高速公路隧道入口事故环境致因分析及对策

秦岭一号隧道交通事故发生至今，已超过1个月，作为特大公路隧道交通事故，其发生必定存在必然性，国内公路隧道入口车辆撞击洞门及洞门端墙的事故时有发生，本文分析了公路隧道入口交通事故的环境诱因：隧道内为弱视觉参照系，隧道外为强视觉参照系，公路隧道入口参照系的剧烈过渡，导致驾驶员整体方向感、局部方向感的缺失，进而诱发不良驾驶行为及交通事故。在总结国内外公路隧道入口视线诱导方法基础上，提出了高速公路隧道入口视线诱导系统设置方法。

一、公路隧道撞洞门事故多发

8月10日23时许，陕西省境内京昆高速公路安康段秦岭1号隧道（长6144m）发生一起大客车碰撞隧道洞口侧壁事故，造成36人死亡、13人受伤，引起大众广泛关注。9月6日早上6点，浙江台州G15沈海高速麻岙岭隧道（长2234m）南洞口路段一辆集装箱运输车，撞上隧道右侧的山体后，整辆车侧翻“骑”在山体上。

（a）平面布置图  

   （b）进洞前标志  

（c）隧道事故后

图1秦岭隧道事故图

（a）车道偏移      

（b）撞山体前

（c）事故后现场

图2浙江台州隧道事故图

隧道是公路交通的咽喉，不仅事故多发，而且隧道内发生交通事故后处理困难，极易造成群死群伤。公路隧道路段在造成经济损失及事故总数、受伤人数、死亡人数的比例方面均远高于普通公路路段[1]。近5年（2012-2016年）全国隧道路段发生的涉及人员伤亡的道路交通事故共2391起，造成1154人死亡、2981人受伤，直接财产损失6700.7万元，事故起数、死亡人数分别占近5年事故总数的0.24%和0.39%，平均每年发生事故478起，导致231人死亡（公安部交通科学研究所王晓燕提供），近几年公路隧道特大交通事故如表1所示。同时由于我国隧道建设与研究起步较晚，隧道事故率相较高于其他国家，如图4和表2所示。

表1 近年来公路隧道特大交通事故表

（a）威海陶家夼隧道

（b）浮图峪五号隧道

（c）瑞士9号公路隧道

图3部分公路隧道特大交通事故图

图4不同国家隧道事故率比较表

表2不同国家隧道事故率分区统计表[2]

注：①、表中隧道分区如下图4所示；

②、不同国家隧道分区存在细微差别。

图5隧道分区示意图

由表2、图4也可发现中国隧道事故率相对较高，隧道进出口事故率比隧道中部高。国外有研究表明在单向隧道事故率分布为：1区为0.36；2区为0.16；3区为0.16；4区0.1（隧道分区和事故率算法如图5和表2所示）[2]。公路隧道入口段作为事故黑点，类似的车辆撞击隧道洞门的案例较多，如图6所示。

（a）

（b）

（c） 

（d）

图6车辆撞击隧道洞门事故案例

这些车辆撞击隧道洞门事故发生时间有白天，也有夜间，多数为单车事故。不少研究者认为，公路隧道特殊的视觉环境是诱发交通事故的重要原因。隧道中部事故发生与时空隧道效应[3]有关，隧道出入口交通事故与“黑洞”效应[4]，“白洞”效应[5]有关。那么什么才是隧道黑洞效应、白洞效应？隧道路段黑洞效应及白洞效应如何作用于驾驶员？

二、隧道“黑洞”效应的环境原因

1、天体物理学中的“黑洞”定义

相对论讨论的主要是一个运动参考系过渡到另一个运动参考系。根据阿尔伯特.爱因斯坦的狭义相对论，物体速度、时间、质量与不同惯性运动参照系（以下简称为惯性参照系）相关。时空隧道是指从一个时间一个地点到另一个时间另一个地点的通道。当一个物体运动速度接近光速时，时间会减慢，空间会缩小，可以实现时空旅行。史蒂芬.霍金认为如果能够达到接近光速就可以构建时空隧道。根据爱因斯坦的广义相对论，物体速度、时间与不同非惯性运动参照系（以下简称为非惯性参照系）相关。强引力场将使局部参照系空间弯曲，形成非惯性运动参照系，并导致时间变慢，空间缩小。黑洞是广义相对论预言的一种特殊天体，其密度极大、引力很大，光子都不能逸出。史蒂芬.霍金认为：接近、进入黑洞时，也会出现空间缩小、时间变慢。

