公路隧道入口環(huán)境亮度安全臨界閾值分析

鄭 晅，李 雪，丁 婷，陳建勛

（1.長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安，710064；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安，710064）

為了在安全行車的同時，降低公路隧道照明能耗，已成為隧道照明中研究的熱點(diǎn)問題［1-2］.隧道出入口處人眼存在明暗適應(yīng)的問題，通常在隧道出入口設(shè)置過渡段照明，以保證人眼在隧道入口的暗適應(yīng)和出口的明適應(yīng)，保證行車安全［3］.

國際照明學(xué)會（international commission on illumination，CIE）規(guī)定了公路隧道入口照明適應(yīng)曲線［4］，我國公路隧道照明設(shè)計規(guī)范依據(jù)CIE 的規(guī)定，確定了隧道照明出入口的亮度指標(biāo)及過渡要求.但是，經(jīng)調(diào)研可得，國內(nèi)大部分隧道過渡段照明燈具都存在不開或少開的現(xiàn)象，國外很多國家隧道不設(shè)置過渡段照明.因此，在節(jié)能減排和安全運(yùn)營需求下，CIE照明適應(yīng)曲線是否完全適應(yīng)于實(shí)際工程，成為公路隧道明暗適應(yīng)研究的關(guān)鍵問題之一.

針對隧道照明明暗適應(yīng)問題，杜志剛等［5-7］利用眼動儀測定人眼明暗適應(yīng)的變化，但并未從亮度指標(biāo)等方面對照明問題進(jìn)一步的研究和分析.龐蘊(yùn)凡［8］從視覺照明的角度提出了工程照明關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系，但未對公路隧道照明的中間視覺進(jìn)行具體研究.張青文等［9-10］提出了一種公路隧道入口照明質(zhì)量檢測方法，但并未提供證據(jù)表明能夠體現(xiàn)人眼實(shí)際反應(yīng)時間.在隧道照明節(jié)能方面，王少飛等［11］指出在我國隧道照明設(shè)計中可以降低照明指標(biāo)，以達(dá)到節(jié)能目的，但未從理論和實(shí)驗方面進(jìn)行明暗適應(yīng)的分析和研究.

目前，主要有2種實(shí)驗方法進(jìn)行視覺和照明實(shí)驗研究：暗室利用屏幕視標(biāo)符號［12-13］和眼動儀根據(jù)人眼瞳孔變化分析視覺反應(yīng)［14］.但模擬隧道照明實(shí)驗研究中，對隧道照明環(huán)境的模擬仍較為簡單［15-16］，針對隧道照明和反應(yīng)時間的關(guān)系，還需增加動態(tài)仿真和模擬.

本文提出了隧道環(huán)境亮度的安全臨界閾值.構(gòu)建了模擬隧道環(huán)境的實(shí)驗平臺，設(shè)計了實(shí)驗測試軟件和方法；分析得到了隧道中人眼對障礙物安全識別的環(huán)境亮度臨界閾值；為隧道照明設(shè)計指標(biāo)的確定提供了理論依據(jù).

1 環(huán)境亮度安全臨界閾值提出

傳統(tǒng)的明暗適應(yīng)建立在眼生理學(xué)的二元理論之上，暗視覺的主要是桿狀細(xì)胞起作用，明視覺是錐狀細(xì)胞起作用.這種隨環(huán)境亮度產(chǎn)生的2種細(xì)胞作用的變化，即人眼明暗適應(yīng)的生理學(xué)基礎(chǔ).現(xiàn)代眼生理學(xué)對2種細(xì)胞的變化規(guī)律表明：視覺適應(yīng)包括化學(xué)適應(yīng)和神經(jīng)性適應(yīng)2種［17］.這2種反應(yīng)并行作用共同完成了人眼的明暗適應(yīng)過程.因此，在照明研究中需要對其綜合分析.

根據(jù)照明理論，人眼的視覺范圍分為明視覺、暗視覺和中間視覺.中間視覺即為現(xiàn)實(shí)中人眼的適應(yīng)范圍，而實(shí)際中中間視覺只是一個較寬泛的值（0.001～3cd／m2）［18-20］.根據(jù)現(xiàn)代眼生理學(xué)中時間總和及bloch定律［17］，反應(yīng)時間與環(huán)境亮度成反比關(guān)系.環(huán)境亮度越亮，反應(yīng)時間越短，當(dāng)反應(yīng)時間到達(dá)一個隨環(huán)境亮度變化不敏感的值時，即達(dá)到了人眼識別的中間視覺的上限.鑒此，提出環(huán)境亮度安全臨界閾值.

