隧道洞口段駕駛人眼滯后特性研究

潘國兵， 牛茂欽， *， 劉 圳， 趙寧雨， 李夢城, 李華蓉， 3

(1. 重慶交通大學土木工程學院， 重慶 400074; 2. 重慶交通大學交通安全科技研究院有限公司， 重慶 400074; 3. 重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯合工程試驗室， 重慶 400074)

0 引言

隨著我國隧道建設的發展，隧道行車過程中的安全問題日益凸顯，其中隧道行車過程中亮度變化所帶來的交通安全隱患問題越來越受到重視。一些學者針對隧道行車過程中的視覺特性進行了研究： 張青文等[1]和劉英嬰等[2]對瞳孔直徑調節的變化規律進行了重點研究，指出色溫約為5 000 k且光譜分布偏向藍綠光的LED光源視覺功效最高、最適宜公路隧道過渡段照明； 胡江碧等[3]對隧道入口段照明安全閾值評價方法進行了研究，發現亮度折減系數的倒數越小，洞內外亮度差越小，人眼瞳孔變化越小，并指出在此情況下視覺不需要過渡，便可以達到舒適無緊張感。

2014年頒布的JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》，將公路隧道分為入口段、過渡段、中間段和出口段4個內部照明段，作為新的照明設計標準，更新細化了分級調光[4]。但目前對于瞳孔調節大多是研究其安全閾值及達到某一瞳孔面積時反應靈敏度上存在的安全問題[5-8]，而進入隧道所產生的不良視覺反應是視覺的一種滯后現象，對其產生原因、如何抑制等問題并未有研究涉及。本文通過試驗數據證明延遲滯后的存在，并對比分析穩定亮度條件下的瞳孔直徑和變化亮度條件下的瞳孔直徑，得到了“認知滯后”和“調節滯后”這2種滯后的出現條件，旨在為降低行車風險、提高隧道行車安全性及舒適性提供參考。

1 變化亮度下的人眼滯后特性

光感是人眼最直接的感受，進出隧道過程中，明顯改變的光線環境會直接影響駕駛員的視覺特性[9-10]。人眼瞳孔是最重要的感光成像器官，光線著落于視網膜后通過視神經與大腦視皮層區域相連來成像并接受信息[11-12]，即目標出現后光進入眼睛著落于視網膜，傳遞給大腦進行信息處理，這一過程稱為認知過程；大腦認知識別完成后對瞳孔發出信號調節瞳孔大小，通過控制進光量使人眼看清前方事物[13]，這一過程稱為調節過程。人眼對于環境亮度十分敏感，需要隨亮度變化來不斷改變瞳孔大小，控制進光量。其原理類似于照相機的光圈，可以隨光亮的強弱而增大和縮小，光線強烈的時候，把光圈開小一點，光線暗時則把光圈開大一點，始終讓足夠的光線通過光圈進入相機。該過程可以視為一種視覺功能的恢復過程，恢復期間，出現暫時的視覺功效低，無接收信息的能力，這就是“視覺滯后現象”[14-15]。駕駛員在行車過程中對事物信息的判斷分析主要依賴視覺，在隧道入口視覺范圍變窄，隧道出口視覺范圍變寬，環境變暗等原因導致視覺信息量陡增，視覺信息負荷隨之增加，大腦識別信息遲緩，調節遲緩，而視覺滯后造成駕駛員視覺模糊，甚至短暫失明，給行車帶來極大的安全隱患。

為探尋“認知滯后”和“調節滯后”現象的發生機制，本文針對變化亮度環境條件下的人員瞳孔直徑變化開展了室內模型試驗研究。

2 室內模型試驗

2.1 隧道洞內外亮度現場調研

本文首先開展了典型隧道的調研試驗。典型隧道應具有代表性，需要涵蓋常見類型的照明燈具和燈具布設等，因此選取包茂高速達州—西安段恒口隧道、獅子寨隧道、祝家渡隧道作為調研對象。利用光譜儀、亮度計等儀器，在天氣晴朗、光線強烈的條件下測定隧洞內外的環境亮度。恒口隧道采用自然光照明，其余隧道采用燈具照明。測得的環境亮度與距洞口距離數據如表1所示，并作折線圖，如圖1所示。

表1 隧道距洞口距離的亮度

注： 以隧道洞口為0點，進洞方向為“+”，出洞方向為“-”。下同。

圖1 隧道接近段、入口段亮度折線圖

Fig. 1 Brightness line chart when driver approaches to tunnel and tunnel portal section

從圖1可以看出，3個隧道的減光趨勢只是符合亮度逐漸減小的變化趨勢，并沒有完全符合人眼亮度特性，這是因為存在明顯的亮度差變化，而不是一個平緩漸變的過程。為了探尋人眼視覺特性隨亮度變化后的具體數據，本文開展了基于瞳孔直徑的視覺特性室內模擬試驗。

