临界坡降对隧道影响（高速公路上跨斜桥阴影效应的调控方法研究）

李飞林 尹香港 杜志刚 陈莹广西壮族自治区高速公路发展中心 武汉理工大学交通与物流工程学院

摘 要：为了改进高速公路上跨斜交桥梁在桥下产生的阴影效应的调控方法，从视觉参照系的角度对桥下视觉环境进行分析，建立基于驾驶人因的交通安全评价指标，并提出改进思路，即将桥下道路分为识别段、接近段、桥下段、驶离段，通过在路上设置醒目的限高架，路侧设置多频率、多尺寸的视线诱导系统，实现桥下弱视觉参照系增强和斜视觉参照系矫正，并根据道路设计速度、桥梁宽度及斜交角，确定阴影效应的调控方法。将改进后的交通工程设施应用到实际案例，结果表明高速公路桥下道路交通安全等级显著提升，证明了优化方法的有效性。

关键词：斜交桥梁;阴影效应;视觉参照系;视觉舒适性;

基金：国家自然科学基金项目,项目编号52072291;

高速公路设置上跨桥梁将不同线路的流量进行分离，是缓解道路节点交通供需矛盾、提升交通安全的一种常见手段。上跨桥梁与下方高速公路斜交，桥下道路驾驶人视线会受到上跨桥梁斜向立面和桥墩的非对称诱导，产生方向错觉。同时，高架桥产生的桥下阴影一般长10～100 m, 易造成桥下道路驾驶人的“黑框效应”,这使得驾驶人难以及时发现阴影区内的前车或桥下路侧障碍物，容易发生车辆跑偏或追尾。

有关数据显示，在北京市1 000多座立交桥中，曾被车辆撞击的桥梁数目超过一半[1]。然而，现有的研究多集中在上跨桥梁的植物景观上[2,3]。总体而言，目前对于上跨斜交桥梁体本身景观的研究远多于桥下被交道路的交通安全问题，更缺少从驾驶人视觉需求层面来解决桥下道路行车安全[4,5]的研究。

本研究采用视觉参照系重构的方法，通过多频率、多尺寸信息组合，变桥下阴影区间斜向弱视觉参照系为正向强视觉参照系，并建立评价体系，验证其合理性。

1 桥下高速公路视觉环境分析1.1驾驶人明暗适应困难

在白天，上跨斜交桥梁的桥面和立面遮挡了大量阳光，形成桥下阴影，对桥下驾驶人产生显著的暗适应效应。另一方面，上跨桥的宽度较小，一般为10～100 m, 因此桥下阴影长度也较短，产生类似于短隧道入口的黑框效应；同时，这种阴影长度达不到设置照明的长度要求，也很难设置照明。在斜桥下使用照明设计，白天很难缓和照度过渡，夜间也无必要。

1.2桥下道路非对称诱导

上跨斜桥立面和桥下斜向墩柱，都对桥下道路驾驶人有斜向诱导效应。上跨桥梁侧面多为白色或淡黄色，侧面照度及显著性远高于桥下阴影区域；桥下斜向墩柱面积则大于路侧其余设施，因此非对称效应非常显著，这进一步引发斜桥方向错觉，容易导致桥下车辆轨迹横向偏离，车流线混乱。

1.3桥下驾驶任务重

驾驶任务泛指驾驶人从一地到另一地之间所执行的保持车距、车速以及选择路径等的任务。桥下道路前进方向上的低照度环境和诱导信息缺失，使得驾驶人很难控制车速，保持与前车车距或选择合理的行驶方向。在阴影区外的高照度环境下，诱导信息丰富。在阴影区内的低照度环境下，参照物较少，需要设置照明或反光设施来调控。因此，需要将当前路段分为若干个区段，提供连续、渐变的诱导信息，帮助驾驶人完成驾驶任务。

