基于視覺(jué)功效法的公路隧道照明研究方案設(shè)計(jì)

杜 峰，翁 季，張青文，蔡賢云

（1.福建工程學(xué)院，福建福州350118；2.重慶大學(xué)，重慶400045）

基于視覺(jué)功效法的公路隧道照明研究方案設(shè)計(jì)

杜 峰1，2，翁 季2，張青文2，蔡賢云2

（1.福建工程學(xué)院，福建福州350118；2.重慶大學(xué)，重慶400045）

文章針對(duì)基于視覺(jué)功效法的公路隧道照明研究課題，從研究方案制定的概況、方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)步驟三個(gè)方面進(jìn)行了分析和討論，充分展示了實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的針對(duì)性、科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。筆者希望通過(guò)具體的論述為本研究的順利進(jìn)行奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)也希望對(duì)其他研究者在制定各自的方案設(shè)計(jì)時(shí)提供參考。

視覺(jué)功效；公路隧道照明；方案設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)規(guī)范

0 引 言

視覺(jué)功效是人借助視覺(jué)器官完成一定視覺(jué)作業(yè)的能力，通常用完成作業(yè)的速度和精度來(lái)評(píng)定視覺(jué)功效。除了人的因素外，在客觀上，它既取決于作業(yè)對(duì)象的大小、形狀、位置、作業(yè)細(xì)節(jié)與背景的亮度對(duì)比等作業(yè)本身固有的特性，也與照明密切相關(guān)。在一定范圍內(nèi)，隨著照明的改善，視覺(jué)功效會(huì)顯著提高。研究視覺(jué)功效與照明之間的定量關(guān)系可為制定照明標(biāo)準(zhǔn)提供視覺(jué)方面的依據(jù)。在公路隧道照明研究中所提到的視覺(jué)功效包括反應(yīng)時(shí)間、瞳孔變化等衡量標(biāo)準(zhǔn)。從視覺(jué)功效法的角度出發(fā)來(lái)研究的原因在于：駕駛安全從本質(zhì)上講就是駕駛員在某種特定的狀況下，在駕駛安全所需要的時(shí)間以?xún)?nèi)完成目標(biāo)物識(shí)別、剎車(chē)、駕駛場(chǎng)景處理等保證安全的任務(wù)，該值一般為≤0.7 s。當(dāng)然駕駛舒適和節(jié)能也是很重要的。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

為了更好地研究，課題組從實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)兩部分來(lái)綜合完成。在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)部分，按照相關(guān)規(guī)范的規(guī)定還原實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)。參照國(guó)際照明委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)CIE）隧道照明規(guī)范和我國(guó)隧道照明規(guī)范的實(shí)驗(yàn)設(shè)定，探討實(shí)驗(yàn)室方案設(shè)定情況。

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)CIE隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范和我國(guó)公路隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范以及實(shí)施細(xì)則的規(guī)定，分析公路隧道行駛每一段的行駛時(shí)間可得出如下結(jié)果（隧道行車(chē)速度按照80 km/h計(jì)），見(jiàn)表1。

表1 隧道照明各段典型持續(xù)時(shí)間

從表1可以看出：公路隧道駕駛的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)80 km/h行駛速度下的行駛時(shí)間并不太長(zhǎng)，時(shí)間都在1～6 s（不含長(zhǎng)隧道的中間段）之間，考慮了其他的不同情況（如行駛車(chē)輛數(shù)目，單向還是雙向交通等）之后，研究在此將時(shí)長(zhǎng)擴(kuò)大為1～10 s。駕駛員在完全適應(yīng)的情況下，明適應(yīng)需要1 min，暗適應(yīng)需要3～5 min。所以本研究提出非完全適應(yīng)狀態(tài)的概念，非完全適應(yīng)情況下駕駛員必須及時(shí)完成目標(biāo)物識(shí)別、制動(dòng)、駕駛場(chǎng)景處理等保證安全的任務(wù)。無(wú)論國(guó)外還是我國(guó)的隧道照明設(shè)計(jì)，都是從隧道的入口段照明開(kāi)始的，而這一段照明又是根據(jù)接近段照明來(lái)確定的，也就是k值法，本研究就是該方法的改進(jìn)。另外，既然我國(guó)規(guī)范中的亮度和各段長(zhǎng)度是呈階梯狀的，那么各段長(zhǎng)度的科學(xué)性有待研究，實(shí)施細(xì)則顯示我國(guó)各照明段長(zhǎng)度根據(jù)CIE隧道照明暗適應(yīng)曲線進(jìn)行了曲線變折線處理，具體情況見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 CIE規(guī)范對(duì)公路隧道入口段和過(guò)渡段亮度規(guī)定

