公路隧道入口段晝間照明安全可見閾值分析

杜 峰，翁 季，張青文，蔡賢云，彭 力

(1.重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400044；2.福建工程學(xué)院 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，福州 350118)

公路隧道入口段晝間照明安全可見閾值分析

杜 峰1,2，翁 季1，張青文1，蔡賢云1，彭 力1

(1.重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400044；2.福建工程學(xué)院 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，福州 350118)

根據(jù)CIE指南的相關(guān)規(guī)定，文章從對(duì)公路隧道入口段照明安全可見閾值研究的目的和重要性入手，針對(duì)多個(gè)被試者進(jìn)行了視覺功效法的實(shí)驗(yàn)，最終通過對(duì)反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的分析，得出了入口段安全可見閾值為15～20 cd/m2，并給出了根據(jù)色溫變化的公式。該結(jié)論可以在應(yīng)急照明或檢修狀況下對(duì)公路隧道入口段照明的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)和理論支持。

隧道照明；入口段；安全可見閾值；視覺功效；反應(yīng)時(shí)間

國際照明委員會(huì)在CIE 88—2004中指出：目前重點(diǎn)推薦研究白天和夜間照明問題，以及為適應(yīng)這種內(nèi)外部光線波動(dòng)問題而采取的措施，還考慮了內(nèi)部電源供應(yīng)失效時(shí)的情況。

中國是多山國家，山區(qū)為了車輛通行方便，經(jīng)常要借助開鑿隧道來實(shí)現(xiàn)。據(jù)預(yù)測(cè)，在未來一段時(shí)間內(nèi)，中國的公路隧道將以每年300 km隧道里程的速度增加，因此，關(guān)系隧道安全的隧道照明成為研究熱點(diǎn)，對(duì)于各照明段亮度的研究就是其中之一。隧道照明研究的目標(biāo)是在保證行駛安全的基礎(chǔ)上盡可能節(jié)約能源。為更好節(jié)能減排，中國對(duì)多個(gè)地市實(shí)行了“拉閘限電”政策，在此期間，河北某縣一些企事業(yè)單位、公共設(shè)施，每過3 d要面對(duì)一次長達(dá)22 h的停電煎熬。在停電期間，主要保證家庭用電和重要的公共用電，其中隧道照明用電會(huì)受到一定影響。

危蓉在研究中以可見閾值概念描述水印嵌入之后圖像的可見程度，傅翼等引入閾值增量概念分析不同布燈方式對(duì)隧道駕駛安全性影響，鄭暄等通過實(shí)驗(yàn)分析隧道環(huán)境亮度安全臨界閾值，胡江碧等對(duì)隧道入口段照明安全閾值進(jìn)行評(píng)價(jià)得到亮度折減系數(shù)值。以上研究均缺少與公路隧道特殊工況的結(jié)合。在研究方法方面，Nakamichi、Kabayama等人提出視覺功效法，在實(shí)驗(yàn)中測(cè)試視覺功效當(dāng)中的反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)。Zhang、Hu等依據(jù)視覺功效法分析公路隧道照明的綜合效率，文章所研究的視覺功效包含瞳孔變化、反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)。張青文、李毅等研究了視覺功效中反應(yīng)時(shí)間對(duì)于公路照明的影響，杜志剛、胡英奎等則從瞳孔變化方面對(duì)公路隧道照明進(jìn)行了研究。以上研究證明了在公路隧道照明研究中運(yùn)用視覺功效法的可行性。

《隧道照明設(shè)計(jì)實(shí)施細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014)(以下簡稱細(xì)則)規(guī)定：公路隧道照明分為接近段、入口段、過渡段、中間段和出口段等照明段。公路隧道入口段亮度(Lth)是隧道照明設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，而且根據(jù)折減系數(shù)法，Lth由隧道洞外亮度(L20)乘以系數(shù)k得到。在這里，安全可見閾值指隧道照明經(jīng)過了L20的高亮度之后，在突然變化到Lth情況并保證安全的前提下，人眼剛剛可以看到小目標(biāo)物時(shí)的亮度。衡量“剛剛看到”這一狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)是視覺功效法中的反應(yīng)時(shí)間指標(biāo)，研究認(rèn)定被試者在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有做出合適的反應(yīng)(按下按鈕)即為剛剛看不到，亮度再大一些就是剛剛看到，此時(shí)的臨界亮度值即為Lth安全可見閾值。在實(shí)際駕駛過程中，這意味駕駛員沒有在必要的規(guī)定時(shí)間內(nèi)做出制動(dòng)、躲避危險(xiǎn)等反應(yīng)，極易出現(xiàn)較為嚴(yán)重的交通事故。視覺功效實(shí)驗(yàn)中，隨著注視時(shí)間的增加，人眼能看清亮度差別更大的目標(biāo)，即相同亮度下時(shí)間延長能發(fā)現(xiàn)更暗的目標(biāo)，但并不保證安全。根據(jù)交通工程學(xué)的規(guī)定，這個(gè)時(shí)間要求小于0.7 s。其中駕駛員開始制動(dòng)前最少需要0.4 s的知覺反應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)生制動(dòng)效果需0.3 s的時(shí)間，共計(jì)0.7 s。