上述各类阴影效应的主要问题及改善思路见表1。

表1 斜桥阴影效应的主要问题及改善思路 导出到EXCEL

问题	原因	后果	改善思路
明暗适应困难	阴影区照度剧烈过渡：阴影区外照度几万勒克斯，阴影区只有几百勒克斯	视觉机能下降，难以辨识阴影区车辆、路侧障碍物，诱发追尾、撞障碍物的交通事故	阴影区设置荧光反光膜，将不可见光变为可见光，增加与阴影区的亮度对比度，便于发现前车，且不需要车灯照明
非对称诱导	空间非对称诱导：斜桥立面及桥下墩柱斜向诱导	驾驶人方向错觉，车辆斜向偏移	采用高显著性正交设施(如限高架、高杆立柱)遮挡斜交设施
驾驶任务重	诱导信息剧烈过渡：阴影区外高照度，桥下阴影区低照度，阴影区诱导信息剧烈过渡	难以辨识诱导信息，难以控制车速、保持车距	依据将斜桥影响区分区，同时设置多频、多尺度诱导信息，缓和诱导信息剧烈过渡

2 基于驾驶人因的评价指标

研究发现， 80%以上的道路交通事故的发生与驾驶人及其驾驶特性直接相关，通常是因为驾驶人发生感知、判断或操作差错造成的[6] 。驾驶人因主要由视错觉、视距以及视区3部分组成。在驾驶人进入上跨桥梁阴影的过程中，会因为阴影效应对速度、车距以及前进方向感知不明确，产生视错觉，视距视区剧烈变动，难以发现前方障碍物，进而导致交通事故的发生。驾驶人因设置原则见表2。

表2 道路驾驶人因设置原则 导出到EXCEL

分类	要求
视错觉	对速度、车距、方向的感知明确
视距	与障碍物的安全距离清晰可见
视区	前方的动态视野广度可清晰明视

本研究根据驾驶人因设置原则建立评价指标，主要从驾驶人视觉特性及视觉需求角度出发，基于交通工程设施基本属性及设置方式评价驾驶人的视距视区情况及视错觉程度，见表3。

表3 上跨斜桥对高速公路影响的人因评价指标 导出到EXCEL

类别	原则	评价标准及依据
		评价内容	A	B	C	D
视错觉	方向	正交诱导设施	门架式指路标志或限高架、路侧高杆对称诱导	路侧高杆立柱对称诱导	路侧护栏立柱对称诱导	轮廓标对称诱导
	距离	路侧高杆立柱设置间距	24～48 m	12～24 m	<12 m	无
视距	目标物高	轮廓诱导设施高度	>4 m(高杆立柱高度)	0.6～2 m(弹性交通柱高度)	0.2～0.6 m(轮廓标高度)	<0.2 m
	设施尺寸	尺寸大的设施辨识距离更远	h>4 m, R>0.1 m(高杆立柱尺寸)	h>0.6 m, R>0.05 m(弹性交通柱尺寸)	0.18×0.04 m(矩形轮廓标的尺寸)	R=0.05 m(突起路标尺寸)
视区	低位诱导	参照物重心集中在路缘高度	0.2～0.6 m(车灯高度以下)	0～0.2 m(最小目标障碍物0.2 m×0.2 m×0.2 m)	0.6～1.2 m(水平视线高度以下)	>1.2 m(水平视线之上)

注： 轮廓诱导设施高度：大货车遮挡高度(>4 m)、小汽车遮挡高度(>2 m)、小汽车车灯高度(>0.6 m)。(1)视距的确认主要通过诱导设施高度及尺寸来进行评价，较高则更难被遮挡，对视距更有利。(2)通过诱导设施重心分布是否符合低位诱导原则来评价视区条件，吸引驾驶人注意当前路面信息。(3)基于视错觉控制的实验研究，将速度错觉分为4个等级：高估0～15%、高估15%以上、低估0～20%、低估20%以下，提升驾驶人速度感的小尺度高频信息(突起路标)设置满足“4 Hz>闪现率≥2 Hz”;距离错觉评价，则需要适当低估车距，分为4个等级：低估0～15%、低估15%～30%、低估30%以上，高估车距；方向错觉评价，依据对称诱导程度分为4个等级：醒目型门架、高杆立柱、护栏轮廓标组合，高杆立柱，护栏立柱，轮廓标。

