毗鄰隧道連接段進(jìn)口處視覺(jué)變化及合理照度研究

高 峰,張龍瀟,劉漢銀,白 軍,冉 飛

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400041；2.重慶鐵發(fā)建新高速公路有限公司，重慶 401120)

0 引言

隨著高速公路運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加，越來(lái)越多的毗鄰隧道開始進(jìn)入人們的視線，特別是在西部山區(qū)。目前對(duì)毗鄰隧道尚無(wú)準(zhǔn)確定義，如圖1所示，王少飛[1]將隧道間距L≤250 m的隧道稱為毗鄰隧道。在隧道的進(jìn)出口處，亮度會(huì)有急劇的變化，容易造成駕駛員的明暗適應(yīng)困難，由此引發(fā)一系列安全問(wèn)題。此外，由于毗鄰隧道其相鄰隧道的間距較小，所以駕駛員在駕車通過(guò)毗鄰隧道時(shí)會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷“暗—明—暗”的適應(yīng)過(guò)程，此時(shí)連接段洞口亮度對(duì)于駕駛員的心理和生理均會(huì)產(chǎn)生較大的影響[2]。而目前由于針對(duì)于毗鄰隧道的照明問(wèn)題還沒(méi)有較為完善的相關(guān)規(guī)范，因此，毗鄰隧道的照明設(shè)計(jì)仍然是按照普通隧道的照明來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于毗鄰隧道來(lái)說(shuō)這顯然是不合理的。

圖1 毗鄰隧道示意圖

駕駛員在行駛過(guò)程中，有80%～90%的信息依靠瞳孔由外界獲得[3]，因此瞳孔面積的變化可以較好地反映駕駛員的視覺(jué)適應(yīng)性以及駕駛負(fù)荷的程度。國(guó)內(nèi)利用瞳孔面積來(lái)進(jìn)行對(duì)于駕駛員的視覺(jué)特性的研究是比較多的：林淼[4]在分析了白天隧道出口段的環(huán)境照明特征、駕駛?cè)艘曈X(jué)特性以及視覺(jué)適應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，將瞳孔面積、照度以及視覺(jué)適應(yīng)時(shí)間確定為表征照明優(yōu)化的參數(shù)。杜志剛[5]利用IViewX HED Laptop系統(tǒng)在采集了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立了隧道進(jìn)出口瞳孔面積及面積變化臨界速度定量關(guān)系，并且提出了用瞳孔變化速度和瞳孔變化臨界速度的比值k來(lái)評(píng)價(jià)隧道路段視覺(jué)負(fù)荷。席海華[6]在實(shí)車試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)SPSS以及MATLAB等軟件，建立了駕駛?cè)送酌娣e隨環(huán)境照度和車輛在隧道內(nèi)行駛時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型，從而得到了隧道出口段夜間照明優(yōu)化模型，并給出了路面照度的優(yōu)化值。閻瑩[7]在實(shí)車試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用瞳孔面積作為表征駕駛員明暗適應(yīng)的參數(shù)，得出了通過(guò)隧道連接段時(shí)駕駛?cè)说耐酌娣e最大值與隧道連接段長(zhǎng)度之間的二次曲線模型。

現(xiàn)有研究多集中在研究隧道進(jìn)口A以及出口D的駕駛員視覺(jué)特性[8]，而忽略了B、C處駕駛員的視覺(jué)適應(yīng)過(guò)程，本文選擇以實(shí)測(cè)駕駛員瞳孔直徑的變動(dòng)來(lái)衡量駕駛員的視覺(jué)適應(yīng)性，進(jìn)而以此來(lái)研究毗鄰隧道連接段進(jìn)口處(C處)的視覺(jué)變化及合理照度值。

1 駕駛員通過(guò)隧道群瞳孔變化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)隧道位于重慶九龍坡區(qū)、南岸區(qū)，隧道詳情見(jiàn)表1所示，所有試驗(yàn)隧道路面均為瀝青路面。

