面向駕駛員視覺的公路螺旋形隧道LED照明光源指標研究

王鼎媛，喬梅梅，盛 剛

(北京交科公路勘察設計研究院有限公司，北京 100191)

0 引言

近年來，我國高速公路建設取得了飛速的發展，建設主戰場由平原丘陵區逐步轉向高山峽谷區，受地理地形、投資和技術等多種因素影響，曲線形螺旋隧道不斷涌現，如臥龍溝一號隧道、雅西高速拖烏山和干海子隧道、重慶大化隧道。然而，至今我國尚無關于高速公路螺旋形隧道照明設置的技術標準、規范和指南。經調查發現目前已建設螺旋形高速公路隧道大都按照常規隧道照明技術規范進行設計。事實上，在設計規范方面，我國目前執行的《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70-2-01—2014)，在細則中僅對亮度、均勻度有所規定，對隧道光環境的其他指標如燈具色溫、頻閃、眩光等要求并沒有明確的定量指標[1-3]。針對螺旋式隧道這一特殊隧道線型，隧道色溫、燈具配光曲線、燈具布置方式如何設置才能更好地構造一個良好的隧道光環境，給駕駛員提供一個舒適、安全的照明方式是一個需要迫切解決的問題[4-6]。

本研究從高速公路螺旋形隧道這一特殊隧道線形入手，分析由于螺旋形隧道這一特殊隧道線型可能給駕駛員帶來的各種安全隱患。采用實車試驗采集駕駛員在螺旋形隧道和普通隧道駕駛心率、心率增長率等指標開展研究，優化螺旋形隧道照明設計指標，并分析引發隧道照明中頻閃和眩光產生的主要因素，確定頻閃和眩光控制指標，提出基于螺旋形隧道的隧道光環境設置原則，以緩解隧道LED照明光環境頻閃和眩光給駕駛員造成的煩躁、緊張和焦慮心理，為駕駛員營造一個良好的隧道LED照明光環境，提升隧道照明光環境行車安全性[7-8]。為今后螺旋形隧道照明研究和設計奠定一定的理論基礎。

1 螺旋形隧道加強段駕駛員心率變化研究

采用佩戴多通道心理儀實車試驗方法，在延崇高速金家莊螺旋形隧道和棋盤梁隧道實測了10名不同年齡段駕駛員駕車通過隧道心率數據。試驗數據分為兩部分：一是駕駛員在螺旋形和普通型隧道中加強段行駛時的心率數據和心率增長率數據[9-10]；二是駕駛員在螺旋形和普通型隧道基本段中行駛時的心率數據和心率增長率數據。本試驗的設備主要包括多通道生理儀、TES-136照度計、行車記錄儀、筆記本電腦和試驗車輛。兩座隧道位于延崇高速河北段，為雙向四車道，設計速度80 km/h(表1和表2所示)。試驗車輛在隧道內行駛過程中基本處于自由流行駛狀態。

表1 金家莊隧道基本情況Tab.1 Basic information of Jinjiazhuang tunnel

表2 棋盤梁隧道基本情況Tab.2 Basic information of Qipanliang tunnel

經試驗測試，得出了1#～10#駕駛員在兩個隧道加強段中行駛時隨機選取的6名駕駛員心率數據如圖1所示。

圖1 駕駛員在兩個隧道加強段行駛時心率數據對比Fig.1 Comparison of heart rate data of drivers when driving in reinforcement sections of 2 tunnels

按式(1)計算兩個隧道加強段各駕駛員心率增長率。

(1)

式中，Nj為駕駛員在第j時刻以80 km/h速度在螺旋形隧道內行駛時的心率增長率；nj為駕駛員在第j時刻以80 km/h速度在螺旋形隧道內行駛時的心率值；n為駕駛員在第j時刻以80 km/h速度在普通隧道內行駛時的心率值。

將駕駛員以80 km/h的速度在高速公路螺旋形隧道中行駛的心率和駕駛員以80 km/h速度在高速公路普通接近直線形隧道中行駛心率的心率差，除以駕駛員以80 km/h速度在高速公路普通隧道中行駛的心率，得出駕駛員在螺旋形隧道中行駛時的心率增長率[11]。如圖2所示為隨機選取的6名駕駛員在螺旋形隧道加強段的心率增長率。

圖2 部分駕駛員在螺旋形隧道加強段中行駛心率增長率Fig.2 Heart rate growth rates of some drivers driving in reinforcement section of spiral tunnel

通過1#～10#駕駛員在兩個加強段駕駛員心率數據對比分析，結合駕駛員心率增長率數據分析結果得出如下結論：在同等照明光環境下，駕駛員在兩個隧道加強段行駛時心率數據總體變化不大。部分心率數據在螺旋形隧道偏高，部分心率數據比直線型隧道偏高，說明駕駛員在兩個隧道加強段行駛時駕駛員的心率變化較為舒緩，心率增長率最高不超過15%。綜上所述，在加強段，螺旋形隧道對駕駛員的心率變化影響不大，與文獻[4-5]和[10]的研究結論基本一致。因此，在隧道照明設計中螺旋形隧道加強段設計指標可按照相關標準規范進行設計。

