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摘要: 為保證隧道內(nèi)駕駛員對指路標(biāo)志的安全視認(rèn)，分析隧道照明光環(huán)境、標(biāo)志特性對駕駛員視認(rèn)距離的影響，營造了隧道中間段5 種色溫、3 種亮度照明光環(huán)境，隨機(jī)選取了20 名小客車駕駛員進(jìn)行半透發(fā)光式與逆反射式指路標(biāo)志的視認(rèn)試驗(yàn)。結(jié)果表明: 隧道內(nèi)半透發(fā)光式指路標(biāo)志的視認(rèn)距離明顯優(yōu)于逆反射式指路標(biāo)志，且半透發(fā)光式指路標(biāo)志的最佳字體照度范圍為3000～3500lx；在最佳的背景光環(huán)境條件下，半透發(fā)光式指路標(biāo)志與字高53 cm，筆畫在5 畫以下、5～10畫及10畫以上的逆反射式指路標(biāo)志達(dá)到相同的視認(rèn)效果時，字高分別縮減了35.85%、30.19%和24.53%。半透發(fā)光式指路標(biāo)志的應(yīng)用可提高隧道內(nèi)指路標(biāo)志的視認(rèn)距離，并能減少交通事故的發(fā)生，可為以后隧道內(nèi)交通標(biāo)志的改進(jìn)與創(chuàng)新提供理論支撐。關(guān)鍵詞: 安全工程；隧道內(nèi)照明光環(huán)境；逆反射式指路標(biāo)志；半透發(fā)光式指路標(biāo)志；字體照度；視認(rèn)距離
引言
高速公路隧道出口與立交相距過近的路段，按照駕駛員的駕駛需求，立交出口指路標(biāo)志只能設(shè)置在隧道有限的空間內(nèi)，一般指路標(biāo)志內(nèi)容較多，如果指路標(biāo)志采用逆反射式，往往版面尺寸較大，難以滿足在隧道安全凈空內(nèi)設(shè)置的需求。因此在高速公路隧道與立交小間距路段存在取消指路預(yù)告標(biāo)志的現(xiàn)象，往往導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。近年來半透發(fā)光式標(biāo)志版面興起［1－3］，其視認(rèn)效果優(yōu)于逆反射式標(biāo)志［4－6］，為高速公路隧道與立交小間距路段指路標(biāo)志的設(shè)置提供了新方向。
交通標(biāo)志良好的視認(rèn)性是保證駕駛員行車安全、順暢的重要保證，國內(nèi)外學(xué)者在影響交通標(biāo)志視認(rèn)性因素的研究方面已做過較多研究。在標(biāo)志特性方面，2017 年，張國輝等［5］通過實(shí)車試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出高速公路上使用的LED 主動發(fā)光標(biāo)志的視認(rèn)效果明顯優(yōu)于逆反射標(biāo)志，且主動發(fā)光視認(rèn)距離比Ⅴ類反光膜逆反射指路標(biāo)志的視認(rèn)距離提升了63%，論證了主動發(fā)光指路標(biāo)志的優(yōu)越性。2018年，陸鍵等［6］首次針對傳統(tǒng)逆反射標(biāo)志、LED 點(diǎn)陣式發(fā)光標(biāo)志和LED 半透式發(fā)光標(biāo)志，考慮光照強(qiáng)度、閃爍頻率、發(fā)光形式等因素的影響，進(jìn)行了交通標(biāo)志視認(rèn)性能的駕駛試驗(yàn)研究，采用方差分析研究發(fā)現(xiàn)光照強(qiáng)度和發(fā)光形式對標(biāo)志的視認(rèn)距離有影響，且在光照條件較差的情況下，LED半透式發(fā)光標(biāo)志的視認(rèn)效果更好。2011 年，Wei 等［7］基于駕駛模擬試驗(yàn)進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了版面漢字高度、行駛速度和標(biāo)志視認(rèn)距離之間的關(guān)系。