長大隧道光環境下駕駛人信息感知表征方法研究現狀和進展

何世永，周淵濤，梁 波，杜國平

(1.重慶交通大學 省部共建山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室, 重慶 400074；2.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074；3.重慶高新區開發投資集團有限公司，重慶 401329)

0 引言

截至2018年，我國已成為世界上隧道規模最大、數量最多、發展速度最快的國家[1]。錢七虎院士在2020年中國隧道與地下工程大會上指出：“地下空間的開發、利用是人類社會和經濟實現可持續發展、建設資源節約型和環境友好型社會的重要途徑”。當前，我國隧道發展主要體現在以下3個方面：1)在我國中西部山嶺地區，目前大量新建和規劃建設的山區高速公路橋隧比在70%～80%以上，常常以連續隧道群，超長、特長隧道的形式出現；2)伴隨著城市化進程的不斷推進，我國大城市和高密度城市群的發展亟需建造大量地下快速通道；3)我國水域面積遼闊，內陸水域面積達17.47×104km2(長江、黃河、珠江等七大水系)，遼東灣、渤海灣等海灣水域面積超過0.5×104km2,大量水下隧道亟需修建[2]。大規模、多類型的隧道由“建造”轉“運營”，勢必進一步凸顯隧道運營安全、舒適和高能耗之間的矛盾。

隧道因具有特殊的半封閉管狀結構特點，自然光無法直接照射入洞內，目前國內外規范[3-5]主要采用亮度分段過渡的照明方式保障其運營交通安全。此背景下，隧道洞外自然光環境、洞內人工電氣照明環境等共同構成公路隧道運營光環境。當駕駛人駕車經過隧道光環境時，劇烈的明暗亮度過渡易導致視覺適應不及時，亮度均勻性較差又會引起感知度下降[4]，線路隧道比、隧道長度等的增加又會加大上述問題對駕駛人的影響，進而導致駕駛人視覺功效降低、視覺負荷增加以及視錯覺現象，引起駕駛疲勞或視認錯誤，進而誘發重、特大交通事故，嚴重影響隧道運營安全、節能和舒適。

赤瑞特拉的信息獲取試驗表明，視覺感知占人類信息感知的83%[6]；交通事故致因大樣本調查顯示，視覺作為人因(human factors)主導因素占事故致因比例高達92.6%[7]。因此，實現隧道運營安全、舒適、節能的關鍵在于為駕駛人提供有效、充分的視覺交通信息，而評價隧道光環境信息是否合理的關鍵在于光環境信息能否促進駕駛人駕車順利通過公路隧道。由此可見，隧道動態光環境下駕駛人視覺信息感知表征是隧道光環境設置要考慮的核心科學問題，也是人-車-隧道光環境一體化設計的關鍵問題之一。目前，國內外學者圍繞“隧道動態光環境信息感知表征方法”已開展了大量研究，在指導隧道光環境設計施工中起到重要的作用。但隨著我國隧道數量、類型等的增多，高隧道比、長時間的隧道光環境條件勢必引發更多駕駛人信息感知問題。

基于此，本文擬在《公路隧道光環境信息感知及試驗研究》[6]的基礎上，基于公路隧道光環境視覺感知信息組成，系統梳理國內外駕駛人信息感知表征方法研究進展，并結合我國隧道及地下空間建設和發展趨勢，進一步提出隧道光環境信息感知表征方法研究建議。

1 交通隧道光環境下駕駛人信息感知表征方法研究現狀

交通隧道光環境下駕駛人信息感知表征方法指：當駕駛人以一定車速駕車經過隧道，處于隧道光環境下時，一種用于表征駕駛人通過視覺獲得隧道光環境提供的交通環境信息質量的方法。當前對駕駛人視覺在交通隧道光環境下信息表征的研究大致是從駕駛人視覺辨識能力、視覺功效、視覺負荷和視錯覺4個方面展開。其中，視覺辨識能力以駕駛人主觀視亮度和目標察覺閾值為基礎參數，用以表征駕駛人的信息感知；視覺功效著重于分析駕駛人對障礙物的躲避能力，以小目標反應時間和目標丟失率作為表征駕駛人信息感知的基礎參數(視覺功效法中的小目標由20世紀的英國學者Weston引入到交通照明領域，他提出通過測試不同照度下試驗人員對不同尺寸和對比度下的視覺目標的反應速度和精度，由此被測試的視覺目標被稱為小目標)；視覺負荷則著重于駕駛人的心理、生理參數，用以反映駕駛人在行車過程中出現的視覺疲勞和心理緊張等狀態；視錯覺的研究對象為駕駛人在隧道光環境下出現的速度錯覺、線性錯覺、距離錯覺等感知錯覺。從視覺響應類別、定義、表征方式和評價指標4個方面來看，駕駛人視覺信息感知表征方法研究框架如圖1所示。

