摘 要：为了提升公路长大隧道中紧急停车带处的交通安全，基于认知心理学原理等理论对隧道紧急停车带端墙进行了优化设计，然后进行驾驶模拟试验对无立面标记方案、大面积弧形立面标记方案、条形与箭头组合方案对比研究。试验结果表明：条形与箭头组合方案平均可视距离达(307.4±1.6) m,满足计算识别视距要求，平均视认反应时间最小，为1.176 s,且立面标记面积比大面积弧形立面标记方案小74.0%,工程建设及维护费用更低，该方案的改善效果最好。因此推荐在高速公路隧道紧急停车带端墙使用该方案。
关键词：隧道交通安全;隧道紧急停车带;端墙立面标记;可视距离;视认反应时间;
作者简介：黄婷，女，高级工程师;*杜志刚，男，博士，教授;
基金：国家自然科学基金资助项目(编号：51578433);贵州省交通运输厅科技项目(编号：2017-123-031);
1 前言截至2018年底，中国大陆等级运营公路上的隧道有17 738座，总长约17 236 km, 其中特长隧道1 058处，长隧道4 315处[1]。高速公路隧道也是事故高发地段，王晓燕(2017)[2]分析2012—2016年隧道事故数据指出高速公路隧道死亡人数占全部隧道事故死亡总数的59.4%,平均每年死亡约137人；钟鼎文(2017)[3]统计调查高速公路隧道事故得到特长隧道、长隧道平均事故占比数为64%,而发生在高速公路隧道中间地段的交通事故为2.68起/(km/年),为事故多发地段。而在不设置硬路肩或硬路肩宽度小于2.5 m的山岭特长隧道和长隧道，应设置紧急停车带(750 m/道),但是紧急停车带处横断面突变，端墙形成障碍物，是典型交通安全隐患[4]。研究表明：驾驶人在行驶过程中感知到的交通信息中，视觉信息占80%以上，且95%都是动态视觉信息[5,6]。而通常隧道内空间狭窄封闭、光环境单调昏暗，隧道紧急停车带端墙与周边环境区分度小，难以辨识，极易诱发不良驾驶行为，并导致交通事故。例如2012年在瑞士南部瓦莱州境内9号高速公路隧道内发生了一起大巴车与隧道中部紧急停车带端墙相撞的重大交通事故，共造成28人死亡；2019年在中国广西桂三高速公路宛田合作村隧道内，一辆大型普通客车撞上了紧急停车带端墙，造成了4人死亡。
董凯(2018)[7]指出：隧道内道路标识不足、视线诱导设施设置不当等因素是导致交通事故的主要原因之一。因此改善高速公路隧道紧急停车带处的视觉环境，对于提升隧道安全具有重要意义。为了改善公路隧道中部的行车安全，杜志刚(2018)[8]等提出在隧道中部构建视线诱导系统来增强隧道交通安全。立面标记作为视线诱导设施的一种，可起到警示驾驶人注意近旁有高出路面或车行道内的构造物，防止车辆碰撞构造物；傅磊(2018)[9]指出在隧道入口洞门端墙面涂反光立面标记可加强对驾驶人的警示效果及安全引导；王少平(2013)[10]结合行车轨迹和行车速度分析了在隧道紧急停车带路段处的驾驶行为变化特征，并给出相关改善措施。
总体而言，中国高速公路隧道光环境与一般道路有显著差异，隧道中部光环境单调昏暗，而紧急停车带等特殊路段更易导致交通事故，所以在公路隧道，尤其是在隧道特殊路段设置一些诱导设施能够提升隧道诱导性和安全性。黄婷(2019)[11]研究指出在隧道洞口添加视线诱导系统能够显著提高隧道洞口接近段的视认性；陈柳晓(2017)[12]提出一种设置在隧道入口的空间视错觉减速景观，它能够起到警示效果和减速效果，满足驾驶员的行车舒适性；郑展骥(2017)[13]指出在公路隧道内设置诱导系统能有效降低驾驶员的反应时间，增强隧道交通安全。但是目前针对隧道研究大多集中在隧道出入口和中间普通路段，隧道紧急停车带视线诱导设施对行车安全的影响缺乏定量评价指标，紧急停车带立面标记方案优化不足[14,15]。该文拟通过研究隧道紧急停车带端墙立面标记的布置方案和评价指标，以期为提升高速公路隧道中部交通安全提供新方法。
