摘 要

江河湖泊等水域往往将城市重要城区分隔，影响了城市路网结构的完整性。随着城市交通量的不断增长，越来越多的交通问题困扰着出行者和交通工作者，完善路网结构成为解决交通问题的一种重要方式。由于水下隧道施工技术日渐成熟，许多城市都开始修筑城市水下隧道以缓解交通拥堵。但考虑提高道路通行能力的同时，隧道相关的安全问题也不容忽视。城市水下隧道出入口存在线形、坡度、两侧环境等的变化，引道视线诱导系统设施的建立能够合理诱导驾驶员视线、帮助驾驶员快速明确道路线形、改善驾驶员的视错觉、提高安全性。

本文首先介绍了城市水下隧道出入口引道的特性，根据隧道交通事故的特征进行了隧道段交通事故的致因分析，明确了本文设计的重点。

接着以已有研究及规范为基础，介绍了相关路面及侧墙的视线诱导设施的特点及作用，由此提出了两个出入口引道视线诱导改善方案。两个方案的路面设计均为由突起路标、减速标线组成，而侧壁设计各不相同。方案一的侧壁改善方案由立面标记、线形诱导标、腰带线、大小箭头组合而成；方案二的侧壁改善方案为立面标记、小箭头与轮廓标的组合。另外提出侧壁仅有立面标记的方案三作为空白对比方案。

最后通过3ds Max仿真软件制作了三个方案的仿真模型，通过E-prime平台设计了实验流程，进行了坡度及速度感知实验。结果表明：方案三的设计能够满足长度短小、结构简单的引道安全要求；侧壁方案的设计能够更好地满足驾驶人的心理需求，增强驾驶人的速度感知能力；方案一适合应用于线形复杂、事故多发的引道；方案二能够简单经济地提升引道的安全性。

关键词：城市水下隧道；出入口引道；视线诱导；侧墙图案设计

Abstract

Waters such as rivers and lakes often separate important urban areas and affect the integrity of urban road network structure. With the continuous growth of urban traffic volume, more and more traffic problems are troubling travelers and traffic workers. Improving the road network structure has become an important way to solve traffic problems. Due to the maturity of underwater tunnel construction technology, many cities have begun to build urban underwater tunnels to ease traffic pressure. However, while considering the improvement of road capacity, tunnel safety issues cannot be ignored. There are changes in line shape, slope and environment on both sides of the entrance and exit of urban underwater tunnels. The establishment of the sight guidance system of the approach can reasonably guide the driver's sight, help the driver quickly define the alignment of the road, improve the driver's visual illusion and improve safety.

This paper first introduces the characteristics of the entrance and exit approach of urban underwater tunnels, and analyzes the causes of tunnel traffic accidents by the characteristics of tunnel traffic accidents, and clarifies the key points of this paper.

Based on the existing research and specifications, this paper introduces the characteristics and functions of the line-of-sight induction facilities of the relevant road surface and side wall, and proposes two line-inducing improvement programs for the entrance and exit. Both schemes are pavement designs consisting of raised pavement markers and deceleration markers, and the sidewall design is different. The sidewall improvement scheme of the first scheme is composed of a combination of elevation marks, linear guide marks, a belt line, and arrows; the side wall improvement scheme of the second scheme is a combination of elevation marks, small arrows and delineators. In addition, Scheme 3 with only the elevation marks on the side wall is proposed as a blank comparison scheme.

Finally, the simulation model of three schemes was made by 3ds Max simulation software. The experimental process was designed by E-prime platform, and the slope and velocity perception experiments were carried out. The results show that the design of scheme 3 can meet the safety requirements of the approach road with short length and simple structure. The design of the side wall scheme can better meet the driver's psychological needs and improve the driver's speed perception ability. The first scheme is suitable for the approach with complicated alignment and frequent accidents; the second scheme can improve the safety of the approach road simply and economically.

Key Words：Urban Underwater Tunnel；Entrance and exit approach；Line of sight guidance；Side wall pattern design

