駛行為而引發(fā)交通事故。
圖1 交通事故形成機制
1.3.1 洞口減光措施
由于燈具照明存在能耗高、養(yǎng)護維護不便等問題,隧道建設者們開始探索更加經濟有效、安全便捷的光環(huán)境改善措施。Onaygil等[28]提出在隧道洞口采用減光設施來改善隧道內外環(huán)境的劇烈變化。ZHANG等[29]、敖敏霞[30]、李滿航等[31]的研究均指出在城市水下道路隧道洞口設置遮光棚可達到理想的減光效果。Hamzah等[32]分析了遮光棚形式對隧道內外減光效果的影響,發(fā)現光柵式遮光棚可以使隧道照明節(jié)能效率最高。Gil-Martin等[33]提出在光柵式遮光棚空隙間鋪裝漫反射材料可以解決遮光棚光通量分布不均勻的問題,從而提高隧道洞口的視覺適應性。劉明秀等[34]發(fā)現在駕駛人進入遮光棚時亮度會發(fā)生一次突變,而在隧道洞口處由于遮光棚的存在,亮度又會發(fā)生一次小幅度的突變。
1.3.2 洞內光環(huán)境品質提升方法
1.3.2.1 隧道燈具照明
燈具照明是城市水下道路隧道最普遍且必須的一種光環(huán)境改善手段,用于提升隧道行車環(huán)境亮度、安全性與舒適性。最初城市水下道路隧道燈具照明主要集中在LED光源的選擇以及智能調控方面[35-37]。隨著水下隧道建設數量與里程的逐漸增加,對內部行車環(huán)境的美觀性要求也越來越高,越來越多的學者與隧道管理者開始嘗試將隧道照明與景觀設計相結合。Patten等[38]通過仿真試驗研究了隧道頂部設置燈光圖案對駕駛人行車安全的影響,發(fā)現在特長隧道中適當的景觀設計可以給予駕駛人適當的視覺刺激,有助于行車安全[38]。Brookhuis等[39]提出合理的燈光和隧道側壁圖案設計可降低城市隧道內部交通事故的發(fā)生概率。例如: 武漢東湖隧道在局部隧道頂部添加梅花主題的裝飾燈,通過不同的主題色將隧道分割成多個短隧道;博鰲隧道通過設置LED光帶構建波浪圖案,美化隧道行車環(huán)境;蘇州獨墅湖隧道在頂部設置綠色"泡泡"燈光,改善行車環(huán)境單調性。城市水下道路隧道照明景觀設計如圖2所示。
(a) 博鰲隧道
(b) 蘇州獨墅湖隧道
1.3.2.2 視線誘導技術
城市水下道路隧道里程較長,行車環(huán)境單一,為了緩解駕駛人在水下隧道內信息匱乏的問題,有學者開始嘗試利用視線誘導技術豐富水下隧道內行車環(huán)境,強化隧道內信息參照作用。視線誘導系統(tǒng)主要包括輪廓標、誘導標、立面標記、標線等在內的交通工程設施,主要用于顯示隧道空間輪廓,提供速度、距離等參照信息,誘導駕駛人行車視線。在意大利和法國之間的勃朗峰隧道兩側設有藍色LED誘導燈, 設置間距為150 m, 當駕駛人在行車時能同時看到2盞藍色LED誘導燈,即可表示已保持規(guī)定距離[40]。我國部分公路隧道和城市隧道也采用隧道LED誘導燈顯示隧道線形輪廓,提供速度、距離等參照信息,如圖3(a)所示;部分城市隧道的路緣設置了黃黑相間的立面標記線,用來提高駕駛人對檢修道的辨識度,并且提升駕駛人對車速的判斷能力,如圖3(b)所示。
(a) 隧道LED誘導燈
(b) 隧道路緣黃黑立面標記線
Carmody[41]首次提出使用隧道壁向駕駛人傳達信息的可能性,并提出用于速度信息的垂直條紋和用于坡度信息的水平條紋設計方法。Kircher等[42]在駕駛模擬器中研究了隧道設計和照明對駕駛人的影響,發(fā)現與照明相比,淺色的墻壁更有助于駕駛人保持對前方道路的視覺關注。Qin等[43]的研究發(fā)現增加隧道側壁環(huán)境信息可以提高隧道內部視覺環(huán)境以及駕駛舒適性與安全性。孫建明等[44]提出一種在城市水下特長隧道中部提供多頻率、多尺度韻律信息的光環(huán)境優(yōu)化方法,以改善駕駛人在隧道中部信息感知能力降低的問題。