公路隧道照明中的小目標(biāo)可見(jiàn)度研究

田心怡，蔡賢云，黃 珂

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

CIE 88—2004研究報(bào)告推薦了察覺(jué)對(duì)比法作為公路隧道照明設(shè)計(jì)方法，察覺(jué)對(duì)比法的本質(zhì)是公路隧道入口段的照明水平能確保小目標(biāo)物的亮度對(duì)比度C不低于最小察覺(jué)對(duì)比度Cm。同時(shí)，該研究報(bào)告給出了基于察覺(jué)對(duì)比法的公路隧道入口段亮度計(jì)算公式，其中一項(xiàng)重要的參數(shù)即對(duì)比顯示系數(shù)qc［1］，表示給定區(qū)域的路面亮度Lb與小目標(biāo)物面向行車方向垂直面中點(diǎn)處的照度Ev的比值。從視覺(jué)適應(yīng)的角度而言，為確保小目標(biāo)物能迅速被察覺(jué)到，小目標(biāo)物與路面亮度之間應(yīng)有足夠的亮度對(duì)比度，因此，對(duì)比顯示系數(shù)閾值可確保隧道各個(gè)照明段內(nèi)小目標(biāo)物達(dá)到剛好被察覺(jué)到的臨界狀態(tài)。通過(guò)研究明確了背景亮度Lb、閾限亮度差ΔL0和對(duì)比顯示系數(shù)閾值qc0之間的關(guān)系［2］，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得到對(duì)比顯示系數(shù)閾值公式。

式中：ρ為小目標(biāo)物反射系數(shù)，一般取0.2。

建立對(duì)比顯示系數(shù)與閾限亮度差之間的關(guān)系后，研究對(duì)比顯示系數(shù)時(shí)需要涉及與小目標(biāo)物可見(jiàn)度特別是可見(jiàn)度中閾限亮度差有關(guān)的研究?jī)?nèi)容。通常把目標(biāo)物的實(shí)際亮度對(duì)比大于其臨界對(duì)比的倍數(shù)稱為可見(jiàn)度（常用VL表示）；閾限亮度差ΔL0是指恰好能滿足小目標(biāo)物被看見(jiàn)時(shí)目標(biāo)物的閾限亮度Lt0與背景亮度Lb之間的差值?，F(xiàn)階段交通照明中關(guān)于小目標(biāo)物可見(jiàn)度的研究主要集中在道路照明中，公路隧道照明中關(guān)于可見(jiàn)度的研究較少，但二者在研究環(huán)境與方法上有相通之處，因此，可以借鑒道路照明中關(guān)于可見(jiàn)度的研究思路。文章主要梳理分析了道路及隧道照明中關(guān)于小目標(biāo)物可見(jiàn)度的研究，特別是可見(jiàn)度中閾限亮度差ΔL0的研究?jī)?nèi)容。

1 小目標(biāo)可見(jiàn)度概念溯源

1970年，Gallagher在研究街頭照明與犯罪時(shí)提出可見(jiàn)度指標(biāo)概念，他采用45.72 cm×45.72 cm、反射比6%的灰色和29%的白色交通錐體做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)度是司機(jī)察覺(jué)到目標(biāo)物與駕駛車輛之間距離的有效預(yù)測(cè)方法［3］。成定康平采用20 cm×20 cm、反射系數(shù)9%～11%的灰板模擬駕駛員可能碰到障礙物的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變汽車行駛速度和駕駛員反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)研究路面平均亮度、亮度均勻度及眩光限制等因素與停車視距、察覺(jué)小目標(biāo)物幾率之間的關(guān)系，CIE采用了成定康平的實(shí)驗(yàn)成果［4-5］。

Box等研究發(fā)現(xiàn)駕駛員在道路上能否察覺(jué)到障礙物與可見(jiàn)度水平STV有關(guān)。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中交錯(cuò)布置400 W汞燈，通過(guò)調(diào)節(jié)燈具間距研究小目標(biāo)物與夜間安全行駛之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，可見(jiàn)度水平STV與交通事故發(fā)生概率之間的關(guān)系呈“U”形曲線：汽車時(shí)速在50～60 km時(shí)，小目標(biāo)物可見(jiàn)度水平與夜間汽車交通事故發(fā)生概率之間密切相關(guān)，因此，從道路安全性考慮，可見(jiàn)度水平比亮度水平更適合評(píng)價(jià)道路照明質(zhì)量［6］。Merle采用反射系數(shù)為50%的灰板模擬不同亮度水平下駕駛員可能碰到障礙物的情況［7］，通過(guò)分析56個(gè)地點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，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(jiàn)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。