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的与意义 2

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 隧道视觉研究 2

1.3.2 速度知觉研究 3

1.3.3 驾驶员需求 4

1.3.4 总结 4

1.4 主要研究内容及技术路线图 5

1.4.1 主要研究内容 5

1.4.2 技术路线图 5

第2章 出入口引道特性与交通事故致因分析 7

2.1 城市水下隧道出入口引道特性 7

2.1.1 出入口引道结构特性 7

2.1.2 出入口引道视觉特性 7

2.2 交通事故致因分析 8

2.2.1 隧道交通事故特征 8

2.2.2 隧道交通事故致因分析 9

2.3 本章小结 10

第3章 出入口引道视线诱导系统方案设计 11

3.1 视线诱导方案相关设施 11

3.1.1 路面方案设施 11

3.1.2 侧墙方案设施 12

3.2 出入口引道改善方案设计 14

3.2.1 出入口引道改善方案一 14

3.2.2 出入口引道改善方案二 17

3.2.3 出入口引道对比方案三 17

3.4 本章小结 18

第4章 仿真检验与评价 20

4.1 仿真实验模型制作 20

4.2 实验设计与操作 22

4.2.1 坡度感知实验 22

4.2.2 速度感知实验 24

4.3 实验结果分析 24

4.4 本章小结 27

第5章 结论与展望 28

5.1 研究结论 28

5.2 主要创新点 28

5.3 进一步研究展望 28

参考文献 30

致谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景

城市水下隧道具有完善路网结构、缩短行车距离、提高行车效率等优点。随着城市交通量的日益增多，拥堵成为亟待解决的一大难题，有些穿城而过的江水及城市中的湖泊分隔着城市间的重要片区，车辆需绕行很远才能到达目的地。近年来，城市水下隧道施工技术日渐成熟，许多沿海、沿江城市的水下隧道工程蓬勃发展，城市水下隧道的建设为人们出行带来了更多的方便。

以武汉市为例，它被长江与汉江一分为三，形成三镇隔江鼎立的格局。武汉中心城区有40个大小湖泊，水域面积占全市的四分之一，具有“百湖之市”的美称。由于这样的地理因素，江和湖成为了分割武汉城市路网、增大行车距离的重要因素，随着城市水下隧道的不断建成通车，一些原本被水域分隔的重要城区之间的联系加强，缓解了交通压力的同时也缩短了行车时间，更多的水下隧道工程也在逐步规划、实施中。现在武汉已经拥有了武汉长江隧道、“万里长江公铁第一隧”——武汉长江公铁隧道、水果湖隧道、东湖隧道等城市水下隧道，此外，汉口、武昌的顺江地下隧道、江南片区的东湖-南湖“两湖隧道”也在建设中。

图1.1武汉长江公铁隧道 图1.2 武汉东湖隧道

与此同时，城市水下隧道面临的相关安全隐患也不容忽视：城市水下隧道出入口存在着线形、坡度、光环境等的变化，容易产生视错觉，是隧道段的事故高发点^[1]。据统计，发生在隧道路段的事故中，追尾为发生最多的交通事故形式，占60.1%；其次是撞侧壁，占20.1%。超速为引发隧道路段交通事故的最主要的因素。有关资料显示，全国隧道路段涉及人员伤亡的道路交通事故平均每年发生约478起，导致231人死亡，其中进出口段的事故占比约60%。

城市隧道发生交通事故时的影响相比城市普通路段更大。一方面，城市隧道一般用来连接重要城区，车流量较大，由于隧道内部封闭且狭小，发生交通事故时，很容易造成二次事故和大规模的交通拥堵。另一方面，城市隧道段出现交通事故后影响范围更大，不仅会产生隧道段的拥堵，隧道段的疏散车辆及因交通事故而更改线路的车辆还可能导致周围路段及交叉口的交通问题，造成较大的经济损失。

视线诱导系统由一系列视线诱导设施组成，能够帮助驾驶员明确道路线形，提高道路交通安全性。目前，许多城市水下隧道出入口引道视线诱导设施的设计未能很好地诱导驾驶员视线，隧道出入口引道作为连接隧道段与普通道路段的道路，怎样以低成本的方式实现较好的视线诱导功能将对提升道路安全性有非常重要的意义。

1.2 研究目的与意义

1）研究目的

本文旨在对城市水下隧道出入口引道进行相关视线诱导设计，增添一系列地面及引道侧壁视线诱导设施，为行驶在引道上的驾驶员提供视觉参照。同时考虑城市周围景观美观性的要求，在不过度吸引驾驶员注意力的基础上，选择合适的设施、图案及其尺寸、设置间距等，合理诱导驾驶人视线，力求线形诱导的一致性、连续性，提高安全性。

2）研究意义

第一，运用隧道主动引导理论提高安全性。本文以主动引导为基础，建立城市水下隧道出入口引道视线诱导体系。帮助驾驶员明确路权，确保驾驶员认清隧道引道轮廓，提高驾驶员的注意力，帮助驾驶员视线向远处洞口集中，缓解由于坡道及进入隧道的紧张感，改善车速、车距判断等方面的视错觉，从而减少事故的发生。

第二，提出低成本设施优化方案且能够给予驾驶员足够信息诱导。本文通过运用突起路标、轮廓标、引道侧壁图案等低成本设施进行组合设计，建立视线诱导系统，帮助驾驶员适应引道线形、坡度、两侧环境的变化，给驾驶员提供足够的信息诱导，满足驾驶员功能性、安全性需求。

1.3 国内外研究现状

对于城市隧道的相关问题，国内外学者进行了不同程度上的研究，以下从隧道视觉研究、速度知觉研究及驾驶员需求这三个方面进行论述。

1.3.1 隧道视觉研究

在城市隧道出入口视觉研究方面，陈鹏^[2]等指出在城市中车辆由道路驶入隧道时行车环境会发生突变，对驾驶人的视觉情况产生影响从而造成事故多发，研究了驾驶员在城市隧道出入口的生理特性，分析了隧道入口障碍物视认距离的若干影响因素。

