公路隧道遮光棚頻閃效應(yīng)可見度研究

劉群峰， 楊雅茗， 武 星

(1. 西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2. 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710068)

0 引言

公路長隧道出入口段光環(huán)境變化劇烈，顯著增加了駕駛員進(jìn)出隧道時(shí)的視覺識別難度[1]。為改善過渡段光環(huán)境，隧道接近段常設(shè)置減光構(gòu)筑物以降低隧道內(nèi)外亮度差。遮光棚是一種常見的減光構(gòu)筑物，其從形式上可分為格柵式和鏤空式。其中，格柵式遮光棚光環(huán)境調(diào)節(jié)形式簡單、通風(fēng)方便，且兼具保護(hù)隧道洞口斜坡穩(wěn)定、投資和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，受到人們的青睞[2]。

國內(nèi)外學(xué)者對隧道遮光棚的設(shè)置長度和眩光特性等參數(shù)開展了大量研究。陸遠(yuǎn)迅等[3]基于經(jīng)濟(jì)性提出了遮光棚長度計(jì)算方法；梁永忠等[4]給出了遮光棚設(shè)置長度、分段透光長度等參數(shù)的設(shè)計(jì)建議值；李英濤等[5]給出了不同車速下格柵式遮光棚的合理設(shè)計(jì)長度。針對遮光棚眩光問題，吳剛等[6]通過微縮模型試驗(yàn)分析了路面亮度變化規(guī)律及與之對應(yīng)的駕駛員瞳孔面積變化規(guī)律；劉明秀等[7]研究了隧道入口處的自然光照度變化規(guī)律，并建議設(shè)置遮光棚改善入口光環(huán)境；艾杰等[8]發(fā)現(xiàn)太陽入射角為20°時(shí)易導(dǎo)致駕駛員在隧道出口段眩光失能；徐宇等[9]提出了隧道遮光棚橫梁在路面產(chǎn)生的明暗相間光斑的統(tǒng)一眩光值。上述研究表明，遮光棚設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮駕駛員視覺適應(yīng)和防眩光問題。

近年來，一些學(xué)者開始重視遮光棚的頻閃效應(yīng)對行車舒適性的影響。例如： 陳培焱等[10]基于心電信號和眨眼頻率,提出格柵式減光罩頻閃效應(yīng)發(fā)生在6～11 Hz。該頻閃區(qū)間與王小軍等[11]提出的隧道內(nèi)燈具閃爍一致，可見由遮光板引起的明暗交替變化會造成駕駛員視覺不適。另外，鄭晅等[12]基于日照分析對太湖隧道遮光棚進(jìn)行了方案優(yōu)化，使遮光棚下路面照度達(dá)到減光防眩要求，這說明太陽輻射規(guī)律也是影響遮光棚光環(huán)境的關(guān)鍵外部條件。

人們一般采取人為控制明暗變化的方式研究隧道照明系統(tǒng)頻閃效應(yīng)對駕駛員的影響[6,10,13-14]。我國《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)定[15],隧道照明閃爍頻率應(yīng)控制在2.5～15 Hz之外。李默楠等[14]基于心率數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)駕駛員在4～13 Hz的隧道照明閃爍頻率下會產(chǎn)生明顯的不適感。項(xiàng)立榕[16]提出隧道照明的頻閃效應(yīng)主要取決于閃爍頻率、明段長度和明暗亮度差等因素。除隧道照明系統(tǒng)外，當(dāng)汽車以一定速度通過遮光棚時(shí)，遮光格柵在太陽輻射下的光柵條紋也會在駕駛員視覺上產(chǎn)生明暗變化的閃爍。楊國威等[17]通過試驗(yàn)驗(yàn)證了頻率、亮度占空比等是影響光柵條紋投射特性的關(guān)鍵因素。因此，在進(jìn)行遮光棚光環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮太陽輻射規(guī)律、格柵方位及幾何尺寸等內(nèi)外部條件對閃爍頻率的影響，盡量避免頻閃效應(yīng)的發(fā)生?，F(xiàn)有對遮光棚頻閃效應(yīng)的研究主要集中在閃爍頻率方面，對明段長度和明暗亮度差等影響因素的研究還很少，更缺乏對這些影響因素的定量分析。因此，當(dāng)前工程界關(guān)于遮光棚舒適性的設(shè)計(jì)依據(jù)不足。

為改善遮光棚內(nèi)行車舒適性，本文依托深圳機(jī)荷高速公路改擴(kuò)建工程中某隧道出入口格柵式遮光棚的設(shè)計(jì)，基于太陽輻射角和輻照度的季節(jié)變化規(guī)律，引入一種新的頻閃效應(yīng)評估方法，即頻閃效應(yīng)可見度(the stroboscopic effect visibility measure，簡稱SVM)[18]，以定量預(yù)測遮光棚的頻閃效應(yīng)可見程度。通過理論計(jì)算研究遮光棚下路面光波函數(shù)的明暗周期、亮度占空比與調(diào)制深度等參數(shù)對遮光棚頻閃效應(yīng)可見度的影響。同時(shí)，根據(jù)本文研究結(jié)果對機(jī)荷高速公路某格柵式遮光棚案例的頻閃效應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 格柵式遮光棚模型

典型的格柵式矩形框架遮光棚模型如圖1所示。其中，H為遮光棚總高度；d為格柵梁高度；l為格柵下路面總寬度;h為駕駛員眼睛高度至格柵底部的距離。遮光棚縱向布置如圖2所示。其中，Sd為格柵寬度，Sl為格柵凈距，St為格柵周期長度；格柵凈距與格柵周期之比定義為格柵空隙比(Sl/St)。

圖1 典型格柵式矩形框架遮光棚模型(單位： m)