2 隧道紧急车带视认分析2.1 识别视距由于隧道中部光环境单调昏暗、参照信息少、难以辨识前方车辆及路侧障碍物等，导致驾驶人较大的视觉负荷与不良驾驶行为；同时隧道内紧急停车带区域隧道断面宽度发生剧烈过渡，且渐变段长度比一般路基紧急停车带渐变段长度要短，紧急停车带端墙往往会成为障碍物，驾驶人如果无法及时识别就会造成交通事故，所以提高紧急停车带的视距尤为重要。接近紧急停车带过程中，驾驶人需提前辨识端墙、判别车辆运动轨迹是否偏离行车道、前方道路状况，并在调整车速、停车、修正车道、变换车道等几种行为中做出决策。所以隧道紧急停车带端墙立面标记设计视距采用识别视距，来提供更多的视认反应时间，并提供额外的安全和操纵空间。
识别视距由认知距离和行动距离两部分组成。其中认知距离分为目视前方、发现危险、辨识风险、应变4个过程，行动距离又称为完成动作长度。考虑到最不良的条件下需要的视距最长，所以对驾驶人发现车辆出现故障或可能出现故障后，从左侧车道变道进入右侧紧急停车带，且不会对隧道内的交通造成影响或带来交通事故隐患的状况进行分析。其中将完成动作过程分为3个部分(图1):① 变道过程：采取动作后，车辆从左侧车道安全变换到右侧车道，距离为L1;② 减速过程：车辆到达右侧车道后减速，准备进入紧急停车带，距离为L2;③ 驶入过程：车辆驶入紧急停车带，距离为L3。
图1 识别视距
其中，识别视距可以参照JTG B01—2014《公路工程技术标准》规范，如表1所示。
表1 规范识别视距
|
设计速度/(km·h-1) |
停车视距/m |
识别视距/m | |
|
单纯 |
复杂 | ||
|
60 |
75 |
170 |
240 |
|
80 |
110 |
230 |
300 |
|
100 |
160 |
290 |
380 |
|
120 |
210 |
350 |
460 |
该文研究的对象为高速公路隧道，设计速度为80 km/h, 所以公路隧道紧急停车带端墙立面标记的规范识别视距，经查询为300 m, 但是规范只是保证了最低安全视距要求，为了进一步提升交通安全性，公路隧道紧急停车带端墙立面标记的设计识别视距可以根据公式具体求得。
认知距离长度La:
La=Vt (1)
式中：La为认知距离长度(m);V为设计速度(m/h);t为识别时间(s),一般采用2.5 s。
王少平[10]对左侧车辆要想进入紧急停车带这一过程进行分析，得知在限速80 km/h下，变道过程L1距离为67 m, 减速过程L2距离为141 m。其中紧急停车道长度为40 m, 所以L3距离为40 m。
行动距离长度Lb:
Lb=L1 L2 L3 (2)
根据式(1)、(2)求得的认知距离的长度为56 m, 行动距离的长度为248 m。公路隧道紧急停车带端墙立面标记的具体设计识别视距为两者之和，为304 m。
2.2 评价指标由于驾驶人未能及时视认紧急停车带和判断出行车方向是导致交通事故的重要原因，所以该文以不同隧道紧急停车带端墙立面标记方案的实际可视距离是否满足识别视距要求，以及驾驶人是否能及时判断出行车方向为评价标准。该文视认距离的评价指标为：视认距离(m)=驾驶人判断出隧道紧急停车带时驾驶人与隧道紧急停车带的距离。
视认反应时间指标志刺激作用于驾驶人到明显的反应所需的时间。该文视认反应时间衡量标准为：视认反应时间(s)=驾驶人看到前方有异样时刻-判断出行车方向按下按钮的时刻(无论判断正确与否)。
通过3ds Max软件和e-prime平台进行模拟驾驶试验，实际可视距离数据通过试验人员人工记录，视认反应时间由e-prime获取。通过上述理论可知：试验中，在高速公路隧道中实际可视距离大于设计视距304 m时为最安全，大于规范要求300 m且小于304 m时较为安全，小于300 m时则不安全。而视认反应时间越小，即能及时判断出行车方向，说明此方案的改善效果也越好[13]。