圖1 駕駛人視覺信息感知表征方法研究框架圖

視覺辨識能力對應人眼在不同光環境條件下的主觀視亮度與目標察覺閾值的比值；視覺功效對應駕駛人的小目標反應時間與小目標丟失率；視覺負荷對應駕駛人的心電、腦電、瞳孔參數等指標；視錯覺對應駕駛人在駕駛過程中的速度標準差、加速度等駕駛行為指標以及注視持續時間、注視次數等視覺特性指標。從以上評價指標的角度看，當前的駕駛人信息感知表征方法是從人因工程的角度，利用駕駛人的各類心理、生理參數對交通隧道光環境信息質量進行評價。而在具體研究中，則是對隧道光環境進行解構，采用控制變量的方法，分項研究亮度、顏色(相對色溫、光譜分布函數)、輪廓形狀、空間大小等對駕駛人心理、生理指標的影響[6]。因此，當前學界對于交通隧道下駕駛人信息感知的研究，可以理解為對隧道光環境物理量(環境亮度、顏色、輪廓形狀等)與隧道光環境下駕駛人生物量(駕駛人視覺功效、察覺閾值、心理參數、生理參數等)兩者之間相關關系的研究。

1.1 隧道光環境下駕駛人視覺辨識能力研究現狀

20世紀50年代開始，由于荷蘭學者Schreuder[8]和日本學者Narisada等[9]在駕駛人適應點與洞口距離值，即駕駛人究竟在隧道洞口什么位置開始注視或適應洞內環境的“適應距離”或“注視距離”值的選取上存在分歧[10]，導致所推薦的入口段亮度值存在較大差異。

為解決駕駛人接近—進入隧道過程中“適應距離”和“注視距離”值選取的國際性難題，20世紀80年代，加拿大學者Adrian[11-13]提出了公路隧道洞口1倍停車視距處等效光幕亮度的計算方法，即駕駛員的視亮度由視野2°范圍的中央窩亮度和視野2°范圍以外的等效雜散光亮度共同構成，駕駛員視野范圍內多個眩光源疊加產生的亮度總和構成等效光幕亮度。2004年，國際照明協會[4]從車內駕駛人視野情況出發，綜合考慮空氣中光的散射以及汽車擋風玻璃的影響，推薦察覺對比度法描述隧道洞口段視野亮度動態感知特征。隧道入口段察覺對比度計算示意見圖2，其計算公式如下：

圖2 隧道入口段察覺對比度計算示意圖

式中：Lth為入口段亮度設計值；τws為汽車擋風玻璃的光透射率；La為大氣亮度值；Lws為大氣的光幕亮度；Lseq為隧道洞外的等效光幕亮度；τa為大氣的光透射率；Cm為路面上被測試目標物的最小察覺亮度對比度；ρ為漫反射目標物的光反射比；qc為測點處路面亮度與目標物中心點垂直面照度的比值，qc=L/Ev(L為中心點亮度，Ev為垂直面照度)。

分析察覺對比度計算公式可以發現，其對視覺目標物如何被察覺的理解，借鑒了德國生理學家E.H.韋伯提出的韋伯定律[14]，即感覺的差別閾限隨原刺激量的變化而變化，且表現為一定的規律性，即刺激的增量ΔI和原刺激值I的比值是一個常數K。對應于等效光幕亮度、察覺對比度和視覺辨識能力為：等效光幕亮度對應原刺激值I，察覺對比度中目標亮度相對于等效光幕亮度的增量對應ΔI，常數K則對應駕駛人辨識能力。即入口段亮度的設計值必須使目標物在人眼中的主觀視亮度與目標察覺閾值的比值大于0.28(CIE推薦的最低察覺對比度值)，以保證人眼能夠及時對目標物進行辨識，滿足行車的安全性需求。

2011年，北美照明工程協會[5]提出駕駛人主觀評價法(safety rating numbers)作為輔助評價方法。胡英奎等[15]基于等效光幕亮度理論，提出采用數值積分的方法確定各圓環邊界對應視角的優化方法。Weng等[16]結合室內試驗，對察覺對比度法中的對比顯示系數qc進行了分析和優化。Mehri等[17]基于等效光幕亮度的察覺對比度法，對隧道入口段、過渡段、中間段和出口段的等效光幕亮度進行實測，結果表明：察覺對比度法在隧道洞內的測量應用具有一定的局限性。梁波等[18]在研究優化逆光照明條件下的隧道照明燈具布燈參數時，引入中央視覺和周邊視覺的小目標可見度(small target visibility)，以更準確地評價隧道照明質量。