圖2 2014版細(xì)則對(duì)于各照明段亮度和長(zhǎng)度的規(guī)定

以上這兩點(diǎn)即是本課題的研究重點(diǎn)，具體說(shuō)明如下：

（1）研究的起始階段是接近段到入口段，而且隧道入口段光環(huán)境狀況也是照明設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，所以首先模擬隧道接近段，利用強(qiáng)光燈箱獲取強(qiáng)光（2 500 cd/m2～5 500 cd/m2），模擬20°視角內(nèi)的洞外景物亮度（以下簡(jiǎn)稱(chēng)L20），然后讓佩戴眼動(dòng)儀的實(shí)驗(yàn)樣本適應(yīng)一定的時(shí)間，該時(shí)間的長(zhǎng)短是根據(jù)在洞外20°視角的情況下一個(gè)停車(chē)視距長(zhǎng)度計(jì)算得出的，時(shí)間一到系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，關(guān)閉L20的同時(shí)實(shí)驗(yàn)樣本立刻轉(zhuǎn)到反應(yīng)時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)的入口段亮度（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Lth），模擬亮度為0.5 cd/m2～200 cd/m2，與此同時(shí)視標(biāo)出現(xiàn)，視標(biāo)的尺寸按照CIE標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，最后從佩戴的iView-X眼動(dòng)儀中觀測(cè)和記錄瞳孔的變化，通過(guò)截取時(shí)間段來(lái)看瞳孔的變化及穩(wěn)定狀況，從而得出入口段瞳孔恢復(fù)的時(shí)間，記錄反應(yīng)時(shí)間的數(shù)值。在不同的L20下對(duì)應(yīng)Lth得出不同的反應(yīng)時(shí)間和瞳孔恢復(fù)時(shí)間，通過(guò)這兩個(gè)時(shí)間對(duì)應(yīng)查找出最快的Lth，利用不同的L20和不同色溫的光源對(duì)應(yīng)出相應(yīng)不同的Lth，求出二者之間的關(guān)系，為入口段亮度的計(jì)算提出有別于傳統(tǒng)k值法的新方法。

（2）選取各照明段之間的適應(yīng)時(shí)間范圍在1～10 s之內(nèi)，采用視覺(jué)功效法，用實(shí)驗(yàn)室的反應(yīng)時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)（公路隧道照明視覺(jué)功效實(shí)驗(yàn)裝置），主要針對(duì)1～10 s的適應(yīng)時(shí)間來(lái)做針對(duì)不同色溫LED燈具實(shí)驗(yàn)樣本的視覺(jué)功效實(shí)驗(yàn)。通過(guò)反應(yīng)時(shí)間和瞳孔變化，利用計(jì)算機(jī)軟件和數(shù)據(jù)處理工具得出各個(gè)物理量之間的相互關(guān)系，最終得出每一段的適應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)度，反推得出每一段合適的行駛距離。為此，改進(jìn)儀器的亮度變化部分，使之更符合實(shí)際的公路隧道行駛過(guò)程。亮度變化選取JTG/T D70/2－01—2014《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)2014細(xì)則）中的典型取值，計(jì)劃采用140 cd/m2，70 cd/m2，21 cd/m2，7 cd/m2，2.8 cd/m2，2.0 cd/m2，6.0 cd/m2，10 cd/m2。隨著研究的深入，計(jì)劃采用第一步研究中L20和Lth之間的關(guān)系找到更加合適的Lth數(shù)據(jù)。依據(jù)見(jiàn)表2。

