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隧道煙霧環境對行車安全影響研究

文檔作者：湯灃澤潘曉東鄧其陳豐文檔來源： 1．同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 2．上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司			點擊數：
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第40卷，第5期
2 0 1 5年1 0月
公 路 工 程
Highway Engineering
Vo1．40，No．5
Oct． ，2 0 1 5
隧道煙霧環境對行車安全影響研究
湯灃澤。，潘曉東‘，鄧 其 ，陳 豐
(1．同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804； 2．上海市政工程設計研究總院(集團)有限公
司，上海200092)
[摘要]通過UC·win／Road模擬駕駛軟件和簡易駕駛模擬器以及人體反應時間測試儀，對隧道內不同濃度
的煙霧環境進行模擬，并在此環境內以不同的速度進行模擬駕駛。通過實驗數據的回歸分析，得出了駕駛員在煙
霧環境下的反應時間可按規范中取值的結論。并得到了視認距離與車速和煙霧濃度的關系，指出了駕駛員在車速
升高時注視點會前移，也給出了安全距離隨車速和煙霧濃度的變化規律。
【關鍵詞】隧道煙霧環境；行車安全；安全距離；煙霧濃度；行車速度
[中圖分類號】U 491．2 54 [文獻標識碼]A [文章編號]1674—0610(2015)05一Oll2—03
Study on Efect of Tunnel Smoky Environment on Driving Safety
TANG Fengze ，PAN Xiaodong ，DENG Qi ，CHEN Feng
(1．Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Ton~i University，
Shanghai 20 1 804，China； 2．Shanghai Municipal Engineering Design Institute(Group)Co LTD，
Shanghai 200092，China)
[Abstract]By using UC—win／Road driving simulation software and simple driving simulator and
human reaction time tester，the tunnel environment of different smoke density was simulated，and under
the environment driving simulation with different velocity was conducted．By regression analysis of experimental
data，we draw the conclusion that the driver~ reaction time under tunnel smoky environment can
be same with specification．And we get the relationship between visual distance and velocity and smoke
density，and when increase speed driver~gaze point will move forward．Relationship between safe distance
and velocity and smoke density be given too．
[Key words]tunnel smoky environment；driving safety；safety distance；smoke density；driving
velocity
0 前言 并保持足夠的安全距離，極易誘發隧道內追尾事故。
我國是個多山地的國家，擁有數量龐大的高速
公路隧道，截至2009年底，全國公路隧道為6139
座，總長3 942 km，其中特長隧道190座，總長821
km，長隧道905座，總長1 501 km? 。在通風不良
或者縱坡較大的長隧道內，特別是當大型客貨車比
例較多時，或者通風系統對排放高峰反應遲鈍的時
候，隧道內尾氣排放量增加且得不到及時的排出和