研究目的是在接近段到入口段這個(gè)亮度變化最大、暗適應(yīng)問題最嚴(yán)重的照明段，找到一個(gè)保障駕駛安全的最低亮度閾值，即安全可見閾值。這個(gè)閾值的研究意義在于特殊情況下，如電力明顯不足或隧道剛剛建成時(shí)照明負(fù)荷不完善，滿足基本駕駛安全的最低閾值，保證在必要的時(shí)間內(nèi)看到目標(biāo)，作為公路隧道照明設(shè)計(jì)短期特殊情況下的補(bǔ)充。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

研究采用視覺功效法，在實(shí)驗(yàn)室模擬和再現(xiàn)公路隧道駕駛的光環(huán)境狀況，完成關(guān)于反應(yīng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)。對(duì)8位被試者進(jìn)行視覺功效測(cè)試，其中男性4人(占50%)，女性4人(占50%)，年齡在20～30歲之間，被試者裸眼視力均大于0.7(小數(shù)記錄視力表)，均無色盲和色弱情況。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：公路隧道視覺功效測(cè)試裝置、隧道洞外亮度(L20)模擬燈箱、入口段亮度(Lth)模擬燈箱、反應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置、LED光源控制箱、BM-5A亮度計(jì)、iView-X眼動(dòng)儀、分光輻射亮度計(jì)等。該實(shí)驗(yàn)的平、立面圖見圖1，實(shí)驗(yàn)設(shè)備見圖2。實(shí)驗(yàn)選用L20燈箱為模擬太陽光的LED和熒光燈的結(jié)合，色溫為5 758～6 879 K，顯色指數(shù)75～87，而Lth為色溫分別為2 829 K、3 814 K和5 257 K的LED光源，顯色指數(shù)75.2。

圖1 公路隧道視覺功效實(shí)驗(yàn)平、立面圖

圖2 公路隧道照明視覺功效模擬實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)由被試者逐一進(jìn)行。先讓被試者觀察模擬L20的燈箱，設(shè)定L20為2 500～5 500 cd/m2的任意值；然后逐漸調(diào)整Lth，在調(diào)整過程中尋找“剛剛看到”狀態(tài)下對(duì)應(yīng)Lth時(shí)的視標(biāo)(視標(biāo)尺寸0.01 m×0.01 m，視標(biāo)角度選取3種，分別為-10°、0°和10°，其表面反射比為-0.2)。研究認(rèn)定被試者在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有做出合適的反應(yīng)(按下按鈕)即為剛剛看不到。最后，如果亮度再大一些剛剛可以看到并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，則此時(shí)的臨界亮度值為Lth安全可見閾值。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值依據(jù)見表1。

從表1可看出，當(dāng)模擬L20為5 342 cd/m2的前提下，Lth的取值為1 cd/m2時(shí)，沒有發(fā)現(xiàn)小目標(biāo)物，而當(dāng)取值為5 cd/m2和10 cd/m2時(shí)，發(fā)現(xiàn)小目標(biāo)物的時(shí)間長于700 ms，只有到了20 cd/m2時(shí)，反應(yīng)時(shí)間短于700 ms，所以該L20下Lth安全可見閾值確定為20 cd/m2。

