基于駕駛員瞳孔變化確定隧道入口段亮度的方法

胡英奎，翁 季，張青文，陳仲林

(重慶大學建筑城規(guī)學院，重慶400045)

0 引言

公路隧道由于其特殊的構造，使得白天隧道內(nèi)外的亮度差別巨大，以至于駕駛員白天駕車進入隧道時由于適應亮度的驟然降低而產(chǎn)生視覺適應滯后現(xiàn)象，從而可能造成交通事故。研究表明，隧道內(nèi)的交通事故主要集中在隧道出入口附近。如果隧道入口段的亮度過低會直接影響交通安全;而按照現(xiàn)行隧道照明設計規(guī)范規(guī)定的隧道照明設計方法，隧道入口段亮度是整座隧道照明設計的基礎，如果入口段亮度過高又會造成隧道照明能源浪費嚴重。因此，在確保隧道交通安全的前提下，合理確定隧道入口段亮度，對隧道照明節(jié)能意義重大。

目前公路隧道入口段亮度的確定方法主要有2種:k值法和最小察覺對比法。k值法是將洞外亮度L20乘以入口段亮度折減系數(shù)k作為隧道入口段亮度。CIE 88-1990和我國的行業(yè)規(guī)范JTJ 026.1—1999都推薦采用k值法確定隧道入口段亮度。最小察覺對比法是根據(jù)駕駛員開車時在距隧道口一個停車視距的位置感受到的等效光幕亮度Lseq確定入口段亮度，CIE 88:2004推薦采用最小察覺對比法確定隧道入口段亮度。在工程實踐和研究過程中發(fā)現(xiàn)，k值法和最小察覺對比法確定隧道入口段亮度均存在一定的問題，為了合理地確定隧道入口段亮度，國內(nèi)外學者開展了大量研究工作，以期找到更合理的確定隧道入口段亮度的方法。筆者在對k值法和最小察覺對比法確定隧道入口段亮度進行對比分析的基礎上，提出基于駕駛員瞳孔變化確定隧道入口段亮度的方法。

1 用k值法確定隧道入口段亮度

用k值法確定隧道入口段亮度是先根據(jù)行車速度和隧道的交通量確定隧道入口段亮度折減系數(shù)k，將洞外亮度L20與入口段亮度折減系數(shù)k的乘積作為隧道入口段亮度，即

式中

用該方法確定隧道入口段亮度的關鍵是隧道入口段亮度折減系數(shù)k和洞外亮度L20的確定。對于k值的取值，從20世紀60年代開始，隧道照明工程學上的兩大學派，即歐洲的D.A.Schreuder學派和日本的成定康平學派，進行了針鋒相對的爭論，且兩大學派理論上的分歧集中反映在k值的差達5倍之多。而且兩大學派的立說依據(jù)都是相同的模擬測試方法，只是選用的測試的基本參數(shù)差別較大。D.A.Schreuder在障礙物標準尺寸和亮度對比度上所采用的是照明工程學上國際通用常規(guī)值;而成定康平所采用的是以“注視點”學說為依托的修正值，比較有利于障礙物的視認。但成定康平已于1984年宣布放棄自己的“注視點”學說，并認為其主張的k值應提高1倍左右。而我國在制定相關規(guī)范時，并未進行深入的理論和實驗研究，而是簡單地取兩大學派主張的k值的平均值，顯然這是缺乏充分的依據(jù)的，其結果也可能與事實不符。