2 隧道環(huán)境視覺模擬實(shí)驗

構(gòu)建模擬隧道環(huán)境的實(shí)驗平臺，建立暗室環(huán)境，設(shè)置動靜2種實(shí)驗?zāi)Ｊ?采用視標(biāo)符號在幕布上的停留時間代替人眼視覺反應(yīng)時間，以期降低被測人員實(shí)時操作時的誤差.

2.1 實(shí)驗平臺及方法

2.1.1 實(shí)驗環(huán)境搭建 搭建暗室環(huán)境，模擬駕駛員對路面障礙物的識別反應(yīng).暗室采用灰色絨面遮光布進(jìn)行鋪裝，絨布反射率參考以黑色瀝青路面的反射率［3］，可保證實(shí)驗環(huán)境與實(shí)際隧道照明環(huán)境一致，且環(huán)境亮度可調(diào).暗室內(nèi)設(shè)投影及屏幕，自主開發(fā)投影程序，用于控制室內(nèi)照明，并進(jìn)行障礙物識別模擬.照明采用自主研發(fā)C-bus總線調(diào)光照明裝置，照明范圍由1 400lx直到全暗（低于0.001lx），環(huán)境亮度根據(jù)實(shí)驗要求設(shè)定.

2.1.2 實(shí)驗參數(shù) 模擬障礙物大小采用郎道爾環(huán)的開口大小來表示，根據(jù)80km 車速的停車視距的定義，按110m 外10cm 的物體識別［21］.幾何關(guān)系如式（1）所示.

由式（1）可得，當(dāng)實(shí)驗觀測距離為5.5m 時，識別物體大小為0.5cm.

障礙物視覺對比度是指障礙物亮度與背景亮度的比值.對比度越大，越容易識別障礙物.實(shí)驗中設(shè)定對比度為15%，可絕大多數(shù)的障礙物的情況［8］.

式中：C1，C2分別為相鄰的2個平均正確率，t1，t2分別為相鄰2次的測試時間，t0為所求反應(yīng)時間.

靜態(tài)實(shí)驗?zāi)M環(huán)境亮度不變時人眼對障礙物的識別，得到不同亮度條件下人眼識別障礙物的反應(yīng)時間.動態(tài)實(shí)驗在靜態(tài)實(shí)驗的基礎(chǔ)上，模擬車輛進(jìn)入隧道時環(huán)境亮度的變化對人眼識別障礙物反應(yīng)時間的影響.

2.2 實(shí)驗方法及過程

靜態(tài)試驗首先確定實(shí)驗室內(nèi)環(huán)境亮度，設(shè)定示標(biāo)符號的大小、開口方向以及與障礙物背景的對比度、停留時間等參數(shù).實(shí)測環(huán)境亮度、屏幕亮度、示標(biāo)符號大小及亮度等，以保證所需要的試驗參數(shù)，運(yùn)行測試程序.

給定被測者與屏幕的距離，判斷屏幕上郎道爾環(huán)的開口方向，系統(tǒng)重復(fù)人眼適應(yīng)到被測者作出判斷的過程，自動計算出每個測試者重復(fù)20組實(shí)驗的正確率.實(shí)驗參數(shù)設(shè)置圖形界面如圖1所示.

圖1 初始參數(shù)設(shè)置圖形界面Fig.1 Graphical interface of initial parameter settings

動態(tài)實(shí)驗在靜態(tài)實(shí)驗的基礎(chǔ)上，增加環(huán)境亮度的變化.實(shí)驗中控制C-bus智能照明控制器，使環(huán)境亮度在一定的時間段內(nèi)變化.變化時間由隧道接近段長度和車速計算得出，實(shí)驗中取3.5s.

2.3 實(shí)驗樣本

實(shí)驗中測試人員按照我國駕駛?cè)藛T身體要求隨機(jī)選擇.選取被測者39名，其中男性34名，女性5名，矯正視力均在0.6（4.8）以上，年齡在20～55歲之間，身體健康.年齡構(gòu)成和視力構(gòu)成如圖2 和3所示.

圖2 測試人員年齡比例結(jié)構(gòu)Fig.2 Proportion of testing personnels’age

圖3 測試人員矯正視力（左／右）比例結(jié)構(gòu)Fig.3 Proportion of testing personnels’eyesight

3 結(jié)果分析

3.1 反應(yīng)時間與環(huán)境亮度關(guān)系分析

實(shí)驗中共設(shè)置9種環(huán)境亮度，每種環(huán)境亮度分別設(shè)置10個反應(yīng)時間.39名被測者在動靜2 種實(shí)驗?zāi)Ｊ较拢搏@得7 020組實(shí)驗數(shù)據(jù).