綜上，當前國內外研究對駕駛人視覺辨識能力的考察,其優點在于充分考慮了環境因素(擋風玻璃與大氣散射)和人眼視野范圍對駕駛人主觀視亮度的影響，使得在研究中對亮度這一物理量的考察更為精確；但其缺點在于這種方法在研究過程中忽略了相對色溫、相對光譜分布、光源顯色性等物理量指標對駕駛人的影響，以及包括亮度在內的上述物理量指標在行車過程中動態變化對駕駛人產生的影響。根據胡治國等[19]、金海等[20]的相關研究表明，相對光譜分布、相對色溫和光源顯色性等指標的變化都會影響人體的主觀視亮度，進而會影響人體對目標物的辨識能力。因此，未來可以考慮對人眼主觀視亮度的計算方法進行修正，進一步考慮相對色溫、相對光譜分布和光源顯色性等光環境物理量指標對其的影響，并研究上述物理量動態變化過程中的駕駛人辨識能力變化特征。

1.2 隧道光環境下駕駛人視覺功效研究現狀

視覺功效理論起源于20世紀30年代，由英國學者Weston[21-22]引入到交通安全領域; 發展至20世紀60年代，荷蘭學者Schreuder[8]結合公路隧道不同區段的照明特點，創建了模擬公路隧道視覺環境的室內視覺模型，以一定閾值條件下75%視標察覺率為指標進行評價。視覺功效(visual performance)指被測試主體的視覺系統對一項視覺任務所做出的反應速度和精確度[23]，與駕駛人的感知—反應—制動生效過程一致[10]，駕駛人停車過程及反應時間示意如圖3所示。伴隨著中間視覺光度學的研究[24]，因視覺功效理論考慮了視覺感光錐桿細胞同時存在并共同作用的亞相加性問題以及視覺顏色通道和非顏色通道的拮抗問題[25]，“視覺功效”理論在表征視覺真實感知方面被廣泛使用。2012年，Rea[26]在論證交通條件下照明對駕駛員視覺功效的影響時指出，駕駛人視覺功效與交通安全息息相關。

圖3 駕駛人停車過程及反應時間示意圖[27]

在隧道照明方面，崔璐璐等[28]采用基于反應時間的視覺功效理論，研究不同光源光色特性如相對色溫、光譜能量分布等對駕駛員視覺功效的影響。何世永等[29]基于視覺功效研究不同隧道光環境下，如隧道側壁分別采用水泥砂漿、瓷磚和蓄能反光涂料時，隧道光環境對駕駛人視覺反應時間的影響。Liang等[30]在2車道靜態室內仿真模型中，研究了中間段低亮度環境下環境相對色溫對駕駛人視覺功效的影響；劉英嬰等[31]在類似的試驗中得出相似的結論，但是試驗結果表明色溫并不是唯一相關因素，由于“光生物效應”的影響，色溫相似而光譜能量分布不同的光源對照明效果影響不同，選擇高色溫且黃綠光成分較多的光源可以提高人眼靈敏度并顯著提升駕駛人視覺功效。

在隧道入口段暗適應方面，黃彥[32]基于隧道內部復雜照明環境行車時司乘人員視覺特點進行室內模型試驗，結合隧道內部視覺適應的主要影響因素建立視覺功效、司乘人員瞳孔尺寸以及照明環境的關系模型，對目前國際中以 CIE 標準暗適應曲線的設計方法進行修正。He等[33-34]結合自主研發的隧道光環境動態仿真平臺，對駕駛人以80 km/h駕車經過南向隧道時的光環境亮度變化和駕駛任務進行模擬，以公路隧道光環境亮度梯度降低條件下的光譜能量分布對駕駛人視覺功效響應機制為對象進行研究，通過樣本試驗指出，在動態暗適應條件下駕駛人視覺光譜靈敏度曲線提前向短波方向移動，由此導致駕駛人的視野亮度動態感知狀態發生改變，進而對駕駛人視覺辨識度產生影響。杜峰等[35]利用視覺功效試驗獲得了駕駛人在隧道洞外亮度不斷變化且隧道入口段色溫和亮度不同條件下的反應時間，并對不同色溫下的折減系數進行修正。