洞外亮度L20也有多種確定方法，如查表法、黑度法、環(huán)境簡圖法等。用查表法確定L20是根據(jù)在20°視場中天空面積所占的百分比，通過查洞外亮度表的方法確定洞外亮度L20，該方法僅考慮了20°視場中天空面積所占的百分比、行車速度(或停車視距)以及洞口朝向(或洞外景物反射率的高低)這3個參數(shù)，且不同地點的天空亮度差別很大，洞外不同景物的反射率差別也很大，因此，用該方法得到的洞外亮度誤差較大;用黑度法確定L20主要是利用相機拍照，該方法主要適用于隧道建成之后測量隧道洞外的亮度，而對于隧道建成之前的設計階段則很難利用;用環(huán)境簡圖法確定洞外亮度L20的過程中需要用到天空、路面、各種景物、隧道入口段的亮度等參數(shù)，雖然作為未知數(shù)的隧道入口段亮度可以忽略不計，但其余參數(shù)的獲取也是一項非常復雜的工作。因此，無論用何種方法確定洞外亮度L20都不是一項簡單的工作，以至于用k值法確定隧道入口段亮度理論上可行，而在實際工程中難以采用。

2 用最小察覺對比法確定隧道入口段亮度

CIE 88:2004推薦基于等效光幕亮度和最小察覺對比來確定隧道入口段亮度，即

其中:

式中

從式(2)和式(3)可以看出，用該方法確定隧道入口段亮度的關鍵是確定等效光幕亮度Lseq。等效光幕亮度是考慮駕駛員開車時，眩光源的光入射到駕駛員的眼中發(fā)生散射而產(chǎn)生的光幕亮度。按照CIE 88:2004推薦的Lseq的確定方法需要先構建一個極坐標圖，該圖是根據(jù)在距隧道入口一個停車視距位置的2°，3°，4°，5.8°，8°，11.6°，16.6°，24°，36°和 56.8°的視場范圍各畫一個圓，并將每個圓等分成12份，見圖1。分別計算駕駛員開車時感覺到的各圓環(huán)上各部分的平均亮度，各部分的平均亮度累加即為等效光幕亮度 Lseq，即

式中Lije為駕駛員開車時感覺到的圖1所示各部分的平均亮度，Lije用式(5)計算，

式中，Lij為極坐標中每一分區(qū)對應的洞外景物亮度平均值。

從式(4)和式(5)可以看出，在等效光幕亮度Lseq的計算過程中不僅考慮了洞外的景物亮度，還考慮了汽車擋風玻璃和空氣對駕駛員看到的洞外景物亮度的影響，以及景物所在位置(相對于駕駛員的眼睛)的不同對駕駛員產(chǎn)生的不同影響。所以，相對于L20，Lseq更符合駕駛員看到的景物亮度的實際情況。但在Lseq的計算過程中仍然需要計算各分區(qū)景物的平均亮度，該平均亮度的計算方法與用環(huán)境簡圖法確定L20的方法相似。因此，計算等效光幕亮度Lseq的過程仍然存在隧道所在位置的景物亮度的確定的問題。雖然CIE 88:2004給出了幾種景物亮度的參考值，但由于地理位置對景物亮度的影響很大，所以如果直接采用CIE推薦的景物亮度值，計算的誤差會比較大。

圖1 計算等效光幕亮度的分區(qū)示意圖

3 根據(jù)駕駛員瞳孔變化確定隧道入口段亮度

用k值法和最小察覺對比法確定隧道入口段亮度考慮的主要因素都是環(huán)境亮度等客觀因素，而在交通安全中起關鍵作用的人的因素并未直接考慮。駕駛員駕車進入隧道的過程，是從洞外較亮的視覺環(huán)境快速進入隧道內(nèi)較暗的視覺環(huán)境的過程。人眼的暗適應過程較慢，使得駕駛員駕車進入隧道時，由于未能及時適應隧道內(nèi)較暗的視覺環(huán)境，在隧道入口段看不清障礙物而容易發(fā)生事故。