通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、整理和分析，得到了環(huán)境亮度與人眼識別時間的曲線擬合關(guān)系.靜態(tài)和動態(tài)實(shí)驗中環(huán)境亮度與反應(yīng)時間對數(shù)變化關(guān)系如圖4 所示.t為反應(yīng)時間，L 為環(huán)境亮度.

圖4 環(huán)境亮度與反應(yīng)時間對數(shù)變化關(guān)系Fig.4 Logarithmic relationship between ambient brightness and reaction time

從圖4中可以看出，環(huán)境亮度越大，反應(yīng)時間越短，且動靜實(shí)驗圖像趨勢一致.當(dāng)環(huán)境亮度在0.2～1.5cd／m2之間時，反應(yīng)時間受環(huán)境亮度變化的影響較大，曲線較陡，反應(yīng)時間介于150～400ms內(nèi)；當(dāng)環(huán)境亮度在1.5～5cd／m2之間時，反應(yīng)時間受環(huán)境亮度影響相對減弱，曲線較為平緩，反應(yīng)時間在介于70～150ms之間；當(dāng)環(huán)境亮度繼續(xù)增大，曲線接近平行于橫軸坐標(biāo)，反應(yīng)時間幾乎不受環(huán)境亮度的影響.擬合分析得到反應(yīng)時間和環(huán)境亮度的函數(shù)關(guān)系式，如表1所示.

表1 動靜態(tài)實(shí)驗反應(yīng)時間和環(huán)境亮度的擬合結(jié)果Tab.1 Fitting results between reaction time and ambient brightness in static and dynamic experiment

從表中可以看出，反應(yīng)時間和環(huán)境亮度呈冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)趨近于1，表明環(huán)境亮度和人眼識別時間具有較強(qiáng)的相關(guān)性.

3.2 環(huán)境亮度安全臨界閾值分析

根據(jù)明暗適應(yīng)的醫(yī)學(xué)原理，在較暗環(huán)境下，環(huán)境亮度與人眼識別時間成反比關(guān)系，當(dāng)環(huán)境亮度低于某一臨界值時，若人眼的識別時間大于安全識別時間，則這個環(huán)境亮度即為基于安全識別的隧道環(huán)境亮度的臨界閾值.根據(jù)目前城市快速干道的照明標(biāo)準(zhǔn)以及國內(nèi)外隧道在實(shí)際運(yùn)營中隧道內(nèi)照明亮度標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗取0.5、1.5、5cd／m2的亮度的特征點(diǎn)進(jìn)行人眼反應(yīng)時間的分析.采用統(tǒng)計回歸方法，計算置信概率取95%時，不同亮度特征點(diǎn)處反應(yīng)時間的置信區(qū)間，如表2所示.

由表2可知，按照95%的置信概率，當(dāng)人眼在0.5cd／m2的環(huán)境亮度條件下時，人眼的識別時間在900ms范圍內(nèi)；在環(huán)境亮度為1.5cd／m2時，識別時間在300ms內(nèi)變化；環(huán)境亮度在5cd／m2以上時，實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)受測者人眼已經(jīng)完全進(jìn)入明視覺狀態(tài)，在安全識別同時無不舒適的感覺.對于動靜實(shí)驗分析表明，當(dāng)環(huán)境亮度1.5cd／m2以上時，兩者之間差異很?。辉?.5cd／m2以下時，有一定差異，并且動態(tài)實(shí)驗數(shù)據(jù)離散性加大.結(jié)果符合現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中相關(guān)文獻(xiàn)中中間視覺和暗視覺的人眼視力差異性大的規(guī)律.

根據(jù)交通工程學(xué)相關(guān)理論，駕駛行為中的安全識別時間一般為1.2～1.5s之間（1.5s為道路工程中常用道路信息感知反應(yīng)時間），偏于安全的考慮，應(yīng)用中按1s考慮，可為其他因素影響留有較大的安全余度，符合隧道照明實(shí)際情況.此時基于安全識別的環(huán)境亮度臨界閾值可以確定為0.5cd／m2，這樣可以大幅縮減工程中照明燈具的布設(shè)，減少照明電費(fèi)支出、實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的.

表2 不同環(huán)境亮度下的反應(yīng)時間Tab.2 Reaction time of different ambient brightness

4 工程應(yīng)用與結(jié)果分析

4.1 工程應(yīng)用

實(shí)證中分別選擇短隧道、長隧道、特長隧道一處進(jìn)行實(shí)驗，驗證降低公路隧道照明指標(biāo)后的效果.這3處隧道分別為包家山隧道群的黃龍隧道（右洞長200m，左洞長250m）、譚壩Ⅲ（右洞長1 050m，左洞長959m）、譚壩Ⅳ隧道（右洞長3 050m，左洞長3 000m）.

