基于视觉需求的城市水下特长隧道光环境评价与优化综述

杜志刚; 梅家林; 倪玉丹; 陈逸飞; 汤振农

doi:10.19818/j.cnki.1671-1637.2020.06.004

基于视觉需求的城市水下特长隧道光环境评价与优化综述

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2020.06.004

1.
武汉理工大学交通学院, 湖北武汉 430063
2.
金华市公路管理局, 浙江金华 321000

基金项目:

国家自然科学基金项目 52072291

浙江省交通运输厅科技计划项目 2019021

详细信息

作者简介:
杜志刚(1977-), 男, 湖北武汉人, 武汉理工大学教授, 工学博士, 从事道路交通安全和交通规划研究

中图分类号: U491.5
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出版历程
- 收稿日期: 2020-06-19
- 刊出日期: 2020-06-25

Review on evaluation and optimization of light environment of extra-long urban underwater tunnel based on visual demands

1.
School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, Hubei, China
2.
Jinhua Highway Administration, Jinhua 321000, Zhejiang, China

Funds:

National Natural Science Foundation of China 52072291

Science and Technology Project of Zhejiang Provincial Department of Transportation 2019021

More Information

Author Bio:
DU Zhi-gang(1977-), male, professor, PhD, zhig_du7@163.com

摘要

摘要: 为提高城市水下特长隧道的行车安全和运输效率, 总结了城市水下特长隧道光环境典型问题与改善措施, 分别从舒适性、经济性、设置依据、安装形式等方面对洞口遮光设施、出入口加强照明、景观装饰、视线诱导系统4种隧道光环境改善措施进行了比较分析; 依据马斯洛需求层次理论对驾驶人视觉需求进行分层, 提出了包含事故分析、评价体系、优化思路、优化方法的城市水下特长隧道光环境评价体系与优化研究框架。分析结果表明: 城市水下特长隧道光环境主要有出入口的明暗适应、道路线形变化引起的视距不足、中部的视觉参照信息不足、隧道整体空间路权不清晰的问题; 设置视线诱导系统是一项低成本、有效的光环境优化方法, 能满足驾驶人在不同隧道路段上的视觉差异化需求; 驾驶人视觉需求由低到高可以分为功能性、安全性、舒适性、美观性, 并依次对应相应的基本型、安全型、舒适型、韵律型视觉参照系, 可构建以空间路权、人因与驾驶任务、差异化、韵律性为指标的评价体系来评价城市水下特长隧道光环境; 城市水下特长隧道光环境优化应将视线诱导和加强照明相结合, 主要通过视线诱导系统来重构视觉参照系, 隧道接近段、入口段、中间段普通区、出口段应以舒适型视觉参照系为优化目标, 中间段提醒区及唤醒区则应构建韵律型视觉参照系。
- 交通安全 /
- 城市水下特长隧道 /
- 光环境 /
- 视觉需求 /
- 视觉参照系 /
- 视线诱导
Abstract: To improve the traffic safety and transportation efficiency of extra-long urban underwater tunnels, the typical problems and improvement measures of light environment in extra-long urban underwater tunnels were summarized. From the aspects of comfort, economy, setting basis, and installation form, four kinds of improvement measures of light environment of tunnels were compared and analyzed, including shading facilities at the entrance, enhanced lighting at the entrance and exit, landscape decoration, and visual induction system. Drivers' visual demands were stratified according to the theory of Maslow's hierarchy of needs. The research framework of the light environment evaluation system and optimization of extra-long urban underwater tunnels was proposed, including the accident analysis, evaluation system, optimization idea, and optimization method. Analysis result shows that the light environment of extra-long urban underwater tunnels mainly has the issues of light and dark adaptation at the entrance and exit, insufficient sight distance caused by changes in the road alignment, the lack of visual reference information in the middle, and the unclear right of way in the overall space of the tunnel. The setting of a visual induction system is a low-cost and effective method to optimize the light environment, which can meet the drivers' visual differentiation needs in different tunnel sections. Drivers' visual demands can be divided into function, safety, comfort, and esthetics from low to high corresponding to the fundamental, safe, comfortable, and rhythmic visual reference systems. The evaluation system can be constructed to evaluate the light environment of extra-long urban underwater tunnels with the indexes of space right of way, human factors, driving tasks, differentiation, and rhythmicity. The light environment optimization of extra-long urban underwater tunnels should combine visual induction with enhanced lighting, while the visual induction system is mainly used to reconstruct the visual reference system. A comfortable visual reference system should be considered as the optimization target in the access zone, threshold zone, interior zone(general area), and exit zone of the tunnel, while the rhythmic visual reference system should be built in the interior reminding and awakening areas.
- traffic safety /
- extra-long urban underwater tunnel /
- light environment /
- visual demand /
- visual reference system /
- visual induction