稀釋，行成的隧道煙霧將干擾駕駛員正常的視覺認
知任務，90％ 的駕駛信息是通過駕駛員視覺獲得
的 ，視認環境差造成駕駛員不能及時發現障礙物
1 隧道煙霧與隧道安全
目前研究普通路段霧天低能見度與交通安全的
文獻較多，但較少研究隧道環境下的低能見度與行
車安全的關系的文獻。在隧道煙霧與能見度方面，
道路和隧道煙霧的組成成分、粒徑大小、擴散方式等
微觀方面是物理方向的研究重點；煙霧對光的宏觀
透過性 、煙霧環境對駕駛員視覺 和行車安
全。。 的影響等方面是道路和交通方向研究的重點。
M．Gazzi等將光學上的對比度的概念和煙霧相聯
系，分析二者的定量關系 。
【收稿日期]2014—07—21
[基金項目]國家自然基金項目(51278361)；湖南交通科技項目(201150)；浙江交通科技項目(201107)
[作者簡介】湯灃澤(1991一)，男，安徽蚌埠人，研究生，主要研究方向：道路交通安全與環境工程。
第5期 湯灃澤，等：隧道煙霧環境對行車安全影響研究 ll3
同濟大學夏國棟、潘曉東等考慮霧的數密度、含
水量等基本特征量，研究其對高速公路行車能見度
和路面附著系數的影響，并建立了霧天安全跟車車
速模型 】。分析霧天交通事故的成因及其對高速
公路交通安全的影響，提出預防交通事故的建議和
措施 。
王桀應用駕駛模擬實驗方法，研究霧對駕駛員
行為的影響，采集了霧、平均車速、車速變化、方向盤
變化、視認距離和反應時間等數據，根據實驗結果建
立霧天駕駛行為可靠性影響的模糊評價模型 引。
影響行車安全的隧道煙霧問題可分為4個方
面：
① 空氣污染物(CO、NOx、HC化合物、SO：以及
顆粒物(PM))集聚影響駕駛員行車舒適度；
② 煙霧顆粒附著影響隧道側壁的反射特性，降
低隧道內亮度水平；
③ 隧道煙霧中的有機物積累沉降附著在路面
上，降低路面的摩阻系數。
④ 煙霧降低隧道內能見度 ，同時，燈光照射
下的隧道煙霧形成光幕效應，使得被識別物體輪廓
朦朧，障礙物視認距離¨ 變短，距離感減弱，加劇了
障礙物識別難度和駕駛員視覺負荷。
2 實驗方案設計
2．1 駕駛狀態反應時間測定實驗
① 實驗目的。反應時間的定義是看到某個危
險的瞬間至踩剎車，車輛開始慢下來的瞬間之間的
時間H引。隧道環境對于駕駛員生理、心理均有影
響¨ '”】，反應時間可能與常用值有偏差，為此應用
反應時間測試儀，確定駕駛員在隧道內駕駛狀態中
時的反應時間。
② 實驗儀器和材料。人體反應時間測試系統、
模擬駕駛系統(包括顯示器，安裝有UC-win／Road
8．0駕駛模擬軟件的主機，駕駛操控設備(方向盤、
油門踏板、剎車踏板等))。
③ 實驗內容。應用反應時間測試儀，駕駛員在
駕駛狀態中時，測試儀亮紅燈后，駕駛員踩下剎車，
儀器紅燈滅綠燈亮，即完成一組反應時間測量(見
圖1)。實驗共測試9人，每人測試5次。
2．2 煙霧濃度與車速對視認距離影響實驗
① 實驗目的。本實驗通過UC—win／Road模擬
駕駛軟件和搭建的簡易駕駛模擬器，模擬隧道內不
同煙霧濃度的行車環境，并在此環境內以不同的速
度進行模擬駕駛，對多名駕駛員駕駛狀態數據進行
圖1 反應時間測試實驗
Figure 1 Lab of reaction time test
均值水平、方差、變異系數等方面的統計分析，考查
煙霧濃度和行駛速度對駕駛員視認距離的影響。
② 實驗儀器和材料。模擬駕駛系統，包括三臺
左右并排放置的顯示器，安裝有UC-win／Road 8．0
駕駛模擬軟件的主機，駕駛操控設備(方向盤、油門
踏板、剎車踏板等)，音箱等。
③ 實驗內容。將建好的隧道模型分別用三種
不同濃度煙霧充滿，并以無煙霧作為對照組，三種煙
霧濃度分別是1低濃度Csd=180，對應靜態視認距
離為180 m的煙霧濃度；中濃度Csd=160，對應靜
態視認距離為160 m 的煙霧濃度；高濃度Csd=
140，對應靜態視認距離為140 m的煙霧濃度；如圖
2所示。
圖2 隧道建模及煙霧場景模型
Figure 2 Tunnel model and sensing model of tunnel smoky en—
vironment
矯正視力5．0的駕駛員18名，每個駕駛員在四
種不同濃度煙霧環境下以3種不同建議車速(60、
80、100 km／h)駕駛汽車，調整到要求的車速后，勻
速進人布有煙霧的隧道。當駕駛員看到障礙物時采
取制動措施，直至車輛完全停止，將行車狀態數據記
錄文檔保存。
3 實驗結果分析
① 反應時間(見圖3)。
通過實驗數據采集和分析，反應時間試驗中，獲
得的實驗樣本均值為0．651 S，處于0．5—0．7 S范圍
內，加上液壓或氣壓制動時間，本實驗反應時間的取
值，從駕駛員發現障礙物的時間起，到制動生效，所
