邊艷妮，劉曉娜，汪文妹

（陜西高速電子工程有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

目前，隧道數(shù)量及總里程數(shù)都有了明顯的增加。為了降低隧道內(nèi)交通事故發(fā)生率以及穩(wěn)定交通流，隧道內(nèi)安裝了具有警示效果的多功能車道控制器，與傳統(tǒng)的車道指示器相比，多功能車道控制器增加了紅藍(lán)爆閃燈，在正常通行狀況下僅開啟紅/綠指示燈，確保駕駛員能夠及時獲取有效的隧道道路情況信息，按照指示行駛，避免交通事故發(fā)生。在隧道內(nèi)發(fā)生異常事件時，開啟紅藍(lán)爆閃燈，警示駕駛員減速慢行或停車等待。而如果交通警示燈的不合理布設(shè)，則容易引發(fā)交通事故。當(dāng)車道控制器亮度不足時，不能引起駕駛員注意，無法起到警示效果。相反，當(dāng)車道控制器亮度很高時，則容易引發(fā)嚴(yán)重的眩光，導(dǎo)致駕駛員視覺能力下降，影響行車安全。因此，如何設(shè)置合理的多功能車道控制器的亮度和布設(shè)間距，對交通安全，特別是隧道行車有著至關(guān)重要的作用。

眩光是一種視覺條件，它是由于亮度分布不適當(dāng)或亮度變化的幅度太大等原因形成的，會引起觀察者不舒適或降低觀察重要物體的能力，許多學(xué)者對眩光影響及防眩技術(shù)進(jìn)行了研究與探索。采用Light Tools 光學(xué)分析軟件對隧道模型及背景光線進(jìn)行了仿真建模，依據(jù)相對閾值增量TI 和眩光恢復(fù)時間T 定量分析了多功能車道控制器對人眼的眩光影響，確定了多功能車道控制器的最優(yōu)布設(shè)間距和紅藍(lán)爆閃燈的閃爍頻率。

1 眩光評判標(biāo)準(zhǔn)

1.1 眩光相對閾值增量TI

等效光幕是指由于入射到人眼中的光線發(fā)生散射而形成的光幕，其會降低目標(biāo)與背景的對比度，等效光幕亮度如式（1）所示：

我們將眩光條件下剛好看見物體時需要增加的對比與有效對比的比值稱為眩光相對閾值增量TI。當(dāng)TI>15°時，眩光源不會引起眩光或不會使人眼感到不舒適。當(dāng)TI>15°時，眩光源會對人眼產(chǎn)生刺激。在公路隧道照明條件下，當(dāng)背景亮度范圍在0.05 cd/m＜L＜5 cd/m范圍時，相對閾值增量TI 的計算方法如式（2）所示：

式中：為路面平均亮度（cd/m）。

1.2 眩光恢復(fù)時間T

1994年Krebs 等人提出了一個較為經(jīng)典的眩光恢復(fù)時間計算方法，如式（3）所示：

式中：E為眩光源照度值（lx）；E為背景光源照度值（lx）；由于、、h為常數(shù)，使得實(shí)驗(yàn)誤差較大，為了解決這個問題并考慮其中的影響因素，得到了參數(shù)修正公式，如式（4）和（5）所示：

式中：g為眩光波長影響的函數(shù)。

聯(lián)立式（3）（4）（5）可得參數(shù)修正后的眩光恢復(fù)時間，如式（6）所示：

1.3 多功能車道控制器的評價標(biāo)準(zhǔn)

對于多功能車道控制器，可以將其作為眩光源，當(dāng)隧道內(nèi)正常通行時，其只起到指示行車的作用，不應(yīng)使駕駛員受到過多刺激，影響正常行駛。此時，相對閾值增量TI 應(yīng)控制在15%以內(nèi)，或在人眼自然的駕駛視野范圍內(nèi)，可以有效規(guī)避。