表1 試驗(yàn)隧道情況Table1 Conditionoftunnelofsection隧道序號(hào)隧道名稱隧道長(zhǎng)度/m1新宋家溝二號(hào)隧道與新中梁山隧道連接段42.52宋家溝二號(hào)隧道右線與中梁山隧道右線連接段58.653真武山隧道右線毗鄰隧道98.784真武山隧道左線毗鄰隧道103.255中梁山隧道與宋家溝隧道左線連接段111.5

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇男性駕駛員4名，矯正視力均在5.0以上，年齡均在20～30歲之間；試驗(yàn)車輛采用大眾，試驗(yàn)過(guò)程中車輛保持50 km/h的速度行駛；試驗(yàn)用眼動(dòng)儀采用德國(guó)SMI生產(chǎn)的眼鏡式眼動(dòng)儀，使用時(shí)與電腦相連，可采集駕駛員的屬性、執(zhí)行校準(zhǔn)、觀測(cè)實(shí)時(shí)注視軌跡并實(shí)時(shí)標(biāo)注受試者的行為；試驗(yàn)使用的便攜式筆記本電腦型號(hào)為聯(lián)想ThinkPad X230，電腦上裝有眼動(dòng)儀廠家提供的眼動(dòng)儀數(shù)據(jù)采集軟件iView ETG，試驗(yàn)時(shí)用數(shù)據(jù)線與眼動(dòng)儀相連，打開配套的數(shù)據(jù)記錄軟件即可采集眼動(dòng)儀記錄的數(shù)據(jù)；試驗(yàn)用照度計(jì)采用臺(tái)灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的1339R型照度計(jì),見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

(a)眼動(dòng)儀

1.3 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)前測(cè)量毗鄰隧道連接段進(jìn)出口的照度，試驗(yàn)時(shí)照度測(cè)量的測(cè)點(diǎn)布置在行車道中線處，選取洞內(nèi)40、35、30、25、20、15、10、5、0 m以及洞外5、10、15、20 m處。用眼動(dòng)儀采集試驗(yàn)行車過(guò)程中的駕駛員的瞳孔直徑。根據(jù)所測(cè)得的照度、瞳孔直徑以及連接段長(zhǎng)度來(lái)分析這3個(gè)量之間的關(guān)系。

試驗(yàn)采集所得各隧道進(jìn)口A處瞳孔直徑平均值如表2所示，連接段進(jìn)口C處瞳孔直徑平均值如表3所示,隧道進(jìn)口A處照度值如表4所示。

表2 隧道進(jìn)口A處瞳孔直徑平均值Table2 AveragediameterofthepupilatthetunnelentranceA距洞口長(zhǎng)度/m1號(hào)隧道2號(hào)隧道3號(hào)隧道4號(hào)隧道5號(hào)隧道-201.81.91.71.81.7-151.81.91.71.81.7-1021.81.81.81.8-52.21.91.81.81.802.421.81.91.952.521.91.91.9102.62.22.12.22.2152.62.42.32.42.3202.72.42.42.42.4252.82.62.62.62.53032.82.72.82.63532.92.72.82.8403.12.92.92.92.8

表3 連接段進(jìn)口C處瞳孔直徑平均值Table3 AveragediameterofthepupilattheentranceCoftheconnectingsection距洞口長(zhǎng)度/m1號(hào)隧道2號(hào)隧道3號(hào)隧道4號(hào)隧道5號(hào)隧道-202.31.81.921.9-152.41.81.921.9-102.82.222.12-52.92.422.1203.22.52.12.22.153.22.62.22.22.1103.22.92.42.42.3153.43.12.72.62.6203.63.1332.8253.83.33.13.12.9303.83.43.23.12.93543.43.33.234043.63.33.23.1

