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新基建下的智慧隧道技术应用与实践

2022-06-14

来源 : 赛文交通网

作者 : 杜志刚 梅家林 郑号染

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编者按:近日,隧道建设和安全管理问题、隧道建设信息化和管理智慧化等相关内容逐渐成为行业和市场关注的重点对象。AI、数字孪生等新技术和机器人、雷达等新产品,开始在智慧隧道领域的建设应用中展露头角,助力推进隧道智慧化建设发展。赛文交通网举办了主题为“新基建下的智慧隧道技术应用与实践”的线上研讨会。

会上武汉理工大学交通与物流工程学院教授杜志刚做了题为《基于线性诱导的隧道交通安全提升关键技术》的报告。对比了隧道遮光设施、灯具照明和视线诱导系统等多种公路隧道环境改善方法,借鉴照明设计领域“线性照明”技术理念,考虑线条形诱导设施的大尺度、远视距、形式多、易组合、勾轮廓、明限界、发光散、更舒适等特点,提出线性诱导的设计思路,构建隧道线性诱导系统。并基于心理旋转效应对视线诱导设施形状进一步优化,应用于高速公路隧道、低等级公路隧道中,能实现隧道交通安全与照明节能的统一。

一、研究背景

1. 安全与节能冲突:公路隧道照明能耗巨大,开灯率低,存在不良光环境

全国公路隧道每年耗电量超过400亿度;

• 公路隧道开灯率远低于行业标准(一般≤40%),“高配低用”现象普遍存在;

• 农村公路隧道中照明设施的隧道不足一半。

2. 交通事故形态:追尾、撞壁、翻车、火灾、其他

致因分析:隧道半封闭管状结构→隧道内单调昏暗环境(中部问题)→隧道内外环境的巨大差异(出入口问题)。

3. 交通事故机理

隧道中部—时空隧道效应:隧道中部视觉环境昏暗、单调、封闭,驾驶人获得的视觉线索少,会产生视错觉,对速度、距离、时间发生较大的误判,低估自身车速导致超速行为。

隧道的出入口—黑洞与白洞效应:明亮⇆黑暗环境急速转换,照度剧烈过渡成“黑色”或“白色”,宽敞⇆狭窄,空间剧烈过渡成“洞”;危害:视觉适应困难→严重视错觉、视距视区降低→追尾、撞侧墙或端墙。二、关键技术一:改善技术比选

1. 改善技术比选之遮光棚

隧道洞口的遮光棚:能够降低洞口附近的适应亮度,在一定程度上能够减少隧道加强照明的亮度要求,有效降低隧道运营期间的能耗。

合理遮光设施为蝉翼式遮光设施、反削竹式,能实现照度、空间、参照物的合理过渡;初期建设成本较高,但是从长远来看能大量节约照明成本,同时景观效果也较好。

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•  优点:①缓和照度剧烈过渡;②缓和空间剧烈过渡;③降低隧道出入口照明亮度要求。

•  缺点:①定位难—是交通工程设施,还是隧道主体结构?②建设成本大,行业规范并未强制性设置;③对于已建隧道难以实施。

•  现状:我国公路隧道大多未设置遮光设施,应用并不广泛,并不是强制措施。

2. 改善技术比选之灯具照明

灯具照明:利用电能通过灯具(高压钠灯、LED灯)照明,来提高隧道整体亮度,降低隧道内外照度差距,增大隧道内可见度。

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•  优点:①增大隧道内环境亮度;②缓和隧道出入口照度剧烈过渡;③基础理论研究和标准规范完善。

•  缺点:①运营成本大,耗费大量电能;②难以实现内外光照的合理过渡;③智能调光等技术在我国推广难。

•  现状高速公路隧道出入口黑洞白洞效应显著:白天正午洞外10多万lx,洞内几百lx,仅靠加强照明难以消除。

景观照明:缓解疲劳,提示美感

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3. 改善技术比选之视线诱导系统

隧道视线诱导系统:利用逆反射技术及蓄能自发光技术、LED发光显示技术,设置隧道轮廓带、轮廓标、突起路标、弹性交通柱等设施,起到方向诱导与应急逃生的作用。

隧道环形轮廓带(简称反光环):表面设置逆反射材料,可增加隧道轮廓辨识度,帮助驾驶人判断隧道宽度、高度,起到增加空间感(竖向、横向、纵向)的作用。



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逃生诱导设施:我国公路隧道逃生指示标志普遍存在不醒目、不显著的问题。