3 端墙立面标记方案优化设计3.1 设计原理(1) 认知心理学理论认知心理学是指采用信息加工观点研究认知过程。在道路上，驾驶人认知交通信息时间越短就越安全。而标志的核心功能就是帮助驾驶者导识出道路信息，“导”字是指本身起到指导的作用；“识”在“指导”之下， 主体完成了“识别”的行为过程[16]。要保证交通安全，驾驶人需要时刻注意交通标志、前方道路方向、障碍物等重要交通元素以及及时认知和应对处理复杂情况。标识导向系统，通过标识符号、箭头、色彩等设计元素，能够有效地指引用户完成相应的目标搜索任务[17]。刘景升(2018)[18]通过试验表明不同类型安全标志视觉关注自上而下为提示、禁止、警告、指示；隽志才(2005)[19]采用特征说理论解释了标志的独特性有利于驾驶人的识别。图形导识设计中采用具有方向性的线条或图形进行视觉诱导， 简洁明了传递方位信息[20]。
立面标记作为视线诱导设施的一种，设置在紧急停车带端墙上能够对驾驶人起到警示作用。通过对紧急停车带端墙立面标记进行图形设计，加强驾驶人紧急停车带的认知能力，除了能起到提醒驾驶人注意在车行道内或近旁有高出路面的构造物，以防止碰撞的作用外，还有增加方向诱导作用，增加安全性。所以该文从认知心理学理论角度出发，设计隧道紧急停车带端墙立面标记方案，进而提升警示性和诱导性。
(2) 视觉成像原理利用简易视觉成像原理(不考虑物体亮度、环境能见度等)[21],提升紧急停车带端墙立面标记的理论可见距离。如图2所示，目标物体视点高度为H,人眼可见物体最小角度为α,则人眼可视距离L为：
L=H/[2tan(α2)] (3)L=Η/[2tan(α2)] (3)
由式(3)可知：目标物体越高越宽，即视点越高越宽，人的理论可见距离越长。所以该文将通过改变紧急停车带端墙立面标记的高度和宽度，来改变隧道紧急停车带端墙立面标记的可见距离。
图2 视觉成像
3.2 方案设计该文研究对象为高速公路隧道，结构为分离式独立双洞隧道，限高5.0 m, 车道宽3.75 m, 左侧向宽0.5 m, 右侧向宽0.75 m, 检修道宽度0.75 m。紧急停车带宽度3.5 m, 有效长度40 m。根据调查得知，JTG D81-2017《公路交通安全设施设计规范》对隧道紧急停车带区域缺少针对性规定，更没有研究紧急停车带诱导设施方案，所以大部分紧急停车带端墙采用方案1[图3(a)],端墙无立面标记，作为对照组。但是中国已有部分隧道对紧急停车带端墙采用端墙大面积弧形立面标记进行改善(方案2),如图3(b)所示，但是同时增加了工程成本与养护难度，也会对驾驶人产生眩光作用。
图3 改善前方案(单位：cm)
针对隧道紧急停车带的改善设计主要包括两部分：可视距离和诱导性功能。首先是可视距离的改善设计：根据简易视觉成像原理，视点越高越宽，可视距离H越长，所以采用30 cm宽条状弧形黄黑立面标记。其次是增强诱导性：根据认知心理学理论，增加立面标记的方向性信息，所以进行图形设计，外侧用宽30 cm、长100 cm的条形与箭头组合立面标记样式，指向行车方向(方案3)。具体如图4所示。
不同方案的初步评价具体见表2。由于紧急停车带端墙立面标记的视认性还受汽车车灯照度、立面标记逆反射率等因素的影响，为了更好地证明隧道紧急停车带端墙立面标记方案的优越性，不同方案的视认性是否满足识别视距要求和对驾驶人判别行车方向的诱导性，还需试验进一步验证。
图4 方案3:条形与箭头组合立面标记方案(单位：cm)
表2 不同方案初步对比
|
方案 |
立面标记特色 |
最大高度/cm |
最大宽度/cm |
立面标记面积/m2 |
方向诱导信息强度 |
|
1 |
无立面标记，弱反光 |
无 | |||
|
2 |
大面积弧形块，超强级反光膜 |
730 |
100 |
15.29 |
弱 |
|
3 |
小面积条形 箭头，超强级反光膜 |
730 |
100 |
3.97 |
强 |
为比选出不同方案的优劣性，试验采取3ds Max构建高速公路隧道模型进行模拟驾驶试验，其中试验设备为武汉理工大学智能交通系统研究中心自主研发的驾驶综合模拟器，由DHN激光投影机、图形工作站、中控系统(CS8100M)组成。该设备具有良好的操纵真实感和沉浸感，用于驾驶员的驾驶行为特性研究。