2.2 室內隧道模型

通過調研和實車試驗可知，車輛進出隧道時，行車環境亮度的變化速率是由行駛速度和洞內外亮度差決定的，行駛速度越快，變化速率越快。為準確模擬駕駛員在隧道行車過程中不斷變化的亮度環境，首先建立了1∶10隧道模型，采用無級調光燈具，亮度變化范圍為1～3 000 cd/m2。采用光譜輻射度計PR655進行亮度標定，眼部采集設備采用德國SMI ETG眼鏡式眼動儀，采樣頻率可達30 Hz(雙眼)，可滿足試驗精度需求。室內試驗模型如圖2所示。

圖2 公路隧道照明模擬裝置側視圖

試驗需采集變化亮度條件下的瞳孔直徑。室內模型試驗設置條件： 利用可調節照明燈具模擬隧道內部照明的亮度，由亮度L最大值3 000 cd/m2減小至最小值1 cd/m2，其分別以0(初始瞳孔直徑)、50、100、…、600 cd/m2·s的亮度變化速率逐次減小 ，模擬駕駛人由洞外亮環境進入隧道暗環境狀態的過程(下文簡稱“明-暗”過程)；穩定30 s以上，待視覺完全適應，再由1 cd/m2逐級增加至3 000 cd/m2，模擬駛出隧道的過程(下文簡稱“暗-明”過程)。到此為一個完整的試驗周期，被試者全程佩戴眼動儀。試驗過程中測試員操控眼動儀數據采集軟件，記錄試驗開始時間。

2.3 變化亮度條件下的瞳孔直徑采集

車輛進入隧道為亮度逐漸縮減的過程，駛出隧道為亮度逐漸增加的過程。因此，按照室內模型試驗設置的工況，使亮度變化速率S分別以0、50、100、…、600 cd/m2·s來變化，采集被試人員各工況下的瞳孔直徑變化數據，結果如圖3和圖4所示。

在圖3中，S較小時，瞳孔直徑d都能夠隨亮度變化及時調節，但當S增至350 cd/m2·s和600 cd/m2·s時，曲線前端趨于水平，當L降到一定值以后，平均瞳孔直徑才開始逐漸增大。同樣，在圖4中，出口段亮度變化速率約大于450 cd/m2·s 后，曲線前端逐漸趨于水平，瞳孔直徑在亮度降到一定值后才開始變化。

綜上，d與L呈反比，對比穩定亮度條件下的d，駕駛人在L逐漸變化的環境中瞳孔直徑調節存在滯后，且隨亮度變化速率增大，其越明顯。在由明到暗S約為350 cd/m2·s和由暗到明S約為450 cd/m2·s時，瞳孔直徑變化的滯后越為明顯。

3 檢驗與數據分析

為了研究亮度變化條件下人眼瞳孔直徑與亮度變化速率之間存在的規律，建立樣本區間0～50、50～100、…、550～600 cd/m2·s，計算各樣本內全亮度條件下瞳孔直徑變化量的平均值作為樣本平均數，用D表示，各區間瞳孔直徑增量均值如表2所示。通過增量的比較可知，400～450 cd/m2·s明-暗和暗-明過程相較之前變化量都存在量級差異，進一步研究需要通過數理統計分析。該樣本量較小，滿足T檢驗使用條件，樣本數據通過分位圖示法(簡稱Q-Q圖)驗證。可知，在95%置信區間下并不背離正態分布規律，且基本符合正態分布規律，如圖5所示。

3.1 T檢驗分析

根據上文D的大小情況，提取增量明顯的樣本做目標樣本，通過T檢驗檢驗其與總體樣本均數D0=0.102 930 1 mm是否存在顯著差異，結果如表3所示。計算公式如下：

圖3明-暗變化亮度環境下亮度-瞳孔直徑折線圖

Fig. 3 Line chart of pupil diameter with brightness under light-dark condition

圖4 暗-明變化亮度照明環境下亮度-瞳孔直徑折線圖

式中：A為樣本標準差，i=1,…，n；di為瞳孔直徑樣本，自由度df=n-1。

確定95%置信度的置信區間，明-暗(-0.134 048 90，-0.084 123 15)、暗-明(0.083 230 94 ，0.122 629 27)，自由度df為371，備擇假設H1為真實的總體樣本均值，在統計學上不等于目標樣本的D值，零假設H0反之，檢驗水準α=0.05，計算t值并查閱界值表，得到對應的顯著水平P值。若P<0.05，則接受H1、拒絕H0，即存在差異； 若P>0.05，反之。

