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    公路隧道入口環(huán)境亮度安全臨界閾值分析

    2015-08-10 09:19:44陳建勛
    關(guān)鍵詞:人眼亮度反應(yīng)時間

    鄭 晅,李 雪,丁 婷,陳建勛

    (1.長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院,陜西 西安,710064;2.長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安,710064)

    為了在安全行車的同時,降低公路隧道照明能耗,已成為隧道照明中研究的熱點(diǎn)問題[1-2].隧道出入口處人眼存在明暗適應(yīng)的問題,通常在隧道出入口設(shè)置過渡段照明,以保證人眼在隧道入口的暗適應(yīng)和出口的明適應(yīng),保證行車安全[3].

    國際照明學(xué)會(international commission on illumination,CIE)規(guī)定了公路隧道入口照明適應(yīng)曲線[4],我國公路隧道照明設(shè)計規(guī)范依據(jù)CIE 的規(guī)定,確定了隧道照明出入口的亮度指標(biāo)及過渡要求.但是,經(jīng)調(diào)研可得,國內(nèi)大部分隧道過渡段照明燈具都存在不開或少開的現(xiàn)象,國外很多國家隧道不設(shè)置過渡段照明.因此,在節(jié)能減排和安全運(yùn)營需求下,CIE照明適應(yīng)曲線是否完全適應(yīng)于實(shí)際工程,成為公路隧道明暗適應(yīng)研究的關(guān)鍵問題之一.

    針對隧道照明明暗適應(yīng)問題,杜志剛等[5-7]利用眼動儀測定人眼明暗適應(yīng)的變化,但并未從亮度指標(biāo)等方面對照明問題進(jìn)一步的研究和分析.龐蘊(yùn)凡[8]從視覺照明的角度提出了工程照明關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系,但未對公路隧道照明的中間視覺進(jìn)行具體研究.張青文等[9-10]提出了一種公路隧道入口照明質(zhì)量檢測方法,但并未提供證據(jù)表明能夠體現(xiàn)人眼實(shí)際反應(yīng)時間.在隧道照明節(jié)能方面,王少飛等[11]指出在我國隧道照明設(shè)計中可以降低照明指標(biāo),以達(dá)到節(jié)能目的,但未從理論和實(shí)驗方面進(jìn)行明暗適應(yīng)的分析和研究.

    目前,主要有2種實(shí)驗方法進(jìn)行視覺和照明實(shí)驗研究:暗室利用屏幕視標(biāo)符號[12-13]和眼動儀根據(jù)人眼瞳孔變化分析視覺反應(yīng)[14].但模擬隧道照明實(shí)驗研究中,對隧道照明環(huán)境的模擬仍較為簡單[15-16],針對隧道照明和反應(yīng)時間的關(guān)系,還需增加動態(tài)仿真和模擬.

    本文提出了隧道環(huán)境亮度的安全臨界閾值.構(gòu)建了模擬隧道環(huán)境的實(shí)驗平臺,設(shè)計了實(shí)驗測試軟件和方法;分析得到了隧道中人眼對障礙物安全識別的環(huán)境亮度臨界閾值;為隧道照明設(shè)計指標(biāo)的確定提供了理論依據(jù).

    1 環(huán)境亮度安全臨界閾值提出

    傳統(tǒng)的明暗適應(yīng)建立在眼生理學(xué)的二元理論之上,暗視覺的主要是桿狀細(xì)胞起作用,明視覺是錐狀細(xì)胞起作用.這種隨環(huán)境亮度產(chǎn)生的2種細(xì)胞作用的變化,即人眼明暗適應(yīng)的生理學(xué)基礎(chǔ).現(xiàn)代眼生理學(xué)對2種細(xì)胞的變化規(guī)律表明:視覺適應(yīng)包括化學(xué)適應(yīng)和神經(jīng)性適應(yīng)2種[17].這2種反應(yīng)并行作用共同完成了人眼的明暗適應(yīng)過程.因此,在照明研究中需要對其綜合分析.

    根據(jù)照明理論,人眼的視覺范圍分為明視覺、暗視覺和中間視覺.中間視覺即為現(xiàn)實(shí)中人眼的適應(yīng)范圍,而實(shí)際中中間視覺只是一個較寬泛的值(0.001~3cd/m2)[18-20].根據(jù)現(xiàn)代眼生理學(xué)中時間總和及bloch定律[17],反應(yīng)時間與環(huán)境亮度成反比關(guān)系.環(huán)境亮度越亮,反應(yīng)時間越短,當(dāng)反應(yīng)時間到達(dá)一個隨環(huán)境亮度變化不敏感的值時,即達(dá)到了人眼識別的中間視覺的上限.鑒此,提出環(huán)境亮度安全臨界閾值.

