李英帥，王衛(wèi)杰，王茂盛

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；2. 中國(guó)建筑第五工程局有限公司山東公司，山東 濟(jì)南 256600)

0 引 言

在城市隧道出入口處，由于亮度急劇變化而引起駕駛員視覺(jué)上的“黑白洞效應(yīng)”，會(huì)導(dǎo)致駕駛員在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法適應(yīng)，增加了交通事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。故針對(duì)駕駛員視覺(jué)特性，優(yōu)化隧道內(nèi)照明，對(duì)提升城市隧道交通安全至關(guān)重要。

國(guó)外學(xué)者對(duì)隧道照明研究開(kāi)始較早。針對(duì)隧道內(nèi)外亮度差較大問(wèn)題，從開(kāi)發(fā)智能控制系統(tǒng)[1]、研究燈具照明參數(shù)[2]、研究燈具分布情況[3]、隧道外修建遮光棚[4]或加裝隔離膜[5]以及利用陽(yáng)光增加隧道內(nèi)亮度[6]等方面著手，提出了各種提升隧道內(nèi)外亮度一致性的優(yōu)化方法。

國(guó)內(nèi)對(duì)于隧道照明的研究起步較晚。由于我國(guó)幅原遼闊，受地域環(huán)境影響較大，國(guó)內(nèi)隧道具有多樣性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，故國(guó)內(nèi)研究的切入角度更為豐富。從史玲娜等[7]等將文獻(xiàn)[8]、[9]進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)：采用文獻(xiàn)[9]的亮度計(jì)算公式可以節(jié)能40%左右，由此可見(jiàn)多樣復(fù)雜的地域環(huán)境使得國(guó)內(nèi)公路隧道照明設(shè)計(jì)難以形成統(tǒng)一定論。

針對(duì)隧道內(nèi)外亮度差較大問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者依托具體工程項(xiàng)目，從隧道各區(qū)段長(zhǎng)度及亮度關(guān)系[10-12]、駕駛員進(jìn)入隧道過(guò)程中瞳孔面積變化情況[13]、駕駛?cè)瞬煌曈X(jué)范圍[14]、入口段和過(guò)渡段布燈參數(shù)[15]、燈具不同安裝高度與安裝角度[16]等方面開(kāi)展研究，并獲得了較好的結(jié)果。

從研究現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道照明亮度設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究較多，對(duì)燈具選擇與布置研究較少。此外，研究對(duì)象多是公路隧道，較少涉及城市隧道。與公路隧道相比，城市隧道有以下特點(diǎn)：① 城市隧道半徑較??；② 夜間城市隧道洞外亮度更高；③ 城市隧道小型車(chē)輛居多?；谶@些特點(diǎn)，在進(jìn)行城市隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，在亮度設(shè)計(jì)和燈具選擇布置方面都與公路隧道不同。

在亮度設(shè)計(jì)方面，因城市隧道長(zhǎng)度較公路隧道短，且在對(duì)車(chē)輛限速方面，城市隧道要低于公路隧道，故在入口段、過(guò)渡段和出口段的亮度變化速率存在明顯不同；在燈具選擇與布置方面，因城市隧道半徑小，隧道拱頂高度低，且車(chē)輛類(lèi)型以小汽車(chē)為主，大型車(chē)輛比例遠(yuǎn)低于公路隧道，因此城市隧道照明燈具布設(shè)也不能照搬公路隧道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

筆者以南京長(zhǎng)江隧道與揚(yáng)子江隧道兩座城市隧道為例，通過(guò)駕駛員在隧道內(nèi)行駛時(shí)的視覺(jué)特性實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩個(gè)隧道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究，并結(jié)合城市隧道特點(diǎn)，從亮度和燈具布設(shè)兩個(gè)方面提出優(yōu)化建議。

1 隧道實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖遣杉煌{駛員在城市隧道行駛時(shí)，隨隧道內(nèi)外光環(huán)境變化的視覺(jué)特征參數(shù)數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)前對(duì)駕駛員訪談和問(wèn)卷調(diào)查，篩選出具有不同年齡、職業(yè)、駕齡的被試駕駛員6名，要求駕駛員具有良好視力，不戴眼鏡。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路是讓實(shí)驗(yàn)駕駛員佩戴眼動(dòng)儀，駕駛實(shí)驗(yàn)車(chē)分別在南京長(zhǎng)江隧道與揚(yáng)子江隧道往返行駛2次，采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的隧道光亮、實(shí)驗(yàn)駕駛員注視點(diǎn)、掃視幅度、掃視速度、眨眼頻率和眨眼持續(xù)時(shí)間。數(shù)據(jù)采集同步進(jìn)行，后期可分析隧道光亮參數(shù)與實(shí)驗(yàn)駕駛員視覺(jué)特征參數(shù)之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)流程如圖1；實(shí)驗(yàn)設(shè)備及用途如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及用途