由表3可看出,在明-暗樣本區間為350～400 cd/m2·s時，P=0.231 5>0.05，所以可知其他區間都存在差異，且該結論有統計學意義。為得到更加準確的結論則需進一步研究，根據數據增量程度將目標樣本進行分類劃塊形成新的目標樣本，并以目標樣本之前的樣本均值作總體樣本，減小總體樣本量，用D1表示，再次檢驗，結果如表4所示。

表2明-暗和暗-明各區間瞳孔直徑增量均值

Table 2 Mean values of pupil diameter increment of light-dark and dark-light sections

速率變化區間/(cd/m2·s)速率增量平均值D/mm明-暗暗-明0～50 -0.011 612 9030.001 290 32350～100-0.017 741 935-0.003 225 806100～1500.008 387 0970.003 225 806150～200-0.037 096 7740.015 483 871200～250-0.006 451 613-0.002 258 065250～300-0.021 612 903-0.007 741 935300～350-0.022 258 065-0.006 129 032350～400-0.093 870 9680.033 225 806400～450-0.659 032 2580.219 677 419450～500-0.155 483 8710.275 806 452500～550-0.163 870 9680.266 451 613550～600-0.128 387 0970.439 354 839

圖5 分位圖示法檢驗數據符合正態分布

表4 目標樣本均值與其前半部分所有樣本的均值差異性檢驗

由表4可知，樣本區間為450～600 cd/m2·s時，樣本均值接受H0，其他目標樣本P<0.05，拒絕H0，接受H1,統計顯著。因此，對于明-暗過程存在閾值350 cd/m2·s和400 cd/m2·s；對于暗-明過程存在閾值350、400、500 cd/m2·s。

3.2 滯后特性分析

對比分析后再統計瞳孔直徑開始變化的時間，可得出各變化亮度條件下人眼的滯后時間，如表5所示。

在明-暗400 cd/m2·s≤S≤ 600 cd/m2·s和暗-明500 cd/m2·s≤S≤ 600 cd/m2·s情況下，當亮度達到預設最終亮度時，在明-暗S=400 cd/m2·s的情況以下，只出現“認知滯后”，而瞳孔調節在亮度減少約600 cd/m2后也能夠貼合穩定亮度下的亮度瞳孔直徑的曲線。但當S>450 cd/m2·s時，瞳孔直徑的調節就無法及時隨亮度變化；暗-明條件下，S=400 cd/m2·s和S>500 cd/m2·s時，瞳孔直徑調節與明-暗過程情況相似。

綜上所述，由2個原因造成滯后現象： 1)大腦對環境亮度變化認知遲鈍并對瞳孔傳輸信息的滯后，為“認知滯后”； 2)大腦無法識別，同時瞳孔調節速率無法跟隨亮度變化而造成的滯后，為“調節滯后”。明-暗情況下，“認知滯后”出現在S≥350 cd/m2·s時，“調節滯后”出現在S≥400 cd/m2·s時；暗-明情況下，“認知滯后”出現在S≥400 cd/m2·s時，“調節滯后”出現在S≥500 cd/m2·s時。只出現“認知滯后”時經大腦短暫停滯，待識別完成后瞳孔還是能夠快速調節和適應的，“調節滯后”出現時反映出比前者更長的適應恢復過程，會產生嚴重后果。因此，在實際隧道照明過程中，可以通過燈光布置、無極調光或減光構筑物等方式抑制滯后現象。

表5 認知滯后延遲時間表

4 結論與討論

本文以照明設計規范為基準，根據人眼瞳孔調節的生理機制，通過室內模擬試驗，比對穩定亮度條件下和變化亮度條件下的人眼瞳孔直徑曲線，主要結論如下：

1)當亮度變化速率S過大，出現“認知滯后”時，對行車安全有一定影響；出現“調節滯后”時，對行車安全存在嚴重影響。

2)進入隧道，S趨于350 cd/m2·s時出現“認知滯后”，當S增加到約400 cd/m2·s時，有明顯的“調節滯后”趨勢；駛出隧道，S趨于400 cd/m2·s時出現“認知滯后”，S增加到約500 cd/m2·s時有明顯的“調節滯后”趨勢。

3)為有效抑制滯后現象、提高行車安全，需要控制亮度變化速率。可采用通過減光設施延長駕駛人視覺適應時間、細化照明分級、無極調光等方法。

4)在隧道洞口段中參考以上結論，對于優化照明并抑制滯后特性、提高隧道行車安全性具有一定的作用。

本文通過室內模型試驗的方法，重點研究了環境亮度變化情況下人眼視覺滯后現象的產生機制。實驗室條件與隧道實際條件存在較大差異，下一步需結合隧道實際照明設施的應用和隧道實際情況進行研究，以便更好為隧道洞口段優化照明提供參考。