考慮駕駛員視覺適應的公路隧道入口段亮度確定方法

胡英奎 陳仲林 張青文 翁季 黃珂 林勇

摘 要：

駕駛員的視覺適應過程直接影響交通安全。為考慮駕駛員的視覺適應過程，在確定公路隧道入口段亮度時，通過實測得到駕駛員駕車進入隧道過程中的瞳孔大小變化數(shù)據(jù)，建立了描述駕駛員駕車進入隧道過程中瞳孔面積變化速率最大值與各相關參數(shù)之間關系的數(shù)學模型。以駕駛員不發(fā)生視覺障礙的瞳孔面積變化臨界速率為基準，計算得到了駕駛員瞳孔面積變化達到臨界速率時，隧道入口段的最低亮度，分析了隧道入口段所需最低亮度與洞外亮度之間的關系，通過回歸分析建立了隧道入口段亮度與洞外亮度之間關系的數(shù)學模型，得到了考慮駕駛員視覺適應的公路隧道入口段亮度確定方法。

關鍵詞：

隧道照明；入口段亮度；適應亮度；視覺適應；瞳孔大小

中圖分類號：TU113.6； U453.7

文獻標志碼：A 文章編號：16744764（2016）04002007

由于駕駛員的適應亮度變化劇烈，公路隧道入口段附近是交通事故多發(fā)路段。采用科學的隧道入口段亮度確定方法，有利于合理確定隧道入口段的照明水平，進而在確保交通安全的前提下實現(xiàn)照明節(jié)能。

對于隧道入口段亮度的確定方法，國際照明委員會（CIE）在CIE 88—1990[1]中推薦采用k值法，在CIE 88：2004[2]提出采用察覺對比法；日本機動交通隧道照明標準（JIS Z 9116—1990）[3]中提出入口段亮度由接近段亮度和考慮設計速度的折減系數(shù)確定；歐盟隧道照明標準（CR 14380：2003 E）[4]中列出了L20法、考慮交通狀況的L20法、光幕亮度法、空間和適應方法等4種確定隧道入口度亮度的方法；英國隧道照明設計規(guī)范（BS 5489—2：2003+A1：2008）[5]采用了CR 14380：2003 E[4]中的考慮交通狀況的L20法；挪威[6]以洞外適應亮度為基礎，考慮交通流量和行車速度確定隧道入口段亮度。中國《公路隧道通風照明設計規(guī)范》（JTJ 026.1—1999）[7]采用k值法確定隧道入口段亮度，《公路隧道照明設計細則》[8]也繼續(xù)采用該方法。杜志剛等[9]通過行車實驗得到了隧道內距離進口x處的亮度值；胡松潔[10]提出了短隧道環(huán)境下入口段照明設置水平；殷穎[1112]對比分析了k值法、SRN主觀評價法和察覺對比法等3種隧道入口段亮度的方法；胡英奎等[13]對比分析了k值法和最小察覺對比法。從已有研究成果可以看出，雖然已對隧道入口段亮度確定方法開展了大量研究，但研究內容主要集中在k值法和察覺對比法上。從駕駛員的視覺特點和需求出發(fā)研究隧道入口段亮度，確保駕駛員在駕車進入隧道過程中不因光環(huán)境的劇烈變化發(fā)生視覺障礙，從而確保行車安全，是最直接的隧道入口段亮度確定的方法，而該方法還鮮有研究人員涉及。

筆者在前期研究駕駛員駕車接近隧道過程中適應亮度[14]和瞳孔大小[15]變化規(guī)律的基礎上，根據(jù)實測得到的駕駛員駕車進入隧道過程中的瞳孔大小變化數(shù)據(jù)，提出了考慮駕駛員視覺適應的公路隧道入口段亮度確定方法。

1 光環(huán)境參數(shù)及駕駛員瞳孔大小測試

為了獲得駕駛員駕車進入隧道過程中的瞳孔變化數(shù)據(jù)，2010年8月18日至20日，在福建省境內永武（永安—武平）高速公路上的龍井隧道、黃山嶺隧道、石背角隧道和溪背山隧道對駕駛員駕車進入隧道過程的瞳孔變化及相應的光環(huán)境參數(shù)進行了測試。