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•  视线诱导系统特点:视线诱导设施性价比高,应用广泛。

设施类型:反光环、反光条、轮廓标、线形诱导标、弹性交通柱、蓄能发光标识等。

•  技术来源:采用逆反射技术、蓄能自发光技术、LED发光显示技术,主要利用车灯照射逆反射发光,更节能


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•  诱导与照明的比较:传统照明是高度背景光,强调舒适美,诱导是轮廓光,强调安全经济。


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4. 改善技术比选之绿色能源

太阳能照明:

适用于中短隧道,但技术要求高、建设成本大、且养护维修费用高。

应用:

安徽六潜高速公路狮子尖隧道,首次采用太阳能和风能发电互补离网供电系统;

109国道东方红隧道、河北承德市韩郭公路小梁东隧道成功应用太阳能发电技术;

吉林省建成全国首座公路隧道太阳能智能LED照明系统;

福建金鸡岭隧道采用46KWP太阳能光伏发电系统,目前年发电量约50000kW·h;

山东烟台通世路隧道利用太阳能照明,每年可节约120多吨标准煤。

五、 总结

公路隧道交通安全提升方法比较表

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隧道安全主要改善方式用简单排序法评价得到:设施使用优先顺序为:视线诱导>防护设施>防滑设施>遮光设施>加强照明

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现有改善技术小结

①缺乏对隧道分路段进行视觉需求分析与交通安全分析;

②改善集中于隧道照明技术、护栏过渡、路面防滑等;

③隧道视线诱导系统(轮廓带、突起路标、轮廓标)密度、尺寸、色彩混

④隧道应急诱导救援系统存在不足,应急诱导标识显著性差。

三、关键技术二:隧道线性诱导系统

1. 线性诱导理念之定义

线性照明:线性光源是连续的线条状光源(直线型、曲线型、环形),能够有效勾勒出建筑及空间轮廓。

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线性诱导理念

隧道“线性照明”已在国内外城市隧道和高速公路隧道得到了应用;提出“线性诱导”理念——主要利用多种线条形(包括短线条、中线条、长线条、环状)视线诱导设施,提高隧道内局部亮度与对比度,勾勒隧道(侧壁、洞顶、洞门等障碍物或建筑界限)轮廓及道路线形走向。线条形视线诱导设施简称“线性诱导设施”,主要由线性诱导设施构成的线性视线诱导系统,简称“线性诱导系统”。

2. 线性诱导设施特点

较大尺寸,远端可视:相比点状信息尺寸更大,可视距离更远,可确保识别视距范围外可视;

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形式多样、便于组合:有点状、短线条、中线条、长线条、环状等几种常见方式,可适应识别视距、停车视距等不同视距要求,并可调控视错觉;

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勾勒轮廓、明确限界:与建筑限界或障碍物轮廓附着设置,不侵入建筑限界,确保用路人的空间路权;

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发光分散、柔和舒适: 相对于传统点状照明灯具,诱导设施光线分散柔和, 为驾驶人提供舒适的视觉环境。

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3. 线性诱导之设施功能分析

视线诱导设施功能:线形诱导和轮廓诱导

线形诱导:引导前方平纵面线形的变化,使驾驶人获得良好的方向感,可根据线形变化适当调整行车方向。

轮廓诱导:警示隧道整体及障碍物轮廓,使驾驶人获得良好的空间感,可及时调整车辆的横向、竖向位置。

典型视线诱导设施及其作用


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4. 线性诱导之设施类型分析

概念解析:短线条、中线条、长线条

短线条:长度为0.18~0.5m,宽度为0.04~0.08m,如矩形轮廓标、组合式轮廓标;

