公路隧道入口段晝間照明安全可見閾值分析

杜 峰，翁 季，張青文，蔡賢云，彭 力

(1.重慶大學 建筑城規學院，重慶 400044；2.福建工程學院 建筑與城鄉規劃學院，福州 350118)

公路隧道入口段晝間照明安全可見閾值分析

杜 峰1,2，翁 季1，張青文1，蔡賢云1，彭 力1

(1.重慶大學 建筑城規學院，重慶 400044；2.福建工程學院 建筑與城鄉規劃學院，福州 350118)

根據CIE指南的相關規定，文章從對公路隧道入口段照明安全可見閾值研究的目的和重要性入手，針對多個被試者進行了視覺功效法的實驗，最終通過對反應時間數據的分析，得出了入口段安全可見閾值為15～20 cd/m2，并給出了根據色溫變化的公式。該結論可以在應急照明或檢修狀況下對公路隧道入口段照明的設計提供數據和理論支持。

隧道照明；入口段；安全可見閾值；視覺功效；反應時間

國際照明委員會在CIE 88—2004中指出：目前重點推薦研究白天和夜間照明問題，以及為適應這種內外部光線波動問題而采取的措施，還考慮了內部電源供應失效時的情況。

中國是多山國家，山區為了車輛通行方便，經常要借助開鑿隧道來實現。據預測，在未來一段時間內，中國的公路隧道將以每年300 km隧道里程的速度增加，因此，關系隧道安全的隧道照明成為研究熱點，對于各照明段亮度的研究就是其中之一。隧道照明研究的目標是在保證行駛安全的基礎上盡可能節約能源。為更好節能減排，中國對多個地市實行了“拉閘限電”政策，在此期間，河北某縣一些企事業單位、公共設施，每過3 d要面對一次長達22 h的停電煎熬。在停電期間，主要保證家庭用電和重要的公共用電，其中隧道照明用電會受到一定影響。

危蓉在研究中以可見閾值概念描述水印嵌入之后圖像的可見程度，傅翼等引入閾值增量概念分析不同布燈方式對隧道駕駛安全性影響，鄭暄等通過實驗分析隧道環境亮度安全臨界閾值，胡江碧等對隧道入口段照明安全閾值進行評價得到亮度折減系數值。以上研究均缺少與公路隧道特殊工況的結合。在研究方法方面，Nakamichi、Kabayama等人提出視覺功效法，在實驗中測試視覺功效當中的反應時間數據。Zhang、Hu等依據視覺功效法分析公路隧道照明的綜合效率，文章所研究的視覺功效包含瞳孔變化、反應時間等參數。張青文、李毅等研究了視覺功效中反應時間對于公路照明的影響，杜志剛、胡英奎等則從瞳孔變化方面對公路隧道照明進行了研究。以上研究證明了在公路隧道照明研究中運用視覺功效法的可行性。

《隧道照明設計實施細則》(JTG/T D70/2-01—2014)(以下簡稱細則)規定：公路隧道照明分為接近段、入口段、過渡段、中間段和出口段等照明段。公路隧道入口段亮度(Lth)是隧道照明設計的起點，而且根據折減系數法，Lth由隧道洞外亮度(L20)乘以系數k得到。在這里，安全可見閾值指隧道照明經過了L20的高亮度之后，在突然變化到Lth情況并保證安全的前提下，人眼剛剛可以看到小目標物時的亮度。衡量“剛剛看到”這一狀態的標準是視覺功效法中的反應時間指標，研究認定被試者在規定時間內沒有做出合適的反應(按下按鈕)即為剛剛看不到，亮度再大一些就是剛剛看到，此時的臨界亮度值即為Lth安全可見閾值。在實際駕駛過程中，這意味駕駛員沒有在必要的規定時間內做出制動、躲避危險等反應，極易出現較為嚴重的交通事故。視覺功效實驗中，隨著注視時間的增加，人眼能看清亮度差別更大的目標，即相同亮度下時間延長能發現更暗的目標，但并不保證安全。根據交通工程學的規定，這個時間要求小于0.7 s。其中駕駛員開始制動前最少需要0.4 s的知覺反應時間，產生制動效果需0.3 s的時間，共計0.7 s。

研究目的是在接近段到入口段這個亮度變化最大、暗適應問題最嚴重的照明段，找到一個保障駕駛安全的最低亮度閾值，即安全可見閾值。這個閾值的研究意義在于特殊情況下，如電力明顯不足或隧道剛剛建成時照明負荷不完善，滿足基本駕駛安全的最低閾值，保證在必要的時間內看到目標，作為公路隧道照明設計短期特殊情況下的補充。

1 實驗內容

研究采用視覺功效法，在實驗室模擬和再現公路隧道駕駛的光環境狀況，完成關于反應時間的實驗。對8位被試者進行視覺功效測試，其中男性4人(占50%)，女性4人(占50%)，年齡在20～30歲之間，被試者裸眼視力均大于0.7(小數記錄視力表)，均無色盲和色弱情況。

實驗設備：公路隧道視覺功效測試裝置、隧道洞外亮度(L20)模擬燈箱、入口段亮度(Lth)模擬燈箱、反應時間測試裝置、LED光源控制箱、BM-5A亮度計、iView-X眼動儀、分光輻射亮度計等。該實驗的平、立面圖見圖1，實驗設備見圖2。實驗選用L20燈箱為模擬太陽光的LED和熒光燈的結合，色溫為5 758～6 879 K，顯色指數75～87，而Lth為色溫分別為2 829 K、3 814 K和5 257 K的LED光源，顯色指數75.2。