1.1 測試的基本情況

1.1.1 測試對象

所測的4座隧道位于福建省境內永武高速公路上，測試時間8月份是當?shù)厝照兆顝姷募竟?jié)，測試的3天均為晴間多云天氣。為了獲得不同的洞外亮度，每天的測試分早晨（7：00—9：00）、中午（11：00—13：00）和傍晚（16：00—18：00）3個時段進行；為了獲得不同的入口段亮度，測試過程中開啟隧道入口段照明系統(tǒng)的不同回路。測試時，駕駛員頭戴眼動儀頭盔，盡量以隧道的設計速度（80 km/h）駕車進入隧道，用眼動儀記錄駕駛員的瞳孔大小。用亮度計測量隧道洞外亮度和隧道入口段路面亮度。

1.1.2 測試車輛

考慮所用車輛的代表性和測試的方便性，測試選用永武高速公路路政管理部門的工作用車，即由東南三菱生產(chǎn)的三菱君閣（ZINGER）MPV商務車。測試用車車況良好，前擋風玻璃及前排車窗清潔無污染。

1.1.3 被測人員

考慮駕駛員的代表性及駕駛員對測試用車的車況和操作較熟悉的要求，選擇了8名男性駕駛員作為被測人員，被測人員全部為永武高速公路的路政管理人員。被測人員的年齡在28～40歲，平均年齡33.4歲，所有被測人員均無色盲、色弱情況，校正視力均在5.0以上，為了眼動儀測試的方便，所有駕駛員都不佩戴眼鏡（隱形眼鏡除外）。

1.1.4 主要測試儀器和設備

用iView X HED眼動儀記錄被測人員的瞳孔大小。眼動儀場景攝像機的采樣頻率為25 Hz，即每40 ms左右采集一幀圖像，眼睛攝像機的采用頻率為50 Hz，即每20 ms左右對眼睛采集一次數(shù)據(jù)。

用LM3瞄點式亮度計測量路面亮度和洞外景物亮度。

用Canon EOS 50D數(shù)碼相機對隧道洞口拍照，以記錄隧道外駕駛員視野中的景物組成，與Canon EOS 50D數(shù)碼相機搭配使用的鏡頭為Canon EF 17-40 mm f/4L USM。

1.2 測試方法和步驟

1.2.1 亮度測量

亮度測量包括隧道入口段亮度測量和洞外景物亮度測量。

1）隧道入口段亮度測量。路面測點參考CIE 88—1990[1]布置，測量點布置為3行3列，各測點處的路面亮度用LM3瞄點式亮度計測量。在各隧道入口段布置測點后，將亮度計安放在距路面第一行測點100 m處的車道中央，測量時使用亮度計的最小視場角0.03°。

2）洞外景物亮度的測量。

實測涉及到的隧道洞外景物主要包括路面、植被、天空、洞口、裸露的巖石、護壁等。洞外景物亮度測量采用LM3瞄點式亮度計的最大視場角，即2°，且取至少3個不同位置的同種景物亮度的平均值作為該景物亮度的測量值。測量洞外亮度時，亮度計放置在距洞口一個安全停車距離處的行車道中心線上。由于天然光環(huán)境變化較快，隧道洞外景物亮度變化也較快。為了方便測量，對于一個隧道的一個測試時段僅測量一次洞外景物亮度，該時段的洞外亮度都以該次測量得到的洞外景物亮度為基礎計算得到。