在隧道出口段明適應方面，董麗麗等[36]以市面上常見的LED燈具作為研究對象，分析出口段亮度與照明燈具色溫對駕駛人視覺功效的影響，研究結果表明：隧道出口段亮度越大，駕駛人明適應過程中瞳孔面積變化越平緩，能有效提升駕駛人的視覺功效；同時，由于感光色素的光化學反應，在相同的亮度水平條件下，采用較高色溫的照明燈具能夠顯著提升駕駛人的視覺功效，降低駕駛人在出口段的明適應持續時間。傅順[37]基于駕駛人的生理特征，以瞳孔震蕩持續時間表征駕駛人在出口段行車過程中的明適應持續時間，研究表明：在隧道出口段設置限速區段，將車速控制在70 km/h以下時，可以有效減少明適應持續時間、提升駕駛人的視覺功效與行車安全性。肖堯等[38]基于視覺功效理論研究公路隧道出口段“白洞”現象的改善措施，研究結果表明：在隧道出口段側壁采用漸變圖層設計方案，能夠有效緩解出口段的亮度過渡，提升駕駛人的視覺功效、降低駕駛人的視覺負荷。

綜上，視覺功效主要用于考察不同光環境下駕駛人對小目標的識別能力和丟失率，表明駕駛人在隧道光環境下識別障礙物、完成剎車制動的綜合表現能力。但是，隨著研究的不斷深入，采用視覺功效法對隧道光環境進行研究也暴露出以下2點問題：1)由于視覺功效法的使用依賴于不同對比度、視標偏心角的小目標產生，而試驗場景局限于室內試驗，這就導致在研究中忽略了復雜的現場因素對駕駛人視覺功效的影響和動態行駛過程中駕駛人視覺特征和心理特征對視覺功效的影響；2)分析過往研究的重點發現，研究人員在研究過程中往往忽略了長時間行駛后駕駛人視覺疲勞累積對駕駛人視覺功效的影響。上述2點問題也導致了研究結論與實際應用的結果會存在出入。針對第1點問題，可以考慮將虛擬現實技術(VR)引入到室內試驗中，對隧道光環境進行深度模擬，使得試驗的結果更為準確，目前國內已有高校將虛擬現實技術引入到心理學試驗研究中[39]；針對第2點問題，在未來的室內試驗中可以考慮讓試驗人員進行重復試驗，以分析疲勞累積對駕駛人視覺功效的影響。

1.3 隧道光環境下駕駛人視覺負荷研究現狀

當駕駛人駕車經過隧道時，隨著隧道光環境的變化，駕駛人的眼動參數如注視、掃視、眨眼、瞳孔直徑變化等，生理參數如腦電(EEG)、心電(ECG)、肌電(EMG)等均會發生相應的變化。隨著駕駛人眼動追蹤技術和生理參數監測技術的快速發展，結合駕駛人眼動、生理參數表征其視覺負荷，研究駕駛疲勞是當前隧道光環境下駕駛響應的研究熱點之一。駕駛人眼動-生理實車試驗如圖4所示。

圖4 駕駛人眼動-生理實車試驗

目前，基于眼動參數表征隧道光環境下駕駛人視覺負荷的研究主要包括：1995年，Verwey[40]研究發現駕駛人在接近隧道過程中的瞳孔變化，并指出可通過視覺負荷評估改善隧道入口行車安全；2007年，杜志剛等[41]以高速公路隧道進出口駕駛人的瞳孔變化為研究對象，選取換算視覺震蕩持續時間作為駕駛人視覺舒適度評價指標，用于評價隧道進出口駕駛人視覺負荷程度和行車安全；2008年，杜志剛等[42]以瞳孔面積最大瞬態速度值為視覺負荷評價指標，研究高速公路隧道進出口駕駛人視覺障礙與駕駛視覺舒適性和視覺負荷的相關關系；2016年，閻瑩等[43]以隧道群路段駕駛人瞳孔變化為研究對象，分析了隧道群環境光照度、隧道縱深與駕駛人瞳孔面積的相關關系；胡江碧等[44](2014年)、胡英奎等[45](2016年)采用瞳孔面積變化率作為評價隧道入口段照明條件的安全舒適性指標，建立駕駛人在隧道入口段瞳孔面積變化率、亮度折減系數及運行速度的邏輯回歸模型；2017年，He等[46]基于駕駛人注視點區域、注視時長、注視次數、瞳孔直徑和瞳孔直徑變化速率等參數描述駕駛人在不同隧道側壁光環境下的駕駛響應特征；2020年，焦方通等[47]選取瞳孔最大瞬態面積速度值作為評價駕駛人視覺疲勞的指標，研究表明，由于城市水下隧道的照明條件更優，駕駛人在城市水下隧道行駛過程中的明、暗適應時間相較于普通隧道更短，行車過程更舒適；2020年，趙曉華等[48]基于駕駛模擬試驗測試，將微觀駕駛行為和眼動數據結合，對長大隧道光環境下突起路標的作用效果進行評估。

