城市隧道照明優化設計研究

李英帥，王衛杰，王茂盛

(1. 南京工業大學 交通運輸工程學院，江蘇 南京 211816；2. 中國建筑第五工程局有限公司山東公司，山東 濟南 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上的“黑白洞效應”，會導致駕駛員在短時間內無法適應，增加了交通事故發生的風險。故針對駕駛員視覺特性，優化隧道內照明，對提升城市隧道交通安全至關重要。

國外學者對隧道照明研究開始較早。針對隧道內外亮度差較大問題，從開發智能控制系統[1]、研究燈具照明參數[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]以及利用陽光增加隧道內亮度[6]等方面著手，提出了各種提升隧道內外亮度一致性的優化方法。

國內對于隧道照明的研究起步較晚。由于我國幅原遼闊，受地域環境影響較大，國內隧道具有多樣性、復雜性等特點，故國內研究的切入角度更為豐富。從史玲娜等[7]等將文獻[8]、[9]進行對比研究發現：采用文獻[9]的亮度計算公式可以節能40%左右，由此可見多樣復雜的地域環境使得國內公路隧道照明設計難以形成統一定論。

針對隧道內外亮度差較大問題，國內學者依托具體工程項目，從隧道各區段長度及亮度關系[10-12]、駕駛員進入隧道過程中瞳孔面積變化情況[13]、駕駛人不同視覺范圍[14]、入口段和過渡段布燈參數[15]、燈具不同安裝高度與安裝角度[16]等方面開展研究，并獲得了較好的結果。

從研究現狀來看，國內外學者對隧道照明亮度設計及控制系統設計研究較多，對燈具選擇與布置研究較少。此外，研究對象多是公路隧道，較少涉及城市隧道。與公路隧道相比，城市隧道有以下特點：① 城市隧道半徑較小；② 夜間城市隧道洞外亮度更高；③ 城市隧道小型車輛居多。基于這些特點，在進行城市隧道照明設計時，在亮度設計和燈具選擇布置方面都與公路隧道不同。

在亮度設計方面，因城市隧道長度較公路隧道短，且在對車輛限速方面，城市隧道要低于公路隧道，故在入口段、過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，且車輛類型以小汽車為主，大型車輛比例遠低于公路隧道，因此城市隧道照明燈具布設也不能照搬公路隧道相關標準。

筆者以南京長江隧道與揚子江隧道兩座城市隧道為例，通過駕駛員在隧道內行駛時的視覺特性實驗，對兩個隧道實驗數據進行對比研究，并結合城市隧道特點，從亮度和燈具布設兩個方面提出優化建議。

1 隧道實驗

1.1 實驗設計

本實驗目的是采集不同駕駛員在城市隧道行駛時，隨隧道內外光環境變化的視覺特征參數數據。經實驗前對駕駛員訪談和問卷調查，篩選出具有不同年齡、職業、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。

實驗設計思路是讓實驗駕駛員佩戴眼動儀，駕駛實驗車分別在南京長江隧道與揚子江隧道往返行駛2次，采集實驗過程中的隧道光亮、實驗駕駛員注視點、掃視幅度、掃視速度、眨眼頻率和眨眼持續時間。數據采集同步進行，后期可分析隧道光亮參數與實驗駕駛員視覺特征參數之間的關系。實驗流程如圖1；實驗設備及用途如表1。

表1 實驗設備及用途

實驗路段選取南京長江隧道和揚子江隧道。兩個隧道的各項參數指標值如表2。

表2 隧道各參數指標

1.2 實驗過程

實驗時間為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，可認為外部實驗條件具有較高的一致性。實驗前，實驗駕駛員佩戴眼動儀，依照實驗設備操作人員發出的指令去關注標的物，實驗設備操作人員根據實驗駕駛員眼動情況標定眼動儀參數，確定眼動參數精確度。實驗過程中，駕駛員專心駕車，一人控制眼動儀記錄測量，一人記錄隧道內外照度變化。駕駛員依照其駕駛經驗、駕駛習慣在2個隧道內各往返行駛2次。