3 上跨斜桥下道路交通设施改善及适用范围

本研究参照文献[7]将桥下道路分为识别段、接近段、桥下段以及驶离段，首先根据上跨斜桥高度和斜交角度，在距上跨桥梁合理位置设置限高架；其次根据车辆速度、桥梁高度以及所在地区的太阳高度角在路面、路侧设置中高频信息诱导的方式矫正非对称性。

3.1交通工程设施改善

将距上跨桥梁一定范围内的道路分为识别段、接近段、桥下段以及驶离段，见表4。

表4 桥下阴影区分段位置及作用 导出到EXCEL

分段	主要问题	改善设施	作用
识别段	视线受斜桥立面引导，易产生方向错觉	警示型限高架、护栏立柱、突起路标	限高架将上跨斜桥立面遮挡，矫正驾驶人方向错觉，迎合驾驶人对称心理
接近段	白天阳光照射有斜向阴影，与斜向桥墩共同产生斜向诱导	警示型高杆立柱、护栏立柱、突起路标	对称的警示型高杆立柱比桥墩的显著性更好，变阴影区斜向诱导为正交诱导，变前进方向弱诱导为强诱导
桥下段	桥下阴影效应，桥墩斜向诱导	警示型高杆立柱、护栏立柱、突起路标	变桥墩、桥下阴影的斜向诱导为正向诱导，确保诱导的连续性、一致性，减轻驾驶任务
驶离段	白天阳光照射有斜向阴影	护栏立柱、突起路标	确保诱导的连续性、一致性，减轻驾驶任务

3.1.1非对称改善

上跨斜交桥梁在驾驶人视网膜上呈现出不对称的形状，所以可通过合理设置交通安全设施，将斜交改成正交，如限高不小于5 m的门架式标志，用于遮挡斜桥立面，如图1所示。

图1 桥下道路分段示意 下载原图

3.1.2视觉参照系加强改善

杜志刚等[8]在研究隧道出入口安全时提出速度感、距离感、方向感分别对应高频小尺度信息、中频中等尺度信息、低频大尺度信息。这种基于视觉频率的设施可以更好地让驾驶人感知自己的速度、距离和方向，因此是本文路侧视觉改善措施的主要依据。

在桥下道路两侧设置多频率、多尺度逆反射信息，将弱视觉参照系提升为强视觉参照系。强视觉参照系主要由高杆立柱、护栏立柱(立面标记)、突起路标、路面标线等组成。利用逆反射技术，基于驾驶人视觉特征构建行车环境的视觉参照系统。在距离限高门架的一定距离前，利用地面的对称高频信息段即在地面设置的白色突起路标(以下简称突起路标),以及侧面的中高频信息段，对驾驶员视觉进行引导，减少上方斜桥桥体立面对当前道路驾驶人的影响，明确当前通行路段线形的路线走势。如图2所示，路面对称高频信息段包括道路两侧边缘对称设置的高频突起路标，设置在接近段、阴影段、桥下段以及驶离段，设置间距为6～8 m。路侧中频加高频信息段包括设有高频反光膜的路侧护栏立柱以及在护栏立柱高度以上设置的低频带反光条的高杆立柱，护栏立柱与高杆立柱设置比例为2∶1。高杆立柱位于带反光膜护栏立柱与不带反光膜护栏立柱的中间，反光膜等级均采用荧光反光膜。在限高门架前方，利用路侧的中频加高频信息段沿着与限高门架垂直的路面两侧延伸，对视觉进行引导，提升下方道路的线形的视认性。具体诱导设施见表5。