實(shí)驗(yàn)路段選取南京長(zhǎng)江隧道和揚(yáng)子江隧道。兩個(gè)隧道的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)值如表2。

表2 隧道各參數(shù)指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2019年5月至8月期間的某3天，9：00至15：00，天氣晴朗，交通狀況良好、平穩(wěn)，可認(rèn)為外部實(shí)驗(yàn)條件具有較高的一致性。實(shí)驗(yàn)前，實(shí)驗(yàn)駕駛員佩戴眼動(dòng)儀，依照實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作人員發(fā)出的指令去關(guān)注標(biāo)的物，實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)駕駛員眼動(dòng)情況標(biāo)定眼動(dòng)儀參數(shù)，確定眼動(dòng)參數(shù)精確度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，駕駛員專(zhuān)心駕車(chē)，一人控制眼動(dòng)儀記錄測(cè)量，一人記錄隧道內(nèi)外照度變化。駕駛員依照其駕駛經(jīng)驗(yàn)、駕駛習(xí)慣在2個(gè)隧道內(nèi)各往返行駛2次。

2 城市隧道亮度優(yōu)化

2.1 亮度數(shù)據(jù)分析

將照度計(jì)采集的兩個(gè)隧道6次照度(單位：Lux)數(shù)據(jù)換算成影響駕駛員視覺(jué)特性的亮度(單位：cd/m2)數(shù)據(jù)。經(jīng)分析處理可知，亮度在與隧道出入口前后50 m范圍變化較大，而在隧道中間段基本不變。由于隧道內(nèi)外亮度變化較大，為減少數(shù)據(jù)波動(dòng)對(duì)亮度變化影響，以亮度的對(duì)數(shù)作為縱坐標(biāo)刻度進(jìn)行非等間距的劃分。圖2為亮度在兩個(gè)隧道入口段、中間段、出口段隨位置不同而變化情況。

對(duì)隧道亮度變化進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論：

1)隧道中間段亮度最低，長(zhǎng)江隧道中間段亮度穩(wěn)定在5 cd/m2左右，揚(yáng)子江隧道中間段亮度穩(wěn)定在3 cd/m2左右；

2)從距洞口50 m處開(kāi)始，亮度隨與洞口距離越近而逐漸增加；

3)亮度在隧道出入口處會(huì)產(chǎn)生突變，隧道洞口外亮度明顯高于隧道洞口內(nèi)亮度；

4)亮度在兩個(gè)隧道的變化趨勢(shì)相似，長(zhǎng)江隧道亮度整體高于揚(yáng)子江隧道。

2.2 駕駛?cè)苏Ｑ蹠r(shí)間分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)駕駛員在兩個(gè)隧道入口段、中間段、出口段進(jìn)行眨眼平均時(shí)間統(tǒng)計(jì)，如表3。眨眼是人類(lèi)眼睛的一種自我保護(hù)活動(dòng)，它可以讓眼睛得到休息，還能在遇到光照急劇變化時(shí)保護(hù)眼球不受傷害。眨眼時(shí)間長(zhǎng)短，可在一定程度上反映人類(lèi)眼睛的舒適程度，每次正常眨眼時(shí)間為0.2～0.4 s。

表3 眨眼平均時(shí)間統(tǒng)計(jì)

由表3可看出：在隧道出入口段，駕駛員眨眼時(shí)間明顯高于正常水平，在揚(yáng)子江隧道出入口段，駕駛員眨眼時(shí)間甚至達(dá)到0.8 s。結(jié)合隧道照明亮度變化來(lái)看，這是由于隧道內(nèi)外亮度差異大，人眼受到較強(qiáng)的明暗刺激，需通過(guò)增加眨眼時(shí)間來(lái)得到更好的休息。在隧道中間段，駕駛員眨眼時(shí)間逐漸降低，在正常范圍上下浮動(dòng)，表明駕駛員已適應(yīng)了隧道內(nèi)的光環(huán)境。

從表3還可看出：在揚(yáng)子江隧道中間段，駕駛員眨眼時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明眨眼時(shí)間波動(dòng)幅度較大，這是由于在揚(yáng)子江隧道中間段，每隔一段距離便存在一對(duì)間隔較長(zhǎng)的燈具，導(dǎo)致間隔有明顯的“黑光圈現(xiàn)象”，影響了眨眼時(shí)間變化。

將兩個(gè)隧道數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看，駕駛員在長(zhǎng)江隧道行駛時(shí)眨眼時(shí)間變化更加平緩，表明長(zhǎng)江隧道照明亮度更加合理，駕駛員適應(yīng)過(guò)程更加舒適。另外，長(zhǎng)江隧道外的遮光棚在緩解隧道出入口洞內(nèi)外亮度差異方面也起到了很大作用。