    2 隧道環(huán)境視覺模擬實(shí)驗

    構(gòu)建模擬隧道環(huán)境的實(shí)驗平臺,建立暗室環(huán)境,設(shè)置動靜2種實(shí)驗?zāi)J?采用視標(biāo)符號在幕布上的停留時間代替人眼視覺反應(yīng)時間,以期降低被測人員實(shí)時操作時的誤差.

    2.1 實(shí)驗平臺及方法

    2.1.1 實(shí)驗環(huán)境搭建 搭建暗室環(huán)境,模擬駕駛員對路面障礙物的識別反應(yīng).暗室采用灰色絨面遮光布進(jìn)行鋪裝,絨布反射率參考以黑色瀝青路面的反射率[3],可保證實(shí)驗環(huán)境與實(shí)際隧道照明環(huán)境一致,且環(huán)境亮度可調(diào).暗室內(nèi)設(shè)投影及屏幕,自主開發(fā)投影程序,用于控制室內(nèi)照明,并進(jìn)行障礙物識別模擬.照明采用自主研發(fā)C-bus總線調(diào)光照明裝置,照明范圍由1 400lx直到全暗(低于0.001lx),環(huán)境亮度根據(jù)實(shí)驗要求設(shè)定.

    2.1.2 實(shí)驗參數(shù) 模擬障礙物大小采用郎道爾環(huán)的開口大小來表示,根據(jù)80km 車速的停車視距的定義,按110m 外10cm 的物體識別[21].幾何關(guān)系如式(1)所示.

    由式(1)可得,當(dāng)實(shí)驗觀測距離為5.5m 時,識別物體大小為0.5cm.

    障礙物視覺對比度是指障礙物亮度與背景亮度的比值.對比度越大,越容易識別障礙物.實(shí)驗中設(shè)定對比度為15%,可絕大多數(shù)的障礙物的情況[8].

    式中:C1,C2分別為相鄰的2個平均正確率,t1,t2分別為相鄰2次的測試時間,t0為所求反應(yīng)時間.

    靜態(tài)實(shí)驗?zāi)M環(huán)境亮度不變時人眼對障礙物的識別,得到不同亮度條件下人眼識別障礙物的反應(yīng)時間.動態(tài)實(shí)驗在靜態(tài)實(shí)驗的基礎(chǔ)上,模擬車輛進(jìn)入隧道時環(huán)境亮度的變化對人眼識別障礙物反應(yīng)時間的影響.

    2.2 實(shí)驗方法及過程

    靜態(tài)試驗首先確定實(shí)驗室內(nèi)環(huán)境亮度,設(shè)定示標(biāo)符號的大小、開口方向以及與障礙物背景的對比度、停留時間等參數(shù).實(shí)測環(huán)境亮度、屏幕亮度、示標(biāo)符號大小及亮度等,以保證所需要的試驗參數(shù),運(yùn)行測試程序.

    給定被測者與屏幕的距離,判斷屏幕上郎道爾環(huán)的開口方向,系統(tǒng)重復(fù)人眼適應(yīng)到被測者作出判斷的過程,自動計算出每個測試者重復(fù)20組實(shí)驗的正確率.實(shí)驗參數(shù)設(shè)置圖形界面如圖1所示.

    圖1 初始參數(shù)設(shè)置圖形界面Fig.1 Graphical interface of initial parameter settings

    動態(tài)實(shí)驗在靜態(tài)實(shí)驗的基礎(chǔ)上,增加環(huán)境亮度的變化.實(shí)驗中控制C-bus智能照明控制器,使環(huán)境亮度在一定的時間段內(nèi)變化.變化時間由隧道接近段長度和車速計算得出,實(shí)驗中取3.5s.

    2.3 實(shí)驗樣本

    實(shí)驗中測試人員按照我國駕駛?cè)藛T身體要求隨機(jī)選擇.選取被測者39名,其中男性34名,女性5名,矯正視力均在0.6(4.8)以上,年齡在20~55歲之間,身體健康.年齡構(gòu)成和視力構(gòu)成如圖2 和3所示.

    圖2 測試人員年齡比例結(jié)構(gòu)Fig.2 Proportion of testing personnels’age

    圖3 測試人員矯正視力(左/右)比例結(jié)構(gòu)Fig.3 Proportion of testing personnels’eyesight

    3 結(jié)果分析

    3.1 反應(yīng)時間與環(huán)境亮度關(guān)系分析

    實(shí)驗中共設(shè)置9種環(huán)境亮度,每種環(huán)境亮度分別設(shè)置10個反應(yīng)時間.39名被測者在動靜2 種實(shí)驗?zāi)J较拢搏@得7 020組實(shí)驗數(shù)據(jù).

