公路隧道照明環(huán)境下中老年駕駛員視覺特征研究綜述

王新鑫，蔡賢云，劉銀露，賈璐熙，馬翔宇，徐小雯

（重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶400074）

公路隧道照明的目的是為駕駛員提供良好的視覺環(huán)境并保障交通安全，駕駛員從公路隧道外進(jìn)入隧道內(nèi)的視覺暗適應(yīng)過程中會出現(xiàn)視覺滯后現(xiàn)象，因此，公路隧道照明設(shè)計(jì)必須充分考慮駕駛員的視覺特征［1］。但是，現(xiàn)有公路隧道照明質(zhì)量評價(jià)體系沒有針對不同年齡段駕駛員視覺特征的相關(guān)研究。隨著年齡增長，駕駛員視覺能力逐漸減弱，對視覺信號反應(yīng)時(shí)間增加［2］，對公路隧道內(nèi)安全行車所需光環(huán)境要求更高。因此，構(gòu)建基于不同年齡段駕駛員視覺特征的隧道照明質(zhì)量評價(jià)體系，有利于確保公路隧道照明滿足安全、舒適、節(jié)能的要求。

隨著年齡增長眼睛對視覺信號的對比敏感度明顯降低［3］，40歲視力開始功能性減退［4］，40歲之后人眼的對比度視力CVA（Contrast Visual Acuity）顯著下降［5］。借鑒聯(lián)合國教科文組織、世界衛(wèi)生組織對年齡段的劃分依據(jù)，將40歲及以上的駕駛員定義為中老年駕駛員。研究表明，隨著年齡的增長，駕駛員的中間視覺敏銳度降低，眩光敏感度增加［6］，不同年齡段駕駛員的視覺差異 （視覺生理、心理特征等）會對行車安全產(chǎn)生直接的影響［7］。因此，相比年輕駕駛員，中老年駕駛員在通過光環(huán)境更為復(fù)雜的公路隧道時(shí)，視覺特征存在明顯差異，例如：瞳孔收縮程度降低，人眼暗適應(yīng)速度明顯下降，對刺激物細(xì)節(jié)的分辨能力逐步降低?！吨袊煌ㄊ鹿矢艣r研究報(bào)告》指出，中老年駕駛員駕車導(dǎo)致的死亡人數(shù)占駕駛員駕車導(dǎo)致死亡總?cè)藬?shù)的57.16%［8］。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，截至2019年，40歲以上人群占全國總?cè)丝诘?9.26%［9］。2020年全國共有汽車駕駛員4.56億人，36～60歲的駕駛員2.36億人，占51.84%；60歲以上的駕駛員1 641.6萬人［10］，相較2019年增長420.6萬人。由此可見，隨著人口老齡化越來越嚴(yán)重，中老年駕駛員的數(shù)量必將大幅度增加，依據(jù)中老年駕駛員的視覺特征研究公路隧道照明的相關(guān)問題，對于提升隧道照明質(zhì)量具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 中老年駕駛員的視覺特征

韋伯-費(fèi)希勒定律表明，要準(zhǔn)確評價(jià)駕駛員在公路隧道內(nèi)的主觀感受，需要討論人眼對光刺激量的反應(yīng)程度。卓艷沖［11］依據(jù)心率指標(biāo)研究了城市公路隧道內(nèi)駕駛員的心理特征，駕駛員進(jìn)入隧道洞口時(shí) （視覺暗適應(yīng)）心率比駛出隧道口時(shí) （視覺明適應(yīng)）增加了32.4%。居家奇［12］指出低照度彩光照明不能引起中老年人心率的變化，但是能引起年輕人心率的顯著變化。陳堯東等［13］從視覺系統(tǒng)衰退的角度，探討了老年人對不同對比度顏色的識別能力。光源光譜能量分布很大程度上也影響人眼的視覺敏感性［14］，郝洛西等從障礙物探測［15］和主觀評價(jià)［16］等方面研究了LED光源的光譜能量分布對視覺作業(yè)的影響作用。

駕駛員的視覺能力可以根據(jù)視覺作業(yè)的精確度與速度通過視覺功效評價(jià)，視覺生理與視覺心理均影響視覺功效［17］。人眼瞳孔的變化是研究視覺功效的重要指標(biāo)，當(dāng)隧道內(nèi)的亮度環(huán)境相同時(shí)，瞳孔大小直接決定了人眼的視覺功效［18］，瞳孔直徑則與人眼視認(rèn)目標(biāo)物細(xì)節(jié)的能力相關(guān)［19］。隨著年齡的增長，瞳孔變小，瞳孔直徑從20歲時(shí)的7.5 mm減小至85歲時(shí)的4.8 mm［20］。而瞳孔收縮程度與人的生理 （年齡）、心理等因素有關(guān)［21］。

