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隧道烟雾环境对行车安全影响研究

文档作者：汤沣泽潘晓东邓其陈丰文档来源： 1．同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 2．上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司		点击数：	更新时间： 2022年11月15日
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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
隧道烟雾环境对行车安全影响研究
汤沣泽。，潘晓东‘，邓 其 ，陈 丰
(1．同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804； 2．上海市政工程设计研究总院(集团)有限公
司，上海200092)
[摘要]通过UC·win／Road模拟驾驶软件和简易驾驶模拟器以及人体反应时间测试仪，对隧道内不同浓度
的烟雾环境进行模拟，并在此环境内以不同的速度进行模拟驾驶。通过实验数据的回归分析，得出了驾驶员在烟
雾环境下的反应时间可按规范中取值的结论。并得到了视认距离与车速和烟雾浓度的关系，指出了驾驶员在车速
升高时注视点会前移，也给出了安全距离随车速和烟雾浓度的变化规律。
【关键词】隧道烟雾环境；行车安全；安全距离；烟雾浓度；行车速度
[中图分类号】U 491．2 54 [文献标识码]A [文章编号]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 并保持足够的安全距离，极易诱发隧道内追尾事故。
我国是个多山地的国家，拥有数量庞大的高速
公路隧道，截至2009年底，全国公路隧道为6139
座，总长3 942 km，其中特长隧道190座，总长821
km，长隧道905座，总长1 501 km⋯ 。在通风不良
或者纵坡较大的长隧道内，特别是当大型客货车比
例较多时，或者通风系统对排放高峰反应迟钝的时
候，隧道内尾气排放量增加且得不到及时的排出和
稀释，行成的隧道烟雾将干扰驾驶员正常的视觉认
知任务，90％ 的驾驶信息是通过驾驶员视觉获得
的 ，视认环境差造成驾驶员不能及时发现障碍物
1 隧道烟雾与隧道安全
目前研究普通路段雾天低能见度与交通安全的
文献较多，但较少研究隧道环境下的低能见度与行
车安全的关系的文献。在隧道烟雾与能见度方面，
道路和隧道烟雾的组成成分、粒径大小、扩散方式等
微观方面是物理方向的研究重点；烟雾对光的宏观
透过性 、烟雾环境对驾驶员视觉 和行车安
全。。 的影响等方面是道路和交通方向研究的重点。
M．Gazzi等将光学上的对比度的概念和烟雾相联
系，分析二者的定量关系 。
【收稿日期]2014—07—21
[基金项目]国家自然基金项目(51278361)；湖南交通科技项目(201150)；浙江交通科技项目(201107)
[作者简介】汤沣泽(1991一)，男，安徽蚌埠人，研究生，主要研究方向：道路交通安全与环境工程。
第5期 汤沣泽，等：隧道烟雾环境对行车安全影响研究 ll3
同济大学夏国栋、潘晓东等考虑雾的数密度、含
水量等基本特征量，研究其对高速公路行车能见度
和路面附着系数的影响，并建立了雾天安全跟车车
速模型 】。分析雾天交通事故的成因及其对高速
公路交通安全的影响，提出预防交通事故的建议和
措施 。
王桀应用驾驶模拟实验方法，研究雾对驾驶员
行为的影响，采集了雾、平均车速、车速变化、方向盘
变化、视认距离和反应时间等数据，根据实验结果建
立雾天驾驶行为可靠性影响的模糊评价模型 引。
影响行车安全的隧道烟雾问题可分为4个方
面：
① 空气污染物(CO、NOx、HC化合物、SO：以及