2017 年，Liou等［8］首次采用高可靠眩光評價方法研究LED 交通標(biāo)志版面的視認(rèn)性，發(fā)現(xiàn)交通標(biāo)志亮度對比度為6200：2066cd/m2時駕駛員對標(biāo)志版面的視認(rèn)性最好。在標(biāo)志視認(rèn)的背景光環(huán)境方面，黃小芳等［9］通過實(shí)地試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)駕駛員對標(biāo)志的視認(rèn)性與白天、夜間的環(huán)境條件有關(guān)，白天時駕駛員對LED 標(biāo)志和反光膜標(biāo)志的視認(rèn)性差異甚微，而夜間時差異顯著，LED 標(biāo)志的視認(rèn)性明顯優(yōu)于反光膜標(biāo)志的視認(rèn)性。2013 年，魏建國等［10］通過實(shí)車試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)車速、駕駛室環(huán)境照度、障礙物顏色等對駕駛?cè)艘归g視認(rèn)距離有顯著影響。2006 年，潘曉東等［11］以大量的現(xiàn)場行車試驗(yàn)為研究手段，首次探討了順光條件、逆光條件對交通標(biāo)志可視距離的影響，發(fā)現(xiàn)順光條件下標(biāo)志的視認(rèn)性最佳，其次為夜間反光標(biāo)志，逆光條件下的標(biāo)志視認(rèn)性較差。
上述對交通標(biāo)志視認(rèn)性的研究主要集中在普通路段，缺乏對隧道內(nèi)指路標(biāo)志視認(rèn)性的研究。本文基于隧道這種特殊環(huán)境，從駕駛員駕駛的行車環(huán)境條件、標(biāo)志版面特性來研究逆反射式指路標(biāo)志與半透發(fā)光式指路標(biāo)志的視認(rèn)效果及適用于隧道內(nèi)且滿足駕駛員視認(rèn)需求和隧道凈空要求的半透發(fā)光式指路標(biāo)志的字體照度和漢字高度，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的逆反射式指路標(biāo)志的缺陷，為高速公路隧道與立交小間距路段等需在隧道內(nèi)設(shè)置指路標(biāo)志的路段提供支撐。
01
指路標(biāo)志安全視認(rèn)影響因素的分析
GB5768.2—2009《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線第二部分道路交通標(biāo)志》［12］中對逆反射式標(biāo)志和主動發(fā)光標(biāo)志不同設(shè)計(jì)速度下的字體、字高、版面顏色、漢字間距等進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定， JTGT D70/2－01—2014《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》［13］中對不同設(shè)計(jì)速度下隧道中間段照明亮度進(jìn)行了規(guī)定，GB/T 31446—2015《LED 主動發(fā)光道路交通標(biāo)志》［14］中規(guī)定主動發(fā)光標(biāo)志的發(fā)光亮度應(yīng)與環(huán)境照度相適應(yīng)。駕駛員在隧道路段行駛時，人的視覺不僅要受到隧道照明自身特點(diǎn)的影響，還要受到因照明環(huán)境亮度產(chǎn)生的視覺效應(yīng)和非視覺的光生物效應(yīng)所帶來的影響。由于隧道環(huán)境的特殊性，駕駛員認(rèn)讀逆反射式標(biāo)志時，背景光及汽車前照燈照射到標(biāo)志表面反射的光進(jìn)入人眼，使駕駛員進(jìn)行有效視認(rèn)；駕駛員認(rèn)讀半透發(fā)光式標(biāo)志時，背景光、標(biāo)志版面發(fā)出的光源以及汽車前照燈照射到標(biāo)志表面反射的光耦合進(jìn)入人眼，使駕駛員進(jìn)行有效視認(rèn)。因此，指路標(biāo)志視認(rèn)性好壞受駕駛員視覺特性、標(biāo)志版面本身的特性、標(biāo)志所處光環(huán)境等因素的影響。