動態(tài)視力直接決定駕駛員的視野和視認(rèn)距離，動態(tài)視力受年齡、公路隧道照明條件、行車速度等因素影響［22］。道路和隧道照明中有關(guān)視覺適應(yīng)、視覺功效的研究對實(shí)驗(yàn)樣本的視力有嚴(yán)格要求，而人的視力通常從40～50歲開始下降，39歲以下人群中視力達(dá)到1.2的占80%，40～50歲人群中視力能達(dá)到1.2的比例下降到60%［23］。駕駛員從公路隧道外進(jìn)入隧道內(nèi)的視覺暗適應(yīng)過程中會出現(xiàn)視覺滯后現(xiàn)象。醫(yī)學(xué)研究則表明，年齡每增加13歲人眼的暗適應(yīng)速度下降0.3個(gè)單位，即目標(biāo)亮度必須增加2倍才能被看到。中老年人常見的眼科疾病 （如老年性黃斑病變ARM多見于45歲以上群體），會影響人眼暗適應(yīng)的靈敏度［20］。由此可見，隨著年齡的增長，駕駛員的暗適應(yīng)過程會發(fā)生很大變化。另外，40歲之后人眼對刺激物細(xì)節(jié)的分辨能力逐漸降低［24］，45歲前后人眼晶狀體的適應(yīng)性變化程度下降，人眼聚焦于近、中距離物體時(shí)的視看能力降低［25－26］。這些因素都會影響駕駛員察覺公路隧道內(nèi)障礙物的能力。

隧道照明條件下不同年齡段駕駛員的視覺特征差異，會對公路隧道內(nèi)的行車安全產(chǎn)生直接的影響 （如行車速度的變化、察覺障礙物的能力等）［7，27］。在道路照明和隧道照明中，駕駛員視覺特征 （視覺生理與心理）的差異體現(xiàn)為視覺功效上的差異，不同照明環(huán)境下駕駛員的視覺功效可以用反應(yīng)時(shí)間來衡量［28］。研究表明，隨著年齡增長，駕駛員視覺能力逐漸減弱，對視覺信號反應(yīng)時(shí)間增加［2］，對公路隧道內(nèi)安全行車所需光環(huán)境要求更高。由此可見，中老年人的視覺特征對駕駛員察覺障礙物的能力、公路隧道光環(huán)境等均提出了更高要求。

美國道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) （RP－8－00）于2000年引入小目標(biāo)可見度評價(jià)指標(biāo)［29］，2004年國際照明委員會 （CIE）將察覺對比法中的對比顯示系數(shù)（contrast revealing coefficient）作為評價(jià)公路隧道照明質(zhì)量的指標(biāo)［30］。小目標(biāo)可見度可以評價(jià)駕駛員辨認(rèn)障礙物的清晰程度，與交通事故發(fā)生率之間有很強(qiáng)的相關(guān)性［31］。小目標(biāo)可見度與人眼的適應(yīng)亮度水平有關(guān)，其核心參數(shù)為閾限亮度差?；诠匪淼拦猸h(huán)境特征、視覺適應(yīng)理論和對比顯示系數(shù)相關(guān)研究［30］，Weng等［32］人提出了對比顯示系數(shù)閾值 （threshold value of contrast revealing coefficient）的概念。對比顯示系數(shù)閾值是駕駛員恰好能察覺到小目標(biāo)物時(shí)亮度對比度的臨界狀態(tài)，是對比顯示系數(shù)的臨界值，當(dāng)對比顯示系數(shù)不低于對比顯示系數(shù)閾值時(shí)，駕駛員能辨認(rèn)小目標(biāo)物，從而確保公路隧道內(nèi)的行車安全。閾限亮度差和對比顯示系數(shù)閾值取值與年齡密切相關(guān)。

2 中老年駕駛員視覺特征下的閾限亮度差

Box等人研究發(fā)現(xiàn)，駕駛員在道路上能否察覺障礙物與可見度水平STV值有關(guān)，Keck［31］指出，路面平均亮度與交通事故發(fā)生概率之間并不能建立直接關(guān)系，但可見度水平STV值與交通事故概率在統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有顯著相關(guān)性，可見度水平與交通事故發(fā)生概率之間的關(guān)系呈 “U”形曲線?，F(xiàn)階段公路隧道照明中關(guān)于小目標(biāo)可見度的研究相對較少，因此，借鑒道路照明中可見度的研究思路探討隧道光環(huán)境下的小目標(biāo)可見度和對比顯示系數(shù)閾值。