杜志剛等[45]指出在城市水下道路隧道入口引道設置視線誘導可以提高駕駛人的速度感、距離感,降低反應時間,實現低成本與安全性的協同發(fā)展。倪玉丹等[46]的研究表明,隧道視線誘導方案可提升駕駛人在城市水下隧道中部的速度判斷準確率,緩解駕駛人長時間駕駛產生的疲勞感。蔣旭[47]利用信息頻率對駕駛人車速感知的影響,以武漢長江隧道為例,提出城市水下道路隧道多頻誘導設計方法,并通過仿真試驗驗證了方法的有效性。例如: 杭州紫之隧道采用LED光環(huán)凸顯隧道輪廓,提示駕駛人在隧道匝道分合流需謹慎駕駛;玄武湖隧道中部按一定間隔設置側壁誘導圖案,幫助駕駛人保持安全跟車距離,并在隧道彎道路段設置主動發(fā)光線形誘導標志,顯示彎道線形特征,提升駕駛人彎道感知能力。城市水下道路隧道視線誘導方案如圖4所示。
(a) 紫之隧道LED光環(huán)
(b) 玄武湖隧道側壁誘導圖案
1.3.3 交通安全設施優(yōu)化
城市水下道路隧道所處區(qū)域的特殊性,要求其配套交通安全設施更加完備有效,周家嘴路隧道洞口、廈門翔安海底隧道洞口均設置縱向減速標線,幫助駕駛人合理降低車速,實現安全駕駛。部分隧道通過在洞口及特殊路段設置如彎道彩色瀝青路面,形成視覺刺激,誘導駕駛人降低車速,同時加強隧道洞口的路面摩擦度,起到防滑作用,降低雨雪天交通事故的發(fā)生概率。大部分城市水下道路隧道,如武漢長江公鐵隧道、杭州紫之隧道等均在隧道外部一定距離設置可變信息板提供隧道以及交通安全信息,并在隧道內部設置車道指示器、出口預告標志、指路標線等設施幫助駕駛人控制車輛行車方向,提高行車安全與通行效率。城市水下道路隧道交通安全設施優(yōu)化如圖5所示。
(a) 洞口減速標線
(b) 可變信息板
1.3.4 智能化交通管控設施
隨著科技的進步,智能化管控技術逐漸成為城市水下道路隧道駕駛安全提升方法的熱點。廖志鵬等[48]基于大數據搭建了城市隧道運營風險評估系統(tǒng),對隧道運行風險進行實時預警與控制。王清波[49]以武漢多條隧道為例,分析城市隧道監(jiān)控系統(tǒng)的通用架構,從而建立集隧道運營監(jiān)測、交通控制、災害預警報警等功能于一體的較為通用的城市隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)。戴友鋒等[50]研究了上海越江通道的交通流特征及其空間分布特點,提出城市水下道路隧道交通信息誘導系統(tǒng)的構想,其基本思想為通過子系統(tǒng)實時獲取隧道內交通數據,通過綜合處理平臺處理相關數據并將相關信息及時反饋給隧道內通行的車輛,以實現隧道交通的合理調控。
1.3.5 現有改善措施評價
現有安全改善措施主要通過加強照明與增設遮光棚來緩解隧道內外環(huán)境光照強度的巨大差異,設置標志標線等交通安全設施控制車輛行駛速度,內部通過將燈具照明與景觀設計相結合,強化隧道環(huán)境的美觀性,緩解駕駛環(huán)境單調和駕駛人駕駛疲勞,新興的隧道智能管控技術可以及時反饋隧道內部交通流信息及事故狀況,提升通行效率與安全性,然而,上述方法均無法解決隧道視覺參照信息匱乏的問題。視線誘導技術可以通過低成本的優(yōu)化方法,通過合理設置視覺誘導信息的頻率、尺寸、形式,為駕駛人提供安全駕駛所需的視覺參照,但也存在設置依據與評價標準不足等問題?,F有改善措施對比如表4所示。
表4 現有改善措施對比
綜上所述,提出城市水下道路隧道光環(huán)境改善方向: 對隧道的交通事故特性(事故形態(tài)和原因)和駕駛人視覺需求進行深入分析及評價,利用視線誘導技術與隧道照明相結合,為城市水下道路隧道駕駛安全優(yōu)化提供新思路。