結(jié)合Blackwell和Aulthorn的研究成果并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，Adrian提出了全新的可見(jiàn)度計(jì)算模型［8-9］。Adrian的計(jì)算模型中背景亮度分為3部分，他還考慮了小目標(biāo)物正負(fù)亮度對(duì)比、目標(biāo)物停留時(shí)間和觀察者年齡等影響因素。在閾限亮度差的測(cè)量上Blackwell采用定值刺激法，而Adrian［8-9］采用調(diào)整法，認(rèn)為他們的數(shù)據(jù)必須乘以2.6才與Blackwell的研究數(shù)據(jù)一致。北美照明工程學(xué)會(huì)推薦的道路照明標(biāo)準(zhǔn)明確給出了不同道路類型的小目標(biāo)物可見(jiàn)度標(biāo)準(zhǔn)，還給出了小目標(biāo)物可見(jiàn)度的理論計(jì)算方法、實(shí)驗(yàn)步驟及評(píng)價(jià)指標(biāo)。ANSI／IESNA RP-8-00標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)Adrian的計(jì)算模型確立了閾限亮度差與視角、人眼適應(yīng)水平之間的關(guān)系。

日本學(xué)者Narisada等在研究小目標(biāo)物可見(jiàn)度時(shí)，引入了揭示能力（revealing power）的概念（此概念由Waldram在1938年提出），并建立了正、負(fù)對(duì)比揭示能力與反射系數(shù)之間的關(guān)系，由此確定小目標(biāo)物剛好被發(fā)現(xiàn)時(shí)的閾限亮度差［10］。平川惠士等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究小目標(biāo)物可見(jiàn)度（總體揭示能力）的變化情況，研究結(jié)果表明，對(duì)稱照明時(shí)的總體揭示能力達(dá)到某點(diǎn)時(shí)小目標(biāo)物垂直面照度值降低，而給定區(qū)域的路面亮度卻升高，導(dǎo)致小目標(biāo)物可見(jiàn)度發(fā)生變化，順光照明中即便增強(qiáng)汽車前燈的作用，小目標(biāo)物可見(jiàn)度也幾乎沒(méi)有變化［11-12］。

道路照明中小目標(biāo)物可見(jiàn)度的研究較多［13-15］，但公路隧道照明中基于可見(jiàn)度的研究相對(duì)較少，曾有學(xué)者對(duì)比分析了基于可見(jiàn)度的公路隧道照明設(shè)計(jì)方法［16］，并嘗試將小目標(biāo)物可見(jiàn)度的研究方法引入公路隧道照明研究中［17］。陳仲林等［18］研究發(fā)現(xiàn)對(duì)比顯示系數(shù)qc與公路隧道內(nèi)光的空間相對(duì)分布有關(guān)，即qc受隧道照明方式、燈具安裝位置、燈具間距、燈具掛高、燈具偏轉(zhuǎn)角、燈具俯仰角、光源功率、燈具配光和隧道內(nèi)光多次反射等因素的影響，這些因素均會(huì)影響小目標(biāo)物可見(jiàn)度水平。

2 小目標(biāo)可見(jiàn)度與閾限亮度差

1946年，Blackwell歷時(shí)兩年半研究了正常視力下19名女性觀察者的人眼閾限亮度對(duì)比。將光斑投射到距離觀察者18.288 m的白色屏幕上并讓觀察者判斷能否看到光斑，通過(guò)改變光刺激亮度得到正負(fù)亮度對(duì)比、小目標(biāo)物呈現(xiàn)時(shí)間6 s時(shí)不同觀察視角和不同背景亮度下識(shí)別幾率從10%到95%時(shí)的亮度對(duì)比，并確定99.93%識(shí)別幾率下的亮度對(duì)比為人眼的閾限亮度對(duì)比［19］。

以BlackWell的研究成果為基礎(chǔ)，CIE 19／2-1和19／2-2研究報(bào)告得到68個(gè)視力正常觀察者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并建立了閾限亮度對(duì)比（用Cref表示）與背景亮度Lb之間的關(guān)系。研究者最終得到閾限亮度對(duì)比Cref的數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)式（2），該數(shù)學(xué)模型與背景亮度Lb和等效亮度對(duì)比（Cref／C）等具有關(guān)聯(lián)性［20-21］。

式中：Lb為背景亮度，cd／m2；Cref為閾限亮度對(duì)比；Cref／C為燈箱亮度對(duì)比；n、t、s為系數(shù)。

依據(jù)Blackwell的閾限亮度實(shí)驗(yàn)及Adrian的可見(jiàn)度模型，翁季等通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬研究道路照明光環(huán)境下的閾限亮度差，共得到了正負(fù)亮度對(duì)比情況下20個(gè)觀察者的5 760組數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析得到閾限狀態(tài)下的亮度對(duì)比度。該方法不僅節(jié)省了裝置和時(shí)間，也可迅速準(zhǔn)確地得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果［22-23］，因此，此研究方法對(duì)公路隧道光環(huán)境下的閾限亮度差研究具有指導(dǎo)意義。后續(xù)研究中張晟鵬通過(guò)年齡修正系數(shù)Ka（駕駛員年齡為60歲時(shí)）修正觀察視角7.45′時(shí)的閾限亮度差，Adrian發(fā)現(xiàn)識(shí)別幾率為100%時(shí)（實(shí)際為99.93%）的閾限亮度差應(yīng)乘以2.33［24-25］。翁季在觀察視角7.45′的條件下修正了閾限亮度差公式，包括正負(fù)亮度對(duì)比修正系數(shù)Kf、識(shí)別時(shí)間修正系數(shù)Kt和年齡修正系數(shù)Ka，通過(guò)定值刺激法研究了公路隧道光環(huán)境下不同觀察視角和不同背景亮度下的閾限亮度差［26-28］。