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图 1 城市水下特长隧道典型光环境

Figure 1. Typical light environment of extra-long urban underwater tunnel

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图 2 城市水下特长隧道中部景观设计

Figure 2. Landscape designs of middle of extra-long urban underwater tunnel

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图 3 城市水下特长隧道视线诱导方案

Figure 3. Visual induction schemes of extra-long urban underwater tunnel

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图 4 城市水下特长隧道光环境优化与评价研究框架

Figure 4. Research framework for optimization and evaluation of light environment of extra-long urban underwater tunnel

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图 5 基于视觉需求的视觉参照系-评价指标分层

Figure 5. Visual reference system-evaluation index stratification based on visual demands

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图 6 城市水下特长隧道分段

Figure 6. Segmentation of extra-long urban underwater tunnel

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图 7 线形诱导、轮廓诱导与信息形状相关性

Figure 7. Correlation between linear induction, contour induction and information shape

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图 8 城市水下特长隧道视线诱导方案示例

Figure 8. Examples of visual induction scheme of extra-long urban underwater tunnel

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表 1 国外典型水下特长隧道

Table 1. Typical extra-long underwater tunnels abroad

隧道名称	隧道交通类型	国家	通车时间	隧道长度/km
青函隧道	铁路	日本	1988	54.00
英法海峡海底隧道	铁路	英国、法国	1994	50.50
关门公路隧道	公路	日本	1958	3.46
来尔多隧道	公路	挪威	2000	24.50

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表 2 中国典型城市水下特长隧道

Table 2. Typical extra-long underwater tunnels in China

隧道名称	城市	隧道长度/km
胶州湾海底隧道	青岛	7.80
翔安海底隧道	厦门	8.70
武汉东湖隧道	武汉	10.60
苏州独墅湖隧道	苏州	7.37
扬州瘦西湖隧道	扬州	4.40
武汉长江隧道	武汉	3.63
上海长江隧道	上海	8.96
南京长江隧道	南京	6.04
南京扬子江隧道	南京	7.37
杭州紫之隧道	杭州	14.40
武汉长江公铁隧道	武汉	4.65

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表 3 三种类型隧道光环境对比

Table 3. Comparison of light environments in three types of tunnels

隧道类型		山区特长隧道	普通城市隧道	城市水下特长隧道
相同点		隧道出入口都存在黑洞/白洞效应; 隧道中部光环境单调, 路缘、路面、侧壁缺少区分度
不同点	出入口	设置加强照明, 但低照度运营, 并且开灯率低	设置加强照明与遮光设施, 下穿引道较短, 纵坡较浅, 光环境影响较小	设置加强照明与遮光设施, 出入口引道较长, 纵坡深, 连续下坡, 出口连续上坡, 视距受限严重
不同点	中部	开灯率低, 照度较低, 光环境昏暗单调, 参照物少	照度较高, 照度均匀性好, 线形与环境缺乏变化, 侧壁强光弱色现象显著, 存在光污染	里程长, 照度高, 光环境单调, 易疲劳; 坡道和弯道多, 变坡点处视距与视区受限

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表 4 城市水下特长隧道光环境改善措施对比

Table 4. Comparison of light environment improvement methods of extra-long urban underwater tunnel