图7宇宙黑洞图

图8隧道入口黑洞图

2、公路隧道弱视觉参照系，容易诱发隧道时空隧道、黑洞/白洞效应

视觉参照系：能为观察者提供重要的视觉线索：大小，覆盖，相互位置，叠加，透视，运动视差，明暗适应，融合，立体视觉，形状，颜色，亮度，视野中的位置等，所有这些相关信息的总和，则成为视觉参照系。

车辆在公路隧道中部高速运行时（如图9（a）），由于照度低、参照物少（主要为灯具及轮廓标）、对比度低、环境单调（为典型的弱视觉参照系），驾驶员会显著低估车速、高估跟车距离；急于驶离隧道，容易诱发超速行为[6]。隧道外照度高、视觉空间广阔，景观及交通工程设施丰富，为典型的强视觉参照系。白天隧道入口即是由强视觉参照系向弱视觉参照系环境剧烈过渡的过程（如图9（b）），照度从几万勒克斯急剧减少到几百勒克斯，从开阔空间迅速缩小到隧道狭小空间，照度剧烈过渡为“黑”，空间剧烈过渡成“洞”[7]。生理上，驾驶员瞳孔迅速扩大，难以准确在视网膜上聚焦，容易产生“两眼一抹黑”的瞬时盲期，心理上，由于洞外到洞内视觉参照物也急剧减少，视敏度迅速降低，无法看清隧道内信息，即为黑洞效应；在隧道出口，驾驶员看到刺眼眩亮白洞（如图9（c）），形成白洞效应，出洞口视觉功能降低，无法准确判定车速与车距。

（a）中部“时空”隧道

（b）入口“黑洞”效应

（c）出口 “白洞”效应

图9公路隧道内视觉环境

公路隧道中弱视觉参照系环境中驾驶员的时空隧道、黑洞效应、白洞效应，视知觉表现上是对速度、距离、时间发生较大误判（隧道进口的瞬时盲期、隧道出口眩光均会降低驾驶员视敏度，从而加大这种误判程度）[7]。

3、公路隧道视觉效应实质是严重视错觉，容易诱发超速行为

视错觉就是当人或动物观察物体时，基于经验主义或不当的参照系形成的错误判断和感知。在行车过程中，如果缺乏周围参照物时，物体的深度及形状信息将会按照驾驶员认知习性予以估计，容易发生感知及判断失误，诱发视错觉。高速公路交警部门统计表明，驾驶员超速70%为速度错觉诱发，其次为距离错觉诱发[8]，因此减少速度错觉、距离错觉，将能降低超速行为，有效提升交通安全。

现有公路隧道低照度运营十分常见，交通工程设施难以发挥作用。我国中西部地区公路隧道照明“高配低用”现象普遍，低照度运营十分常见。我国公路隧道照明标准主要参照欧美照明标准，建立依据为驾驶员在照明停车视距范围内能有效视认行驶车道中心障碍物（20cm×20cm×20cm），对于交通量较小的我国中西部公路隧道相对保守，照明能耗过大（2015年我国工业用电电费为美国的3-4倍，人均收入不及美国的1/7，相对成本为美国的20-30倍）。即便经济发达的浙江省，据估算1600座公路隧道处于较好养护水平的仅在10%左右。总体而言，我国中西部公路隧道照明运营“高配低用”现象普遍存在；即开灯率较低，远低于国家规范值，牺牲了交通安全。

隧道交通工程设施难以发挥作用。高速运行时驾驶员注视点前移，难以通过速度方向盘适时准确判定车速。同时我国中西部公路隧道开灯率低（不少高速公路隧道白天开基本照明，夜间中短隧道则完全不开灯），主要依靠车辆近光灯照明，并通过环境参照物来判定车速、车距。公路隧道内低照度及低对比度也导致环境参照物难以被驾驶员发现，作用有限。