1.2.2 洞外景物拍照

對洞外景物拍照時，數(shù)碼相機位于路面中心，相機鏡頭距路面的高度為1.5 m，相機鏡頭對準隧道口的中心位置，使用鏡頭的廣角端對隧道洞口及其周圍景物拍照。

1.2.3 瞳孔大小測量

駕駛員瞳孔大小的測量采用SMI iViewX HED眼動儀。測試開始前，讓駕駛員將測試車正對隧道停在距隧道一段距離（一般距隧道口300 m以上）處。測試開始，車輛啟動后應盡快將車速提高到隧道的設計行車速度80 km/h，并確保駕車到達距洞口一個停車距離（100 m）處時車速達到隧道的設計行車速度80 km/h左右，然后盡量使行車速度穩(wěn)定在80 km/h，保持勻速行駛。車輛在行駛過程中不得變換車道。在車輛到達距隧道洞口一個安全停車距離前開始記錄瞳孔數(shù)據(jù)，通過隧道的入口段后停止記錄。每座隧道、每個時段有1～3名駕駛員駕車通過；根據(jù)具體情況，每名駕駛員在一個時段駕車通過一座隧道1～4次。

1.3 測試結果

1.3.1 隧道洞外亮度

為了隧道照明設計的方便，借用等效光幕亮度Lseq的概念表達駕駛員在距隧道洞口一個停車視距處的適應亮度，即采用了等效光幕亮度Lseq的計算方法，但測量計算等效光幕亮度Lseq時未考慮汽車擋風玻璃透射比和亮度的影響。用在距隧道洞口一個停車視距處測量得到的隧道洞外景物亮度和在距隧道洞口一個停車視距處所拍照片計算等效光幕亮度Lseq。

1.3.2 駕駛員瞳孔大小

測試共記錄了8名駕駛員56人次駕車進入4座隧道的瞳孔變化數(shù)據(jù)。由于眼動儀校準不準確、眼動儀校準后頭盔相對駕駛員的頭部有運動等原因，造成測試記錄的17人次的瞳孔變化無法用于數(shù)據(jù)分析，被判定為無效數(shù)據(jù)，測試得到了39人次有效瞳孔變化數(shù)據(jù)。圖1（a）是測試得到的一個駕駛員駕車進入其中一座隧道過程中的瞳孔大小變化曲線。為了便于分析駕駛員瞳孔大小變化規(guī)律，采用小波變換的方法對測試得到的原始數(shù)據(jù)進行降噪處理，圖1（b）是對圖1（a）所示數(shù)據(jù)通過小波變換降噪后的結果。

2 駕駛員的瞳孔面積變化速率

駕駛員駕車進入隧道的過程中適應亮度不斷變化，駕駛員的瞳孔大小也隨之不斷變化。如果適應亮度變化過快，駕駛員的瞳孔大小變化達到正常視覺的臨界速率仍無法適應環(huán)境亮度，則會造成視覺障礙，進而導致交通事故。為了保證在此過程中的行車安全，需要控制駕駛員瞳孔大小的變化速率在安全范圍內。

2.1 駕駛員瞳孔面積變化速率的計算

實測中使用的眼動儀每隔約20 ms記錄一次瞳孔大小，即，先記錄下t時刻的瞳孔大小f（t），經(jīng)歷Δt時間（約20 ms）后，記錄下t+Δt時刻的瞳孔大小f（t+Δ）。由于眼動儀記錄瞳孔大小的時間間隔Δt非常短，可以近似認為駕駛員在Δt時間內的瞳孔變化速率保持不變，則Δt時間內的瞳孔變化速率vp可以用式（1）計算得到。

將測量得到的駕駛員瞳孔面積隨時間變化的數(shù)據(jù)代入式（1），即得到相應的瞳孔面積變化速率，圖1所示瞳孔大小變化過程的瞳孔面積變化速率如圖2所示。

2.2 駕駛員瞳孔面積變化速率的最大值

使駕駛員能產(chǎn)生正常視覺的瞳孔面積變化速率最大值稱為瞳孔面積變化的臨界速率，記為vpe。在駕駛員駕車進入隧道過程中，影響行車安全的是駕駛員瞳孔面積變化速率的最大值vpmax，如果vpmax超過了駕駛員瞳孔變化的臨界速率vpe，駕駛員將形成視覺障礙而發(fā)生交通事故。

