鄭 晅，李 雪，丁 婷，陳建勛

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

為了在安全行車的同時(shí)，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(guó)際照明學(xué)會(huì)（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(guó)公路隧道照明設(shè)計(jì)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(guó)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(guó)外很多國(guó)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(yíng)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(duì)隧道照明明暗適應(yīng)問題，杜志剛等［5-7］利用眼動(dòng)儀測(cè)定人眼明暗適應(yīng)的變化，但并未從亮度指標(biāo)等方面對(duì)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(duì)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(cè)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(shí)間.在隧道照明節(jié)能方面，王少飛等［11］指出在我國(guó)隧道照明設(shè)計(jì)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(yàn)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(yàn)方法進(jìn)行視覺和照明實(shí)驗(yàn)研究：暗室利用屏幕視標(biāo)符號(hào)［12-13］和眼動(dòng)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(yàn)研究中，對(duì)隧道照明環(huán)境的模擬仍較為簡(jiǎn)單［15-16］，針對(duì)隧道照明和反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系，還需增加動(dòng)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(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)測(cè)試軟件和方法；分析得到了隧道中人眼對(duì)障礙物安全識(shí)別的環(huán)境亮度臨界閾值；為隧道照明設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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(gè)較寬泛的值（0.001～3cd／m2）［18-20］.根據(jù)現(xiàn)代眼生理學(xué)中時(shí)間總和及bloch定律［17］，反應(yīng)時(shí)間與環(huán)境亮度成反比關(guān)系.環(huán)境亮度越亮，反應(yīng)時(shí)間越短，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間到達(dá)一個(gè)隨環(huán)境亮度變化不敏感的值時(shí)，即達(dá)到了人眼識(shí)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(yàn)

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

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及方法

2.1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建 搭建暗室環(huán)境，模擬駕駛員對(duì)路面障礙物的識(shí)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(yàn)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(shí)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(yàn)要求設(shè)定.

2.1.2 實(shí)驗(yàn)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(shí)別［21］.幾何關(guān)系如式（1）所示.

由式（1）可得，當(dāng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)距離為5.5m 時(shí)，識(shí)別物體大小為0.5cm.

障礙物視覺對(duì)比度是指障礙物亮度與背景亮度的比值.對(duì)比度越大，越容易識(shí)別障礙物.實(shí)驗(yàn)中設(shè)定對(duì)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(gè)平均正確率，t1，t2分別為相鄰2次的測(cè)試時(shí)間，t0為所求反應(yīng)時(shí)間.

靜態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境亮度不變時(shí)人眼對(duì)障礙物的識(shí)別，得到不同亮度條件下人眼識(shí)別障礙物的反應(yīng)時(shí)間.動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，模擬車輛進(jìn)入隧道時(shí)環(huán)境亮度的變化對(duì)人眼識(shí)別障礙物反應(yīng)時(shí)間的影響.

2.2 實(shí)驗(yàn)方法及過程

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

給定被測(cè)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(cè)者作出判斷的過程，自動(dòng)計(jì)算出每個(gè)測(cè)試者重復(fù)20組實(shí)驗(yàn)的正確率.實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加環(huán)境亮度的變化.實(shí)驗(yàn)中控制C-bus智能照明控制器，使環(huán)境亮度在一定的時(shí)間段內(nèi)變化.變化時(shí)間由隧道接近段長(zhǎng)度和車速計(jì)算得出，實(shí)驗(yàn)中取3.5s.

2.3 實(shí)驗(yàn)樣本

實(shí)驗(yàn)中測(cè)試人員按照我國(guó)駕駛?cè)藛T身體要求隨機(jī)選擇.選取被測(cè)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(cè)試人員年齡比例結(jié)構(gòu)Fig.2 Proportion of testing personnels’age

圖3 測(cè)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(shí)間與環(huán)境亮度關(guān)系分析

實(shí)驗(yàn)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(gè)反應(yīng)時(shí)間.39名被測(cè)者在動(dòng)靜2 種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，共獲得7 020組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

