隧道探测的滤波方法，基于动态视认性的隧道V型反光环夹角设置研究

隧道探测的滤波方法，基于动态视认性的隧道V型反光环夹角设置研究图1 反光环视认过程 下载原图反光环通过勾勒出隧道轮廓，为驾驶员提供清晰明确的空间路权信息，改善其在动态行车环境下的方向感和位置感，有效引导其在隧道环境下保持安全车距、速度及行车轨迹。动态视觉条件下，驾驶员对反光环视认过程如图1、图2所示。针对隧道路段不良行车环境，常见的改善措施主要有遮光棚洞口减光、灯具加强照明、布设视线诱导设施等。其中，遮光棚仅能对隧道出/入口照度进行改善，无法对隧道内部行车环境进行优化，且一般适用于处于规划建设阶段的隧道工程，无法满足已经处于运营期的隧道环境改善需求。利用灯具加强照明的方式，可以有效提高隧道内部环境的照度和亮度，但其需要投入大量运营养护费用，造成大量的能源消耗，统计资料表明，现阶段我国公路隧道接近2万座，全国公路隧道每年耗电量高达382亿度，约估费用高达343亿元，相当于燃烧掉1 547万t标准煤，增加大气温室气体排放624万t[1]。而基于视线诱导技

陈保祥 郭灯 郑号染 雷凯 婷黄 婷杜志刚中交一公局集团有限公司 武汉理工大学交通与物流工程学院 贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司

摘 要：为在保障隧道空间路权的前提下，提高V型反光环在动态驾驶环境下的视认性，在对行车条件下驾驶员对反光环视认过程进行分析的基础上，结合现行规范中有关不同等级公路隧道建设参数及限速标准的规定，对V型反光环合理夹角设置标准进行研究。发现：V型反光环夹角设置大于32°时，其视线诱导功能无法有效发挥，为对驾驶员进行合理诱导，其夹角设置应控制在25°～32°范围内；为了反光环制作、施工单位及交通部门统一管理，隧道V型夹角可设置为25°或30° 建议优先设置为25°。本研究在保障隧道空间路权并且降低后期运营养护成本的同时，提高了V型反光环对驾驶员的有效诱导作用，为V型反光环设置应用提供了理论支撑，促进隧道交通安全与节能的协调统一。

关键词：交通工程;交通标志标线;V型反光环;反光环夹角;动态视认性分析;

基金：交通运输行业重点科技项目，项目编号2018-MS4-099;

根据交通运输行业发展统计公报，2019年我国公路隧道19 067处、1 896.66万m 增加1 329处、173.05万m 是世界上隧道数量最多、建设规模最大、发展速度最快的国家[1]。隧道的修建在改善道路技术状态、缩短运行距离、提高运输能力等方面起到重要的作用，但由于隧道半封闭的管状结构，使得隧道内部运行环境与普通路段存在明显差异。相较于景观多样、视觉参照系丰富的普通路段而言，隧道路段行车环境昏暗单调，驾驶员在隧道行车时对速度、位置、方向、距离和空间路权的感知能力大幅度减弱，导致隧道路段事故多发，往往成为事故黑点，严重影响道路整体运营效率及安全水平。

针对隧道路段不良行车环境，常见的改善措施主要有遮光棚洞口减光、灯具加强照明、布设视线诱导设施等。其中，遮光棚仅能对隧道出/入口照度进行改善，无法对隧道内部行车环境进行优化，且一般适用于处于规划建设阶段的隧道工程，无法满足已经处于运营期的隧道环境改善需求。利用灯具加强照明的方式，可以有效提高隧道内部环境的照度和亮度，但其需要投入大量运营养护费用，造成大量的能源消耗，统计资料表明，现阶段我国公路隧道接近2万座，全国公路隧道每年耗电量高达382亿度，约估费用高达343亿元，相当于燃烧掉1 547万t标准煤，增加大气温室气体排放624万t[1]。而基于视线诱导技术对隧道行车环境进行优化，能够在节能环保的基础上有效改善驾驶员视错觉，符合全生命周期最小原则，近年来得到了业内人士的普遍认可，但在实际工程应用中多依据项目经验进行设置，缺乏统一的设置依据和相关标准。

