高速公路隧道光环境设置理论及评价方法研究

来源 :北京工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jianming_zhang
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随着我国社会经济的快速发展,高速公路隧道建设呈逐年发展趋势。隧道在提高车速、保护环境、缩短行车距离等方面发挥了积极作用,同时也暴露出由于交通事故而引发的安全问题,近5年来隧道交通事故起数和隧道交通事故造成的直接财产损失均呈现上升趋势。对现役隧道交通事故致因分析得出,主要是隧道照明光环境质量与驾驶员视觉需求不匹配,致使驾驶员难以辨清或视认前方道路交通环境条件和信息,造成的安全隐患。目前国内外对隧道照明设置及安全评价仅采用亮度指标,隧道照明设计及安全评价指标较为单一,公路隧道人造光环境的设置理论及安全评价方法尚处于驾驶员对隧道光环境的亮度水平需求及障碍物的静态视认需求理论研究阶段。对于公路隧道运行中的照明环境存在的安全问题及国内外研究的不足,本论文从驾驶员的驾驶视觉需求机理出发,对高速公路隧道影响区域照明光环境设置理论和安全评价方法进行了研究。  人眼的视觉感受过程是复杂的,驾驶员动态视觉受其眼睛生理机能阈限和照明环境限制。本论文首先对隧道影响区域进行了系统分析研究,得出驾驶员在隧道影响区域行车过程中通过精密复杂的光学系统眼睛对隧道影响区域路面上障碍物、车辆、环境诱导景物进行感觉、认知、判断决策和反应行动等过程来完成驾驶视觉认知和驾驶活动。通过对隧道影响区域不同特征区段驾驶员视觉需求的光生理效应、光心理效应以及对隧道不同特征段光环境存在视觉需求特性进行分析研究,系统性地理解和研究驾驶员在隧道影响区域驾驶视认需求及行为机理。研究提炼出隧道影响区域驾驶视觉需求机理及构成模型,得出隧道影响区域驾驶员驾驶需求的多因素、多指标综合评价理论体系。  通过对隧道照明环境视觉机理需求研究得出,隧道照明光环境的质量是由照明光源特性、路面特性及隧道运行环境共同营造实现。通过静态实验设计和12名驾驶员的视认实验,研究了由色温、显色指数和亮度水平等三个光源特性指标不同组合的照明光环境下驾驶员对小目标物体视认效率,得出了随着光源亮度水平和显色指数的提高,驾驶员对目标物视认的视觉功效提高,得到了隧道内的亮度、显指水平的高低对隧道光环境的质量有重要的影响,是隧道照明光环境质量的重要评价指标;得出了不同色温光源对驾驶员视觉功效有不同的影响。因此光环境质量评价指标应以色温、显色指数及亮度等构成的综合评价指标体系更为客观合理。  隧道外自然光色在不断变化,晴天早晨、傍晚自然光色偏红黄,色温低,亮度低;随着太阳投射角的增大,光色偏蓝白,色温和亮度水平逐渐升高,在正午时达到峰值;阴天及雨雪天气没有太阳直射,隧道外环境亮度较低,色温偏高,色温和亮度变化平稳。通过研究驾驶员在隧道外自然光源光色和亮度变化过程中,对隧道内人造光源特性的不同视觉需求,确定了隧道影响区域不同工况下,在隧道白天入口段、出口段采用光源色温、显色指数、亮度折减系数作为安全性评价指标;夜间隧道入口段、出口段以光源色温、显色指数、亮度差作为安全性评价指标;中间段以光源色温、显色指数、平均亮度及亮度均匀系数作为安全性评价指标。研究诠释了驾驶员在隧道影响区域光环境不同特征段安全、舒适和稳定驾驶的本源就是要提供给驾驶员与之视觉需求相匹配的隧道光环境。通过对驾驶员按正常驾驶状态以不同的限制速度行驶在隧道不同特征段时,对路面安全舒适视认特性的研究,确定了对比度较低的灰色目标物视认的标准及安全的视认需求距离。  基于上述隧道光环境各特征段安全评价指标及评价依据研究成果,通过动态实车试验方案设计和12名驾驶员在4处隧道不同时段进行共计318次动态视认试验及数据挖掘和处理,研究建立了隧道不同特征区域照明段光源特性水平所营造的隧道光环境条件下驾驶员以不同的运行速度行驶在隧道不同特征段时,驾驶员视认距离与隧道自然光源环境质量与人工照明各段光环境质量评价指标的相关关系,并应用Sigmoid函数模型对实验数据进行拟合,得出隧道影响区域不同工况条件下,不同光环境特征段光环境质量的安全评价模型;计算得出满足不同设计速度所对应的亮度折减系数、亮度差、平均亮度安全评价标准阈值。提出一套基于本论文研究成果完善我国现行的《公路项目安全性评价规范》(JTG/TB05-2015)中公路隧道影响区域照明段的安全评价方法。  研究方法和结论可为我国高速公路隧道影响区域的安全评价提供理论和技术支撑,完善了高速公路隧道影响区域的安全评价方法,研究方法也可为交通安全的相关研究提供参考。
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