在駕駛員駕車進入隧道過程中，駕駛員瞳孔面積變化速率除受適應亮度變化的影響外，還受駕駛員瞳孔大小個體差異等因素的影響。分析發(fā)現(xiàn)，在其他條件一定的情況下，將駕駛員在距隧道洞口一個停車視距處的瞳孔大小Sp100、適應亮度Lseq及隧道入口段亮度Lth作為影響駕駛員瞳孔面積變化速率的主要因素。測試時已要求駕駛員在進入隧道接近段之前就將車速提高到隧道的設計行車速度80 km/h，并盡量保持該速度勻速進入隧道。測試中實際測到的行車速度v的最大值為86 km/h，最小值為76 km/h，對應的從隧道洞外100 m到洞內30 m所需行車時間分別為5.44、6.16 s，相差只有072 s。為了研究方便，將行車速度對駕駛員瞳孔大小變化帶來的影響忽略不計，即未將行車速度作為影響駕駛員瞳孔大小變化的因素。

為了減小測試過程中可能產(chǎn)生的隨機誤差，在條件許可的情況下，對于相同的測試條件（同一測試時段、同一隧道、相同的洞外亮度Lseq和入口段亮度Lth），同一位被測者可能進行了多次測試。在分析數(shù)據(jù)時將同一被測者在相同測試條件下得到的測試結果（vpmax、Sp100）取平均值。

式中：vpmax為駕駛員瞳孔面積變化速率的最大值，mm2/s；Sp100為駕駛員在距隧道洞口100 m處的瞳孔面積，mm2；Lseq為距隧道洞口100 m處的適應亮度，即隧道的洞外亮度，cd/m2；Lth為隧道入口段的路面亮度，cd/m2；a、b、c、d為系數(shù)。

3 隧道入口段亮度的確定

3.1 測試隧道入口段亮度的確定

式（2）描述了駕駛員駕車進入隧道過程中瞳孔面積變化最大速率vpmax與駕駛員在隧道洞外的瞳孔面積Sp100、隧道洞外亮度Lseq、隧道入口段亮度Lth之間的關系。式（2）可以改寫為

在已知駕駛員瞳孔面積變化最大速率vpmax、駕駛員在隧道洞外的瞳孔面積Sp100和隧道洞外亮度Lseq的情況下，可以按式（3）計算得到相應的隧道入口段亮度。駕駛員瞳孔面積變化的臨界速率vpe是在保證駕駛員正常視覺功能的前提下所允許的瞳孔面積變化速率的最大值，如果將式（3）中的瞳孔面積變化最大速率vpmax取值為駕駛員瞳孔面積變化的臨界速率vpe，則按式（3）計算得到的隧道入口段亮度Lth即為在特定的隧道洞外亮度條件下、確保該駕駛員不出現(xiàn)視覺障礙所允許的隧道入口段亮度的最小值。即，對于特定的駕駛員和特定的隧道洞外亮度，保證行車安全所需的隧道入口度亮度可以按照式（4）計算得到。

為了減小測試產(chǎn)生的隨機誤差，提高測試精度，在條件許可的情況下，有的隧道在同一測試時段（對應同一個洞外亮度）進行了多次測試。根據(jù)對不同測試者的測試結果計算得到的同一隧道在同一時段的入口段亮度值不完全相同，即使是根據(jù)同一測試者的多次測試結果計算得到的同一隧道在同一時段的入口段亮度值也不完全相同，但根據(jù)不同測試結果計算得到的同一隧道在同一時段的入口度亮度值差別不大。如果以同一隧道在同一時段的多次測試的計算結果中最小的隧道入口段亮度值為準，則基于不同測試的計算結果相對誤差最大值僅為1197%，因此，可以近似認為根據(jù)同一隧道在同一時段的不同測試結果計算得到的隧道入口段亮度相同，即隧道入口段亮度與洞外亮度一一對應。為了描述隧道入口段亮度與洞外亮度之間的關系，對根據(jù)同一隧道在同一時段的多次測試結果計算得到的多個入口段亮度取平均值，將該平均值作為該隧道在該時段（對應一個特定的洞外亮度）的入口段亮度，計算得到的各隧道在各測試時段的隧道入口段亮度及與洞外亮度的對應關系見表3。