表4 隧道進(jìn)口A處照度值Table4 IlluminanceattunnelentranceA距洞口長(zhǎng)度/m1號(hào)隧道2號(hào)隧道3號(hào)隧道4號(hào)隧道5號(hào)隧道-20101191101196101193101191101200-15101067101071101064101063101072-10100820100846100839100842100858-5100024100122100131100114100151094443936929392993692939315155915671577159714791016811679168817001598151655166616621679160820160116071596161615772515651572156115801563301530153615261544153535151215161505152015134014621463145514661459

2 連接段長(zhǎng)度與瞳孔直徑差異分析

2.1 不同進(jìn)口處的瞳孔直徑分析

通過(guò)分析在隧道進(jìn)口A處以及在連接段進(jìn)口C處的瞳孔直徑，如圖4至圖8所示，可以得出隧道進(jìn)口A處所對(duì)應(yīng)的瞳孔直徑較相應(yīng)隧道連接段C處所對(duì)應(yīng)的瞳孔直徑均更大。這表明隧道進(jìn)口處與連接段進(jìn)口處視覺(jué)特性是有較大差別的。

此外從圖4至圖8可以看出，隨著連接段長(zhǎng)度的逐漸增加，隧道進(jìn)口A處瞳孔直徑與相應(yīng)連接段的進(jìn)口C處的瞳孔直徑之間的差異在逐漸減小。也就是說(shuō)，隨著連接段長(zhǎng)度的逐漸增加，C處的瞳孔直徑大小與A處的瞳孔直徑大小逐漸趨于一致。

圖4 1號(hào)隧道A、C進(jìn)口處瞳孔直徑對(duì)比圖

圖5 2號(hào)隧道A、C進(jìn)口處瞳孔直徑對(duì)比圖

圖6 3號(hào)隧道A、C進(jìn)口處瞳孔直徑對(duì)比圖

圖7 4號(hào)隧道A、C進(jìn)口處瞳孔直徑對(duì)比圖

圖8 5號(hào)隧道A、C進(jìn)口處瞳孔直徑對(duì)比圖

2.2 連接段長(zhǎng)度與瞳孔直徑差值平均值關(guān)系

隧道連接段BC的長(zhǎng)度直接影響駕駛員從駛出B處到駛?cè)隒處這一段的視覺(jué)適應(yīng)過(guò)程是否已經(jīng)完成。當(dāng)隧道連接段較長(zhǎng)時(shí)，駕駛員在駛?cè)隒處之前已經(jīng)完成了明適應(yīng)過(guò)程，此時(shí)C處瞳孔直徑大小以及變化規(guī)律與A處一致，而隧道連接段較短時(shí)，駕駛員在明適應(yīng)過(guò)程尚未完成時(shí)就要開始進(jìn)行暗適應(yīng)過(guò)程，此時(shí)C處瞳孔直徑變化與A處相比差異較大。設(shè)隧道連接段長(zhǎng)度為l，隧道進(jìn)口A處與相應(yīng)連接段進(jìn)口C處瞳孔直徑差值平均值為δ，對(duì)1號(hào)至5號(hào)毗鄰隧道進(jìn)行分析可得到l與δ之間的關(guān)系如圖9所示。

圖9 連接段長(zhǎng)度與瞳孔直徑差值平均值關(guān)系圖

由圖9可得隧道進(jìn)口A處和相應(yīng)的連接段進(jìn)口C處之間瞳孔直徑差值平均值δ與連接段長(zhǎng)度l之間成二次函數(shù)關(guān)系式：

l=177.66×δ2-323.29×δ+185.17

(1)

通過(guò)式(1)可以知道，當(dāng)δ=0時(shí)，l=185.17 m，即當(dāng)連接段長(zhǎng)度等于185.17 m時(shí)，隧道進(jìn)口A處和毗鄰隧道連接段進(jìn)口C處之間瞳孔直徑差值為0，即此時(shí)A處和C處的瞳孔直徑大小及變化規(guī)律是一致的，則可將連接段進(jìn)口C處的照明作為普通隧道照明進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 毗鄰隧道連接段進(jìn)口C處照明優(yōu)化

