公路隧道入口環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 電子與控制工程學院，陜西 西安，710064；2.長安大學 公路學院，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問題［1-2］.隧道出入口處人眼存在明暗適應的問題，通常在隧道出入口設置過渡段照明，以保證人眼在隧道入口的暗適應和出口的明適應，保證行車安全［3］.

國際照明學會（international commission on illumination，CIE）規定了公路隧道入口照明適應曲線［4］，我國公路隧道照明設計規范依據CIE 的規定，確定了隧道照明出入口的亮度指標及過渡要求.但是，經調研可得，國內大部分隧道過渡段照明燈具都存在不開或少開的現象，國外很多國家隧道不設置過渡段照明.因此，在節能減排和安全運營需求下，CIE照明適應曲線是否完全適應于實際工程，成為公路隧道明暗適應研究的關鍵問題之一.

針對隧道照明明暗適應問題，杜志剛等［5-7］利用眼動儀測定人眼明暗適應的變化，但并未從亮度指標等方面對照明問題進一步的研究和分析.龐蘊凡［8］從視覺照明的角度提出了工程照明關鍵技術參數之間的關系，但未對公路隧道照明的中間視覺進行具體研究.張青文等［9-10］提出了一種公路隧道入口照明質量檢測方法，但并未提供證據表明能夠體現人眼實際反應時間.在隧道照明節能方面，王少飛等［11］指出在我國隧道照明設計中可以降低照明指標，以達到節能目的，但未從理論和實驗方面進行明暗適應的分析和研究.

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

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

1 環境亮度安全臨界閾值提出

傳統的明暗適應建立在眼生理學的二元理論之上，暗視覺的主要是桿狀細胞起作用，明視覺是錐狀細胞起作用.這種隨環境亮度產生的2種細胞作用的變化，即人眼明暗適應的生理學基礎.現代眼生理學對2種細胞的變化規律表明：視覺適應包括化學適應和神經性適應2種［17］.這2種反應并行作用共同完成了人眼的明暗適應過程.因此，在照明研究中需要對其綜合分析.

根據照明理論，人眼的視覺范圍分為明視覺、暗視覺和中間視覺.中間視覺即為現實中人眼的適應范圍，而實際中中間視覺只是一個較寬泛的值（0.001～3cd／m2）［18-20］.根據現代眼生理學中時間總和及bloch定律［17］，反應時間與環境亮度成反比關系.環境亮度越亮，反應時間越短，當反應時間到達一個隨環境亮度變化不敏感的值時，即達到了人眼識別的中間視覺的上限.鑒此，提出環境亮度安全臨界閾值.

2 隧道環境視覺模擬實驗

構建模擬隧道環境的實驗平臺，建立暗室環境，設置動靜2種實驗模式.采用視標符號在幕布上的停留時間代替人眼視覺反應時間，以期降低被測人員實時操作時的誤差.

2.1 實驗平臺及方法

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

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

由式（1）可得，當實驗觀測距離為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.實驗中設定對比度為15%，可絕大多數的障礙物的情況［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為所求反應時間.

靜態實驗模擬環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時間.動態實驗在靜態實驗的基礎上，模擬車輛進入隧道時環境亮度的變化對人眼識別障礙物反應時間的影響.

2.2 實驗方法及過程

靜態試驗首先確定實驗室內環境亮度，設定示標符號的大小、開口方向以及與障礙物背景的對比度、停留時間等參數.實測環境亮度、屏幕亮度、示標符號大小及亮度等，以保證所需要的試驗參數，運行測試程序.

給定被測者與屏幕的距離，判斷屏幕上郎道爾環的開口方向，系統重復人眼適應到被測者作出判斷的過程，自動計算出每個測試者重復20組實驗的正確率.實驗參數設置圖形界面如圖1所示.

圖1 初始參數設置圖形界面Fig.1 Graphical interface of initial parameter settings

動態實驗在靜態實驗的基礎上，增加環境亮度的變化.實驗中控制C-bus智能照明控制器，使環境亮度在一定的時間段內變化.變化時間由隧道接近段長度和車速計算得出，實驗中取3.5s.

2.3 實驗樣本

實驗中測試人員按照我國駕駛人員身體要求隨機選擇.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.年齡構成和視力構成如圖2 和3所示.

圖2 測試人員年齡比例結構Fig.2 Proportion of testing personnels’age

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

3 結果分析

3.1 反應時間與環境亮度關系分析

實驗中共設置9種環境亮度，每種環境亮度分別設置10個反應時間.39名被測者在動靜2 種實驗模式下，共獲得7 020組實驗數據.

通過對數據的統計、整理和分析，得到了環境亮度與人眼識別時間的曲線擬合關系.靜態和動態實驗中環境亮度與反應時間對數變化關系如圖4 所示.t為反應時間，L 為環境亮度.

圖4 環境亮度與反應時間對數變化關系Fig.4 Logarithmic relationship between ambient brightness and reaction time

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

表1 動靜態實驗反應時間和環境亮度的擬合結果Tab.1 Fitting results between reaction time and ambient brightness in static and dynamic experiment

從表中可以看出，反應時間和環境亮度呈冪指數函數關系，相關系數趨近于1，表明環境亮度和人眼識別時間具有較強的相關性.