表1 亮度對(duì)應(yīng)取值實(shí)驗(yàn)典型被試者數(shù)據(jù)表格

2 數(shù)據(jù)分析

通過實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)見表2～表4和圖3。

2.1 Lth色溫為2 829 K

從表2可以看出，在Lth色溫為2 829 K的前提下，安全可見閾值跟被試者的性別關(guān)系不大，跟年齡相關(guān)，即年齡越大，Lth安全可見閾值越大。最終得出Lth色溫為2 829 K時(shí)，Lth安全可見閾值的平均值為15 cd/m2。

表2 被試者在Lth色溫為2 829 K時(shí)的指標(biāo)

2.2 Lth色溫為3 814 K

從表3可以看出，Lth安全可見閾值跟被試者的性別關(guān)系不大，跟年齡相關(guān)，即年齡越大，Lth安全可見閾值越大。最終得出Lth色溫為3 814 K時(shí)，Lth安全可見閾值的平均值為20 cd/m2。

表3 被試者在Lth色溫為3 814 K時(shí)的指標(biāo)

2.3 Lth色溫為5 257 K

從表4可以看出，Lth安全可見閾值同樣跟被試者的性別關(guān)系不大，跟年齡相關(guān)，即年齡越大，Lth安全可見閾值越大。最終得出Lth色溫為5 257 K時(shí)，Lth安全可見閾值的平均值為19 cd/m2。

表4 被試者在Lth色溫為5 257 K時(shí)的指標(biāo)

圖3 Lth色溫和安全可見閾值關(guān)系圖

將每種色溫下的Lth安全可見閾值綜合得到表5。

表5 不同色溫下的Lth安全可見閾值

通過對(duì)3種不同色溫(2 829 K、3 814 K和5 257 K)的安全可見閾值Lth測(cè)試數(shù)據(jù)分析，將色溫和安全可見閾值擬合，得出在二次項(xiàng)時(shí)二者的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2最大，達(dá)到了1。Lth亮度安全可見閾值跟色溫T的關(guān)系式

Lth=-2×10-6·T2+0.020 9T-24.998

(1)

最終得出結(jié)論，公路隧道Lth安全可見閾值為15～20 cd/m2(不同色溫下有所區(qū)別)。

3 結(jié) 論

研究基于視覺功效法，采用反應(yīng)時(shí)間指標(biāo)，通過模擬進(jìn)入公路隧道入口段亮度的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

1)提出Lth安全可見閾值的概念，即在公路隧道暗適應(yīng)最明顯，眼睛最難以適應(yīng)的過程中，低于該閾值的情況下無法完成安全駕駛中小目標(biāo)識(shí)別任務(wù)，容易發(fā)生交通事故，但是在安全可見閾值情況下并非最安全，只是在特殊的情況(采用應(yīng)急照明)下隧道入口段采取的一種路面亮度值。

2)可見閾值的大小跟性別關(guān)聯(lián)不大，跟年齡有一定的關(guān)聯(lián)，隨著年齡的增加，該閾值會(huì)增加。

3)Lth亮度安全可見閾值跟色溫T是二次項(xiàng)關(guān)系，關(guān)系式為Lth=-2×10-6·T2+0.020 9T-24.998。另外，得出了數(shù)值上的明確結(jié)論，Lth安全可見閾值在15～20 cd/m2之間(不同色溫下按照式(1)取值)。

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AnalysistoVisibleSafetyThresholdofRoadTunnelThresholdZoneDaytimeLighting

DUFeng1, 2,WENGJi1,ZHANGQingwen1,CAIXianyun1,PENGLi1

(1.Faculty of Architecture and Urban Planning,Chongqing University, Chongqing 400044,P.R.China;2.Faculty of Architecture and Urban Planning,Fujian University of Technology, Fuzhou 350118,P.R.China)

According to the stipulations of CIE guideline, the paper proceeds with the demonstration of the objective and significance of the road tunnel threshold zone visible safety threshold, through the experiments on the lab accomplishes the experiments on visual performance in allusion to many different test subjects, analyzes the data of reaction time and draws the conclusion that the visible safety threshold is 15 cd·m-2～20 cd·m-2and presents the equation according to different correlated color temperature. The conclusion can provide data and theoretical support to the road tunnel threshold zone lighting design in emergency or maintenance lighting.

tunnel lighting; threshold zone; visible safety threshold; visual performance; reaction time

2017-05-12

國家自然科學(xué)基金(51278507)；重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目資助(CYB16011)

杜峰(1980-)，男，副教授，博士生，主要從事建筑與城市光環(huán)境研究，(E-mail)fenghui117@163.com。