表2 隧道照明各段典型亮度變化（表格來(lái)源：自繪）

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器改裝設(shè)計(jì)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取

雖然隧道照明規(guī)范對(duì)于路面亮度的規(guī)定多種多樣，但是本研究方案中將所有主要數(shù)據(jù)按照典型的隧道駕駛情況選取。研究針對(duì)我國(guó)公路隧道照明的典型情況，行駛速度選擇高速公路隧道最常用的80 km/h，L20選擇天空面積百分比為35%～50%的南洞口，取值選擇4 000 cd/m2。在雙向交通，且交通量為≥650 veh/（h·ln）的情況，k值選擇0.035。所以第一段Lth選擇為4 000×0.035＝140 cd/m2。

1.2.2 光源選取

LED和傳統(tǒng)隧道照明光源，如高壓鈉燈（HPS）、金屬鹵化物燈（MH）等光源的相關(guān)對(duì)比研究中，大部分結(jié)論都是LED不僅節(jié)能，而且高效、安全和舒適。所以本研究不再?gòu)墓庠吹膶?duì)比出發(fā)，而是直接選用多種色溫下的LED光源。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)儀器的選取

（1）采用改進(jìn)后的隧道照明視覺(jué)功效測(cè)試儀器。通過(guò)有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，解決了公路隧道照明視覺(jué)功效模擬實(shí)驗(yàn)裝置中（洞內(nèi)入口段）亮度不夠的問(wèn)題，原先測(cè)試亮度上限僅僅可達(dá)90 cd/m2，現(xiàn)在可以提高到200 cd/m2左右。三種LED光源的色溫分別為2 829 K，3 814 K和5 257 K。

綜合考慮隧道照明規(guī)范的規(guī)定和現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，可知小目標(biāo)物的尺寸為0.2 m×0.2 m（該尺寸為導(dǎo)致車(chē)輛在駕駛過(guò)程中傾覆的最小尺寸），在實(shí)驗(yàn)中為了體現(xiàn)真實(shí)性和動(dòng)態(tài)性，將停車(chē)視距、觀測(cè)目標(biāo)、觀測(cè)方法等都進(jìn)行了等比例縮小，比例為1∶20，將視標(biāo)尺寸處理為0.01m×0.01m。即在80 km/h速度情況下對(duì)應(yīng)100 m停車(chē)視距和0.2 m×0.2 m大小的小目標(biāo)物，此時(shí)在反應(yīng)時(shí)間測(cè)試儀器前根據(jù)比例換算出距離為5 m，除去小目標(biāo)物在儀器內(nèi)的1 m，也就是4 m，這個(gè)尺寸在實(shí)驗(yàn)室按照1∶20換算完全實(shí)現(xiàn)了。該裝置詳見(jiàn)圖3和圖4。

另外根據(jù)CIE規(guī)范視標(biāo)反射系數(shù)（對(duì)比度）的要求，設(shè)計(jì)漫反射表面的反射比接近1，所以在這里反射系數(shù)和對(duì)比度是一樣的，根據(jù)CIE規(guī)范選擇對(duì)比度為－0.2（公路隧道行駛采用負(fù)對(duì)比情況），根據(jù)背景亮度的不同選用合理灰度的視標(biāo)。最終現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出灰度220左右的理想視標(biāo)。在該對(duì)比度下得到的數(shù)值為可觀測(cè)到物體的標(biāo)準(zhǔn)值。

圖3 公路隧道照明視覺(jué)功效模擬實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖4 公路隧道照明視覺(jué)功效模擬實(shí)驗(yàn)裝置正立面示意圖