图2 高频突起路标、低频反光高杆立柱、中频反光护栏立柱 下载原图

表5 参照系重构的改善方案 导出到EXCEL

设置位置	诱导设施	反光膜色彩	设置间距/m	设置频率	设置尺寸/m	设施分布
桥梁前方	警示型限高架	黄黑	—	—	高度4.80	—
地面	突起路标	白色	8～12	高频	半径0.05	全程
路侧	护栏立柱	荧光黄绿、黑	12～24	中频	高度0.75	全程
	高杆立柱	荧光黄绿、白	24～48	低频	高度4	接近段 桥下段

注：高杆立柱个数在接近段、桥下段每侧不少于2个；“—”表示不设置。

3.1.3改善设施具体设置

根据国内常用预制混凝土箱梁、预制混凝土T梁的不同跨径结构高度，本研究中梁高取最大值2.5 m。对于梁下侧向净空高度，根据公路等级不同，高速公路桥下净空高度取5 m, 其他等级公路取4.5 m, 基于本研究改善方法的普及度是高速公路等级以下的公路，因此桥下净空取最大值5 m。最后，结合梁高和桥下净空，桥体总高度取为7.5 m。

驾驶人可以识别标志牌文字的俯视角度α为4°～8°[9]。考虑到该点设置限高架的目的是在精确识别上跨桥梁之前将其遮挡，因此角度取8°。

如图3所示，设桥体恰好被限高架遮住时驾驶员的识别距离a=27.04 m, 桥体与门架的水平距离为b,驾驶员眼睛高度c为1.2 m, 桥体高度为h,限高架高度为d,α为桥体高度点与眼睛的水平夹角，则计算公式如下。

tanα=(h-c)/b (1)

tanα=(d-c)/a (2)

图3 各分段设置点计算示意 下载原图

进而推出a=(d−1.2)/tanα,b=h−1.2tanα−aa=(d-1.2)/tanα,b=h-1.2tanα-a。计算结果见表6。考虑桥体高度，因此b取较大值17.79 m, 在距桥体17.79 m的范围内，均可清晰识别上跨桥梁。限高架要远离上跨桥梁设置，至少比8°消失区的距离要长，但是又不能距桥梁太远。因此，限高架应该在4°～8°的范围内设置。接近段以及驶离段均考虑阴影区的形成，将驶离段长度与接近段长度设置一致，使驾驶人视线具有连续性。

表6 间距随桥体高度变化 导出到EXCEL

道路设计等级	高速、一级	其他
桥体高度h/m	7.50	7.00
桥体与门架间距b/m	17.79	14.23

如图4所示，设道路宽为L,桥宽为w,桥体垂直投影与行车方向路侧夹角为β。根据三角函数得c e=(L w)/tanβ,计算结果见表7。

图4 桥下段长度计算示意 下载原图

表7 各分段起、终点及长度值 导出到EXCEL

分段或设施交通	起点	终点	长度
识别段a	-(a b)	-b	a
接近段b	-b	0	b
桥下段(c e)	0	c e	c e
驶离段g	c e	c e b	b
高杆立柱	-(a b)	0	a b
护栏立柱	-(a b)	0	a b
突起路标	-(a b)	c e b	a c e 2b

注：(1)视觉参照0点为行车方向桥梁中心线与当前道路中心线的交点；(2)行车方向为视觉参照系X轴正方向。

3.2适用范围

当物体从视野中移去时，视神经对物体的印象需要延续0.1～0.4 s的时间。人眼的这种特性被称为“眼睛的视觉暂留”。若车辆驾驶人看到前车刹车后相应刹车的反应时间是1 s, 结合道路设计速度，可得到不同速度下视线诱导设施分段的设置方法，见表8。