反光环能够在不产生电能消耗的基础上，为驾驶员提供清晰明确的空间路权信息，并且提高驾驶员对方向、速度、距离、位置等信息的感知能力，是一种具有良好应用前景的新型视线诱导设施，近几年广泛应用于湖北、贵州、浙江、云南、河北等地，其视线诱导效果广受好评。为了使得反光环在应用过程中有据可依，相关学者对其设置标准进行了一系列探索。段萌萌等[3]利用仿真试验分析了不同行车速度下隧道反光环间距对驾驶员心理状态的影响，并根据驾驶员心理状态与行车安全的关系，提出了不同速度下隧道反光环间距设置情况推荐值。樊兆董等[4]采用物元评估模型，从驾驶员的角度量化了隧道内不同反光环设置间距的应用效果，发现反光环设置间距为200 m时驾驶员心理紧张感较低，安全性较好。尚婷等[5]研究了不同行车速度下，反光环色彩对驾驶员瞳孔面积变化率的影响，结果表明：黄色隧道反光环对驾驶员瞳孔面积变化影响最大；行车速度与驾驶员瞳孔面积呈正相关，隧道反光环色彩值与之呈负相关。杨理波等[6]通过对高速公路隧道小半径圆曲线路段反光环有效性研究，发现采用3个反光环的方案能够使驾驶员在更短的时间内对隧道小半径圆曲线路段的线形做出更为准确的判断。

对现有研究进行整理可知，目前关于反光环设置标准的研究主要集中于其色彩、间距等宏观方面，而微观方面与反光环本身结构相关的研究仍处于空白阶段。V型构造反光环类三角形的结构形式，使得其在发挥视线诱导效果的同时具有良好的结构稳定性(风力与自重作用) 并且侧面斜体结构使得其自身清洁能力优良，大幅度减少了隧道运营阶段反光环清洗养护频率。在实际工程应用中，相较于其他结构形式，V型反光环自身结构优势明显突出，已逐步发展成为最具应用前景的隧道反光环结构形式，但其夹角大小仍仅依靠工程经验进行设置，缺乏相关理论支持。本文从隧道行车环境下动态驾驶视认性的角度出发，对不同限速条件下隧道V型反光环最优夹角设置标准进行研究，在一定程度上对隧道反光环应用相关理论进行补充，使得V型隧道反光环在应用过程中有据可依、有规可循。

1 隧道反光环动态驾驶视认性分析

反光环通过勾勒出隧道轮廓，为驾驶员提供清晰明确的空间路权信息，改善其在动态行车环境下的方向感和位置感，有效引导其在隧道环境下保持安全车距、速度及行车轨迹。动态视觉条件下，驾驶员对反光环视认过程如图1、图2所示。

图1 反光环视认过程 下载原图

图2 V型反光环与驾驶员警觉距离 下载原图

图1中：R为动态远视点，此处为反光环开始进入驾驶员视野的位置；F为感知点，驾驶员开始感知到反光环的存在；C为辨识点，驾驶员能够较为清晰地视认反光环构件；N为注意点，视觉信息经神经中枢系统处理，反光环的存在引起驾驶员的注意；V为警觉点，车辆行至此处时反光环的刺激开始诱导驾驶员干预自身驾驶行为(此处驾驶员与反光环之间的距离为警觉距离v);H点为模糊点，随着车辆不断前进，反光环在驾驶员视野范围内逐渐模糊(此处驾驶员与反光环之间的距离为模糊距离h);D点为消失点，车辆行至此处反光环消失在驾驶员视野范围内。图1中c为车辆行驶状态下，驾驶人视线侧向角。

当车辆行驶至警觉点位置处，反光环给予驾驶员的视觉刺激开始作用于驾驶员调控其自身驾驶行为。而在模糊点处，反光环在驾驶员视野范围内无法构成清晰影像，此时反光环所提供的视觉刺激强度无法引起驾驶员的足够注意，反光环的存在无法对驾驶员进行有效的视线诱导。故定义警觉点V与模糊点H之间的距离为反光环有效诱导距离g 即有g=v-h。

图2中，v表示反光环警觉距离；e表示行车过程中驾驶员垂直视线角；y为驾驶员视点高度(小型汽车驾驶员视点高一般取值1.2 m);u为V型反光环夹角；x为反光环高度(反光环单侧基体宽度一般为20 cm 能够在保障不侵占隧道空间限界的条件下达到良好的可视效果，结合夹角u 可得x取值为20×cos(u/2)cm);m为驾驶员水平视点至反光环下边缘之间的距离；L为隧道洞顶高度。本研究意义即在于寻求u的合理取值，以在保障隧道空间路权的条件下最大限度地发挥V型反光环的视线诱导作用。

本研究针对不同等级公路隧道(两车道)V型反光环夹角设置进行研究，根据《公路隧道设计规范》(JTG D70-2018)有关建筑限界的规定，L取值如表1所示。

表1 不同等级公路隧道条件下L取值 导出到EXCEL

公路等级	以下限速(km/h)时L取值/m
	20	30	40	60	80	100	120
高速、一级	—	—	—	7.02	7.27	7.29	7.24
二级	—	—	—	6.88	6.99	—	—
三级	—	6.32	6.53	—	—	—	—
四级	6.42	—	—	—	—	—	—