需的時間為t=1．2 S，實驗取值剛好與城市道路路
l 14 公路工程 4O卷
線設計規范 中取值相同。
l2·5
1O．0
婺 ．s
5·0
2．5
0．0
400 600 800 l 000
反應時間／ms
圖3 反應時間直方圖
Figure 3 Reaction time histogram
② 視認距離與車速和煙霧靜態視認濃度的關
系。
通過對實驗數據的分析，可以得出視認距離和
車速以及煙霧靜態視認濃度的關系，見圖4。
60 80 100 60 80 100 60 80 100 60 80 100
煙霧濃度與車速組合
圖4 煙霧濃度一車速組合的視認距離
Figure 4 Visual distance of combination of smoke density
and speed
實驗結果表明：一定車速下煙霧濃度越高，視認
距離越小。因煙霧的存在而使視認距離減小，減小
量定義為煙霧影響量。煙霧影響量見表1。
表1 煙霧影響量均值
Table 1 The average amount of smoke impact
③ 車速與視點前移。
圖4中3條虛線顯示，同種濃度煙霧環境下，駕
駛員在高車速行駛狀態下比低車速狀態下略微要早
些發現障礙物。這一結果與駕駛員動態視野特征相
符，表現為車速增大，駕駛員注意視點前移。實驗考
察的60、80、100 km／h三檔車速，以60 km／h視認
距離為基準，視點前移量如表2所示。
表2 視點前移量
Table 2 Amount of viewpoint forward
④ 安全距離。
安全距離是車輛停止時距障礙物的富余距離，
是描述駕駛視覺安全最為直接的變量，安全距離越
大越安全，為負值時，說明車輛撞上了障礙物。實驗
采集的安全距離如圖5所示。
l40
l20
100
80
簧60
裂 o
2O
O
- 20
； 一；
上 一 ：
’ J_一
無＆ 無＆ 無＆ 低＆ 低＆ 低＆ 中＆ 中＆ 中＆ 高＆ 高＆ 高＆
60 80 lO0 60 80 100 60 80 tO0 60 80 lO0
煙霧濃度與車速組合
圖5 煙霧濃度和車速組合的安全距離
Figure 5 Safe distance of combination of smoke density and
speed
實驗表明，同一濃度煙霧環境下，駕駛車速增
加，安全距離減少；同等行駛車速下，煙霧濃度越高，
安全距離越少；隨著煙霧濃度升高和車速增加，安全
距離的標準差和變異系數增大。
4 結論
① 煙霧環境下反應時間可按城市道路路線設
計規范取值。
② 在隧道煙霧環境中行駛時，一定車速下煙霧
濃度越高，視認距離越小。當煙霧濃度一定時，由于
駕駛員視點的前移，視認距離相應增大。
③ 同一濃度煙霧環境下，駕駛車速增加，安全
距離減少；同等行駛車速下，煙霧濃度越高，安全距
離越少；隨著煙霧濃度升高和車速增加，安全距離標
準差和變異系數增大，駕駛員視認的不確定性增大。
④ 視認距離的變化對煙霧靜態視認濃度的變
(下轉第128頁)
l28 公路工程 40卷
填裂隙，防止地下水滲入，而且在隧道仰拱部位的深
處形成卸壓區，使得地應力在短時間內得到釋放，有
效減小底鼓量。現場測試結果顯示，采取綜合防治
措施的隧道底鼓量只有未處理段的5％ 一20％I s]，
且隧道整體結構穩定，可見該方法對于隧道底鼓的
控制效果良好。
圖7 底板加固設計布置圖
Figure 7 Layout of tunnel floor consolidation
5 結論
① 武都西隧道發生底鼓的主要原因在于力學
及物理方面。在高地應力作用下，仰拱部位的軟弱
圍巖受到較大擠壓應力，形成擠壓流動性底鼓；同
時，隧道圍巖中所含的綠泥巖、伊利石等礦物成分具
有遇水膨脹性，在地下水反復循環作用下，導致仰拱
發生膨脹性底鼓。
② 假定隧道底板為薄板結構，將其受力問題簡
化為平面應力問題，進而根據薄板臨界平衡理論可
得其壓曲微分方程，解得隧道底板產生壓曲破壞時
的臨界荷載表達式，從而可對隧道底板穩定性進行
理論分析，同時為采取隧道底鼓防治措施提供了理
論依據。
③ 采用“可讓式支護+錨注加固”的綜合防治
措施，不僅在一定程度上釋放了圍巖壓力，而且加強
了隧道底板圍巖強度，有效的控制了隧道底鼓。
④ 通過對高地應力軟弱圍巖隧道底鼓機理進
行分析，全面認識了基底變形破壞機制，提出了隧道
底鼓的綜合防治措施，經過現場測試的驗證，隧道底
鼓得到有效控制，隧道結構整體穩定。
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(上接第l l4頁)
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