當(dāng)隧道內(nèi)出現(xiàn)異常事件時，多功能車道控制器應(yīng)能夠?qū)︸{駛員在視覺上造成一定的刺激，引起注意，迫使其減速慢行或停車等待。此時，在駕駛員自然視野范圍內(nèi)，相對閾值增量應(yīng)大于15%，同時，駕駛員能夠在自然視野范圍內(nèi)有效規(guī)避眩光影響，或者眩光源間斷引起眩光，且眩光恢復(fù)時間較短，駕駛員有足夠的時間觀察路面狀況。只有這樣，多功能車道控制器才能在引起駕駛員警示的同時，不會對駕駛員致眩。

由式（1）與式（2）可以看出，人眼視線和眩光源入射光線間的夾角與眩光相對閾值增量TI 以及等效光幕亮度L有關(guān)，聯(lián)立后如式（7）所示：

本文提出視覺信息接收的三區(qū)段劃分方法，如圖1所示。

圖1 視覺信息接收的三區(qū)段劃分示意圖

即：對于多功能車道控制器，當(dāng)車輛正常行駛時，只開啟車道指示器，當(dāng)TI=15%，＜=35+時，駕駛員能夠自然的規(guī)避眩光源，不會影響駕駛員的正常行駛。

當(dāng)隧道內(nèi)出現(xiàn)異常事件時，需要警示駕駛員時，則開啟紅藍(lán)爆閃燈，當(dāng)TI=15%，＞=12+時，指示燈將對駕駛員在其自然視野范圍內(nèi)形成不舒適眩光，引起駕駛員警示。當(dāng)＞=35+時，駕駛員不能在自然視線范圍內(nèi)有效規(guī)避眩光源，眩光源將不可避免的對駕駛員造成影響。為了避免眩光源對駕駛員的視線產(chǎn)生持續(xù)性的刺激而影響行車安全，此時紅藍(lán)爆閃燈的閃爍周期應(yīng)大于眩光恢復(fù)時間。

2 光學(xué)建模及仿真分析

2.1 光學(xué)建模

為獲得有效的多功能車道控制器布置參數(shù)，采用照明光學(xué)分析軟件Light Tools 7.1 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。按照隧道設(shè)計圖紙，建立一個兩車道、寬10 m、拱頂高7 米的隧道模型，如圖2所示，模型中隧道長度為500 m。對隧道內(nèi)表面、行車道等表面的反光率、光吸收率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定（根據(jù)調(diào)研結(jié)果，設(shè)置隧道內(nèi)壁的反射率為0.35，行車道路面的反射率為0.4）。根據(jù)紅綠指示燈以及紅藍(lán)爆閃燈的實(shí)際配光情況，在軟件中對發(fā)光強(qiáng)度分布進(jìn)行模擬。

圖2 隧道模型示意圖

按照等間距布置原則，以50 m 為間距在隧道模型中布置了車道控制器（50 ～500 m）以及與人眼視線垂直的接收平面。接收平面如圖3所示尺寸設(shè)為10 m×2 m（長×高），用于獲取不同距離處的車道控制器產(chǎn)生的亮度及照度信息。為了計算等效光幕亮度，對接收面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過采集多外點(diǎn)的照度值求平均得到照度的平均值，從而代入等效光幕計算公式進(jìn)行等效光幕計算。

圖3 接收平面網(wǎng)格劃分

2.2 仿真結(jié)果分析

通過以上的仿真結(jié)果分析，得到了多功能車道控制器在不同距離位置，對人眼的相對閾值增量達(dá)到15% 時與人眼視線的夾角和眩光恢復(fù)時間，計算結(jié)果如表1 和表2所示。

表1 車道指標(biāo)燈計算結(jié)果

表2 開啟爆閃燈時計算結(jié)果

依此得到致眩角隨駕駛員與車道控制器距離變化圖如圖4所示。

圖4 致眩角隨駕駛員與車道控制器距離變化圖

由圖可以看出，當(dāng)?shù)缆氛Ｍㄐ袝r，只開啟車道指示燈，在50 m ～500 m 距離范圍內(nèi)，＜，因此，駕駛員可以有效規(guī)避車道控制器產(chǎn)生的眩光影響，該車道控制器可以起到指示交通而不影響駕駛員行車的作用。