技术内容	洞口遮光设施	出入口加强照明	景观装饰	视线诱导系统
优点	缓和隧道内外照度和空间的剧烈变化, 节能	高亮度环境, 缓和隧道内外照度的剧烈变化, 舒适性高	舒适性高, 可适当缓解驾驶疲劳	发光柔和, 诱导性强, 减小分心及疏忽; 建安费及能耗低, 视线诱导系统全生命周期为10年
缺点	造价高, 设置不当时会造成频闪效应, 维护养护费用高	无效照明区域大, 建安费及能耗高, 灯具全生命周期为2~5年	吸睛效应显著, 易造成驾驶人分心; 造价高, 能耗高, 维护养护困难	缺乏理论依据
设置依据	通常作为景观设施, 无规范要求	照明: 基于停车视距内最小目标物(20 cm×20 cm×20 cm)视认, 最小亮度及亮度均匀性	通常作为景观设施, 无规范要求	交通事故形态(追尾、撞固定物)、事故原因(分心、超速及驾驶疲劳、车距过近)
具体技术	以钢结构为支架, 顶部铺装遮光板	隧道灯具照明为主, 强调背景亮度	灯光图案为主, 强调美观性	逆反射为主, 蓄能自发光、LED发光显示为辅, 强调轮廓光
安装形式	设置于隧道洞口, 长度及选型通常需考虑城市文化及美学设计	隧道洞顶高位安装、中等密度、长时设置	隧道中部局部设置, 多设置于隧道洞顶, 提高短时视觉刺激	路侧低位(侧壁、路缘)高密度设置, 提供道路局部、短时亮度
发展趋势	分析交通事故形态、成因、区域特性等事故统计资料, 在保证交通安全前提下, 考虑驾驶人在不同隧道路段上的视觉差异化需求

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表 5 视觉参照系分类

Table 5. Classification of visual reference systems

视觉参照系种类	满足的视觉需求	功能	主要设施及特征
基本型	功能性	按照规范设置及满足空间路权的要求设置, 主要达到道路附属设施的基本功能, 满足道路基本功能需求	道路上的普通标志、标线、诱导标、轮廓标等
安全型	功能性、安全性	从人因和驾驶行为分析的角度出发, 主要达到满足安全视距、视区和车距保持、车速控制以及方向感知, 同时将视错觉控制在合理范畴	减速标线、警告标线、标志、道路边线、分界线、突起路标等
舒适型	功能性、安全性、舒适性	满足驾驶人的舒适性要求, 并有效降低驾驶疲劳感	景观图案、视觉环境体现一定差异性, 不枯燥
韵律型	功能性、安全性、舒适性、美观性	满足驾驶人的韵律感、美感需求	连续渐变、重复、起伏、交错的韵律特征图案

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表 6 基于视觉需求的城市水下特长隧道光环境评价体系

Table 6. Light environment evaluation system of extra-long urban underwater tunnel based on visual demands

视觉参照系种类	评价指标	分类	评价标准
基本型	空间路权	横向路权	路侧/路中有足够的安全净区, 道路路权明确, 路面、路缘、侧壁有显著区分度
		竖向路权	洞顶及侧壁轮廓清晰, 轮廓带、竖向条纹、轮廓标竖向诱导性好
		纵向路权	前进方向的路权连续性、一致性、协调性好
安全型	驾驶人因	视距	前方的安全距离足够远, 可通过障碍物高度、尺寸、逆反射系数等简单判断
		视区	前方的动态视野角度足够大, 注视点重心主要集中在路面, 但适当关注隧道轮廓(较高位置)
		视错觉	对速度、车距、方向的感知偏差小
	驾驶任务	车速控制	各路段之间的车速变动、大车小车速度差控制在一定范围
		车距保持	各路段车头间距控制在一定范围
		车道保持	各路段车辆轨迹横向偏移小
舒适型	差异化	行程差异性	隧道各路段诱导信息变动(色彩、形状、尺寸及频率)体现差异性
韵律型	韵律性	具有韵律感	重点路段诱导信息呈现连续重复、渐变、交错、起伏韵律的特点, 体现良好心理效应

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表 7 城市水下特长隧道光环境优化思路

Table 7. Optimization ideas of light environment of extra-long urban underwater tunnel