對駕駛人的生理參數如腦電、心電、肌電的研究主要包括：2011年，丁光明[49]以特長隧道、長隧道和短隧道環境下駕駛人生理指標如心率、呼吸率的變化特征為研究對象，研究了高速公路隧道環境對駕駛人生理及心理的影響；2020年，吳玲[50]、朱彤等[51]以特長隧道環境中心理負荷變化特性為研究對象，利用實車試驗實時采集的心電信號，基于心率和心率變異性指標構建了基于因子分析的心理負荷計算模型。

目前，在研究隧道光環境下駕駛人視覺負荷時多與視覺疲勞、駕駛疲勞相關聯。1996年，Stern等[52]采用模擬試驗的方式，研究眨眼等視覺特性與視覺疲勞之間的相關性，研究表明眨眼頻率和眨眼持續時間與駕駛人視覺疲勞有較好的相關性；1997年，Eriksson等[53]在相關研究中表明，采用眼瞼閉合時間也可以對駕駛人視覺疲勞進行表征；2009年，Reimer[54]研究了視覺環境和視覺任務之間的關系，研究表明瞳孔大小、眨眼率、注視停留時間等指標可以有效評價駕駛人的視覺疲勞；2020年，李鑫等[55]以自然駕駛條件下駕駛人生物信號脈搏波為數據源，建立了基于脈搏波特征的駕駛疲勞檢測模型；同年，閔建亮等[56]基于駕駛仿真模擬試驗，以26名清醒和疲勞駕駛人的前額腦電信號為研究對象，提出了基于前額腦電信號多尺度小波對數能量熵的駕駛疲勞檢測方法。

綜上，隧道光環境下駕駛人的視覺負荷與隧道光環境的物理量息息相關，但是目前仍然缺乏對多個生物量指標進行多源融合的可行性研究。國內外的研究者部分選取駕駛人的瞳孔參數作為反映駕駛人視覺負荷的指標，也有部分研究者選取心電、皮電、腦電等生理指標作為反映駕駛人視覺負荷的指標。上述各類生物量指標均為反映同一目標客體(視覺負荷)的不同表達方式，但是考慮到隧道光環境自身的復雜性，以及人體對環境刺激的響應是身體多器官的協同響應，在研究中選取單一的生物量參數作為評價駕駛人視覺負荷的指標，會導致研究結論存在一定的片面性。

視覺疲勞是一種非常復雜的生理和心理現象，目前世界上對視覺疲勞并沒有形成共同的定義與嚴格的認識。為了研究的便利性，在隧道光環境信息感知研究領域內，常選用眼動參數與生理參數對駕駛人的視覺負荷進行表征，但是各類指標對駕駛人視覺負荷的表征卻存在不同的側重點。眼動參數中的瞳孔直徑、瞳孔面積側重于反映隧道光環境亮度指標的變化對駕駛人視覺負荷產生的影響，而注視持續時間、掃視特性等參數則通過表征駕駛人獲取光環境信息的難易程度來反映駕駛人的視覺負荷；心電指標目前常選用心率及心率變異系數等參數，通過表征駕駛人的心理緊張程度來反映駕駛人的視覺負荷；皮電指標是通過表征駕駛人在駕駛過程中累積的肌肉疲勞來反映駕駛人的視覺負荷；腦電指標是通過測定駕駛人的α、β、δ、θ等不同頻帶的腦電波表征駕駛人的清醒程度來反映駕駛人的視覺負荷[57]。由于不同視覺負荷評價指標的側重點不同，不同的指標間有時并不存在正相關性，以隧道出口段的明適應為例，丁光明[49]在研究中發現，在長隧道及特長隧道出口段，駕駛人注視時間逐漸降低而心率增量出現明顯上升趨勢。根據過往的研究，注視時間降低表明駕駛人的視覺負荷降低，而心率增量升高則表明駕駛人的視覺負荷升高[58-59]。

實時熒光定量RT-PCR法檢測結果見圖3，模型組、陽性藥物組、桿努盡煙高、低劑量組大鼠TLR4 mRNA含量與正常對照組相比均顯著升高(P＜0.05)，其中桿努盡煙高劑量組較接近正常對照組。陽性藥物對照組、桿努盡煙高、低劑量組大鼠TLR4 mRNA含量與模型組相比均顯著下降(P＜0.05)。