（2）模擬L20的燈箱。通過(guò)課題組的設(shè)計(jì)，制作了盡量接近日光光源的燈箱，包含熒光燈（基礎(chǔ)亮度的光源）和LED（可調(diào)節(jié)光源）在內(nèi)的燈箱，控制表面亮度在2 500～5 500 cd/m2之間，色溫接近天然光，二者的對(duì)比詳見(jiàn)圖5和圖6。從測(cè)試數(shù)據(jù)得出，天然光的色溫為5 506～6 292 K，顯色指數(shù)接近100。而研究所使用的L20光源指標(biāo)為：色溫5 758～6 879 K，顯色指數(shù)75～87?？梢钥闯錾珳睾惋@色指數(shù)已經(jīng)相當(dāng)接近了，但是光譜仍然存在一些不同，因?yàn)槟壳斑€沒(méi)有光譜類(lèi)似天然光的人工光源。

研究采用上述燈箱獲取2 500～5 500 cd/m2的L20，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)L20表面亮度，在實(shí)驗(yàn)室根據(jù)56.8°視角（考慮了眼睛的余光）來(lái)?yè)Q算得出需要燈箱的面積為直徑4.32 m的圓形面積，考慮到下面部分用處不大（已經(jīng)是地面以下），尺寸可以取2.16＋1.5/20＝2.24 m（上下尺寸），左右尺寸為4.32 m。詳細(xì)尺寸設(shè)計(jì)過(guò)程見(jiàn)圖7。

另外，根據(jù)20°視角情況下計(jì)算得出的尺寸為直徑1.41 m的圓形，同樣考慮下面部分用處不大，尺寸可以取1.41/2＋1.5/20＝0.78 m（上下尺寸），左右尺寸0.7 m。最后取1.5 m×1 m。最終的燈箱是沒(méi)有考慮余光情況下按照該尺寸來(lái)制作的。為了光線分布均勻，前面采用了均勻漫透射的膜進(jìn)行覆蓋。制成后的實(shí)際情況見(jiàn)圖8。

圖5 L20光源的光譜圖

圖6 不同時(shí)間天然光光譜

圖7 L20燈箱尺寸設(shè)計(jì)過(guò)程

圖8 燈箱最終圖片

（3）iView-X眼動(dòng)儀改進(jìn)和反應(yīng)時(shí)間測(cè)試儀器聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)和制作。首先，反應(yīng)時(shí)間測(cè)試儀器，要求精確到毫秒（ms）級(jí)別，包含計(jì)時(shí)模塊、激發(fā)按鈕和反應(yīng)按鈕等。其次，改進(jìn)后實(shí)現(xiàn)在設(shè)定的等待時(shí)間之后的聯(lián)動(dòng)（L20關(guān)閉的同時(shí)計(jì)時(shí)器起作用，Lth也同時(shí)起作用，而且視標(biāo)同時(shí)彈出）。設(shè)定三個(gè)視標(biāo)：分為左中右三種情況，對(duì)應(yīng)角度－10°，0°，10°，角度選取參考了其他論文的實(shí)驗(yàn)，三種情況隨機(jī)出現(xiàn)，設(shè)定三個(gè)小目標(biāo)物的原因是避免出現(xiàn)長(zhǎng)期注視同一個(gè)視標(biāo)產(chǎn)生不客觀的“猜中”情況。詳細(xì)見(jiàn)圖9。

圖9 聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)最終圖片

2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）從隧道照明視覺(jué)功效測(cè)試實(shí)驗(yàn)儀器外面加一個(gè)足夠亮度的燈箱模擬L20。亮度2 500～5 500 cd/m2。分別取規(guī)范中所規(guī)定的在80 km/h時(shí)L20隨機(jī)亮度的工況。