2 螺旋形隧道基本段駕駛員心率變化研究

采用同樣的試驗測試方法，對10名駕駛員分別進入以上兩個隧道基本段的心率和心率變化開展了試驗研究。得出的結論如下。

(1)與基本段駕駛時的心率數據相比，駕駛員在進入和駛離兩個隧道時心率都會偏高，這說明駕駛員在進入和駛離隧道時，心里較為緊張，注意力較為集中。因此，在所有的隧道進出口加強段照明光環境設計時應充分考慮駕駛員進出時心里緊張的因素，提升隧道進出口加強段的照明光環境質量。

(2)在同等照明光環境下，不熟悉兩個隧道的同一個駕駛員在螺旋形隧道基本段心率數值普遍比在直線形隧道基本段行駛時偏高。對兩個隧道路線較為熟悉的同一個駕駛員，在螺旋形隧道和普通隧道行駛中的心率相差不大。這說明在螺旋形隧道行駛中，對隧道行駛環境不熟悉的駕駛員會比在普通隧道行駛中更為緊張，心率變化更快。因此，螺旋形隧道基本段照明亮度、均勻度、色溫警示性、頻閃、眩光指標和布設方法等應開展針對性的優化設計。

3 螺旋形隧道LED照明燈具頻閃與眩光抑制技術研究

自從2012年交通運輸部、建設部和科技部開展半導體LED照明燈具示范工程以來[12]，LED照明燈具發展迅速，其光效和使用壽命遠超傳統高壓鈉燈和無極燈，目前已取代傳統隧道高壓鈉燈成為公路隧道應用最廣泛的照明燈具。眾所周知，隧道LED照明燈具由光源閃爍而引起的頻閃現象是普遍存在的。在隧道照明光環境當中，隧道照明燈具的頻閃是一個十分重要的參數。頻閃效應對隧道內駕駛員有一定的影響，如易引發視覺錯覺、視疲勞，煩躁、緊張、焦慮的心理，這極其容易引發交通事故，嚴重的頻閃危害駕駛員的身體健康，損傷視力等[11]。

3.1 隧道LED照明燈具頻閃效應分析

隧道LED照明燈具頻閃效應是由于LED芯片供電電流是直流電的原因造成的，其頻閃主要有兩部分，一是隧道LED照明燈具光源芯片本身的頻閃，二是來自LED驅動電源的頻閃，因為驅動電源有不同的調光方式而引發。目前，隧道LED照明燈具電源調節有可控硅調光、模擬調光和數字調光方式(簡稱PWM調光)3種方式[13-14]。可控硅調光是從交流相位0開始，輸入電壓斬波，直到可控硅導通時，才有電壓輸入。其工作原理是將輸入電壓的波形通過導通角切波之后，產生一個切向的輸出電壓波形。應用切向原理，可減少輸出電壓有效值，以此來降低普通負載(電阻負載)的功率；模擬調光就是在0～10 V電源上多了2個0～10 V的接口(+10 V和-10 V)，通過改變0～10 V的電壓大小來控制電源輸出電流從而達到調節LED芯片亮度的目的；10 V電壓輸出LED芯片光通量最大，0 V電壓輸出LED芯片光通量最小為0；PWM調節是對模擬信號電平進行數字編碼的方法，通過PWM波占空比和頻率開關調節隧道LED照明燈具控制電源的開啟和關閉，進而改變控制電源正向電流的導通時間，實現對LED芯片光通量大小調節的目的。PWM調節方法基于人眼對亮度閃爍不夠敏感的特性，使負載LED時亮時暗。如果亮暗的頻率超過100 Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED燈具在閃爍。在一個PWM周期內，因為人眼對大于100 Hz內的光閃爍頻率，感知不到亮度的快速變化，所以LED燈具亮的時間在整個占空比周期中所占比例越大人眼感覺LED燈具越亮[15-16]。

3.2 隧道LED照明燈具布設方式產生頻閃分析

在隧道照明設計當中，因為加強段照明亮度要求較高，燈具布置間距能夠滿足頻閃要求，而隧道照明基本段，由于照明亮度要求較低，考慮到建設費用，照明的燈具并非是緊挨著排列，而是兩盞相鄰燈具間隔一定的距離設置的(隧道進出口加強段間隔約1.0 m，過渡段和中間段間隔約5 m和9 m)。所以當駕駛員行駛在公路隧道中時，眼睛不斷受到忽明忽暗的刺激，從而造成一定的明暗突變斑馬效應，車速越快突變越快，這種現象與光源的頻閃效應十分類似，稱為公路隧道LED照明光環境“頻閃效應”。《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70-2/01)第6.2.1款規定“當行車時間超過20 s時，照明燈具布置應以滿足閃爍頻率低于2.5 Hz或高于15 Hz 為原則”，目的是消除明暗變化帶來的頻閃效應[15]。

4 隧道LED照明光環境頻閃效應消除措施

(1)加大驅動電源輸出電容，提高LED驅動電源輸出質量

在LED驅動電源的輸出端接入大容量電容，從而平滑電壓紋波，根據電容的定義，LED驅動電源電壓紋波與接入的電容存在如式(2)的關系，由式(2)可知，接入電容可以減小電壓紋波[16]。