國內(nèi)外的研究表明，影響隧道內(nèi)行車安全的主要因素是駕駛員在進入隧道后的視覺適應情況。雖然人眼瞳孔大小受人的生理、心理以及外部環(huán)境的影響，但在正常情況下，瞳孔大小與視看環(huán)境的亮度存在一定的函數(shù)關系。駕駛員白天駕車由較亮的外部進入較暗的隧道內(nèi)時，瞳孔為了適應較暗的環(huán)境而變大。駕駛員的瞳孔變化速度在某一個區(qū)間內(nèi)時，不會發(fā)生視覺障礙，行車是安全的;如果瞳孔變化速度超出此安全區(qū)間，有可能發(fā)生視覺障礙而造成行車事故。駕駛員的瞳孔變化受隧道內(nèi)外亮度之差以及進入隧道時車速的大小影響，如果隧道內(nèi)外的亮度差較大，或者進入隧道時車速過快，都會造成駕駛員瞳孔變化速度不能適應環(huán)境亮度變化的速度，從而形成視覺障礙而可能引發(fā)交通事故。也就是說如果隧道入口段的亮度太低，駕駛員進入隧道后，看清目標所需的瞳孔變化速度超出駕駛員的適應能力，就會產(chǎn)生視覺障礙，從而可能造成行車事故。為了保證行車安全，在隧道的設計速度一定的情況下，可以通過減小隧道內(nèi)外亮度之差的方法，保證駕駛員的瞳孔變化在一定的范圍內(nèi)。如果已知能保障不會產(chǎn)生視覺障礙的駕駛瞳孔變化的極限范圍，則可以根據(jù)隧道的洞外亮度和行車速度來確定隧道入口段亮度。駕車進入隧道過程中瞳孔變化與行車安全的關系，可見相關研究成果。但如何根據(jù)隧道洞外亮度以及瞳孔變化與行車安全之間的關系確定隧道入口段亮度，還需進一步進行隧道現(xiàn)場實測研究。

為了研究根據(jù)駕駛員瞳孔變化確定隧道入口段亮度的方法，組織8名駕駛員在福建永武高速(福建永安至武平)上的四座隧道(龍井隧道、黃山嶺隧道、石背角隧道和溪背山隧道)進行了駕車進出隧道過程瞳孔變化的測量。測試時，在路面放置小目標物體，將隧道內(nèi)的照明燈分別打開到不同的照明水平，在每個照明水平，至少有3名駕駛員按照隧道的設計速度駕車通過隧道，同時用亮度計測量隧道洞口外的景物亮度，在此過程中用iView X HED眼動儀記錄駕駛員看到的場景和駕駛員的瞳孔數(shù)據(jù)。圖2為現(xiàn)場測試的場景。

圖2 現(xiàn)場測試場景

測試完成后，根據(jù)駕駛員駕車通過隧道過程中看到的場景視頻，可以分析出在隧道照明的各亮度水平駕駛員發(fā)現(xiàn)小目標物體的距離，進而可以確定駕駛員在標準停車視距范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標的瞳孔變化規(guī)律?？紤]瞳孔變化與隧道洞外亮度、在標準停車視距發(fā)現(xiàn)小目標時的隧道入口段亮度以及行車速度之間的關系，即可確定在保證行車安全的前提下，所允許的駕駛員瞳孔變化的極限范圍及其規(guī)律，根據(jù)該變化規(guī)律即可在已知洞外亮度和隧道的設計行車速度的情況下確定隧道入口段亮度。

4 小結

基于駕駛員的瞳孔變化確定隧道入口段亮度的方法，直接考慮了駕駛員在駕車進入隧道過程中眼睛對環(huán)境亮度變化的適應過程，比用k值法和最小察覺對比法確定隧道入口段亮度的方法更有利于保證隧道內(nèi)的行車安全。但對于該方法的研究還剛剛起步，可用于研究的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)還比較少，將該方法用于工程實際還需要進一步的實測研究。

［1］CIE.Guide for the lighting of road tunnels and underpass，CIE 88-1990［R］.Vienna，Austria:CIE Central Bureau，1990

［2］CIE.Guide for the lighting of road tunnels and underpass，CIE 88:2004［R］.Vienna， Austria:CIE Central Bureau，2004

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