2 城市隧道亮度優化

2.1 亮度數據分析

將照度計采集的兩個隧道6次照度(單位：Lux)數據換算成影響駕駛員視覺特性的亮度(單位：cd/m2)數據。經分析處理可知，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。由于隧道內外亮度變化較大，為減少數據波動對亮度變化影響，以亮度的對數作為縱坐標刻度進行非等間距的劃分。圖2為亮度在兩個隧道入口段、中間段、出口段隨位置不同而變化情況。

對隧道亮度變化進行分析，可得到以下結論：

1)隧道中間段亮度最低，長江隧道中間段亮度穩定在5 cd/m2左右，揚子江隧道中間段亮度穩定在3 cd/m2左右；

2)從距洞口50 m處開始，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產生突變，隧道洞口外亮度明顯高于隧道洞口內亮度；

4)亮度在兩個隧道的變化趨勢相似，長江隧道亮度整體高于揚子江隧道。

2.2 駕駛人眨眼時間分析

對實驗駕駛員在兩個隧道入口段、中間段、出口段進行眨眼平均時間統計，如表3。眨眼是人類眼睛的一種自我保護活動，它可以讓眼睛得到休息，還能在遇到光照急劇變化時保護眼球不受傷害。眨眼時間長短，可在一定程度上反映人類眼睛的舒適程度，每次正常眨眼時間為0.2～0.4 s。

表3 眨眼平均時間統計

由表3可看出：在隧道出入口段，駕駛員眨眼時間明顯高于正常水平，在揚子江隧道出入口段，駕駛員眨眼時間甚至達到0.8 s。結合隧道照明亮度變化來看，這是由于隧道內外亮度差異大，人眼受到較強的明暗刺激，需通過增加眨眼時間來得到更好的休息。在隧道中間段，駕駛員眨眼時間逐漸降低，在正常范圍上下浮動，表明駕駛員已適應了隧道內的光環境。

從表3還可看出：在揚子江隧道中間段，駕駛員眨眼時間的標準差較大，說明眨眼時間波動幅度較大，這是由于在揚子江隧道中間段，每隔一段距離便存在一對間隔較長的燈具，導致間隔有明顯的“黑光圈現象”，影響了眨眼時間變化。

將兩個隧道數據對比來看，駕駛員在長江隧道行駛時眨眼時間變化更加平緩，表明長江隧道照明亮度更加合理，駕駛員適應過程更加舒適。另外，長江隧道外的遮光棚在緩解隧道出入口洞內外亮度差異方面也起到了很大作用。

2.3 亮度優化設計建議

根據隧道照明亮度計算規范及實驗分析結果，筆者針對城市隧道亮度設計提出優化建議。

2.3.1 減小隧道內外亮度差

分析實驗所得眨眼時間變化數據，可知駕駛員在隧道出入口段眨眼時間最長，說明該區域較大的亮度差異會引起駕駛員視覺上的不適感。將洞外亮度值設為L20，將入口段亮度設為Lth，二者比值設為Ω，即Ω=L20/Lth，比值Ω與眨眼時間成正相關，即洞外亮度與出入口段亮度差距越大，駕駛員眨眼時間越長，駕駛員越不舒適。因此，優化此處照明要盡可能減少隧道內外的亮度差，使駕駛員眨眼時間降低至0.2～0.4 s的正常范圍。

為達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在隧道出入口外設立遮光棚或種植常綠樹木等方法來實現；提高出入口段亮度可通過增加燈具數量或降低布燈間距來實現。

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，隧道內亮度逐漸降低，眨眼時間也逐漸降低，直至行駛到中間段。為了使眨眼時間能更快地降低到正常水平，應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。可通過增加入口段長度，增加亮度變化時間，或適當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實現。

3 城市隧道燈具布置優化

3.1 駕駛員掃視特性分析

掃視又稱為眼跳，關于掃視有兩個特征值：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變小。掃視速度則反應了駕駛員生理活動活躍程度，掃視速度越快說明此刻其生理活動越活躍，反之則說明生理活動越低迷。