(2)

式中，V為驅動電源電壓紋波；Imax為LED電流峰值；Imin為LED電流谷值；Co為增加的電容；f為驅動電源的工作頻率。但采用這種方法來降低電壓紋波存在一定的缺點，因為單獨增加電容的容量一般會增大產品的體積，因此可以利用晶體管的放大特性，構成有源濾波器。具體做法為將電容接在晶體管基極上，經過放大，可以等效成一個較大的電容，但是這種方法又會造成燈具成本的增加。

(2)減少紋波電壓對LED芯片光通量穩定性的影響

① 對于大功率單顆LED芯片封裝的隧道LED照明燈具，宜通過調壓控制，給LED芯片輸出最佳驅動電流。如圖3所示，將驅動電流調節在LED光源伏安曲線額平緩區間段，盡量選取LED光源伏安曲線平緩區間段的電流進行驅動輸出。

圖3 隧道LED照明燈具伏安特性曲線Fig.3 Volt-ampere characteristic curve of tunnel LED lighting fixtures

② 對于多顆小功率LED芯片串并聯封裝的隧道LED照明燈具，宜增加串聯LED芯片個數。由于驅動電源輸出的紋波電壓不變，串聯的LED芯片個數顆數越多，紋波電壓造成光通量影響就越小，產生的紋波電流也相應越小，進而形成的頻閃效應也越小。如果使用并聯方式實施分流驅動電流，同樣可以達到減低紋波電流，但要注意各分支LED芯片正向壓降要盡量保持一致，否則易出現各分支電流區別過大的問題，進而易造成隧道LED照明燈具光通量輸出均勻性差的問題。

(3)選擇合適隧道LED照明燈具的電源驅動方式

隧道LED照明燈具的供電電源一般兩種驅動方式，一是恒壓驅動電源，二是恒流驅動電源。恒壓驅動電源是指在允許的負載情況下，輸出恒定的電壓，電壓大小不隨負載變化而變化。恒流驅動電壓是指在允許額定功率負載情況下，輸出恒定的電流，電流不隨負載的變化而變化[9]。從圖4可知，隧道LED照明燈具伏安特性曲線可看出，隧道LED照明燈具驅動電流隨著電壓的升高而升高，電壓的小幅度波動會引起驅動電流的大幅度波動，因為消除隧道LED照明燈具頻閃的主要因素在于消除LED的電流波動大小，故隧道LED照明燈具宜采用恒流驅動電源進行供電[17-18]。

圖4 隧道中間段LED照明燈具縱橫向配光曲線與效果Fig.4 Vertical and horizontal light distribution curve and effect of LED lighting fixtures in middle section of tunnel

(4)優化隧道LED照明燈具布置方式和布設間距

根據《公路隧道照明細則》等相關規定，可以得出閃爍頻率低于2.5 Hz或高于15 Hz都是可以忽略的。而根據式(3)可以得出，頻閃與布燈間距和行車速度的關系。

(3)

式中，f為照明的頻閃頻率；v為行車速度；l為燈具布置間距。

以金家莊螺旋隧道為例，隧道照明行車速度為80 km/h，即22 m/s；如果要求閃爍頻率低于2.5 Hz，則布燈間距應大于9 m，如果要求閃爍頻率高于15 Hz，則布燈間距應小于1.4 m。隧道根據頻閃頻率可以得出燈具布燈間距，但是如果金家莊隧道布燈間距大于9 m，受隧道線型影響、燈具配光曲線等因素影響，會在路面形成亮度不同、明暗交替的“斑馬線”現象，隧道基本段縱向均勻度會很差。駕駛員在基本段的行車過程中明暗對比明顯，會使駕駛員眼睛對隧道LED照明光環境產生明暗頻閃現象，從而引起視覺生理不適，進而產生心理緊張，影響行車安全。考慮螺旋形隧道曲線為增強誘導性，金家莊隧道采用連續布燈方式，抑制隧道LED照明光環境的頻閃現象。

如圖4所示，對隧道中間段LED照明燈具的縱橫向配光曲線進行了優化和模擬確定，可顯著緩解隧道LED照明光環境炫光現象。

5 結論

基于隧道LED照明光源，分析了螺旋形隧道和直線形隧道加強照明段和基本段駕駛員行駛心率影響機理，以此為理論依據，提出了在螺旋形隧道加強段和基本段要對隧道照明光環境進行優化設計的要求。根據隧道LED照明燈具的特性，分析了隧道LED照明燈具頻閃產生的原因，根據隧道LED照明燈具布置間距和頻閃的計算公式，并結合頻閃相關研究結論，合理確定頻閃范圍，明確了隧道LED照明燈具布置間距的合理取值，提出了隧道LED照明光環境頻閃效應綜合消除措施，有助于提升隧道LED照明光環境的視認性水平，為螺旋形隧道LED照明燈具關鍵指標的優化設計和布設提供了理論依據，具有重要的指導意義。