夏季（5月份）和冬季（11月份）隨機(jī)抽取3d，對3個隧道進(jìn)口400m（黃龍隧道較短，按150m 范圍檢測）范圍內(nèi)亮度進(jìn)行檢測，分析其過渡段照明.取3d數(shù)據(jù)的平均值，如表3所示.D 為所測位置與隧道入口距離.

4.2 結(jié)果分析和對比

分析工程應(yīng)用中隧道實(shí)測數(shù)據(jù)，與CIE 隧道亮度適應(yīng)曲線進(jìn)行對比，如圖5所示.

從圖5可知，隧道進(jìn)口10m 內(nèi)亮度急劇下降，80m 的范圍內(nèi)，環(huán)境亮度與洞外亮度關(guān)系較大，與照明設(shè)置關(guān)系不大.短隧道（黃龍隧道）、長隧道（譚壩Ⅲ隧道）、特長隧道（譚壩Ⅳ隧道）的實(shí)測數(shù)據(jù)表明，隧道進(jìn)口80m 以后的范圍內(nèi)，環(huán)境亮度基本在5cd／m2以內(nèi)，經(jīng)過近3a的運(yùn)行，2012年交通量已超過1萬輛以上，照明設(shè)置可以適應(yīng)隧道安全運(yùn)行，與研究結(jié)論一致.

CIE隧道照明適應(yīng)曲線按照我國現(xiàn)行規(guī)范（參考CIE-88 2004制定）標(biāo)準(zhǔn)取值.將過渡段分為3部分：1）距洞口0.5個停車視距內(nèi)的亮度與洞外環(huán)境亮度（Lth）一致，2）之后0.5 個停車視距內(nèi)亮度降低，線性下降至0.4倍的Lth，3）隨后進(jìn)入漸變區(qū)，亮度按適應(yīng)曲線Ltr＝Lth（1.9＋t）-1.4逐漸降低，直到等于洞內(nèi)基本段照明亮度（Lin）.

對比可以看出，CIE曲線與實(shí)際曲線相差較大.隧道進(jìn)口80 m 以后，環(huán)境亮度基本在5cd／m2以內(nèi)，與CIE曲線所推薦的100～200cd／m2的取值差異較大.此外，CIE曲線所推薦的390m 過渡段長度及100cd／m2多的過渡幅度，也遠(yuǎn)大于實(shí)際應(yīng)用長度和亮度變化幅度.

表3 隧道進(jìn)口范圍內(nèi)環(huán)境亮度實(shí)測平均值Tab.3 Average ambient brightness measured within the tunnel entrance

根據(jù)實(shí)證及前述理論分析可知，在環(huán)境亮度安全臨界閾值以上時，人眼完全可以自行調(diào)節(jié)明暗適應(yīng)，沒有必要在隧道入口進(jìn)行照明過渡.即現(xiàn)有CIE標(biāo)準(zhǔn)存在夸大駕駛員隧道入口照明需求的問題.

5 結(jié) 論

根據(jù)實(shí)驗分析及工程驗證，提出了公路隧道入口環(huán)境亮度安全臨界閾值，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)現(xiàn)代眼生理學(xué)及實(shí)驗得出：當(dāng)環(huán)境亮度為0.2～20cd／m2時，反應(yīng)時間與環(huán)境亮度具有明顯的反比關(guān)系，當(dāng)反應(yīng)時間滿足最小安全識別時間時，即達(dá)到了隧道環(huán)境亮度安全臨界閾值.

（2）構(gòu)建模擬隧道環(huán)境的實(shí)驗平臺，設(shè)置了動靜2種實(shí)驗?zāi)Ｊ?，對不同受測者的實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，根據(jù)交通工程學(xué)安全識別時間的要求，得出隧道環(huán)境亮度與人眼反應(yīng)時間的關(guān)系，得到理論環(huán)境亮度安全臨界閾值為0.5cd／m2，為隧道照明指標(biāo)的確定提供了依據(jù).

（3）實(shí)際應(yīng)用表明，隧道洞口80m 以內(nèi)環(huán)境亮度與洞外亮度相關(guān)，80m 以后環(huán)境亮度安全臨界閾值為5cd／m2時，可以不需要設(shè)置特別的過渡照明，比CIE標(biāo)準(zhǔn)有大幅減低.

（4）本研究選擇了短、長及特長隧道進(jìn)行應(yīng)用驗證，自2009年5月運(yùn)營至今，未出現(xiàn)因亮度不滿足CIE推薦指標(biāo)所引起的交通事故.由于交通事故無法通過設(shè)計進(jìn)行實(shí)例驗證，因此下一步的工作需進(jìn)一步觀測和分析運(yùn)營數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步驗證基于安全的隧道入口亮度臨界閾值.

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