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

圖4 環(huán)境亮度與反應(yīng)時(shí)間對(duì)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(shí)間越短，且動(dòng)靜實(shí)驗(yàn)圖像趨勢(shì)一致.當(dāng)環(huán)境亮度在0.2～1.5cd／m2之間時(shí)，反應(yīng)時(shí)間受環(huán)境亮度變化的影響較大，曲線較陡，反應(yīng)時(shí)間介于150～400ms內(nèi)；當(dāng)環(huán)境亮度在1.5～5cd／m2之間時(shí)，反應(yīng)時(shí)間受環(huán)境亮度影響相對(duì)減弱，曲線較為平緩，反應(yīng)時(shí)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(shí)間幾乎不受環(huán)境亮度的影響.擬合分析得到反應(yīng)時(shí)間和環(huán)境亮度的函數(shù)關(guān)系式，如表1所示.

表1 動(dòng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)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(shí)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(shí)別時(shí)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(shí)別時(shí)間成反比關(guān)系，當(dāng)環(huán)境亮度低于某一臨界值時(shí)，若人眼的識(shí)別時(shí)間大于安全識(shí)別時(shí)間，則這個(gè)環(huán)境亮度即為基于安全識(shí)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(guó)內(nèi)外隧道在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中隧道內(nèi)照明亮度標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)取0.5、1.5、5cd／m2的亮度的特征點(diǎn)進(jìn)行人眼反應(yīng)時(shí)間的分析.采用統(tǒng)計(jì)回歸方法，計(jì)算置信概率取95%時(shí)，不同亮度特征點(diǎn)處反應(yīng)時(shí)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(shí)，人眼的識(shí)別時(shí)間在900ms范圍內(nèi)；在環(huán)境亮度為1.5cd／m2時(shí)，識(shí)別時(shí)間在300ms內(nèi)變化；環(huán)境亮度在5cd／m2以上時(shí)，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)受測(cè)者人眼已經(jīng)完全進(jìn)入明視覺狀態(tài)，在安全識(shí)別同時(shí)無不舒適的感覺.對(duì)于動(dòng)靜實(shí)驗(yàn)分析表明，當(dāng)環(huán)境亮度1.5cd／m2以上時(shí)，兩者之間差異很??；在1.5cd／m2以下時(shí)，有一定差異，并且動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)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(shí)別時(shí)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(shí)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(shí)基于安全識(shí)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(shí)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(zhǎng)隧道、特長(zhǎng)隧道一處進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(zhǎng)200m，左洞長(zhǎng)250m）、譚壩Ⅲ（右洞長(zhǎng)1 050m，左洞長(zhǎng)959m）、譚壩Ⅳ隧道（右洞長(zhǎng)3 050m，左洞長(zhǎng)3 000m）.

夏季（5月份）和冬季（11月份）隨機(jī)抽取3d，對(duì)3個(gè)隧道進(jìn)口400m（黃龍隧道較短，按150m 范圍檢測(cè)）范圍內(nèi)亮度進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)位置與隧道入口距離.

4.2 結(jié)果分析和對(duì)比

分析工程應(yīng)用中隧道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，與CIE 隧道亮度適應(yīng)曲線進(jìn)行對(duì)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(zhǎng)隧道（譚壩Ⅲ隧道）、特長(zhǎng)隧道（譚壩Ⅳ隧道）的實(shí)測(cè)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(guó)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(gè)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(gè)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(duì)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(zhǎng)度及100cd／m2多的過渡幅度，也遠(yuǎn)大于實(shí)際應(yīng)用長(zhǎng)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(cè)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(shí)，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(yàn)分析及工程驗(yàn)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(yàn)得出：當(dāng)環(huán)境亮度為0.2～20cd／m2時(shí)，反應(yīng)時(shí)間與環(huán)境亮度具有明顯的反比關(guān)系，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間滿足最小安全識(shí)別時(shí)間時(shí)，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(yàn)平臺(tái)，設(shè)置了動(dòng)靜2種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?duì)不同受測(cè)者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)交通工程學(xué)安全識(shí)別時(shí)間的要求，得出隧道環(huán)境亮度與人眼反應(yīng)時(shí)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(shí)，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(zhǎng)及特長(zhǎng)隧道進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，自2009年5月運(yùn)營(yíng)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(jì)進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，因此下一步的工作需進(jìn)一步觀測(cè)和分析運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步驗(yàn)證基于安全的隧道入口亮度臨界閾值.

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