    通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、整理和分析,得到了環(huán)境亮度與人眼識別時間的曲線擬合關(guān)系.靜態(tài)和動態(tài)實(shí)驗中環(huán)境亮度與反應(yīng)時間對數(shù)變化關(guān)系如圖4 所示.t為反應(yīng)時間,L 為環(huán)境亮度.

    圖4 環(huán)境亮度與反應(yīng)時間對數(shù)變化關(guān)系Fig.4 Logarithmic relationship between ambient brightness and reaction time

    從圖4中可以看出,環(huán)境亮度越大,反應(yīng)時間越短,且動靜實(shí)驗圖像趨勢一致.當(dāng)環(huán)境亮度在0.2~1.5cd/m2之間時,反應(yīng)時間受環(huán)境亮度變化的影響較大,曲線較陡,反應(yīng)時間介于150~400ms內(nèi);當(dāng)環(huán)境亮度在1.5~5cd/m2之間時,反應(yīng)時間受環(huán)境亮度影響相對減弱,曲線較為平緩,反應(yīng)時間在介于70~150ms之間;當(dāng)環(huán)境亮度繼續(xù)增大,曲線接近平行于橫軸坐標(biāo),反應(yīng)時間幾乎不受環(huán)境亮度的影響.擬合分析得到反應(yīng)時間和環(huán)境亮度的函數(shù)關(guān)系式,如表1所示.

    表1 動靜態(tài)實(shí)驗反應(yīng)時間和環(huán)境亮度的擬合結(jié)果Tab.1 Fitting results between reaction time and ambient brightness in static and dynamic experiment

    從表中可以看出,反應(yīng)時間和環(huán)境亮度呈冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)趨近于1,表明環(huán)境亮度和人眼識別時間具有較強(qiáng)的相關(guān)性.

    3.2 環(huán)境亮度安全臨界閾值分析

    根據(jù)明暗適應(yīng)的醫(yī)學(xué)原理,在較暗環(huán)境下,環(huán)境亮度與人眼識別時間成反比關(guān)系,當(dāng)環(huán)境亮度低于某一臨界值時,若人眼的識別時間大于安全識別時間,則這個環(huán)境亮度即為基于安全識別的隧道環(huán)境亮度的臨界閾值.根據(jù)目前城市快速干道的照明標(biāo)準(zhǔn)以及國內(nèi)外隧道在實(shí)際運(yùn)營中隧道內(nèi)照明亮度標(biāo)準(zhǔn),實(shí)驗取0.5、1.5、5cd/m2的亮度的特征點(diǎn)進(jìn)行人眼反應(yīng)時間的分析.采用統(tǒng)計回歸方法,計算置信概率取95%時,不同亮度特征點(diǎn)處反應(yīng)時間的置信區(qū)間,如表2所示.

    由表2可知,按照95%的置信概率,當(dāng)人眼在0.5cd/m2的環(huán)境亮度條件下時,人眼的識別時間在900ms范圍內(nèi);在環(huán)境亮度為1.5cd/m2時,識別時間在300ms內(nèi)變化;環(huán)境亮度在5cd/m2以上時,實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)受測者人眼已經(jīng)完全進(jìn)入明視覺狀態(tài),在安全識別同時無不舒適的感覺.對于動靜實(shí)驗分析表明,當(dāng)環(huán)境亮度1.5cd/m2以上時,兩者之間差異很?。辉?.5cd/m2以下時,有一定差異,并且動態(tài)實(shí)驗數(shù)據(jù)離散性加大.結(jié)果符合現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中相關(guān)文獻(xiàn)中中間視覺和暗視覺的人眼視力差異性大的規(guī)律.

    根據(jù)交通工程學(xué)相關(guān)理論,駕駛行為中的安全識別時間一般為1.2~1.5s之間(1.5s為道路工程中常用道路信息感知反應(yīng)時間),偏于安全的考慮,應(yīng)用中按1s考慮,可為其他因素影響留有較大的安全余度,符合隧道照明實(shí)際情況.此時基于安全識別的環(huán)境亮度臨界閾值可以確定為0.5cd/m2,這樣可以大幅縮減工程中照明燈具的布設(shè),減少照明電費(fèi)支出、實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的.

    表2 不同環(huán)境亮度下的反應(yīng)時間Tab.2 Reaction time of different ambient brightness

    4 工程應(yīng)用與結(jié)果分析

    4.1 工程應(yīng)用

    實(shí)證中分別選擇短隧道、長隧道、特長隧道一處進(jìn)行實(shí)驗,驗證降低公路隧道照明指標(biāo)后的效果.這3處隧道分別為包家山隧道群的黃龍隧道(右洞長200m,左洞長250m)、譚壩Ⅲ(右洞長1 050m,左洞長959m)、譚壩Ⅳ隧道(右洞長3 050m,左洞長3 000m).