因此，在未來隧道光環境下，駕駛人視覺負荷的研究中應考慮到不同視覺負荷指標間的差異性，選取多種視覺負荷評價指標并對其進行綜合分析，由此可提升駕駛人視覺疲勞表征的可靠性。

1.4 考慮視錯覺的隧道光環境信息感知表征方法的研究現狀

視錯覺指的是人眼視覺系統在觀察物體時，基于知覺經驗或不當參照物等形成的與客觀事實不一致的特定感知，它能從獨特的角度顯示出視覺系統的認知功能和機制[60]。視錯覺產生機制研究主要包括側抑制神經網絡說、眼動理論和三色色覺學說等，但是當前仍然沒有一種理論能夠解釋所有的視錯覺現象。

Ahmed等[61]從神經學的角度對運動錯覺進行解釋，表明人體對運動現象的認知處于V5神經元處，并向高級視覺皮層進行傳送，不同的視覺信息傳遞到V5區時激活對真實運動響應的神經元，從而使人體產生運動的感受。Bucchi等[62]從心理學的角度對處于交通環境下的駕駛人視錯覺產生進行解釋，表明知覺是大腦通過感官獲取信息的過程，但由于知覺恒常性的存在，大腦能夠依據經驗對感受到的信息進行修正，而視錯覺的產生則是由于駕駛環境中存在不當的參照系信息，使人腦產生了錯誤的修正，進而引發人體對光環境信息的錯誤感知。

目前，公路隧道環境下視錯覺主要是速度錯覺和線形感知錯覺。2016年，Wan等[63]研究了不同顏色組合與時間頻率的側墻標記線對駕駛人的視錯覺緩解作用，通過定義主觀同等速度(SESS)對不同類型的標記線進行評價，研究表明采用紅白組合、時間頻率為4～8 Hz時可以使駕駛人產生適當的速度高估從而降低行駛速率，保證駕駛的安全性。2017年，杜志剛等[64]指出由于公路隧道特殊的半空間管狀結構特點，隧道洞外亮度高、視野開闊、景觀及交通設施豐富，為典型的強視覺參考系；隧道洞內，尤其是中間段亮度低、參照物少和景觀單一，屬于弱視覺參考系，當駕駛人以一定車速快速通過公路隧道洞口時，會發生強弱參考系的快速轉變；當駕駛人在洞內弱參考系下行駛時，易產生視錯覺現象。

綜上，當前國內外學者對于隧道光環境下視錯覺的研究主要是從隧道光環境構筑物的角度，通過增加隧道光環境中的視覺參考系并設計隧道光環境中各種視覺參考系的邊緣率和流光率，來緩解駕駛人在行車過程中的視錯覺現象(見圖5)。但是，國內學者劉兵等[65]指出人眼的視覺停留特點也是誘發駕駛人視錯覺現象出現的原因之一，并采用結構方程模型(SEM)對隧道光環境下駕駛人的視錯覺產生機制進行了進一步的解釋。目前，學界對于隧道光環境下駕駛人視錯覺產生機制的認識仍處于發展階段，后續研究仍應進一步加深。同時在道路工程領域，俄羅斯學者Rakcheeva[66]指出，在線形復雜的道路交通狀況下，道路寬度的不同會誘發駕駛人產生Poggendorff視錯覺，考慮到城市地下立交也具有線形復雜的特點，在后續研究中也應重視除視覺參考系外的其他隧道光環境影響因素對駕駛人視錯覺的影響。

圖5 RPMs的視覺參考作用[48]

2 隧道光環境下駕駛人信息感知表征方法研究進展

隧道光環境下駕駛人視覺辨識能力是一種靜態定量的信息感知表達方式，駕駛人視覺功效是考慮識別速度的動態信息感知表達方式，視覺負荷是駕駛人實際駕車通過隧道時一種側面的動態信息感知表達方式，視錯覺是存在于隧道光環境信息感知過程的一種現象。

目前，隧道光環境特征主要采用亮度(均勻度)、光色(如光譜能量分布、色溫)、視覺誘導、頻閃、眩光等物理量指標描述。但是，上述幾類信息感知表征方法的研究現狀表明，駕駛人在駕車經過公路隧道時對光環境物理量指標的真實感知呈現復雜的非線性關系。基于駕駛人駕車經過公路隧道時生理指標(如眼動、腦電、心電、肌電等)變化規律可推斷，不同隧道光環境下駕駛人生理狀態發生變化，即由光環境物理指標引起生物量的變化，從而影響駕駛人對隧道光環境的真實感知效果。