（2）在該儀器內(nèi)部（模擬隧道入口段）視覺(jué)面上調(diào)出不同色溫2 829 K，3 814 K和5 257 K左右的背景亮度Lth，如0.5 cd/m2，1.0 cd/m2，5.0 cd/m2，10 cd/m2，20 cd/m2，40 cd/m2，60 cd/m2，80 cd/m2，100 cd/m2，120 cd/m2，140 cd/m2，160 cd/m2，180 cd/m2，200 cd/m2。選擇多的亮度值是為了擴(kuò)大樣本的數(shù)量，查找四個(gè)閾值，分別是可見(jiàn)閾值、基本安全閾值（按照交通工程學(xué)）、舒適閾值（基于瞳孔變化）和安全閾值（基于反應(yīng)時(shí)間）。

（3）調(diào)節(jié)燈箱亮度，使初始亮度L20為2 500～5 500 cd/m2之間的任意值，注視初始時(shí)間之后，關(guān)掉外面燈箱的電源，使實(shí)驗(yàn)樣本注視的背景亮度變?yōu)閮x器內(nèi)的亮度Lth，與此同時(shí)聯(lián)動(dòng)釋放視標(biāo)，同時(shí)眼動(dòng)儀聯(lián)動(dòng)發(fā)生作用，隨后實(shí)驗(yàn)樣本根據(jù)看到視標(biāo)的情況利用手中的按鈕確定第一時(shí)間看到的時(shí)間（即反應(yīng)時(shí)間）。通過(guò)瞳孔變化看視覺(jué)恢復(fù)時(shí)間，通過(guò)反應(yīng)時(shí)間測(cè)試儀器數(shù)據(jù)來(lái)看反應(yīng)時(shí)間。最終把數(shù)據(jù)記錄下來(lái)進(jìn)行分析，獲得L20和Lth之間的關(guān)系，此結(jié)論可以作為公路隧道智慧照明的基礎(chǔ)，還可以獲得各照明段適宜的行駛距離數(shù)值。

3 小 結(jié)

科學(xué)研究成果是跟研究方案設(shè)計(jì)的針對(duì)性、科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性分不開(kāi)的，論文通過(guò)對(duì)課題實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究方案設(shè)計(jì)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)步驟的詳細(xì)介紹，為在研項(xiàng)目的順利進(jìn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也希望可為其他科學(xué)研究拋磚引玉，提供一點(diǎn)可供借鑒之處。

［1］王煒，過(guò)秀成.交通工程學(xué)（第二版）［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2011

［2］CIE 88-1990.Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［S］.CIE Central Bureau

［3］CIE 88-2004.Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［S］.CIE Central Bureau

［4］中華人民共和國(guó)交通部.JTJ 026.1—1999公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［5］中華人民共和國(guó)交通部.JTG/T DXX—2010公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則［S］

［6］中華人民共和國(guó)交通部.JTG/T D70/2—01—2014公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則［S］

［7］謝秀穎，等.實(shí)用照明設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011

［8］崔璐璐，陳仲林，等.隧道照明光源與光源光色研究［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2009（2）：24～29

［9］劉英嬰，張青文，胡英奎，等.LED光源色溫對(duì)隧道入口段和中間段的影響［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2013（2）：30～34

［10］于娜，丁偉智.LED光源在隧道照明中的應(yīng)用中的應(yīng)用及節(jié)能分析［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2016，27（1）：32～37

The Project Design of Road Tunnel Illum ination Research Based on Visual Performance

DU Feng1，2，WENG Ji2，ZHANG Qingwen2，CAIXianyun2
（1.Fujian University of Technology，F(xiàn)uzhou Fujian，350118；2 Chongqing University，Chongqing 400044，P.R.China）

Aimed at the road tunnel illumination project based on visual performance，the paper analyzed and discussed briefly on the outline，project design，experiment procedure of the research project plan and sufficiently demonstrated the pertinence，scientificity and stringency.The paper hoped to lay the solid foundation to the research and provide reference to the other researchers tomake their own plan.

visual performance；road tunnel illumination；project plan；design standard

2015-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51278507）

杜峰，男，福建工程學(xué)院副教授，重慶大學(xué)博士研究生。