选用灯具进行安装配置，模拟隧道照明在100%标准照度下，驾驶人驾驶小车通过隧道，车速为(80±2.5) km/h, 并在e-prime平台上播放视频。其中100%标准照度根据JTJ 026.1—1999《公路隧道通风照明设计规范》设置：间距为10 m双侧对称布设80 W的高压钠灯。每个方案都会构建车辆运动轨迹正常和运动轨迹偏离车道中间两个视频。
向社会招募有驾驶经验且矫正后视力5.0以上的被试者30人，其中分为20～30、30～40和40～50岁3个年龄段，每个年龄段各10人。
被试者的每个试验场景由3种方案组成，方案顺序随机，其中一个方案的运动轨迹偏离车道中间，并保证每个方案的运动轨迹偏离车道中间的次数相同。被试者在每个场景分别需重复3次试验，30名被试者共计90次试验。
试验流程为：① 在大屏幕上投影仿真视频，大屏幕与被试者的距离设置为6 m; ② 向被试者讲解试验流程，并让被试者熟悉试验环境；③ 被试者在提示下进行模拟驾驶试验；④ 播放视频，起点为隧道洞门，被试者判断出紧急停车带时按下仪器上对应按钮，记下距离，随后继续，驾驶人判断出行车方向并按下按钮，随后直到仿真视频结束；⑤ 暂停2 min让被试者休息；⑥ 随后从步骤④开始下一个仿真视频，直至重复3次结束，换下一位被试者；⑦ 用e-prime软件导出试验数据进行整理，计算时间间隔为有效视认反应时间；⑧ 对试验结果取平均值，得到各组的有效视认距离和视认反应时间。
4.2 试验结果分析4.2.1 视认距离分析不同方案不同年龄的视认距离分析结果见表3。
由表3可知：
(1) 比较同一方案下不同年龄的视认距离，视认距离随着年龄的增加而减小，不同年龄段间平均下降幅度达2.95%。因为随着驾驶人年龄增大，人眼黄斑化、透光率减弱等因素导致视认距离的降低。
(2) 比较各个方案的视认距离平均值，方案1的公路隧道紧急停车带视认距离为(101.5±1.5) m, 远小于规范识别视距300 m, 是不安全的。而方案2和方案3的紧急停车带视认距离分别为(329±1.5)、(307±1.6) m, 能够满足规范的识别视距300 m要求，同时能够满足更安全的设计识别视距304 m要求。对比方案1和方案2的数据可知：方案2能大幅度提升被试者对紧急停车带的视认距离，达225.1%。对比方案1和方案3可知，方案3能够提升被试者对紧急停车带的视认距离，但不如方案2效果明显，达203.4%。比较两组视认距离提升率，年龄越大改善幅度越大，方案2、3的40～50岁年龄段视认距离提升程度分别高达240.6%和217.9%。表明方案2和方案3都能显著提升驾驶人对紧急停车带的视认距离，且效果为：方案2>方案3>方案1。
利用SPSS软件对视认距离数据进行单因素方差分析，所得结果如表4所示。
表3 不同方案不同年龄的视认距离分析
|
年龄/岁 |
视认距离/m |
方案2较方案1提升/% |
方案3较方案1提升/% | ||
|
方案1 |
方案2 |
方案3 | |||
|
20～30 |
107.8±1.2 |
335.4±1.6 |
311.5±1.8 |
211.0 |
188.9 |
|
30～40 |
101.3±1.4 |
327.8±1.2 |
307.3±1.3 |
223.6 |
203.4 |
|
40～50 |
95.4±1.8 |
324.9±1.8 |
303.2±1.6 |
240.6 |
217.9 |
|
平均值 |
101.5±1.5 |
329.4±1.5 |
307.4±1.6 |
225.1 |
203.4 |
表4 视认距离单因素方差分析结果
|
项目 |
平方和 |
自由度 |
均方 |
F值 |
显著性 |
|
组间 |
948 020.705 |
2 |
474 010.35239.593 |
11 972.167 |
0.001 0 |
|
组内 |
3 444.564 |
87 | |||
|
总数 |
951 465.269 |