3.1 隧道進(jìn)口A處照度與瞳孔直徑關(guān)系分析

瞳孔大小的變化起到了調(diào)節(jié)進(jìn)入眼內(nèi)光量的作用，在強(qiáng)光照射時(shí)，瞳孔會(huì)縮小以此來(lái)減少進(jìn)光量，減小對(duì)視網(wǎng)膜的刺激，而在弱光時(shí)，瞳孔會(huì)放大以此來(lái)增加進(jìn)光量，使視網(wǎng)膜能夠得到足夠刺激，進(jìn)而能清晰地分辨物體[9]。取駕駛員瞳孔直徑為D(mm)，隧道內(nèi)外路面的照度為E(lx),對(duì)所測(cè)的5條毗鄰隧道進(jìn)口A處試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立了lnE和ln(ED)的關(guān)系，如圖10所示。

圖10 隧道進(jìn)口A處lnE-ln(ED)關(guān)系圖

由圖10可得出，隧道進(jìn)口A處lnE與ln(ED)呈二次函數(shù)關(guān)系，駕駛員瞳孔直徑與照度之間的擬合關(guān)系式為:

ln(ED)=0.070 76×(lnE)2-

0.398 57×lnE+7.314 27

(2)

3.2 毗鄰隧道連接段進(jìn)口C處照明優(yōu)化

在隧道進(jìn)口A處按照普通隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范[10]進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得駕駛員的視覺(jué)適應(yīng)過(guò)程滿足心理和生理的安全駕駛要求，通過(guò)分析隧道進(jìn)口A處瞳孔直徑D和照度E之間的關(guān)系，得出了式(2)的關(guān)系。同理，在C處為滿足安全駕駛的要求，也應(yīng)該滿足式(2)的關(guān)系，因此，在連接段進(jìn)口C處，當(dāng)測(cè)得瞳孔直徑D后，可根據(jù)式(2)得出在滿足安全要求下的合理照度值。

以1、2號(hào)隧道為例，將隧道連接段進(jìn)口C處按普通隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范布燈所得的現(xiàn)有照度值以及用式(2)計(jì)算得到的照度值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表5、表6所示。

表5 1號(hào)隧道兩種照度值對(duì)比Table5 TwoilluminationvaluesoftunnelNo.1與隧道洞口距離/m隧道現(xiàn)有照度/lx公式計(jì)算所得照度/lx51085601101046601151019532209724775936431309084313589039240857392

表6 2號(hào)隧道兩種照度值對(duì)比Table6 TwoilluminationvaluesoftunnelNo.2與隧道洞口距離/m隧道現(xiàn)有照度/lx公式計(jì)算所得照度/lx511379421010677381510236412097464125937565309105323589053240858477

由表5、表6可知，通過(guò)式(2)所得到的照度值相較于按照普通隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行照明設(shè)計(jì)所得到的照度值可減小17.1%～55.6%，由此可見(jiàn)，在毗鄰隧道連接段進(jìn)口處按照普通隧道進(jìn)行照明設(shè)計(jì)存在較大浪費(fèi)。按照式(2)計(jì)算所得照度值可在滿足視覺(jué)適應(yīng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

4 結(jié)論

a.通過(guò)分毗鄰隧道進(jìn)口處的瞳孔直徑和連接段進(jìn)口處的瞳孔直徑之間的差異與連接段長(zhǎng)度之間的關(guān)系，提出了毗鄰隧道連接段長(zhǎng)度大于185.17 m時(shí)可以按照普通隧道進(jìn)行照明設(shè)計(jì)。

b.通過(guò)分析毗鄰隧道進(jìn)口處瞳孔直徑與照度之間的關(guān)系，提出了連接段進(jìn)口處相應(yīng)瞳孔直徑下的合理照度值。