2 V型反光环视认性分析2.1反光环有效诱导距离

受眼部生理机能的限制，在行车过程中，当交通信息趋近驾驶员视角阈值时，该信息所提供的视觉刺激强度不足以对驾驶人产生有效影响。已有研究表明[7]:动态视觉下，e≥8°时，驾驶员对竖向物体的视认能力逐步下降，超出 10°～20°范围时逐渐消失在驾驶员视野范围内；c≥15°时，驾驶员对侧向物体的认知能力迅速降低。故取垂直角e为8° 侧向角c为15°时h中的较大值所对应的位置作为反光环视认模糊点H。

即h=max((L-y)/tan(e) w/tan(c)) (1)

式中：h为模糊距离，m; L为隧道洞顶高度，m 取值见表1;y为驾驶员视点高度，m(小型汽车驾驶员视点高一般取值1.2 m);e为动态视觉条件下，模糊点H处驾驶员垂直方向视角；c为动态视觉条件下，模糊点H处驾驶员视线侧向角。

根据《公路隧道设计规范》(JTG 3370.1-2018)中有关道路横断面设计标准的规定，式(1)中的w值(内侧车道中心线至侧壁的距离)取值如表2。

表2 现行规范中不同等级公路隧道条件下w取值 导出到EXCEL

公路等级	以下限速(km/h)时w取值/m
	20	30	40	60	80	100	120
高速、一级	—	—	—	7.07	7.73	7.73	8.26
二级	—	—	—	7.05	7.72	—	—
三级	—	6.28	6.75	—	—	—	—
四级	5.90	—	—	—	—	—	—

已有研究表明[7] 驾驶员警觉距离v随着车速的不同而有所变化，不同车速下驾驶员警觉距离值如表3所示。

表3 不同车速下驾驶员警觉距离取值 导出到EXCEL

车速/(km/h)	20	30	40	60	80	100	120
警觉距离v/m	66.67	100.00	133.33	200.00	266.67	333.33	400.00

由前述驾驶员视认行为分析已知：

g=v-h (2)

式中：g为有效诱导距离，m; v为警觉距离，m; h为模糊距离，m。

综合式(1)、式(2)及表1～表3可得，不同道路等级下反光环有效诱导距离g取值如表4所示。

表4 不同道路等级下反光环有效诱导距离g取值 导出到EXCEL

公路等级	以下限速(km/h)时g取值/m
	20	30	40	60	80	100	120
高速、一级	—	—	—	158.58	223.47	289.98	357.01
二级	—	—	—	159.57	225.46	—	—
三级	—	63.56	95.39	—	—	—	—
四级	29.52	—	—	—	—	—	—

2.2反光环夹角设置视认性

如图2所示，V型反光环夹角为u 高度为x 则行车过程中反光环在视平面上的投影高度为x×cos(e−u2)x×cos(e-u2);而在不设置夹角的情况下，反光环在视平面上的投影高度为x×cos(e)。隧道环境下，驾驶员对反光环的动态视认过程中，当：

x×cos(e)<x×cos(e−u2)         (3)x×cos(e)<x×cos(e-u2)         (3)

则有当e>u/4时，V型反光环设置夹角为u可使得其在不侵占隧道空间路权的前提下，动态视认性得以增强，原因如下[8 9]。

(1)V型反光环在视平面上投影高度得以增加，视觉诱导信息视角增大，动态视认性随之提高。

(2)降低心理旋转效应对驾驶员的影响，缩短其对反光环的动态视认时间。心理旋转表征人脑对物体进行的二维或三维成像过程，该过程的一个显著特点为其旋转速度相对恒定，即完成该过程所需时间随旋转角度的增大而增大。设置夹角后，驾驶员对反光环的心理旋转时间得以缩短，视认时间也随之缩短。

3V型反光环合理夹角的确定

由式(3)可知，动态驾驶环境下，随着车辆不断前进，驾驶人视线与反光环之间垂直视角e逐渐增大，直至e=u/4 车辆行进至临界视角位置，此时反光环是否设置夹角对其视认性能不产生影响，此时有：

kl=(L−y)/tan(u4)         (4)kl=(L-y)/tan(u4)         (4)

式中：kl为临界距离，m 即临界视角位置处，驾驶员与V型反光环沿行车方向间距。

其余符号含义均与前述式中一致。

在临界视角状态下，车辆继续行进过程中V型反光环设置夹角u将使得其视认性得以提高，从而有效发挥其视线诱导功能。当临界距离不小于其模糊距离，即kl≥h时，设置夹角u可增加V型反光环在驾驶员视野范围内投影面积，从而在驾驶员主观视认角度上增大反光环有效诱导距离，在不另外占用隧道空间限界的前提下增强其视线诱导功能。