中线条:长度0.5~2m,宽度为0.08~0.8m,如弹性交通柱、线形诱导标、线型轮廓标;

长线条:5m>长度>2m,宽度为0.15~0.4m,如条形轮廓带(反光条)、警示型线形诱导标、紧急停车带弧形立面标记。

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现行国内弹性交通柱:反光膜设置方式——全部涂满反光膜效果好,反光膜呈短条或点状效果较差,反光膜越少越短效果越差,轮廓诱导功能逐步降低,不建议用点状反光设施。

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5. 线性诱导之线形、轮廓诱导典型路段

结论:从点、到短线条、中线条、长线条、环状,线形诱导功能越来越差,轮廓诱导功能越来越强,需要优化组合,应用到隧道的不同路段。

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6. 隧道线性诱导系统

视觉参照系重构:采用多频率/密度(高密度、中密度、低密度)、多尺度(环、线条、点)、多色彩(白色为主、适当彩色)信息组合,提升速度感、距离感、空间感、位置感。

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技术手段

利用逆反射、蓄能自发光、LED发光显示技术满足驾驶人的动态视觉特性及安全需求;

对各种视线诱导设施进行合理选择及布设,以线性诱导为主,点状信息为辅;

勾勒隧道轮廓及线形走向,为驾驶人提供速度、距离、位置、方向等行车参照信息;

合理引导驾驶人视线,提高驾驶人对行车状态的感知能力。

线性诱导系统优化目标:从空间路权、驾驶人因、驾驶任务三方面进行综合考虑,改善隧道环境整体视觉参照系;“路适应人”→低成本交通安全优化


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适用性分析:照明、线性诱导、多点诱导(以点状信息诱导为主的诱导方式)的比较;

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适用性分析:不同视觉参照形式设置效果对比

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适用性分析:综合对比(简单排序法)→线性诱导>多点诱导>照明 

相较于多点诱导而言,线性诱导建安费投入较高,对于普通道路设置存在困难;考虑到隧道整体建安费为普通路段5~10倍,线性诱导适用于隧道交通安全优化设计。

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线性诱导优化设计案例:隧道入口

洞门设置环形立面标记,建议采用黄黑相间Ⅳ类反光膜;

洞门前约300m范围(简单识别视距)内设置黄黑相间警示型线形诱导标,间距为25m或50m;

入口两侧护栏与道路边线之间设置弹性交通柱,设置范围为隧道入口3s行程;

入口车道分界线及道路边线设置高密度突起路标,强化道路边界;

在隧道入口3s至5s行程内,以25~50m间距布设20cm宽、白色Ⅴ类膜反光环,提高隧道轮廓辨识度。


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线性诱导优化设计案例:弯坡段

检修道路缘连续设置黄黑立面标记,强化检修道与行车道颜色对比度;

车道边缘线设置高密度突起路标,低照度环境下勾勒行车边界及道路走向;

反光环/条搭配设置,可见反光环数量为3个,反光条与行车方向成倾角(不垂直);

反光条顶部设置组合式线形诱导标。


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线性诱导优化设计案例:紧急停车带

端墙设置弧形立面标记与箭头反光标识;

端墙前设置波形梁护栏以增大端墙的防护能力过渡;

为构成对称的诱导系统,于端墙对侧设置隧道条形轮廓带;

弧形立面标记、反光条建议设置高度为4~4.5m,宽度为30~40cm,紧贴隧道建筑界限。


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小结

线性诱导:增强局部亮度与对比度,增加轮廓诱导、线形诱导,明确空间路权,分解驾驶任务

隧道线性诱导系统:车前灯光→照亮隧道线条形视线诱导设施→降低照明运营成本投入→引导驾驶人判断决策及操作

避免多点信息对线性诱导的干扰:在检修道侧边设置轮廓标,隧道侧壁设置反光条的情况下,隧道侧壁不应再设置点状、短线条信息(矩形轮廓标

四、关键技术三:基于心理旋转效应的诱导设施优化

1. 心理旋转

定义:心理学家将物体映像旋转的现象称为心理旋转。

例如,我们倒拿着一书本,每读一个字,都要让它来个180度的心理旋转,所以我们阅读倒写的字都会觉得吃力。此种情况在交通中的弯道中也比较常见。从多个方向观察不同形状物体,尤其是球形和圆柱形的组合,各个方向看起来完全一样,辨识很容易。