颗粒物(PM))集聚影响驾驶员行车舒适度；
② 烟雾颗粒附着影响隧道侧壁的反射特性，降
低隧道内亮度水平；
③ 隧道烟雾中的有机物积累沉降附着在路面
上，降低路面的摩阻系数。
④ 烟雾降低隧道内能见度 ，同时，灯光照射
下的隧道烟雾形成光幕效应，使得被识别物体轮廓
朦胧，障碍物视认距离¨ 变短，距离感减弱，加剧了
障碍物识别难度和驾驶员视觉负荷。
2 实验方案设计
2．1 驾驶状态反应时间测定实验
① 实验目的。反应时间的定义是看到某个危
险的瞬间至踩刹车，车辆开始慢下来的瞬间之间的
时间H引。隧道环境对于驾驶员生理、心理均有影
响¨ '”】，反应时间可能与常用值有偏差，为此应用
反应时间测试仪，确定驾驶员在隧道内驾驶状态中
时的反应时间。
② 实验仪器和材料。人体反应时间测试系统、
模拟驾驶系统(包括显示器，安装有UC-win／Road
8．0驾驶模拟软件的主机，驾驶操控设备(方向盘、
油门踏板、刹车踏板等))。
③ 实验内容。应用反应时间测试仪，驾驶员在
驾驶状态中时，测试仪亮红灯后，驾驶员踩下刹车，
仪器红灯灭绿灯亮，即完成一组反应时间测量(见
图1)。实验共测试9人，每人测试5次。
2．2 烟雾浓度与车速对视认距离影响实验
① 实验目的。本实验通过UC—win／Road模拟
驾驶软件和搭建的简易驾驶模拟器，模拟隧道内不
同烟雾浓度的行车环境，并在此环境内以不同的速
度进行模拟驾驶，对多名驾驶员驾驶状态数据进行
图1 反应时间测试实验
Figure 1 Lab of reaction time test
均值水平、方差、变异系数等方面的统计分析，考查
烟雾浓度和行驶速度对驾驶员视认距离的影响。
② 实验仪器和材料。模拟驾驶系统，包括三台
左右并排放置的显示器，安装有UC-win／Road 8．0
驾驶模拟软件的主机，驾驶操控设备(方向盘、油门
踏板、刹车踏板等)，音箱等。
③ 实验内容。将建好的隧道模型分别用三种
不同浓度烟雾充满，并以无烟雾作为对照组，三种烟
雾浓度分别是1低浓度Csd=180，对应静态视认距
离为180 m的烟雾浓度；中浓度Csd=160，对应静
态视认距离为160 m 的烟雾浓度；高浓度Csd=
140，对应静态视认距离为140 m的烟雾浓度；如图
2所示。
图2 隧道建模及烟雾场景模型
Figure 2 Tunnel model and sensing model of tunnel smoky en—
vironment
矫正视力5．0的驾驶员18名，每个驾驶员在四
种不同浓度烟雾环境下以3种不同建议车速(60、
80、100 km／h)驾驶汽车，调整到要求的车速后，匀
速进人布有烟雾的隧道。当驾驶员看到障碍物时采
取制动措施，直至车辆完全停止，将行车状态数据记
录文档保存。
3 实验结果分析
① 反应时间(见图3)。
通过实验数据采集和分析，反应时间试验中，获
得的实验样本均值为0．651 S，处于0．5—0．7 S范围
内，加上液压或气压制动时间，本实验反应时间的取
值，从驾驶员发现障碍物的时间起，到制动生效，所
需的时间为t=1．2 S，实验取值刚好与城市道路路
l 14 公路工程 4O卷
线设计规范 中取值相同。
l2·5
1O．0
婺 ．s
5·0
2．5
0．0
400 600 800 l 000
反应时间／ms
图3 反应时间直方图
Figure 3 Reaction time histogram
② 视认距离与车速和烟雾静态视认浓度的关
系。
通过对实验数据的分析，可以得出视认距离和
车速以及烟雾静态视认浓度的关系，见图4。
60 80 100 60 80 100 60 80 100 60 80 100
烟雾浓度与车速组合
图4 烟雾浓度一车速组合的视认距离
Figure 4 Visual distance of combination of smoke density
and speed