3.1.1 掃視幅度變化分析

對兩個隧道入口段、中間段、出口段進行掃視幅度的統計，如表4。

表4 掃視幅度統計

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。分別對兩個隧道各區段掃視幅度做差異顯著性檢驗，結果表明：在揚子江隧道行駛時，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；而在長江隧道行駛時，駕駛員在出入口段與中間段掃視幅度差異不明顯，這是由于長江隧道內外亮度差相比于揚子江隧道較小，駕駛員在出入口段對只需較短時間就可適應光亮強度變化，這說明長江隧道照明設計要優于揚子江隧道。

3.1.2 掃視速度變化分析

對兩個隧道入口段、中間段、出口段進行掃視速度統計，如表5。

表5 掃視速度統計

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。分別對兩個隧道各區段掃視速度做差異顯著性檢驗，結果表明：在揚子江隧道入口段與中間段，駕駛員掃視速度對比差異顯著，速度平均值高了9%左右，駕駛員進入隧道時，由明入暗，需要加快眼睛掃視速度，以獲取隧道內部更多的信息。然而在長江隧道出入口段與中間段，駕駛員掃視速度對比差異性都不顯著，說明人眼的掃視速度在隧道出入口段與中間段之間沒有較大差異性，光亮度過渡性較好。

3.2 駕駛員注視熱點分析

注視點是指人眼看向的一片區域或某個物體。在本次實驗中，軟件會通過小圓圈自動標出實驗者的注視點。當駕駛員在實驗隧道中多次或長時間看向某個區域，說明這個區域需要引起駕駛員更多的注意。

通過駕駛員在隧道中的視覺特性實驗，可得到駕駛員在兩個隧道行駛過程中注視點位置變化。以長江隧道為例，駕駛員在長江隧道入口段與長江隧道中間段的注視熱點如圖3。

由兩個隧道駕駛員注視點分布情況可知：在隧道出入口附近，駕駛員注視點集中于道路中心，而在隧道中間段，駕駛員注視點較為分散。造成這種現象的主要原因是：駕駛員在出入口段需進行明暗適應，在適應過程中，注視點相對集中，而在隧道中間段，光照度變化不大，駕駛員視覺已經適應，其注視點受道路交通狀況影響較大，需不斷關注道路交通狀況，保證行車安全。

3.3 燈具布置優化建議

3.3.1 燈具布置方式

與公路隧道相比，城市隧道突出特點是隧道半徑較小，交通車輛以小客車為主，車道更寬，車道數更多。在布置城市隧道照明燈具時，需將城市隧道這些特點考慮進去。

城市隧道半徑較小，隧道拱頂高度較低，若選用拱頂布置，容易使駕駛員產生炫目感。揚子江隧道采用的就是拱頂布燈方式，在該隧道行駛時會有明顯的炫目感；而長江隧道采用的是兩側對稱布置，照明亮度更加均勻，在該隧道行駛時，視覺感受相對舒適。因此，鑒于城市隧道結構特點，燈具兩側布置比拱頂布置更加合適。

為降低隧道內外亮度突變，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增強照明設施。以往增強照明設施設置在隧道兩側，而隧道洞口太陽光多從隧道拱頂上前方射入，導致隧道拱頂內外亮度差異大，因此建議增強照明設施布置在隧道拱頂，以降低隧道內外亮度差。

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照明燈具，并根據洞內外亮度差調節增強照明燈具的工作負荷。

文獻[17]給出了燈具安裝間距的建議范圍，但該范圍較為粗略，在設計燈具安裝間距時，可通過實驗將不同布置間距的照明效果進行對比，以此設計最為合適的布置間距。

4 結 論

筆者以駕駛員在城市隧道內的眼動實驗數據為依據，從亮度設計、燈具布置兩方面，結合城市隧道的特點提出優化建議，其結論如下：

1)亮度設計方面，建議使用實測得到的洞外亮度來代替規范中所給的亮度標準值；另外，根據駕駛員在隧道行駛時的視覺特性分析，提出在隧道出入口設立減光棚；

2)燈具設計方面，結合城市隧道特點，分析適合城市隧道照明的燈具布置方式，得出了燈具兩側布置更適合城市隧道照明的結論。