城市水下道路隧道駕駛安全與駕駛人、車輛性能、道路條件以及行車環(huán)境密切相關,但從安全提升的角度,對于諸多已建城市水下道路隧道,對駕駛人及交通管理者而言,最重要以及最容易改善的因素應該是隧道行車環(huán)境。因此,需要以提升隧道視覺環(huán)境質量、改善視覺為優(yōu)化目標,通過對城市水下道路隧道駕駛人視覺需求進行分析,進而重構視覺參照系,提升城市水下道路隧道駕駛安全。城市水下道路隧道駕駛安全優(yōu)化思路如圖6所示。
圖6 城市水下道路隧道駕駛安全優(yōu)化思路
城市水下道路隧道交通事故形態(tài)集中,主要為追尾碰撞及撞擊側壁事故,主要事故致因是由不良的隧道光環(huán)境引發(fā)的不當駕駛行為。城市水下道路隧道與一般隧道一樣,存在出入口光環(huán)境驟變的問題,視覺參照環(huán)境差異大,駕駛人適應能力不足;而隧道內部"邊墻效應"明顯,環(huán)境單調且里程長,內部缺乏視覺參照信息,長時間駕駛易造成駕駛人感知能力減弱,因缺乏視覺刺激致使駕駛人疏忽、分心、反應遲緩等。隧道行車環(huán)境與交通事故之間存在明顯的相關性,分析隧道環(huán)境特征與駕駛人信息需求,對于水下隧道事故預防具有積極的作用。
當駕駛人在城市水下道路隧道內行駛時,其視覺需求主要為看清必要的駕駛環(huán)境并輔助其獲取線形走向、速度、距離等信息,從而實現安全駕駛。依據馬斯洛需求層次理論將城市水下道路隧道內駕駛人視覺需求分為功能性需求、安全性需求、舒適性需求,對應地提出3種視覺參照系。駕駛人視覺需求與視覺參照系分類見圖7。駕駛人視覺需求與視覺參照系相關性見表5。
圖7 駕駛人視覺需求與視覺參照系分類
表5 駕駛人視覺需求與視覺參照系相關性
城市水下道路隧道現狀環(huán)境為基本型視覺參照系,按規(guī)范設置道路標志、標線及相關交通工程設施,但城市水下道路隧道交通組成復雜,行車里程長,不僅需要為駕駛人提供基礎的道路交通信息,還需要為駕駛人打造安全舒適的行車環(huán)境。因此,提出城市水下道路隧道駕駛安全優(yōu)化思路: 以構建舒適型視覺參照系為目標,通過視線誘導技術與隧道照明相結合的方法,緩解隧道進出口段視覺參照系的劇烈過渡,增強隧道內部視覺參照,提升隧道行車舒適性與安全性。
首先進行主題色的選擇,研究表明不同的色彩會通過人們的視覺對色彩的感受而產生一系列生理、心理和類似物理的效應,形成豐富的聯想、深刻的寓意和象征[51]。色彩的心理效應如表6所示。其中紅色、黃色為警示色,往往含有警示、禁止等含義,藍色和綠色更沉靜,有助于輔助駕駛人保持冷靜。結合城市水下道路隧道所處的地理位置,選擇與水接近的藍色為主題色。
表6 色彩的心理效應
對隧道進行分段設計,根據JTG/T D70/2-02-2014《公路隧道照明細則》,可將城市水下道路隧道分為接近段、入口段、過渡段、中間段、出口段。同時,根據城市水下道路隧道里程長、易造成駕駛人駕駛疲勞的特點,將中間段進一步分為普通區(qū)和疲勞喚醒區(qū)。城市水下道路隧道不同區(qū)段駕駛人信息需求與改善對策如表7所示。
表7 城市水下道路隧道不同區(qū)段駕駛人信息需求與改善對策
1)接近段需要使駕駛人在坡道上合理控制車速與跟車距離,可通過遮光棚設施與引道照明與誘導方案,使駕駛人提前適應隧道環(huán)境,提升接近段駕駛人的速度感、距離感與坡度感,降低車輛控制難度。
2)出入口段主要滿足駕駛人方向感與距離感,可通過智能照明系統(tǒng)以及視線誘導設施,如立面標記、LED燈帶、突起路標等,緩和視距、視區(qū)過渡。