Wang Yonggang^[3]等研究了隧道入口驾驶员的视觉特性的变化，发现隧道入口更具危险性，并提出了相关建议以减少交通事故的发生。

杜志刚^[4]等在分析隧道安全问题、研究视错觉理论、应用及相关技术应用的基础上，提出建议：应以事故预防为主，可通过轮廓带、轮廓标、立面标记、突起路标等增强隧道内的视觉参照系，实现隧道出入口视觉参照系的合理过渡，减少驾驶员视错觉。

卓艳冲^[5]等通过入口行车实验表明：道路车辆数目少时，驾驶员注意力集中在下方及右方区域；道路交通拥堵时，驾驶员注视点会向上方移动及向两边扩散。

潘姝^[6]等将驾驶人注视兴趣区域划分成若干部分，运用马尔科夫链理论对驾驶人的注视稳定性及注视点转移特性进行了研究。结果表明:隧道内驾驶员更易重复注视，视觉搜索效率低。驾驶人对前近方及前远方注视更多，在入口段及出口段这种特性更为突出。

在隧道侧壁视觉研究方面，姚裔虎^[7]等通过城市隧道路段驾驶员动视点的实验,提出隧道侧墙应设置韵律感较强的图案的改善建议。

Katja^[8]等研究表明浅色隧道侧墙更有利于驾驶员视线向前集中。

宋子璇^[9]等通过测试发现正三角形的侧墙图案容易促使驾驶员加速行驶,而倒三角形的侧墙视觉刺激性较强，驾驶员更易减速行驶。

吴琼^[10]等经模拟实验发现隧道侧墙增加蓝色的图形能够缓解驾驶员超速行驶及操作失误等行为，并以图形闪现率为依据得出侧墙图形合适的尺寸及合理的设置间距。

董凯^[11]研究发现车辆行驶时驾驶员者主要依靠道路相关交通安全设施等提供的信息判断行车路线，隧道路段的很多交通事故是由于缺乏道路标识、不能提高驾驶员注意力等原因造成的。提出了使用振荡、减速、加宽等标线，突起路标、立面标记等组合以降低事故、提高交通安全的方法。

1.3.2 速度知觉研究

驾驶员的速度知觉与隧道出入口的安全性有关，为了减少危险事故的发生，驾驶员速度知觉的研究十分重要。

陈昌武^[12]等经过实验分析，提出隧道内刺激物对比度的降低及视觉边缘率低为驾驶人产生速度低估的原因，采用心理学方法分析驾驶员速度感知情况后，提出采用增加视觉刺激物且提高边缘率的低成本、低能耗的视知觉改善措施，如在隧道侧墙或路面设置方向感强、色彩鲜明的图案。

M P Manser^[13]通过实验发现驾驶员处在宽度逐渐减小的视觉模式时速度会逐渐降低，而处在宽度逐渐增大的视觉模式时速度会逐渐增加。此外，隧道侧壁纹理也具有降速效果。

杜志刚^[14]等提出视线诱导系统能够构建隧道视觉参照系，能增强隧道内对比度，缓解驾驶人视错觉，给予驾驶员安全感, 提升驾驶员的速度感知能力、方向感知能力，从而减少不良驾驶行为及交通事故的发生次数。

Wan Hongliang^[15]研究了在不同亮度水平下，高频率和高低频组合的视觉信息对速度感知和反应时间的影响机理。

史晓花^[16]等研究发现，设置高低频视觉组合信息，可降低驾驶员速度高估程度，使驾驶员能更敏感地感知速度变化且还能够有效缩短驾驶员的反应时间，减少追尾碰撞事故的发生。

1.3.3 驾驶员需求

进行视线诱导设计时，除了研究安全因素，从以人为本的角度研究驾驶人的生理心理需求也同样重要。

陈君朝^[17]等指出由于隧道特殊的运行条件，其对驾驶员的驾驶行为、视认条件、生理及心理上的感知能力都会产生影响。并且提出驾驶员在动态驾驶过程中有对隧道线形条件、行车环境的视认需求，视线诱导设施能够影响驾驶员在隧道内行驶的方向感和驾驶操作感知判断。因此要合理安排视线诱导设施的间距与设置位置。

肖赛^[18]研究发现行车过程中驾驶员的生理特性既受到隧道纵坡坡度大小的影响又受到隧道内外不同环境照度的影响。城市隧道纵坡坡度的大小与隧道内外光环境的变化对驾驶人行驶过程中的心率和速度控制能力均产生较大影响，此外，城市隧道出入口光环境照度的变化对驾驶人行驶过程中的连续注视时间、瞳孔直径大小也有显著性影响。

Heine Tobias^[19]等研究了不同程度心理负荷对驾驶任务的影响，比较三种心理负荷下的驾驶人特性，发现适宜的心理负荷对驾驶有利。

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