根据V型反光环实际应用效果，当夹角u设置在25°～35°左右时，其在自清洁及抵抗自重等方面呈现出优良性能。为了最大程度缩小隧道运营期反光环清洗频率，降低后期养护成本，从而增大其推广应用价值，本研究设定u取值范围为25°～35°。此外，考虑到在限速为60 km/h及80 km/h的情况下，不同等级公路隧道行车环境下驾驶员对V型反光环的模糊视认距离及建筑限界差别不大，为方便施工企业及交通部门统一管理，在限速为60 km/h及80 km/h时，本研究以一级公路隧道反光环模糊视认距离及临界距离作为高速、一级及二级公路隧道反光环模糊视认距离及临界距离标准值。

由式(1)及式(4)可得不同限速条件下，不同夹角对应的临界观察距离kl及模糊距离h(图中虚线所对应曲线)之间关系如图3所示。

图3 V型反光环临界距离与夹角关系 下载原图

由图3可知，当反光环夹角设置为32°时，动态视觉环境下驾驶员对V型反光环的临界观察距离刚好满足不小于其模糊视认距离的要求，且当V型反光环夹角小于32°时，其临界观察距离随着夹角减小而增大，而模糊距离相对恒定，则其有效诱导距离逐步增大。由此可得：

(1)针对不同等级公路隧道而言，其V型反光环夹角设置超过32°将严重影响其视线诱导功能的发挥；

(2)考虑隧道运营期反光环自清洁效果及抵抗自重性能，反光环夹角设置不宜小于25°;

(3)对于不同等级公路隧道，其V型反光环夹角越接近25° 其临界观察距离与模糊距离差值越大，有效诱导距离越长，能够更好地满足高速行车状态下驾驶员对反光环的视认需求。

综上所述，考虑到动态视觉条件下隧道V型反光环视线诱导功能的有效发挥，其夹角设置区间应控制在25°～32°范围内，且为了反光环制作、施工单位及交通部门统一管理，建议隧道V型夹角可设置为25°或30° 建议优先设置为25°。

4 结语

作为隧道视线诱导系统的重要组成部分，反光环能够在节能环保的基础上对隧道行车环境进行有效优化，其对隧道路段行车安全水平的改善效果已得到了业内人士及道路使用者的广泛认可，但是作为一种新型交通安全设施，其结构形式及设置参数尚未有明确标准，在实际应用中往往依据工程经验进行设置，缺乏足够的理论支撑。V型反光环在结构稳定性及自清洁能力等方面呈现出优良性能，是具有良好发展前景的反光环结构形式。

本文以驾驶员动态视认性特征为基础，对V型反光环有效诱导距离进行分析，并结合不同等级公路隧道限速水平及隧道建筑参数，对V型反光环合理夹角进行分析，得出其夹角设置应控制在25°～32°范围内。为了反光环制作、施工单位及交通部门统一管理，建议隧道V型夹角可设置为25°或30° 建议优先设置为25° 为V型反光环设置应用提供了理论支撑，促进隧道交通安全与节能的协调统一。

参考文献

[1] 中华人民共和国交通运输部.2019年交通运输行业发展统计公报[R].2020.

[2] 杜志刚，孟爽，郑展骥，等.基于视觉参照系重构的高速公路长隧道照明设置新方法[J].公路，2017 62(2):230-237.

[3] 段萌萌，陶盼盼.隧道反光环设置间距对驾驶员视觉的影响研究[J].武汉理工大学学报，2016 38(2):50-56.

[4] 樊兆董，赵晓华，李美玲，等.基于驾驶模拟技术的隧道反光环设置间距综合效果分析[J].科学技术与工程，2019 19(34):394-400.

[5] 尚婷，张勃，朱汉容.按驾驶员瞳孔变化的隧道导行反光环色彩设置研究[J].科学技术与工程，2016 16(22):276-281.

[6] 杨理波，杜志刚，马兆有，等.高速公路隧道小半径圆曲线路段反光环有效性研究[J].中国安全科学学报，2018 (8).

[7] 赵静.对城市道路交通标志标线设置的探讨[J].工程建设与设计，2017 (11).

[8] 陶盼盼.基于驾驶员视觉特性的隧道反光环设置研究[D].重庆交通大学，2016.

[9] 杨艳群，陈梅凤，郑新夷，等.基于扎根理论的驾驶员情境意识影响因素研究[J].道路交通与安全，2020 20(2):12-18.

[10] 汤振农，周土瑶，王磊，等.低等级公路隧道V形反光环合理夹角设置研究[J].交通科技，2020 (4).