基于此，目前隧道光環境信息感知表征方法研究最新進展主要體現在以下2個方面。

2.1 基于駕駛人視認行為的隧道光環境信息感知表達方法研究

2012年，由國際照明協會主辦的第二屆“照明質量與能源效率”大會在我國杭州召開，芬蘭學者Puolakka等[67]在大會上指出，從駕駛人注視點出發定義視野感知區域有助于揭示動態交通光環境下駕駛人最真實的視野感知、適應過程。2018年，美國學者Navvab等[68]在IEEE環境與電氣工程峰會上指出，從駕駛人注視點出發來表征駕駛人在交通照明條件下視覺的適應亮度，是一種從駕駛員視角開展智能照明研究的新方法。

駕駛人駕車經過公路隧道過程中，主要通過注視特征獲取光環境信息；同時，通過注視點傳遞至視網膜的光環境信息，勢必會引起視覺感知、適應和視覺注意[69]。因此，結合動態光環境下駕駛人視覺注視點分布規律，研究駕駛人視野亮度的感知和適應狀態成為當前的研究熱點。

結合駕駛人注視點分布特征，Cengiz[70]選取白天、夜間(夜間照明、夜間無照明)不同道路光環境條件開展實車試驗，記錄駕駛人注視點分布和路面亮度分布情況，并結合注視點分布概率計算分析1°、5°、10°、15°、20°視野范圍的亮度分布，指出隨著視野范圍值增大、平均亮度降低，駕駛人夜間行車注視區域分布受道路照明和車燈照明共同影響。2016年，Uchida等[71]結合場景亮度法分布、觀察者的眼球運動、周圍亮度效應和測量面積4個因素建立視野坐標并進行計算，表明駕駛人注視點區域的平均亮度與視野感知亮度非常接近，但區域范圍大小有待深入研究。Winter等[72-73]利用眼動參數和現場亮度分布測量，對城市道路和郊區道路的靜態亮度場景和動態亮度場景的注視點亮度進行對比，指出動態場景注視點亮度高于靜態場景注視點對應的亮度；采用駕駛人前方10°視角范圍的平均亮度和采用路面平均亮度將會導致對駕駛人真實感知亮度值的過高估計和過低估計，動態視野亮度的確定應綜合考慮視野亮度影響區域和駕駛人的感知狀態。

綜上，基于駕駛人注視點分布規律的視野動態亮度感知機制定量表征方法將有效修正當前國內外規范中關于Lseq和L20的測算誤差，同時使隧道駕駛人的主觀視亮度測定更加精確，有助于構建更加安全、節能的隧道光環境。

2.2 考慮 “光生物效應”的隧道光環境信息感知表達方法研究

駕駛人對光環境的感知除了視覺感知之外，人體還會通過非視覺通道對光環境產生非視覺響應，其中包括光環境會影響人體內部計時機制、人體晝夜節律系統、情緒變化等，這些響應被稱為人體的“光生物效應”[74]。

2002年，Berson等[75]在前人研究的基礎上指出，人眼視覺系統感光細胞除了視桿細胞和視錐細胞以外還有視網膜神經節感光細胞(ipRCGs)，該細胞占據神經節細胞的1%～5%，主要通過將光信息傳入視交叉上核并進一步傳至下丘腦的松果體中影響人的內分泌、晝夜節律、瞳孔大小等，被科學雜志譽為10年來最重要的發現之一[76]。影響“光生物效應”的因素主要有光譜、光強、照射方向、暴露時間和暴露歷史等[77-78]。目前，照明“光生物效應”的研究主要集中在室內照明方面。但一方面，由于我國隧道如超長山嶺隧道、越江隧道、城市下穿道等的修建，駕駛人在隧道光環境下需完成一定的駕駛任務，會導致“光生物效應”的影響凸顯；另一方面，隨著我國駕駛人樣本多樣化發展，尤其是老齡化嚴重導致的老年駕駛人群增多，由照明光生物效應引起的問題也會日益嚴重。

因此，在隧道光環境信息感知相關研究中考慮“光生物效應”對駕駛人的影響，有助于更全面、深入、完整地厘清駕駛人對隧道光環境信息感知的全過程，從而實現隧道駕駛人行車舒適度的提升。

3 結論與展望

隧道光環境下駕駛人信息感知受物理量和生物量共同影響，同時對駕駛人信息感知的不斷深入認識可以助力于“智慧照明”的發展與復雜運營條件下光環境構筑物的設計。結合本文的研究，主要結論如下：