隧道凈空有限，根據(jù)GB 5768.2—2009《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線第二部分道路交通標(biāo)志》［12］中對標(biāo)志版面的規(guī)定計(jì)算，在滿足隧道正常行車需求的條件下，單向兩車道隧道不同設(shè)計(jì)速度下單行漢字指路標(biāo)志和雙行漢字指路標(biāo)志的版面尺寸和可容納漢字個數(shù)見表1。在此情況下，研究能否采用半透發(fā)光式指路標(biāo)志以及研究合理的標(biāo)志版面縮減技術(shù)(縮減字高等) ，既能滿足隧道凈空要求，又能滿足駕駛員安全視認(rèn)需求就顯得至關(guān)重要。
02
試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
為既能滿足隧道凈空內(nèi)設(shè)置指路標(biāo)志的需求，又能保障駕駛員對指路標(biāo)志的安全視認(rèn)，通過隧道中間段不同光環(huán)境( 色溫、亮度) 和標(biāo)志字體照度條件下的指路標(biāo)志靜態(tài)視認(rèn)試驗(yàn)，研究半透發(fā)光式指路標(biāo)志字體照度與視認(rèn)距離的關(guān)系，不同光環(huán)境條件下駕駛員對半透發(fā)光式指路標(biāo)志和逆反射式指路標(biāo)志視認(rèn)效果，半透發(fā)光式指路標(biāo)志達(dá)到與逆反射式指路標(biāo)志相同的視認(rèn)距離時半透發(fā)光式指路標(biāo)志字高的縮減比例，通過視認(rèn)距離的變化來分析光環(huán)境條件和半透發(fā)光式指路標(biāo)志版面字體照度等因素對駕駛員視認(rèn)效果的影響。
2. 1 試驗(yàn)環(huán)境及條件
1) 背景光環(huán)境條件。
試驗(yàn)?zāi)M隧道中間段背景光環(huán)境，試驗(yàn)場地長200 m、寬9 m，照明光源由隧道燈提供，試驗(yàn)標(biāo)志懸掛在模擬隧道中間位置，具體試驗(yàn)條件見表2，試驗(yàn)場景見圖1，試驗(yàn)場地照明光環(huán)境和路面亮度、均勻度均滿足真實(shí)隧道中的光環(huán)境條件，為避免自然光對試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)選擇在晚上8點(diǎn)以后進(jìn)行，以保證不受外界其他光源的干擾，從而保證模擬隧道場景的可靠性。
隧道照明光源色溫選取了3500K，4000K，段的代表光源，模擬隧道中間段的亮度按照J(rèn)TGTD70/2－01—2014《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》［13］中規(guī)定的高速公路不同交通量和設(shè)計(jì)速度下的亮度選取，見表3。
光源所發(fā)出的顏色與“黑體”在某一溫度下輻射的顏色相同時，“黑體”的溫度稱為該光源的色溫。
2) 指路標(biāo)志版面。
試驗(yàn)選取了設(shè)計(jì)速度80 km/h 對應(yīng)的標(biāo)志字體大小，依據(jù)人眼對漢字的識別規(guī)律，選擇筆畫在5 畫以下，5～10 畫及10 畫以上的天、貴、黔3 組字體進(jìn)行對比視認(rèn)［15］，字體為黑體，字高53cm，標(biāo)志版面為綠色［12］，標(biāo)志版面采用半透發(fā)光式指路標(biāo)志和逆反射式指路標(biāo)志，反光膜類型為Ⅳ類國產(chǎn)超強(qiáng)級反光膜，具體標(biāo)志版面布設(shè)示意圖見圖2。半透發(fā)光式指路標(biāo)志字體表面照度選取1000lx、1500lx、2000lx、2500lx、3000lx、3500lx、4000lx七種字體照度。
半透發(fā)光式指路標(biāo)志是指利用LED 發(fā)光二極管原理制作的用來顯示指路標(biāo)志信息內(nèi)容，且只有標(biāo)志文字筆劃、圖形發(fā)光，標(biāo)志版面不發(fā)光的標(biāo)志。照度指單位面積上所接受可見光的光通量。