2.3 亮度優(yōu)化設(shè)計(jì)建議

根據(jù)隧道照明亮度計(jì)算規(guī)范及實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，筆者針對(duì)城市隧道亮度設(shè)計(jì)提出優(yōu)化建議。

2.3.1 減小隧道內(nèi)外亮度差

分析實(shí)驗(yàn)所得眨眼時(shí)間變化數(shù)據(jù)，可知駕駛員在隧道出入口段眨眼時(shí)間最長(zhǎng)，說(shuō)明該區(qū)域較大的亮度差異會(huì)引起駕駛員視覺(jué)上的不適感。將洞外亮度值設(shè)為L(zhǎng)20，將入口段亮度設(shè)為L(zhǎng)th，二者比值設(shè)為Ω，即Ω=L20/Lth，比值Ω與眨眼時(shí)間成正相關(guān)，即洞外亮度與出入口段亮度差距越大，駕駛員眨眼時(shí)間越長(zhǎng)，駕駛員越不舒適。因此，優(yōu)化此處照明要盡可能減少隧道內(nèi)外的亮度差，使駕駛員眨眼時(shí)間降低至0.2～0.4 s的正常范圍。

為達(dá)到這一目的有兩種思路：① 降低洞外亮度L20；② 提高出入口段亮度Lth。降低洞外亮度可通過(guò)在隧道出入口外設(shè)立遮光棚或種植常綠樹(shù)木等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)；提高出入口段亮度可通過(guò)增加燈具數(shù)量或降低布燈間距來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 降低出入口段亮度變化速率

駕駛員在入口段行駛時(shí)，隧道內(nèi)亮度逐漸降低，眨眼時(shí)間也逐漸降低，直至行駛到中間段。為了使眨眼時(shí)間能更快地降低到正常水平，應(yīng)控制入口段亮度的降低速率，使入口段亮度緩慢降低至中間段水平。可通過(guò)增加入口段長(zhǎng)度，增加亮度變化時(shí)間，或適當(dāng)提高隧道中間段亮度，降低入口段與中間段亮度差的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 城市隧道燈具布置優(yōu)化

3.1 駕駛員掃視特性分析

掃視又稱(chēng)為眼跳，關(guān)于掃視有兩個(gè)特征值：掃視幅度與掃視速度。若一次注視能收集處理較多信息，則下一次掃視的幅度將會(huì)變大；反之若一次注視只能處理有限的少量信息，則下次眼跳幅度將會(huì)變小。掃視速度則反應(yīng)了駕駛員生理活動(dòng)活躍程度，掃視速度越快說(shuō)明此刻其生理活動(dòng)越活躍，反之則說(shuō)明生理活動(dòng)越低迷。

3.1.1 掃視幅度變化分析

對(duì)兩個(gè)隧道入口段、中間段、出口段進(jìn)行掃視幅度的統(tǒng)計(jì)，如表4。

表4 掃視幅度統(tǒng)計(jì)

由表4可知：掃視幅度在隧道中間段處，均值在2.0(°)/S2左右，在出入口段，掃視幅度均值在2.1～2.5(°)/S2之間。分別對(duì)兩個(gè)隧道各區(qū)段掃視幅度做差異顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明：在揚(yáng)子江隧道行駛時(shí)，駕駛員掃視幅度在出入口段與中間段差異顯著，這是由于揚(yáng)子江隧道出入口段照度均比中間段高很多，且出入口段信息較多，駕駛員需更多地收集道路信息；而在長(zhǎng)江隧道行駛時(shí)，駕駛員在出入口段與中間段掃視幅度差異不明顯，這是由于長(zhǎng)江隧道內(nèi)外亮度差相比于揚(yáng)子江隧道較小，駕駛員在出入口段對(duì)只需較短時(shí)間就可適應(yīng)光亮強(qiáng)度變化，這說(shuō)明長(zhǎng)江隧道照明設(shè)計(jì)要優(yōu)于揚(yáng)子江隧道。

3.1.2 掃視速度變化分析

對(duì)兩個(gè)隧道入口段、中間段、出口段進(jìn)行掃視速度統(tǒng)計(jì)，如表5。

表5 掃視速度統(tǒng)計(jì)

由表5可知：掃視速度在隧道中間段處，均值位于36～40(°)/S之間，而在出入口段，均值位于40～42(°)/S之間。分別對(duì)兩個(gè)隧道各區(qū)段掃視速度做差異顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明：在揚(yáng)子江隧道入口段與中間段，駕駛員掃視速度對(duì)比差異顯著，速度平均值高了9%左右，駕駛員進(jìn)入隧道時(shí)，由明入暗，需要加快眼睛掃視速度，以獲取隧道內(nèi)部更多的信息。然而在長(zhǎng)江隧道出入口段與中間段，駕駛員掃視速度對(duì)比差異性都不顯著，說(shuō)明人眼的掃視速度在隧道出入口段與中間段之間沒(méi)有較大差異性，光亮度過(guò)渡性較好。