    夏季(5月份)和冬季(11月份)隨機(jī)抽取3d,對3個隧道進(jìn)口400m(黃龍隧道較短,按150m 范圍檢測)范圍內(nèi)亮度進(jìn)行檢測,分析其過渡段照明.取3d數(shù)據(jù)的平均值,如表3所示.D 為所測位置與隧道入口距離.

    4.2 結(jié)果分析和對比

    分析工程應(yīng)用中隧道實(shí)測數(shù)據(jù),與CIE 隧道亮度適應(yīng)曲線進(jìn)行對比,如圖5所示.

    從圖5可知,隧道進(jìn)口10m 內(nèi)亮度急劇下降,80m 的范圍內(nèi),環(huán)境亮度與洞外亮度關(guān)系較大,與照明設(shè)置關(guān)系不大.短隧道(黃龍隧道)、長隧道(譚壩Ⅲ隧道)、特長隧道(譚壩Ⅳ隧道)的實(shí)測數(shù)據(jù)表明,隧道進(jìn)口80m 以后的范圍內(nèi),環(huán)境亮度基本在5cd/m2以內(nèi),經(jīng)過近3a的運(yùn)行,2012年交通量已超過1萬輛以上,照明設(shè)置可以適應(yīng)隧道安全運(yùn)行,與研究結(jié)論一致.

    CIE隧道照明適應(yīng)曲線按照我國現(xiàn)行規(guī)范(參考CIE-88 2004制定)標(biāo)準(zhǔn)取值.將過渡段分為3部分:1)距洞口0.5個停車視距內(nèi)的亮度與洞外環(huán)境亮度(Lth)一致,2)之后0.5 個停車視距內(nèi)亮度降低,線性下降至0.4倍的Lth,3)隨后進(jìn)入漸變區(qū),亮度按適應(yīng)曲線Ltr=Lth(1.9+t)-1.4逐漸降低,直到等于洞內(nèi)基本段照明亮度(Lin).

    對比可以看出,CIE曲線與實(shí)際曲線相差較大.隧道進(jìn)口80 m 以后,環(huán)境亮度基本在5cd/m2以內(nèi),與CIE曲線所推薦的100~200cd/m2的取值差異較大.此外,CIE曲線所推薦的390m 過渡段長度及100cd/m2多的過渡幅度,也遠(yuǎn)大于實(shí)際應(yīng)用長度和亮度變化幅度.

    表3 隧道進(jìn)口范圍內(nèi)環(huán)境亮度實(shí)測平均值Tab.3 Average ambient brightness measured within the tunnel entrance

    根據(jù)實(shí)證及前述理論分析可知,在環(huán)境亮度安全臨界閾值以上時,人眼完全可以自行調(diào)節(jié)明暗適應(yīng),沒有必要在隧道入口進(jìn)行照明過渡.即現(xiàn)有CIE標(biāo)準(zhǔn)存在夸大駕駛員隧道入口照明需求的問題.

    5 結(jié) 論

    根據(jù)實(shí)驗分析及工程驗證,提出了公路隧道入口環(huán)境亮度安全臨界閾值,得出以下結(jié)論:

    (1)根據(jù)現(xiàn)代眼生理學(xué)及實(shí)驗得出:當(dāng)環(huán)境亮度為0.2~20cd/m2時,反應(yīng)時間與環(huán)境亮度具有明顯的反比關(guān)系,當(dāng)反應(yīng)時間滿足最小安全識別時間時,即達(dá)到了隧道環(huán)境亮度安全臨界閾值.

    (2)構(gòu)建模擬隧道環(huán)境的實(shí)驗平臺,設(shè)置了動靜2種實(shí)驗?zāi)J?,對不同受測者的實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,根據(jù)交通工程學(xué)安全識別時間的要求,得出隧道環(huán)境亮度與人眼反應(yīng)時間的關(guān)系,得到理論環(huán)境亮度安全臨界閾值為0.5cd/m2,為隧道照明指標(biāo)的確定提供了依據(jù).

    (3)實(shí)際應(yīng)用表明,隧道洞口80m 以內(nèi)環(huán)境亮度與洞外亮度相關(guān),80m 以后環(huán)境亮度安全臨界閾值為5cd/m2時,可以不需要設(shè)置特別的過渡照明,比CIE標(biāo)準(zhǔn)有大幅減低.

    (4)本研究選擇了短、長及特長隧道進(jìn)行應(yīng)用驗證,自2009年5月運(yùn)營至今,未出現(xiàn)因亮度不滿足CIE推薦指標(biāo)所引起的交通事故.由于交通事故無法通過設(shè)計進(jìn)行實(shí)例驗證,因此下一步的工作需進(jìn)一步觀測和分析運(yùn)營數(shù)據(jù),以進(jìn)一步驗證基于安全的隧道入口亮度臨界閾值.

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