2. 2 試驗(yàn)駕駛員的選取
小客車運(yùn)行速度高、機(jī)動性強(qiáng)的特點(diǎn)使得小客車駕駛員視野通常比大貨車駕駛員窄，車速較快、目高較低導(dǎo)致視距較短，不利于駕駛員的安全視認(rèn)，根據(jù)視認(rèn)最不利原則，選取小客車駕駛員作為試驗(yàn)駕駛員。
視覺生理學(xué)研究表明: 年齡、性別及裸眼視力等因素對駕駛員的視認(rèn)性能有顯著的影響。根據(jù)影響標(biāo)志視認(rèn)性的主要生理指標(biāo)對駕駛員的選取進(jìn)行了分類，分類依據(jù)主要是年齡與性別。原則上要求被試人員具有一定的代表性，以確保試驗(yàn)的真實(shí)性、可靠性和有效性。試驗(yàn)時被試駕駛員的選取情況如下。
1) 試驗(yàn)選取20 名身體健康的小客車駕駛員，其中男性駕駛員14人，年齡分布在20～ 30歲；女性駕駛員6人，年齡分布在20～50 歲，具體見表4。
2) 選取的小客車駕駛員的兩眼裸視力或矯正視力均達(dá)到4.9 以上，無色盲色弱等眼部疾病。
另外，由于試驗(yàn)在晚上進(jìn)行，故提前一周告知被試駕駛員根據(jù)試驗(yàn)時段調(diào)整作息規(guī)律，以保證被試駕駛員在試驗(yàn)時能保持良好的精神狀態(tài)和正常的生理心理反應(yīng)。試驗(yàn)期內(nèi)無飲酒/用藥等不良情況。
2. 3 試驗(yàn)設(shè)備
采用日本柯尼卡美能達(dá)CL－500A 型分光輻射照度計(jì)測量標(biāo)志版面字體的照度及所需要的背景色溫和照度等數(shù)據(jù)，采用日本柯尼卡美能達(dá)株式會社生產(chǎn)的LS－100 型亮度計(jì)和浙大三色生產(chǎn)的成像亮度計(jì)測量模擬隧道的路面平均亮度。
2. 4 試驗(yàn)方案及流程
將不同背景光環(huán)境條件和標(biāo)志字體照度分別進(jìn)行組合，確定試驗(yàn)方案見表5。
視認(rèn)試驗(yàn)前需告知駕駛員視認(rèn)標(biāo)志的標(biāo)準(zhǔn): 即駕駛員在視認(rèn)過程中完全看清指路標(biāo)志上的內(nèi)容，并能夠及時說出指路標(biāo)志上的內(nèi)容時認(rèn)為達(dá)到視認(rèn)效果，并將此時的視認(rèn)距離作為有效視認(rèn)距離。
具體試驗(yàn)流程如下：1) 按表5 的試驗(yàn)條件組合調(diào)整好所需要的背景光環(huán)境色溫和亮度；2) 將字高為53 cm 的逆反射式指路標(biāo)志懸掛在高度已固定好的模擬隧道環(huán)境的中間位置；3) 被試駕駛員從足夠遠(yuǎn)處開始往懸掛逆反射式指路標(biāo)志處移動，直到駕駛員能夠清晰視認(rèn)標(biāo)志版面上的內(nèi)容時，記錄被測駕駛員到標(biāo)志的距離；4) 將同樣版面尺寸和字體大小的半透發(fā)光式指路標(biāo)志懸掛在與逆反射式指路標(biāo)志相同的位置和高度，并調(diào)整好半透發(fā)光式指路標(biāo)志的字體照度，讓同一駕駛員從足夠遠(yuǎn)處開始進(jìn)行視認(rèn)，直到駕駛員能夠清晰視認(rèn)標(biāo)志版面上的內(nèi)容時，記錄被測駕駛員到標(biāo)志的距離；5) 調(diào)節(jié)半透發(fā)光式指路標(biāo)志的字體照度，重復(fù)步驟4) ，直至所有的字體照度試驗(yàn)完畢；6) 更換半透發(fā)光式指路標(biāo)志的字體大小和版面尺寸，重復(fù)步驟2) ～5) ；7) 第一組試驗(yàn)完成后，更換背景照明光源色溫和背景亮度，重復(fù)步驟2) ～6) ；最終得到駕駛員在不同背景照明光源和標(biāo)志字體照度條件下逆反射式指路標(biāo)志和半透發(fā)光式指路標(biāo)志的視認(rèn)距離。
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