3.2 駕駛員注視熱點(diǎn)分析

注視點(diǎn)是指人眼看向的一片區(qū)域或某個(gè)物體。在本次實(shí)驗(yàn)中，軟件會(huì)通過(guò)小圓圈自動(dòng)標(biāo)出實(shí)驗(yàn)者的注視點(diǎn)。當(dāng)駕駛員在實(shí)驗(yàn)隧道中多次或長(zhǎng)時(shí)間看向某個(gè)區(qū)域，說(shuō)明這個(gè)區(qū)域需要引起駕駛員更多的注意。

通過(guò)駕駛員在隧道中的視覺(jué)特性實(shí)驗(yàn)，可得到駕駛員在兩個(gè)隧道行駛過(guò)程中注視點(diǎn)位置變化。以長(zhǎng)江隧道為例，駕駛員在長(zhǎng)江隧道入口段與長(zhǎng)江隧道中間段的注視熱點(diǎn)如圖3。

由兩個(gè)隧道駕駛員注視點(diǎn)分布情況可知：在隧道出入口附近，駕駛員注視點(diǎn)集中于道路中心，而在隧道中間段，駕駛員注視點(diǎn)較為分散。造成這種現(xiàn)象的主要原因是：駕駛員在出入口段需進(jìn)行明暗適應(yīng)，在適應(yīng)過(guò)程中，注視點(diǎn)相對(duì)集中，而在隧道中間段，光照度變化不大，駕駛員視覺(jué)已經(jīng)適應(yīng)，其注視點(diǎn)受道路交通狀況影響較大，需不斷關(guān)注道路交通狀況，保證行車(chē)安全。

3.3 燈具布置優(yōu)化建議

3.3.1 燈具布置方式

與公路隧道相比，城市隧道突出特點(diǎn)是隧道半徑較小，交通車(chē)輛以小客車(chē)為主，車(chē)道更寬，車(chē)道數(shù)更多。在布置城市隧道照明燈具時(shí)，需將城市隧道這些特點(diǎn)考慮進(jìn)去。

城市隧道半徑較小，隧道拱頂高度較低，若選用拱頂布置，容易使駕駛員產(chǎn)生炫目感。揚(yáng)子江隧道采用的就是拱頂布燈方式，在該隧道行駛時(shí)會(huì)有明顯的炫目感；而長(zhǎng)江隧道采用的是兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，照明亮度更加均勻，在該隧道行駛時(shí)，視覺(jué)感受相對(duì)舒適。因此，鑒于城市隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，燈具兩側(cè)布置比拱頂布置更加合適。

為降低隧道內(nèi)外亮度突變，提升隧道洞口亮度變化速率的平順性，在隧道出入口段布設(shè)增強(qiáng)照明設(shè)施。以往增強(qiáng)照明設(shè)施設(shè)置在隧道兩側(cè)，而隧道洞口太陽(yáng)光多從隧道拱頂上前方射入，導(dǎo)致隧道拱頂內(nèi)外亮度差異大，因此建議增強(qiáng)照明設(shè)施布置在隧道拱頂，以降低隧道內(nèi)外亮度差。

3.3.2 燈具布置間距

由于城市隧道半徑小于公路隧道，在城市隧道出入口段，其亮度變化速率快于公路。城市隧道出入口段燈具布置間距應(yīng)比公路隧道更小。具體方法是在出入口段基本照明燈具間安裝增強(qiáng)照明燈具，并根據(jù)洞內(nèi)外亮度差調(diào)節(jié)增強(qiáng)照明燈具的工作負(fù)荷。

文獻(xiàn)[17]給出了燈具安裝間距的建議范圍，但該范圍較為粗略，在設(shè)計(jì)燈具安裝間距時(shí)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)將不同布置間距的照明效果進(jìn)行對(duì)比，以此設(shè)計(jì)最為合適的布置間距。

4 結(jié) 論

筆者以駕駛員在城市隧道內(nèi)的眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，從亮度設(shè)計(jì)、燈具布置兩方面，結(jié)合城市隧道的特點(diǎn)提出優(yōu)化建議，其結(jié)論如下：

1)亮度設(shè)計(jì)方面，建議使用實(shí)測(cè)得到的洞外亮度來(lái)代替規(guī)范中所給的亮度標(biāo)準(zhǔn)值；另外，根據(jù)駕駛員在隧道行駛時(shí)的視覺(jué)特性分析，提出在隧道出入口設(shè)立減光棚；

2)燈具設(shè)計(jì)方面，結(jié)合城市隧道特點(diǎn)，分析適合城市隧道照明的燈具布置方式，得出了燈具兩側(cè)布置更適合城市隧道照明的結(jié)論。