3)過渡段及中間段普通區(qū)主要滿足駕駛人的速度感、距離感,一方面,可利用多項交通工程設施構成多頻率、多尺度組合信息,緩解視錯覺,規(guī)范交通行為;另一方面,城市水下隧道路緣帶寬度較窄,隧道側壁效應更加明顯,通過LED燈帶及側壁豎向條紋信息強化隧道側壁輪廓,幫助駕駛人更好地感知隧道橫向寬度及道路限界,降低隧道側壁效應對駕駛人的影響,改善駕駛人的生理和心理負荷。
4)喚醒區(qū)滿足駕駛人韻律感需求,通過韻律型圖案階段性地給予駕駛人視覺刺激,緩解駕駛疲勞,提高駕駛人的舒適性,并提升隧道中部環(huán)境美感。城市水下道路隧道視線誘導方案示例如圖8所示。我國城市水下道路隧道長度均較長,并且多為特長隧道,若隧道長度大于3 000 m,在隧道中部可以設置疲勞喚醒區(qū);若隧道長度小于3 000 m,需考慮隧道線形、照明、誘導設施等因素,酌情考慮是否在隧道中部設置疲勞喚醒區(qū)。
目前針對隧道行車環(huán)境的評價,主要通過照度水平和亮度均勻度等指標,但是隧道行車環(huán)境不僅僅包括照度環(huán)境,還應考慮封閉單調條件對駕駛人的影響,需結合隧道使用者視覺特性和視覺需求提出一種新的評價方法。依據駕駛人視覺需求分類,提出隧道光環(huán)境視覺參照系評價指標,如表8所示?;拘鸵曈X參照系需要滿足道路交通基本規(guī)范及空間路權;安全型視覺參照系在此基礎上,需將視距、視區(qū)及視錯覺控制在合理范圍,調控駕駛任務;舒適型視覺參照系則還需保障駕駛人長時間駕駛不疲勞,保證行程上出現適當差異性和韻律感,應沿行車方向適當提供視覺刺激,即行程差異性。研究表明,韻律型圖案有助于改善駕駛人在長大隧道內部的駕駛疲勞現象[52],因此,本文選用行程差異性與韻律性圖案以檢驗隧道光環(huán)境設置的合理性。
表8 城市水下道路隧道駕駛安全優(yōu)化評價指標
1)城市水下道路隧道視覺環(huán)境容易導致不良的駕駛行為,從而引發(fā)交通事故,應從駕駛人視覺需求與交通事故預防角度來提升隧道的交通安全性。城市水下道路隧道進出口光環(huán)境差異大,隧道內部里程長、環(huán)境單調,駕駛疲勞及邊墻效應明顯,易造成超速、車距保持不當以及車道保持不當等不良駕駛行為,因此,隧道駕駛安全優(yōu)化應結合駕駛人視覺需求進行設置。
2)應將視覺誘導與隧道照明相結合,提升城市水下道路隧道的安全性、舒適性?,F有城市水下道路隧道交通安全改善措施應以隧道照明為主、景觀設計為輔,同時輔以遮光、標志、標線等設施,存在成本高、養(yǎng)護維護困難、視覺刺激過強等問題。視線誘導技術是一項較為經濟有效的改善措施,但缺乏設置理論與依據,有待進一步完善。隧道照明與視線誘導技術相結合,成為新的隧道駕駛安全提升方法研究趨勢。
3)根據駕駛人視覺需求分析,針對隧道不同路段差異化需求,提出隧道視覺參照系重構思路: 以構建城市水下特長隧道舒適型視覺參照系為目標,考慮隧道中部不同路段運行環(huán)境的特點及視覺需求,通過照明與誘導設施結合設置的方法,采用多頻率、多尺度、多色彩和多形狀的組合信息,豐富城市水下道路隧道內部視覺參照系,優(yōu)化視覺環(huán)境質量,減少視錯覺,緩解駕駛疲勞,為城市水下道路隧道駕駛安全優(yōu)化提供新的思路與方法。
4)提出城市水下道路隧道駕駛安全優(yōu)化方法評價指標。傳統(tǒng)城市隧道視覺環(huán)境評價方法多為燈具照明評價,未考慮視覺和駕駛心理方面的評價。本文對駕駛人視覺需求進行分析,選取空間路權、人因與駕駛任務、舒適性與韻律性5方面的指標對隧道駕駛安全優(yōu)化方法進行評價。
5)城市水下道路隧道照明技術已趨于成熟,但光環(huán)境的質量還有待進一步提高,尤其是視線誘導與照明設計相結合的駕駛安全優(yōu)化方法是未來重要的研究方向。同時,本文提出的光環(huán)境評價及優(yōu)化方法主要為理論框架,下一步將通過仿真試驗進一步完善優(yōu)化方法并驗證其對駕駛安全的提升程度。