圖1 公路隧道視覺功效實驗平、立面圖

圖2 公路隧道照明視覺功效模擬實驗裝置圖

實驗步驟：實驗由被試者逐一進行。先讓被試者觀察模擬L20的燈箱，設定L20為2 500～5 500 cd/m2的任意值；然后逐漸調整Lth，在調整過程中尋找“剛剛看到”狀態下對應Lth時的視標(視標尺寸0.01 m×0.01 m，視標角度選取3種，分別為-10°、0°和10°，其表面反射比為-0.2)。研究認定被試者在規定時間內沒有做出合適的反應(按下按鈕)即為剛剛看不到。最后，如果亮度再大一些剛剛可以看到并在規定時間內做出反應，則此時的臨界亮度值為Lth安全可見閾值。

實驗參數取值依據見表1。

從表1可看出，當模擬L20為5 342 cd/m2的前提下，Lth的取值為1 cd/m2時，沒有發現小目標物，而當取值為5 cd/m2和10 cd/m2時，發現小目標物的時間長于700 ms，只有到了20 cd/m2時，反應時間短于700 ms，所以該L20下Lth安全可見閾值確定為20 cd/m2。

表1 亮度對應取值實驗典型被試者數據表格

2 數據分析

通過實驗獲取的數據見表2～表4和圖3。

2.1 Lth色溫為2 829 K

從表2可以看出，在Lth色溫為2 829 K的前提下，安全可見閾值跟被試者的性別關系不大，跟年齡相關，即年齡越大，Lth安全可見閾值越大。最終得出Lth色溫為2 829 K時，Lth安全可見閾值的平均值為15 cd/m2。

表2 被試者在Lth色溫為2 829 K時的指標

2.2 Lth色溫為3 814 K

從表3可以看出，Lth安全可見閾值跟被試者的性別關系不大，跟年齡相關，即年齡越大，Lth安全可見閾值越大。最終得出Lth色溫為3 814 K時，Lth安全可見閾值的平均值為20 cd/m2。

表3 被試者在Lth色溫為3 814 K時的指標

2.3 Lth色溫為5 257 K

從表4可以看出，Lth安全可見閾值同樣跟被試者的性別關系不大，跟年齡相關，即年齡越大，Lth安全可見閾值越大。最終得出Lth色溫為5 257 K時，Lth安全可見閾值的平均值為19 cd/m2。

表4 被試者在Lth色溫為5 257 K時的指標

圖3 Lth色溫和安全可見閾值關系圖

將每種色溫下的Lth安全可見閾值綜合得到表5。

表5 不同色溫下的Lth安全可見閾值

通過對3種不同色溫(2 829 K、3 814 K和5 257 K)的安全可見閾值Lth測試數據分析，將色溫和安全可見閾值擬合，得出在二次項時二者的復相關系數R2最大，達到了1。Lth亮度安全可見閾值跟色溫T的關系式

Lth=-2×10-6·T2+0.020 9T-24.998

(1)

最終得出結論，公路隧道Lth安全可見閾值為15～20 cd/m2(不同色溫下有所區別)。

3 結 論

研究基于視覺功效法，采用反應時間指標，通過模擬進入公路隧道入口段亮度的實驗，經過數據分析，得出以下結論：

1)提出Lth安全可見閾值的概念，即在公路隧道暗適應最明顯，眼睛最難以適應的過程中，低于該閾值的情況下無法完成安全駕駛中小目標識別任務，容易發生交通事故，但是在安全可見閾值情況下并非最安全，只是在特殊的情況(采用應急照明)下隧道入口段采取的一種路面亮度值。

2)可見閾值的大小跟性別關聯不大，跟年齡有一定的關聯，隨著年齡的增加，該閾值會增加。

3)Lth亮度安全可見閾值跟色溫T是二次項關系，關系式為Lth=-2×10-6·T2+0.020 9T-24.998。另外，得出了數值上的明確結論，Lth安全可見閾值在15～20 cd/m2之間(不同色溫下按照式(1)取值)。

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AnalysistoVisibleSafetyThresholdofRoadTunnelThresholdZoneDaytimeLighting

DUFeng1, 2,WENGJi1,ZHANGQingwen1,CAIXianyun1,PENGLi1

(1.Faculty of Architecture and Urban Planning,Chongqing University, Chongqing 400044,P.R.China;2.Faculty of Architecture and Urban Planning,Fujian University of Technology, Fuzhou 350118,P.R.China)

According to the stipulations of CIE guideline, the paper proceeds with the demonstration of the objective and significance of the road tunnel threshold zone visible safety threshold, through the experiments on the lab accomplishes the experiments on visual performance in allusion to many different test subjects, analyzes the data of reaction time and draws the conclusion that the visible safety threshold is 15 cd·m-2～20 cd·m-2and presents the equation according to different correlated color temperature. The conclusion can provide data and theoretical support to the road tunnel threshold zone lighting design in emergency or maintenance lighting.

tunnel lighting; threshold zone; visible safety threshold; visual performance; reaction time

2017-05-12

國家自然科學基金(51278507)；重慶市研究生科研創新項目資助(CYB16011)

杜峰(1980-)，男，副教授，博士生，主要從事建筑與城市光環境研究，(E-mail)fenghui117@163.com。