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2. 形状恒常性

定义:形状恒常性是指观察物体的角度发生了变化,但我们仍把它感知为一个标准形状。

恒常性比较:球体/半球体(突起路标)>圆柱体(反光柱)>圆锥体>V型反光环>普通薄反光条。恒常性逐步降低,尤其是针对逆反射功能。

诱导设施的形状:推荐为球形、圆柱形、半圆柱形。

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3. 高杆立柱+球形组合

贝丽莎灯:球体+高杆柱,存在很强的恒常性,驾驶人、行人不会搞错,在英国广泛应用于交叉口转角岛、行人过街。


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圆柱形设施的优点

视认性好;驾驶人、行人不同视角观察保持恒常性,不会显著增加视认难度;

发光舒适;低照度下360°发光,光线柔和,无眩光;

二次事故少;强弯弱剪,冲击后,与车辆接触面积大,有缓冲功能,能量耗散时间长;

规避效应影响较少;无锐角,视觉刺激相对较小;

结构稳定性好;各个方向抗弯能力较强,同时作为标志支撑杆作为支撑结构,风荷载较小;

便于养护清洗;如隧道内洞顶V形、拱形反光环设置不容易沾灰,也较容易用机器来清洁。

局部与整体的一致:设施的恒常性→隧道环境的恒常性

隧道整体看起来是半圆柱形(或者拱形),设置的反光环/Led灯带采用半圆柱形(或拱形),整体与局部相一致;且行进过程中诱导设施亮度不会剧烈变化;

对于隧道小半径路段、螺旋隧道具有积极意义。

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小结

隧道小半径路段、螺旋隧道,存在心理旋转效应,驾驶人难以快速辨识诱导信息。

利用形状恒常性可对诱导设施进行优化设计,增强弯道路段可视性。

为减少心理旋转效应影响,隧道轮廓带设施推荐为半圆柱形、拱形(U形)。

五、案例与应用

1. 贵州高速双山隧道、四方洞隧道(2处,10620m)

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2. 云南国省干线公路隧道应用案例(有照明)

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3.云南省低等级公路隧道应用案例(无照明)

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4. 总结

线性诱导的应用

隧道线性诱导系统,勾勒隧道轮廓及道路线形走向,明确空间路权,分解驾驶任务。

线性诱导系统采用多重线形诱导、多重轮廓诱导方法,低成本改善隧道交通安全,尤其适用于低照度公路隧道环境。

线性诱导原理应用于隧道中,可同时起到提高交通安全、降低能耗的作用。

发展趋势:隧道运营养护难题

边作业、边通行:安全隐患大;

人工巡检:不到位、漏检率大;

封道作业:难度大、成本高。

发展趋势:隧道设施更换难度大

如隧道灯具更换,显性成本有灯具成本、运输成本、现场维持秩序成本、工人安装成本、工程车辆使用成本等,隐性成本有行政成本、时间成本、影响使用成本、形象成本。

发展趋势

隧道管养能力亟需提升(交通工程设施、机电设施、消防设施、监控设施等的检测、交通流监控、事故灾害预警—隧道养护机器人)。

隧道交通事故应急救援能力亟需提升(交通事故快速响应—隧道智能警察)。

隧道管养工程师能力建设亟需提升(增强专业性,发挥各种设施的最大功效)。

报告总结

隧道交通安全改善,需要满足使用者需求>交通管理需求>基础设施需求>产品更新需求。

线性诱导系统,勾勒隧道线形走向和隧道侧壁、护栏等障碍物轮廓,明确空间路权,分解驾驶任务,帮助驾驶人知危险、会避险。

利用形状恒常性优化诱导设施,并且降低心理旋转效应的影响,适用于公路隧道小半径路段、螺旋隧道。

视线诱导技术应用于公路隧道中,可实现隧道交通安全与照明节能的和谐统一。

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