1)隧道光環境下駕駛人感知到的信息，在主動認知架構下主要由實際感知的物理量決定，并受生物量影響。參考前文指出，駕駛人在交通隧道光環境下的視覺信息感知(目標物辨識、速度感知、距離感知等)主要由亮度、環境相對色溫、環境光譜分布等物理量決定，同時人體的光生物效應以及視覺恒常性等視覺生理特性會影響駕駛人的生物量，進而影響駕駛人的信息感知。但是，目前的相關研究往往僅將研究對象局限于物理量對駕駛人信息感知的影響。基于此，在未來的交通隧道光環境下駕駛人信息感知相關研究中，應綜合考慮光環境的物理量以及駕駛人的生物量對駕駛人視覺信息感知的影響,以期更全面地反映駕駛人對視覺信息感知的全過程。

2)隧道光環境信息變化，影響物理量和生物量在不斷變化。駕駛人在隧道行駛過程中，由于光環境信息的不斷變化，物理量(亮度、環境相對色溫、環境光譜分布等)和生物量(瞳孔面積、心率變異系數、脈搏波等)也在不斷變化中。但是目前的相關研究中，都僅分析特定靜態光環境下物理量和生物量的特性，而忽略了兩者的動態變化過程以及變化過程中的關聯性。因此，在未來的交通隧道光環境下駕駛人信息感知相關研究中，尤其是特長隧道條件下的信息感知研究，應注重分析物理量以及生物量的動態變化特性，以及生物量受物理量影響的變化規律。

3)當前應用于隧道照明條件下的“智慧照明”多是基于洞外亮度、車流量、洞口朝向等基礎參數，結合照明智能控制技術對洞內照明燈具的輸出功率進行設置，使得隧道光環境物理量參數(亮度)更符合于規范要求。但是從駕駛人信息感知的角度看，駕駛人主觀視亮度并不完全取決于光環境亮度值，同時也受注視點、瞳孔面積等生物量的影響。因此，在未來發展中也應嘗試將駕駛人的各類生物量納入到“智慧照明”的考慮范圍內，從駕駛人信息感知的角度構建更為節能、舒適的隧道光環境。

4)駕駛人信息感知在復雜運營條件下隧道光環境中的應用，如在隧道群、地下立交、城市水下隧道和超特長隧道光環境中的應用。

①駕駛人在隧道群環境中行駛時，最突出的問題是劇烈、頻繁的亮度過渡導致的駕駛人視覺負荷急劇增加。前文中指出亮度過渡曲線、隧道縱深等光環境物理量因素與駕駛人的視覺負荷息息相關。盡管目前學界對于量化的相關關系尚無明確認識，但是在未來隨著對駕駛人視覺負荷認識的不斷加深，業內對視覺負荷評價指標作出統一認識，可以將隧道出入口的各類光環境物理量指標(洞門類型、減光構筑物設計參數等)納入研究范圍之內，得出緩解隧道群環境下駕駛人視覺負荷的針對性方案。

②地下立交是目前領域內研究的重點，多存在于城市中。參考上文視錯覺中的研究，駕駛人在地下封閉環境中會出現速度錯覺、線形錯覺、距離錯覺等視錯覺現象，地下立交線形復雜的同時伴隨大量的車流，存在較大的安全隱患。在未來隨著隧道環境下駕駛人視錯覺研究的不斷深入，可以通過優化RPMs、側墻誘導線、反光環等視覺誘導設施的設計參數，提升光環境物理量設置的合理性，完善駕駛人的信息感知。

③城市水下隧道區別于一般隧道的特點在于其出入口常伴隨坡度較大的上下坡，且由于復雜的行車環境，較易出現追尾等安全事故。上文匯總的駕駛人信息感知表征方法中的視覺功效法主要用于綜合評價駕駛人發現障礙物并完成制動的綜合表現能力，因此將視覺功效法應用于城市水下隧道出入口段的駕駛人信息感知表征具有較強的適用性。以駕駛人視覺功效作為評價依據，研究城市水下隧道各類光環境物理量的設置參數，將有助于提升駕駛人行車安全性。

④超特長隧道光環境的突出問題在于駕駛人長時間、長距離行駛在幽閉、低亮度的隧道環境中視覺負荷較大。區別于普通隧道駕駛人視覺負荷的研究，超特長隧道駕駛人的視覺負荷需要考慮行駛時間累加對其生物量的影響。因此，在后續研究中更應從動態表征的角度分析時間效應對駕駛人生物量的影響以及在物理量動態變化過程中駕駛人生物量對其的響應規律，為后續光環境構筑物的設計、光環境物理量的優化提供依據。