3.2 隧道入口段亮度與洞外適應亮度的關系

表4中L′th為根據(jù)擬合結果計算得到隧道入口段亮度；E為擬合結果與實測數(shù)據(jù)之間的相對誤差。從擬合計算的結果來看，式（7）能比較準確地表達表3中所列Lth與Lseq之間的關系。從表4可以看出，實測到的洞外亮度最小值為Lseq=6.9 cd/m2，與之對應的根據(jù)測試結果計算得到的隧道入口段亮度Lth=6.9 cd/m2，根據(jù)擬合結果計算得到的隧道入口段亮度L′th=9.2 cd/m2，該條件下的擬合結果與根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算結果之間的相對誤差達到了3285%，是各隧道在各照明條件下擬合結果與實測計算結果之間相對誤差的最大值。除此之外，其余擬合結果與根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算結果的相對誤差都在15%以內。分析最大誤差產(chǎn)生的原因，應該與測試時洞外亮度和隧道入口段亮度都比較低有關，測試過程中產(chǎn)生比較小的絕對誤差，對比較低的亮度條件計算都可能產(chǎn)生比較大的相對誤差。從其對隧道照明設計的影響來看，僅有測試的最低亮度條件下產(chǎn)生了較大的誤差，其余測試條件下的誤差都在15%以內，說明用式（7）描述Lth與Lseq之間的關系時，僅在低亮度條件下可能產(chǎn)生較大誤差，在其余亮度條件下的計算結果基本都能滿足隧道照明設計的精度要求。CIE 88：2004建議[12]，在隧道照明設計過程中計算隧道洞外亮度時，采用每年至少出現(xiàn)75 h的最大景物亮度作為計算基礎，即在隧道照明設計時考慮的是相對較高的景物亮度，不會出現(xiàn)Lseq=6.9 cd/m2的情況。從這個角度來看，表4中出現(xiàn)的最大誤差條件不會在隧道照明設計的實踐中出現(xiàn)，式（7）表達的隧道入口段亮度Lth與洞外亮度Lseq之間的關系能滿足隧道照明設計的精度要求。

需要說明的是，用來描述隧道入口段亮度Lth與洞外亮度Lseq之間函數(shù)關系的式（7）是在行車速度為80 km/h左右的測試條件下得到的。由于駕駛員瞳孔面積變化速率最大值除了受數(shù)據(jù)分析過程中已經(jīng)考慮的駕駛員在隧道洞外的瞳孔面積Sp100、隧道洞外亮度Lseq、隧道入口段亮度Lth等變量的影響外，還受行車速度的影響。因此，式（7）成立的前提條件是行車速度為80 km/h左右，即式（7）僅適用于設計行車速度為80 km/h左右的隧道照明設計。

4 結 論

通過實測得到了駕駛員駕車進入隧道過程中瞳孔面積變化速率的最大值，在此基礎上分建立了描述駕駛員駕車進入隧道過程中瞳孔面積變化速率最大值與各相關參數(shù)之間關系的數(shù)學模型。用駕駛員不發(fā)生視覺障礙的瞳孔面積變化臨界速率為基準，計算得到了駕駛員瞳孔面積變化達到臨界速率時隧道入口段的最低亮度。分析隧道入口段亮度與洞外亮度之間的關系，用回歸分析的方法建立了隧道入口段亮度與洞外亮度之間關系的數(shù)學模型。該方法即為根據(jù)駕駛員視覺適應確定隧道入口段亮度的方法。

由于實測條件的限制，僅對設計行車速度為80 km/h的隧道進行了實測，實測的行車速度也都在80 km/h左右，在隧道入口段亮度計算模型建立過程中，無法將行車速度作為變量考慮。但已有研究表明，行車速度是決定隧道入口段亮度的關鍵參數(shù)之一。因此，建立的隧道入口段亮度計算模型僅適用于設計行車速度為80 km/h左右的公路隧道。對于其他不同設計行車速度的公路隧道，還需要進行相應的實測分析，才能建立其入口段亮度計算模型。

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（編輯 王秀玲）