4 案例分析4.1系统组成

现状道路为单向两车道高速公路，设计速度为100 km/h, 路面设有单黄线、车道分界线、车道边线。系统改善后的道路设施设置方法见表9。改善后的系统(超过1s行程)由单黄线、车道边线、突起路标、路侧护栏立柱、路侧高杆立柱和限高架组成，如图5所示。

4.2系统评价

本系统变前进方向的弱视觉参照系为强视觉参照系，变斜交形成的非对称视觉参照系为对称视觉参照系，即设置限高架遮挡上跨结构物的非对称高度，设置对称的中高频带反光条立柱和对称的高频突起路标，并在路侧护栏立柱上设置反光膜。通过路面对称设置的突起路标和路侧对称设置的高杆立柱以及设有反光贴膜的护栏立柱，提升了与上跨高架道路立交下方道路的线形的视认性。为了进一步评价视线诱导系统的作用，对各等级赋予更为细致的分值，见表10。

表8 不同设计速度下视线诱导设施的设置方法 导出到EXCEL

设计速度/(km/h)	(c e)<0.1 s行程	0.1 s行程≤(c e)<0.4 s行程	0.4 s行程≤(c e)<1.0行程	1.0 s行程≤(c e)
对交通安全影响	轻微影响，无需改善	少量影响，宜改善	较为严重，应该改善	极为严重，必须改善
40	—	—	接近段 桥下段	接近段 桥下段 驶离段
60	—	桥下段	接近段 桥下段 驶离段	识别段 接近段 桥下段 驶离段
80	—	桥下段	接近段 桥下段 驶离段	识别段 接近段 桥下段 驶离段
≥100	—	桥下段	接近段 桥下段 驶离段	识别段 接近段 桥下段 驶离段

注：“—”代表无需设置。

表9 改善后设施设置方法 导出到EXCEL

设置位置	名称	设置间距/m	尺寸/m	频率	起点/m	终点/m
桥梁前方	限高架	—	高度6.00	—	-25	—
地面	突起路标	8	半径0.05	高频	-66	48
路侧	警示型护栏立柱	16	高度0.75	中频	-66	0
	警示型高杆立柱	32	高度4.00	低频	-66	0

注：上跨桥梁为双向4车道，桥宽19 m, 下方道路为双向4车道，夹角β为73°。

表10 评价体系内各等级对应分值区间 导出到EXCEL

等级	A	A-	B	B	B-	C	C	C-	D	D
分值	≥90	89～85	84～80	79～75	74～70	69～65	64～60	59～55	54～50	49～45

图5 诱导系统改善示意 下载原图

利用表3中的人因评价指标，对本系统改善前、后进行评级，结果见表11。

表11 X形立体交叉诱导系统的人因评级 导出到EXCEL

指标	评价内容	分项评级		系统评级
		改善前	改善后	改善前	改善后
视错觉	方向错觉	D	A	D	A
	距离错觉	D	A
视距	诱导设施高度	C	A	C	A
	诱导设施尺寸	C	A
视区	低位诱导	B	A	C	A
合计				C-	A

5 结语

(1)上跨斜桥下的阴影面积大，斜桥容易诱发桥下高速公路驾驶人的方向错觉，甚至导致交通事故。本研究提出了重构视觉参照系的思路，变桥下斜向弱视觉参照系为正向强视觉参照系。

(2)在驾驶人因理论方面建立评价体系，提出相应的改善措施：首先设置醒目正交限高架；其次，通过多频率、多色彩、多尺度信息组合，将道路两侧的高频突起路标与中高频立柱等诱导设施相结合，变弱视觉参照系为强视觉参照系。

(3)依据桥下阴影行程对驾驶人的影响，将交通安全分级，并将桥下道路分为识别段、接近段、桥下段以及驶离段，提出了桥下阴影不同行程时对应的改善路段及改善方法。

(4)用驾驶人因评价体系评价了优化方法的有效性，道路等级从C等级(不安全，急需改善)提升到A等级(安全状况良好),证明了交通工程设施改善提升了桥下道路的交通安全性。

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