陳仲林等［33］指出，公路隧道照明察覺對比法中的對比顯示系數(shù)僅與客觀物理量 （亮度和照度）有關(guān)，而與駕駛員通過隧道時(shí)的視覺生理心理特征無關(guān)，因此，建議采用察覺對比顯示系數(shù)qcp反映視覺適應(yīng)情況。依據(jù)朗伯定律、對比顯示系數(shù)定義［34］和公路隧道照明相關(guān)研究［35］，建立對比顯示系數(shù)閾值與閾限亮度差之間的關(guān)系［32］。在此基礎(chǔ)上，蔡賢云等［36］設(shè)計(jì)了對比顯示系數(shù)閾值的實(shí)驗(yàn)方案，并探討了20～30歲實(shí)驗(yàn)樣本的對比顯示系數(shù)閾值取值情況［37］。

公路隧道光環(huán)境下小目標(biāo)可見度和對比顯示系數(shù)閾值的研究基礎(chǔ)均為閾限亮度差，閾限亮度差又與閾限亮度對比 （threshold contrast）直接相關(guān)。依據(jù)定值刺激法，Blackwell［38］歷時(shí)兩年半得到了年輕女性（19～26歲）視覺特征下的閾限亮度對比和閾限亮度差，實(shí)驗(yàn)研究中并未明確所選光源的類型及色溫情況。CIE研究報(bào)告指出，人眼的視覺能力與年齡之間并非單純的線形關(guān)系。基于20～30歲的實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)［39］，CIE推薦了背景亮度和閾限亮度對比之間的數(shù)學(xué)模型［40－41］。Adrian［42－43］通過調(diào)整法研究閾限亮度差，同時(shí)考慮年齡因素確定了小目標(biāo)可見度的計(jì)算模型，但以10歲的年齡間隔對實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行分組并無明確的依據(jù)，實(shí)驗(yàn)中所選光源的類型及色溫情況也未明確?；贏drian的計(jì)算模型，北美照明工程學(xué)會（IESNA）確立了道路照明中閾限亮度差與視角、人眼適應(yīng)水平之間的關(guān)系［29］。翁季等［44－45］研究道路照明條件下20～30歲實(shí)驗(yàn)樣本的閾限亮度對比，并且借助Adrian的公式修正了60歲駕駛員的閾限亮度差。該研究采用的光源類型與色溫條件未知，同時(shí)年齡修正的條件 （60歲）與閾限亮度差實(shí)驗(yàn)條件 （20～30歲）存在差別。

前期研究借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)得到了公路隧道光環(huán)境下 （采用6 500 K的LED光源）20～30歲人群的閾限亮度差、對比顯示系數(shù)閾值［32］和對比顯示系數(shù)最優(yōu)值［28］。研究表明，顯色性高的光源對隧道內(nèi)小目標(biāo)可見度具有補(bǔ)償作用［46］。李福生［47］依據(jù)25～30歲人群的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了道路照明下的閾限亮度差光源光譜修正模型，該模型能預(yù)測光源光譜對小目標(biāo)可見度的影響程度，日本學(xué)者則通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)探討了汽車前照燈對小目標(biāo)可見度的影響作用［48］。上述光源光譜、顯色指數(shù)和汽車前照燈影響作用的研究，均可以借鑒到基于中老年駕駛員視覺特征的小目標(biāo)可見度及閾限亮度差的研究部分。

3 結(jié)論

隨著年齡增長，人眼對視覺信號的對比敏感度明顯降低，40歲之后人眼的對比度視力CVA顯著下降。當(dāng)隧道內(nèi)亮度環(huán)境相同時(shí)，瞳孔大小直接決定了人眼的視覺功效，隨著年齡增長人眼瞳孔變小，瞳孔直徑從20歲時(shí)的7.5 mm減小至85歲時(shí)的4.8 mm。年齡每增加13歲人眼的暗適應(yīng)速度下降0.3個(gè)單位，即目標(biāo)亮度必須增加2倍才能被看到。而隨著年齡增長，駕駛員視覺能力逐漸減弱，對視覺信號反應(yīng)時(shí)間增加，對公路隧道內(nèi)安全行車所需光環(huán)境要求更高。因此，基于中老年駕駛員的視覺特征研究公路隧道照明相關(guān)問題，能補(bǔ)充完善現(xiàn)有隧道照明質(zhì)量評價(jià)體系，提升隧道照明質(zhì)量，優(yōu)化隧道照明設(shè)計(jì)方法，對現(xiàn)有隧道照明規(guī)范的修訂提出新的理論和具體技術(shù)方案。