89 |
由表4可知：以0.05为显著性水平，不同公路隧道紧急停车带端墙立面标记方案对驾驶人视认距离的影响显著。
4.2.2 视认反应时间分析不同方案不同年龄的视认反应时间分析见表5。
由表5可知：
表5 不同方案不同年龄的视认反应时间分析
|
年龄/岁 |
视认反应时间/s |
方案2较方案1降低/% |
方案3较方案1降低/% | ||
|
方案1 |
方案2 |
方案3 | |||
|
20～30 |
2.070±1.031 |
1.449±0.823 |
1.096±0.523 |
29.98 |
47.04 |
|
30～40 |
2.317±1.134 |
1.561±0.721 |
1.174±0.563 |
32.61 |
49.33 |
|
40～50 |
2.686±1.241 |
1.767±0.642 |
1.259±0.506 |
34.21 |
53.14 |
|
平均值 |
2.357±1.353 |
1.592±0.729 |
1.176±0.531 |
32.27 |
49.84 |
(1) 比较同一方案下不同年龄贺驶人员，视认反应时间随着年龄的增加而增大，不同年龄段间平均增加幅度达10.52%。因为随着驾驶人年龄增大，操作能力、注意力下降等因素导致视认反应时间增大。
(2) 比较各个方案的视认反应时间平均值，对比方案1和方案2的数据可知：方案2能大幅度降低被试者对紧急停车带的视认反应时间，达32.27%。对比方案1和方案3可知，方案3能够降低被试者对紧急停车带的视认反应时间，效果比方案2明显，达49.84%。比较两组视认反应时间降低率，年龄越大改善幅度越大，方案2、3的40～50岁年龄段视认反应时间提升程度分别高达34.21%和53.14%。表明方案2和方案3都能显著降低驾驶人对紧急停车带的视认反应时间，且效果为：方案3>方案2>方案1。
利用SPSS软件对反应时间数据进行单因素方差分析，结果如表6所示。
表6 视认反应时间单因素方差分析结果
|
项目 |
平方和 |
自由度 |
均方 |
F值 |
显著性 |
|
组间 |
21.538 |
2 |
10.7690.123 |
87.729 |
0.001 6 |
|
组内 |
10.680 |
87 | |||
|
总数 |
32.218 |
89 |
由表6可知：以0.05为显著性水平，不同公路隧道紧急停车带端墙立面标记方案对驾驶人反应时间的影响显著。
5 结论通过室内仿真试验对不同紧急停车带端墙立面标记方案进行试验验证，得到如下主要结论：
(1) 公路隧道紧急停车带端墙不设置立面标记的可视距离为(101.5±1.5) m, 远小于规范要求识别距离300 m, 不够安全。
(2) 紧急停车带的视认距离和视认反应时间与年龄有关系，视认距离随年龄增长而下降，不同年龄段间平均下降幅度达2.95%,视认反应时间随年龄增长而增大，不同年龄段间平均增加幅度达10.52%。
(3) 大面积弧形立面标记方案平均视认距离为(329.4±1.5) m, 满足规范识别视距300 m的要求，也满足更安全设计识别视距304 m要求且提升率最大，为225.1%,能保障交通安全。小面积条形 箭头方案平均视认距离为(307.4±1.6) m, 也满足更安全设计识别视距304 m的要求，也能保障交通安全。但是条形与箭头组合立面标记方案平均视认反应时间最小，为1.176 s, 说明诱导性最强。小面积条形 箭头方案面积比大面积弧形块方案少74.0%,工程投资少，易于养护，不容易产生眩光，更具经济性。
(4) 综合比较经济性、视认距离和视认反应时间，该文建议在实际工程中隧道紧急停车带端墙立面标记方案实施的优先等级为：条形 箭头组合方案>大面积弧形方案。今后研究中还需要进一步对立面标记对运行车速大于80 km/h的车辆视认性、驾驶行为的影响开展研究。
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