當(dāng)隧道內(nèi)出現(xiàn)異常事件時，開啟紅藍(lán)爆閃燈時，由圖可以看出，與在250 m ～300 m 之間相交，在280 m左右達(dá)到一個臨界值，即車道控制器距離大于280 m 時，＜，即使開啟爆閃燈，指示器也無法在人眼自然視野范圍內(nèi)引起刺激性眩光，無法使駕駛員自然的感受到警示。當(dāng)車道控制器距離在50 m ～280 m 時，＞，此時，開啟爆閃燈，指示器可以在人眼的自然視野范圍內(nèi)引起刺激性眩光，引起駕駛員警示。所以，當(dāng)車道控制器的安裝距離在280 m 以內(nèi)時可以達(dá)到連續(xù)警示作用。當(dāng)駕駛員行車至距離指示器50 m 以內(nèi)時，＞，指示器引起的眩光已不能在自然視野范圍內(nèi)規(guī)避，造成駕駛員連續(xù)致眩。為了避免連續(xù)眩光引發(fā)新的交通事故，駕駛員在感受到警示的同時不應(yīng)持續(xù)致眩，即紅藍(lán)爆閃燈的閃爍周期應(yīng)大于眩光恢復(fù)時間。由式（6）可計算出在50 m 時，眩光恢復(fù)時間為0.072 0 s，則紅藍(lán)爆閃燈的閃爍頻率應(yīng)小于等于13 次/秒。

3 工程應(yīng)用

香爐石隧道位于我國陜西省境內(nèi)某高速，全長3 000 m左右，單向雙車道布局，如圖5所示，多功能車道控制器安裝在車道的正中間，距地高度5.2 m，距人眼高度4 m 左右，相鄰兩個指示器布設(shè)間距為280 m，紅藍(lán)爆閃燈的閃爍頻率為13 次/秒。

圖5 實(shí)物應(yīng)用及參數(shù)

采用現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與調(diào)查問卷相結(jié)合的方式對駕駛員的主觀警示感受及行車速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集（最終收集到508 份有效的調(diào)查問卷），以此評價多功能車道控制器對駕駛?cè)税踩熊嚨挠绊懶Ч?。其中，超過50%的駕駛員反映其警覺性有所提高、會主動控制車速，30%以上會主動保持車距，紅藍(lán)爆閃燈開啟的情況下車速降低約7%，可使交通事故率降低20%左右。以上數(shù)據(jù)表明，在本文所確定參數(shù)（布設(shè)間距280 m、閃爍頻率小于等于13 次/秒）的指導(dǎo)下，多功能車道控制器在隧道中的應(yīng)用取得了較好的效果，對公路隧道行車安全具有重要意義。

4 結(jié)論

本文采用Light Tools 光學(xué)分析軟件，建立了隧道模型并在其表面設(shè)定反射率等參數(shù)，對多功能車道控制器的紅綠指示燈及紅藍(lán)爆閃燈進(jìn)行了配光建模，采用相對閾值增量TI和眩光恢復(fù)時間對不同距離處車道控制器對人眼的眩光影響進(jìn)行了定量分析，從而確定了車道控制器的最優(yōu)布設(shè)間距和紅藍(lán)爆閃燈的閃爍頻率，主要結(jié)論為：

（1）相鄰兩個車道控制器的布設(shè)間距在50 m ～280 m范圍內(nèi)時，多功能車道控制器既能在車輛正常通行時發(fā)揮指揮交通的作用，又能在發(fā)生事故或緊急情況下有效警示駕駛員。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，確定了相鄰兩個車道控制器的最優(yōu)布設(shè)間距為280 m。

（2）紅藍(lán)爆閃燈的閃爍頻率小于等于13 次/秒時，可避免紅藍(lán)爆閃燈對人眼產(chǎn)生持續(xù)致眩，既能起到警示作用，又不會對行車安全產(chǎn)生影響。

（3）在本文所確定參數(shù)的指導(dǎo)下，多功能車道控制器取得了較好的應(yīng)用效果，可使交通事故率降低20%左右。