注：隧道出入口包括洞门。

三、隧道视觉参照系重构方法

1、隧道遮光设施设计

良好的隧道入口洞门遮光设施设计可以极大缓和隧道进口照度、空间的过渡，帮助车辆缓入洞，早入洞。增加驾驶员视觉适应时间，降低视觉盲期现象。如图10-图11所示。 

图10美国隧道洞门设计

（a）遮光棚式洞门 

（b）削竹式洞门

 图11国内公路隧道洞门遮光设计

2、隧道安全型视觉参照系（参照物）

根据马斯洛需求层次理论，把驾驶员的驾驶需求分为驾驶功能性需求，驾驶安全性需求，驾驶舒适性需求以及驾驶美观性需求，各层次需求分别要求提供相应的基本型/安全型/舒适型/韵律型视觉参照系。由于经济与环境条件，对于中西部高速公路隧道应以满足安全性需求为主，并构建安全型视觉参照系，主要起控制驾驶员视错觉的作用，有车距保持、车速控制、车道保持等功能，包含设施：边缘率减速标线、警告标线、轮廓标、隧道反光环等，以满足交通安全需求。

表5 安全型视觉参照系分析表

3、隧道驾驶安全感需求分析

（1）隧道驾驶员安全感分析

构建安全型视觉参照系需要对驾驶员安全感需求具体分析，考虑隧道内驾驶员事故致因多为超速、车距不足，事故形态为追尾及撞隧道侧壁，故把驾驶安全感需求分为速度感、距离感、方向感和位置感的需求[9]，并对应不同的驾驶距离和行程时间。

图12高速公路隧道驾驶员安全感示意图

（2）隧道入口方向感分析

秦岭1号公路隧道南入口交通工程设施相对较为完善，如图14所示。

（a）离洞口约200m

（b）离洞口约150m

 （c）离洞口约100m      

（d）离洞口约30m

图13秦岭1号隧道入口方向交通工程设施（事故前）

秦岭1号隧道交通事故发生时为夜间11点，洞内虽然设置了照明，但是存在以下问题：

1）整体方向感不足：隧道内高压钠灯灯光昏暗，色温低，诱导性差，为弱视觉参照；路侧多个高逆反射系数的标志牌、护栏扶手及路灯灯杆为强视觉参照；桥隧相连处宽度发生了突变，驾驶员难以准确辨识道路走向及洞门端墙，并被强视觉参照吸引，所以车辆较长时间在外侧车道行驶。

2）局部方向感不足：进洞前外侧车道与隧道相应车道并非连续渐变，低照度下驾驶员未能有效感知，洞口端墙高亮度警告标志板与当前车灯照射的路面构成了局部强视觉参照，并诱导车辆前进。

图14秦岭1号隧道入口方向感方向分析图（现状）

图15秦岭1号隧道入口方向感图（理想状况）

图16麻岙岭隧道南洞口方向感分析图（现状）

图17麻岙岭隧道南洞口方向感图（理想状态）

表7基于方向感的隧道入口交通事故分析

3、基于安全感的隧道视觉参照系重构方法

考虑到遮光设施造价高，而且在隧道建成之后难以增设，因此对于大多数已建成隧道，特别是端墙式洞门，采用视觉参照系重构主要是采用低成本的视线诱导系统（主要采用逆反射、蓄能自发光设施）来进行改善。如图18-图22所示。

图18意大利公路隧道入口视线诱导系统

 图19云南隧道入口视线诱导系统

图20浙江金华隧道入口视线诱导系统

 图21湖北秭归隧道入口视线诱导系统

（a）台湾某隧道 

（b）台湾某机场

图22采用强化玻璃猫眼道钉视线诱导系统

表8国内外公路隧道入口常用诱导系统分析

针对上述隧道诱导系统存在问题，将高速公路隧道分为接近段、入口段、过渡段、隧道中间段、出口段、驶离段等几部分进行视觉参照系重构。其中入口接近段、入口段、中间段改善如下：

1）高速公路隧道入口接近段

改善目标：

（1）提升整体方向感，确保隧道断面与道路断面的整体视觉参照连续性，并缓和参照系的剧烈过渡，降低撞隧道洞门及端墙的概率；

（2）提升局部方向感，保证驾驶员当前车道与隧道内相应车道的连续诱导，降低驾驶员变道、换道概率；

（3）确保交通工程设施的合理的逆反射系数与诱导性：在隧道入口前照明停车视距范围，逆反射系数与诱导性排列顺序为洞内反光环>洞门装饰>洞门外景观（洞门外景观及洞门不宜太炫而过多吸引驾驶员注意）；