视觉需求	问题来源	信息需求特性	改善对策
舒适性	隧道内信息缺少变化, 长时运行, 容易诱发疲劳	舒适型视觉信息能有效缓解疲劳	特长隧道不同区段采取差异化设置方案(如不同色彩、形状、尺寸的诱导信息)
美观性	特长隧道中部景观单调, 长时运行会使驾驶人产生压抑不适	韵律型视觉信息能提升美感	特长隧道中部设置韵律型信息(多色彩、多形状的诱导信息, 构建连续重复、渐变、起伏、交错韵律)

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表 8 城市水下特长隧道光环境优化方法

Table 8. Optimization method of light environment of extra-long urban underwater tunnel

隧道区段	接近段	出入口段	过渡段	中间段
隧道区段	接近段	出入口段	过渡段	普通区	提醒区	唤醒区
主要驾驶任务	降低车速, 明确隧道轮廓与车道方向	选择车道, 控制车速, 初步完成明暗适应	完成明暗适应、稳定车速	正确控制车速、保持车道行驶、合适处变道
视觉需求	降低隧道入口亮度, 引道与内部侧壁衔接过渡	减缓黑/白洞效应, 缓解视错觉	减缓隧道内外视觉环境差异, 缓解视错觉	缓解视错觉, 规范变道行为	适当环境改变和刺激, 改善驾驶疲劳	美观性要求, 更强刺激改善驾驶疲劳
优化目标	舒适型视觉参照系	舒适型视觉参照系	舒适型视觉参照系	舒适型视觉参照系	韵律型视觉参照系	韵律型视觉参照系
对策	设置长度大于3 s行程的遮光设施, 引道照明及侧壁诱导方案	设置根据照度环境改变照明参数的加强照明, 并设置控速诱导设施	设置照明过渡, 并设置控速诱导设施	基本照明, 设置控速诱导信息(多频信息组合)	基本照明, 设置韵律信息(多色彩、多形状组合)	基本照明, 设置强刺激诱导信息(LED光环)

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表 9 线形诱导与轮廓诱导分析

Table 9. Analysis of linear induction and contour induction

诱导类型	主要功能	典型设施	设置形式	典型路段
线形诱导	明确纵向、横向路权, 显示隧道线形, 优化视距、提高驾驶人感知能力	低位轮廓标、突起路标、路面标线、低位立面标记、低位/短线段线形诱导标	小尺度点状、短线段信息, 中、高频率设置	普通直线、弯道、坡道
轮廓诱导	明确竖向路权, 显示隧道轮廓, 警示驾驶人注意路侧环境	高位轮廓标、反光环、竖向条纹、LED环形灯带、高位立面标记、高位/长线段线形诱导标	大尺度长线段、环状信息, 低、中频率设置	出入口、急弯陡坡、交织区路段

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表 10 典型视线诱导设施作用

Table 10. Functions of typical visual induction devices

视线诱导设施	设置形式及间距	主要作用
视线诱导设施	设置形式及间距	空间路权(横向、竖向、纵向)	驾驶人因(视距、视区、视错觉)
腰带线	连续短线段设置	线形诱导, 明确纵向路权	优化视区, 提升隧道整体方向感
低位黄黑立面标记、海草图案	短线段、高频设置(约10.0或12.5 m设置1处)	线形诱导为主(横向路权), 轮廓诱导为辅(竖向路权, 勾勒路缘障碍物外形)	提升路缘障碍物的可视性, 提升速度感
低位线形诱导标、鱼形图案	短线段、中频设置(约25 m设置1处)	线形诱导为主, 轮廓诱导为辅, 凸显隧道纵向线形和侧向轮廓	优化视区、提升方向感
低位轮廓标	点状、高频设置(10.0或12.5 m设置1处)	线形诱导为主, 也能体现隧道侧壁下缘轮廓	提升速度感
竖向条纹	长线段、中频设置(间距约50 m)	轮廓诱导为主, 明确隧道竖向路权	提升纵坡路段的距离感、方向感
环形LED灯带	低频设置(约3 km设置1处, 每处长度为150~200 m)	提高隧道轮廓辨识度, 可辅助驾驶人判断车距	优化视区, 刺激、唤醒驾驶人,
韵律性图案	中频设置(约1 km设置1处, 每处长度为150~200 m)	加强轮廓诱导	提升舒适感, 满足差异化需求

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