3.2 環境亮度安全臨界閾值分析

根據明暗適應的醫學原理，在較暗環境下，環境亮度與人眼識別時間成反比關系，當環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，則這個環境亮度即為基于安全識別的隧道環境亮度的臨界閾值.根據目前城市快速干道的照明標準以及國內外隧道在實際運營中隧道內照明亮度標準，實驗取0.5、1.5、5cd／m2的亮度的特征點進行人眼反應時間的分析.采用統計回歸方法，計算置信概率取95%時，不同亮度特征點處反應時間的置信區間，如表2所示.

由表2可知，按照95%的置信概率，當人眼在0.5cd／m2的環境亮度條件下時，人眼的識別時間在900ms范圍內；在環境亮度為1.5cd／m2時，識別時間在300ms內變化；環境亮度在5cd／m2以上時，實驗中發現受測者人眼已經完全進入明視覺狀態，在安全識別同時無不舒適的感覺.對于動靜實驗分析表明，當環境亮度1.5cd／m2以上時，兩者之間差異很小；在1.5cd／m2以下時，有一定差異，并且動態實驗數據離散性加大.結果符合現代醫學中相關文獻中中間視覺和暗視覺的人眼視力差異性大的規律.

根據交通工程學相關理論，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時間），偏于安全的考慮，應用中按1s考慮，可為其他因素影響留有較大的安全余度，符合隧道照明實際情況.此時基于安全識別的環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，減少照明電費支出、實現節能的目的.

表2 不同環境亮度下的反應時間Tab.2 Reaction time of different ambient brightness

4 工程應用與結果分析

4.1 工程應用

實證中分別選擇短隧道、長隧道、特長隧道一處進行實驗，驗證降低公路隧道照明指標后的效果.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）隨機抽取3d，對3個隧道進口400m（黃龍隧道較短，按150m 范圍檢測）范圍內亮度進行檢測，分析其過渡段照明.取3d數據的平均值，如表3所示.D 為所測位置與隧道入口距離.

4.2 結果分析和對比

分析工程應用中隧道實測數據，與CIE 隧道亮度適應曲線進行對比，如圖5所示.

從圖5可知，隧道進口10m 內亮度急劇下降，80m 的范圍內，環境亮度與洞外亮度關系較大，與照明設置關系不大.短隧道（黃龍隧道）、長隧道（譚壩Ⅲ隧道）、特長隧道（譚壩Ⅳ隧道）的實測數據表明，隧道進口80m 以后的范圍內，環境亮度基本在5cd／m2以內，經過近3a的運行，2012年交通量已超過1萬輛以上，照明設置可以適應隧道安全運行，與研究結論一致.

CIE隧道照明適應曲線按照我國現行規范（參考CIE-88 2004制定）標準取值.將過渡段分為3部分：1）距洞口0.5個停車視距內的亮度與洞外環境亮度（Lth）一致，2）之后0.5 個停車視距內亮度降低，線性下降至0.4倍的Lth，3）隨后進入漸變區，亮度按適應曲線Ltr＝Lth（1.9＋t）-1.4逐漸降低，直到等于洞內基本段照明亮度（Lin）.

對比可以看出，CIE曲線與實際曲線相差較大.隧道進口80 m 以后，環境亮度基本在5cd／m2以內，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，也遠大于實際應用長度和亮度變化幅度.

表3 隧道進口范圍內環境亮度實測平均值Tab.3 Average ambient brightness measured within the tunnel entrance

根據實證及前述理論分析可知，在環境亮度安全臨界閾值以上時，人眼完全可以自行調節明暗適應，沒有必要在隧道入口進行照明過渡.即現有CIE標準存在夸大駕駛員隧道入口照明需求的問題.

5 結 論

根據實驗分析及工程驗證，提出了公路隧道入口環境亮度安全臨界閾值，得出以下結論：

（1）根據現代眼生理學及實驗得出：當環境亮度為0.2～20cd／m2時，反應時間與環境亮度具有明顯的反比關系，當反應時間滿足最小安全識別時間時，即達到了隧道環境亮度安全臨界閾值.

（2）構建模擬隧道環境的實驗平臺，設置了動靜2種實驗模式，對不同受測者的實驗數據進行統計分析，根據交通工程學安全識別時間的要求，得出隧道環境亮度與人眼反應時間的關系，得到理論環境亮度安全臨界閾值為0.5cd／m2，為隧道照明指標的確定提供了依據.

（3）實際應用表明，隧道洞口80m 以內環境亮度與洞外亮度相關，80m 以后環境亮度安全臨界閾值為5cd／m2時，可以不需要設置特別的過渡照明，比CIE標準有大幅減低.

（4）本研究選擇了短、長及特長隧道進行應用驗證，自2009年5月運營至今，未出現因亮度不滿足CIE推薦指標所引起的交通事故.由于交通事故無法通過設計進行實例驗證，因此下一步的工作需進一步觀測和分析運營數據，以進一步驗證基于安全的隧道入口亮度臨界閾值.

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