崔璐璐等［29］建立了亮度對(duì)比度、背景亮度和閾限亮度差之間的關(guān)系，在研究中選用7種不同顏色的小目標(biāo)物（目標(biāo)物尺寸為0.2 m×0.2 m）和3種不同光源、不同顯色性的燈具營(yíng)造公路隧道光環(huán)境，通過(guò)10個(gè)觀察者的判定結(jié)果得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，顯色性高的光源對(duì)小目標(biāo)物可見(jiàn)度具有良好的補(bǔ)償作用，可在不改變路面亮度的前提下提高小目標(biāo)物的識(shí)別幾率。

李福生［30］通過(guò)探測(cè)幾率、反應(yīng)時(shí)間和視覺(jué)評(píng)價(jià)來(lái)研究小目標(biāo)可見(jiàn)度。實(shí)驗(yàn)中背景光源與投影的疊加可以保證各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)靈活調(diào)節(jié)。通過(guò)反應(yīng)時(shí)間與小目標(biāo)可見(jiàn)度關(guān)系的研究，他發(fā)現(xiàn)反應(yīng)時(shí)間均隨小目標(biāo)可見(jiàn)度的增加而縮短，并由此建立了閾限亮度差的光源光譜模型。此模型能保證在各種視覺(jué)區(qū)域環(huán)境（明視覺(jué)、暗視覺(jué)和中間視覺(jué)）和任意光源光譜下均可求得閾限亮度差，由此拓展了閾限亮度差的適用范圍。不過(guò)該項(xiàng)研究中并未結(jié)合實(shí)驗(yàn)環(huán)境研究閾限亮度差而是直接借用了Adrian的閾限亮度差模型。

3 閾限亮度差的修正

結(jié)合Aulhorn、Blackwell和Adrian的研究思路，對(duì)閾限亮度差進(jìn)行修正得到小目標(biāo)可見(jiàn)度。多項(xiàng)研究表明，觀察者年齡、小目標(biāo)物正負(fù)亮度對(duì)比和小目標(biāo)物呈現(xiàn)時(shí)間均會(huì)對(duì)閾限亮度差實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響［22-27］。筆者曾探討了公路隧道光環(huán)境下的對(duì)比顯示系數(shù)與閾限亮度差之間的關(guān)系并建立了數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)觀察者年齡、小目標(biāo)物正負(fù)亮度對(duì)比和小目標(biāo)物呈現(xiàn)時(shí)間來(lái)修正閾限亮度差［17］，如表1所示。表中小目標(biāo)物呈現(xiàn)時(shí)間修正系數(shù)相關(guān)函數(shù)如式（3）～式（5）所示。

表1 不同的閾限亮度差修正系數(shù)

4 結(jié)論

通過(guò)文獻(xiàn)分析得到以下結(jié)論：

1）已有多項(xiàng)研究基于小目標(biāo)物可見(jiàn)度評(píng)價(jià)道路照明質(zhì)量，但是公路隧道照明質(zhì)量評(píng)價(jià)中缺乏基于小目標(biāo)物可見(jiàn)度的研究成果。

2）歐盟公路隧道照明規(guī)范初步研究了隧道入口段對(duì)比顯示系數(shù)與閾限亮度差之間的關(guān)系，但未深入探討公路隧道光環(huán)境下的閾限亮度差。

結(jié)合擬解決的問(wèn)題，文獻(xiàn)的研究思路與方法依然值得借鑒：

1）分析文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)度水平受布燈方式、光源功率、燈具間距、燈具安裝高度、燈具配光曲線等多項(xiàng)因素的影響；對(duì)比顯示系數(shù)qc受隧道照明方式、燈具安裝位置、燈具間距、燈具掛高、光源功率、燈具配光和隧道內(nèi)光多次反射等因素的影響。二者在研究范圍上有重疊之處，對(duì)比顯示系數(shù)閾值的研究可借鑒可見(jiàn)度的研究方法。

2）借鑒道路照明光環(huán)境下閾限亮度差的研究思路與方法，在公路隧道光環(huán)境中通過(guò)閾限亮度差實(shí)驗(yàn)得到不同觀察視角和背景亮度下的對(duì)比顯示系數(shù)閾值。