实验结果表明：一定车速下烟雾浓度越高，视认
距离越小。因烟雾的存在而使视认距离减小，减小
量定义为烟雾影响量。烟雾影响量见表1。
表1 烟雾影响量均值
Table 1 The average amount of smoke impact
③ 车速与视点前移。
图4中3条虚线显示，同种浓度烟雾环境下，驾
驶员在高车速行驶状态下比低车速状态下略微要早
些发现障碍物。这一结果与驾驶员动态视野特征相
符，表现为车速增大，驾驶员注意视点前移。实验考
察的60、80、100 km／h三档车速，以60 km／h视认
距离为基准，视点前移量如表2所示。
表2 视点前移量
Table 2 Amount of viewpoint forward
④ 安全距离。
安全距离是车辆停止时距障碍物的富余距离，
是描述驾驶视觉安全最为直接的变量，安全距离越
大越安全，为负值时，说明车辆撞上了障碍物。实验
采集的安全距离如图5所示。
l40
l20
100
80
簧60
裂 o
2O
O
- 20
； 一；
上 一 ：
’ J_一
无＆ 无＆ 无＆ 低＆ 低＆ 低＆ 中＆ 中＆ 中＆ 高＆ 高＆ 高＆
60 80 lO0 60 80 100 60 80 tO0 60 80 lO0
烟雾浓度与车速组合
图5 烟雾浓度和车速组合的安全距离
Figure 5 Safe distance of combination of smoke density and
speed
实验表明，同一浓度烟雾环境下，驾驶车速增
加，安全距离减少；同等行驶车速下，烟雾浓度越高，
安全距离越少；随着烟雾浓度升高和车速增加，安全
距离的标准差和变异系数增大。
4 结论
① 烟雾环境下反应时间可按城市道路路线设
计规范取值。
② 在隧道烟雾环境中行驶时，一定车速下烟雾
浓度越高，视认距离越小。当烟雾浓度一定时，由于
驾驶员视点的前移，视认距离相应增大。
③ 同一浓度烟雾环境下，驾驶车速增加，安全
距离减少；同等行驶车速下，烟雾浓度越高，安全距
离越少；随着烟雾浓度升高和车速增加，安全距离标
准差和变异系数增大，驾驶员视认的不确定性增大。
④ 视认距离的变化对烟雾静态视认浓度的变
(下转第128页)
l28 公路工程 40卷
填裂隙，防止地下水渗入，而且在隧道仰拱部位的深
处形成卸压区，使得地应力在短时间内得到释放，有
效减小底鼓量。现场测试结果显示，采取综合防治
措施的隧道底鼓量只有未处理段的5％ 一20％I s]，
且隧道整体结构稳定，可见该方法对于隧道底鼓的
控制效果良好。
图7 底板加固设计布置图
Figure 7 Layout of tunnel floor consolidation
5 结论
① 武都西隧道发生底鼓的主要原因在于力学
及物理方面。在高地应力作用下，仰拱部位的软弱
围岩受到较大挤压应力，形成挤压流动性底鼓；同
时，隧道围岩中所含的绿泥岩、伊利石等矿物成分具
有遇水膨胀性，在地下水反复循环作用下，导致仰拱
发生膨胀性底鼓。
② 假定隧道底板为薄板结构，将其受力问题简
化为平面应力问题，进而根据薄板临界平衡理论可
得其压曲微分方程，解得隧道底板产生压曲破坏时
的临界荷载表达式，从而可对隧道底板稳定性进行
理论分析，同时为采取隧道底鼓防治措施提供了理
论依据。
③ 采用“可让式支护+锚注加固”的综合防治
措施，不仅在一定程度上释放了围岩压力，而且加强
了隧道底板围岩强度，有效的控制了隧道底鼓。
④ 通过对高地应力软弱围岩隧道底鼓机理进
行分析，全面认识了基底变形破坏机制，提出了隧道
底鼓的综合防治措施，经过现场测试的验证，隧道底
鼓得到有效控制，隧道结构整体稳定。
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(上接第l l4页)
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