（4）保障驾驶员的合理的心理反应，使其保持一点点紧张、兴奋与期待，确保驾驶员快速安全通过隧道。

改善方法：

（1）通过增加洞内局部亮度及对比度来提升提升整体方向感，如洞门环形黄黑立面标记线、洞口内连续的3道反光环（大角度反光膜），洞外护栏立柱设置反光条/反光立面标记。

（2）在隧道入口前3-4s行程（洞内/洞外）范围道路边线及道路中心线均设连续猫眼道钉（推荐太阳能猫眼道钉），增强车道诱导性，强化局部方向感。

2）公路隧道入口段

改善目标：提高隧道内局部交通信息的亮度与对比度，增强隧道内的弱视觉参照系，缓和隧道入口视觉参照系的剧烈过渡。

改善方法：在隧道出入口段设置逆反射标线组合的方案，由多频多尺寸多形状的信息组合。1）高频视觉信息：路缘LED轮廓标、猫眼道钉（推荐太阳能猫眼道钉，间距5～13m，提升速度感）；2）中频视觉信息：侧墙应急诱导灯、隧道反光环（间距20～50m，提升方向感、距离感）。

图23隧道入口段逆反射系统透视图

3）中间段

改善目标：改善隧道中部昏暗、单调的驾驶环境，增强隧道中部弱视觉参照系，满足驾驶员的速度感、距离感、方向感、位置感等需求。

改善方法：提出多频率、多尺寸的逆反射标线信息系统设计方法，构建高速公路隧道中间段安全视觉参照系。1）高频视觉信息：路缘LED轮廓标、猫眼道钉（间距5～13m，提升速度感）；2）中频视觉信息：侧墙应急诱导灯、反光条（间距20～50m，提升方向感、距离感）；3）低频视觉信息：反光环（间距80～200m，提升方向感、位置感）。 

图24隧道中间段逆反射系统透视图

四、结语

1）公路隧道运营过程中隧道交通安全应与结构安全并重。公路隧道主体结构属于不可逆工程，设计使用寿命100年，运营中结构安全是重中之重，是做各种交通安全改善的基础。而公路隧道建成之后往往会存在一些缺陷，比如道路与隧道路基不同宽（隧道内硬路肩宽度不足），桥梁隧道衔接段缺乏合理过渡，对交通安全极为不利。运营过程中也往往更重视结构安全，而忽视了交通安全，随着交通量的提升，公路隧道出现的大量交通事故，特大交通事故时有发生，也体现公路隧道交通安全尚显不足。

2）隧道交通工程设施（含照明设施）作用是帮助驾驶员更好地适应公路隧道环境。传统道路致因分析中，公路隧道出入口交通事故往往归结于驾驶员因素：主要为驾驶员的无心之失（human error，如分心，视觉适应滞后等）与违规行为（violation，如疲劳驾驶，超速等）；这些与隧道入口特殊的光环境共同作用，将会大大增加交通事故发生的几率。隧道出入口交通工程设施设置往往缺少对隧道光环境下驾驶员认知反应能力的考虑，导致难以为驾驶员发现并遵守，也发挥不了相应作用。

3）隧道入口视线诱导方法尚需与被动防护、应急救援设施相结合。本文提出高速公路隧道入口诱导方法属于主动预防范畴，能有效降低驾驶人失误（human error，如分心，视觉适应滞后），缓解隧道出入口的驾驶疲劳、超速行为，但还需与被动防护（护栏、防撞垫）、隧道应急救援相结合，这样发生事故之后，也能降低事故强度及人员伤亡。

4）公路隧道交通安全改善亟需低成本理论与技术。我国公路隧道大多数分布在中西部，运营养护水平有限，公路隧道低照度运营将处于常态，因此科研及改善应立足我国公路隧道运营养护现状，讲究低成本改善方法，才更具可操作性。

5）公路隧道交通安全研究具有复杂性、长期性、交叉性。驾驶员在低照度、半封闭的公路隧道行驶，其心理生理特征及诱发因素之间定量关系？公路隧道货车比重大，客货车交通混杂，对于交通安全影响到底如何？各种不同类型隧道（短、中、长、特长、弯坡）隧道条件下驾驶员视觉心理特征情况？隧道低视线诱导水平及过渡对驾驶行为的影响？低照明水平与过渡的简单鉴定方法等还需要进一步深入研究。

总而言之，高速公路隧道是人所建，为人服务，其运营中的交通安全管理也是考验着运营管理方的耐心、恒心、慧心。重大交通事故发生后，也应广开言路，从谏如流，鼓励各方力量群策群力，献计献策，这样才有助于还原事故真相，找到合理对策，哪怕是少发生一件交通事故，少死伤一个人，也是胜造七级浮屠，功德无量的事。