圖2 典型格柵式遮光棚縱斷面

(1)

(2)

從而有：

(3)

由式(1)和式(2)可知，駕駛員視覺明暗長度由格柵寬度、格柵凈距、格柵梁高度、太陽高度角、太陽方位角以及隧道走向共同決定。由式(3)可知，光波周期長度等于格柵周期長度，光波時(shí)間周期為T(T=St/v，v為行駛速度)，Lmax和Lmin分別為1個(gè)周期內(nèi)的最大和最小亮度。類似地，我們將光波明段長度Sl′與光波周期長度St′之比定義為亮度占空比(Sl′/St′)，將光波明暗亮度差與明暗亮度和之比定義為調(diào)制深度，即(Lmax-Lmin)/(Lmax+Lmin)[20-22]。當(dāng)格柵梁高度d很小可以忽略不計(jì)時(shí)，亮度占空比近似于格柵空隙比(Sl′/St′=Sl/St)。

圖3 遮光棚矩形光波

為方便討論，假設(shè)遮光棚為東西走向，即ZS=0，這樣上午與下午的太陽高度角關(guān)于遮光棚橫斷面對稱，陽光與遮光棚橫斷面夾角上、下午對稱。因此，在典型格柵模型的頻閃研究中，可以只考察上午時(shí)刻的太陽輻射規(guī)律。

2 頻閃效應(yīng)可見度

頻閃效應(yīng)一般是指人們在特定頻率波段的光環(huán)境下觀察運(yùn)動物體時(shí)出現(xiàn)的運(yùn)動錯(cuò)覺現(xiàn)象[23]。在隧道出/入口接近段，太陽光線透過遮光格柵投射到運(yùn)動駕駛員視網(wǎng)膜上的明暗周期變化，就是一種特定頻率光環(huán)境。當(dāng)該頻率被駕駛員明顯感知時(shí)，就容易產(chǎn)生與實(shí)際運(yùn)動現(xiàn)象不符的視覺感受，從而影響駕駛安全性和舒適性。針對這一問題，格柵式遮光棚設(shè)計(jì)時(shí)，宜避開特定頻率的光環(huán)境閃爍，但為了更加靈活地設(shè)計(jì)格柵結(jié)構(gòu)，有必要引入一個(gè)定量指標(biāo)來表征格柵所致的閃爍光環(huán)境對駕駛員產(chǎn)生的頻閃效應(yīng)。

Perz等[21]提出頻閃效應(yīng)可見度(SVM)可以用來表征人們對LED光源閃爍的敏感程度，也就是光源閃爍的頻閃效應(yīng)。近年來的一些研究表明，SVM也可以作為表征環(huán)境頻閃效應(yīng)的定量指標(biāo)，推廣到其他工程環(huán)境的頻閃效應(yīng)研究中[18，24]，比如格柵式遮光棚下“斑馬線”狀的光環(huán)境交替變化產(chǎn)生的頻閃。SVM的計(jì)算公式為：

(4)

式中：Cm是某一明暗交替光波的第m個(gè)傅里葉分量振幅；Tm是第m個(gè)分量可被感知的最小調(diào)制深度。頻閃效應(yīng)可見度可以看作是由組成光波的m個(gè)傅里葉分量的頻閃效應(yīng)的平均值，可用于定量評估明暗交替光波頻閃效應(yīng)的嚴(yán)重程度[21]。當(dāng)SVM小于1.0時(shí)，表示頻閃效應(yīng)不可見；當(dāng)SVM等于1.0時(shí)，表示頻閃效應(yīng)剛好可被感知；當(dāng)SVM大于1.0時(shí)，表示頻閃效應(yīng)可見。

試驗(yàn)表明： 當(dāng)SVM達(dá)到1.5時(shí)，受試者即可感到閃爍，并且隨著SVM的增加，受試者眼睛舒適度逐漸下降[24]。上述SVM閾值來自光源閃爍試驗(yàn)，不能直接用于格柵下光環(huán)境頻閃感受的評價(jià)，但SVM的趨勢變化可以用來定量表征格柵下光環(huán)境頻閃對駕駛舒適性的影響。為方便理論計(jì)算，本文忽略了環(huán)境漫反射，將格柵下陽光投影看作矩形光波，通過SVM定量表征遮光棚下光波的頻閃效應(yīng)。

3 結(jié)果與討論

3.1 格柵周期的不舒適設(shè)計(jì)區(qū)間

格柵周期是影響遮光棚下光環(huán)境閃爍的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。在典型格柵式遮光棚設(shè)計(jì)中，一般將太陽光視作平行光，被格柵遮擋的暗路面區(qū)受到散射輻照[25]，未被遮擋的明路面區(qū)受到直射與散射的疊加輻照[26]。本文中，我們將明暗區(qū)域的輻照度轉(zhuǎn)換為明暗段路面的亮度，就可以將明、暗路面分別看作光源和閃爍，從而利用SVM與格柵頻閃效應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行定量評估[27]。

駕駛員感受到頻閃效應(yīng)還與行駛速度密切相關(guān)[15]。我國《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》將隧道內(nèi)照明燈具的閃爍頻率f定義為道路設(shè)計(jì)速度與布燈間距之比，建議隧道內(nèi)中間段的燈具布置閃爍頻率應(yīng)為2.5～15 Hz之外，尤其要避開令駕駛員難以忍受的頻閃區(qū)間(6 ～11 Hz)。閃爍頻率在4～13 Hz時(shí)，頻閃效應(yīng)對駕駛員的影響是先增大后減小，在8 Hz附近時(shí)駕駛員不舒適感最強(qiáng)[12]。

為了適應(yīng)路面亮度的劇烈變化，駕駛員在進(jìn)出隧道時(shí)通常會改變行駛速度規(guī)避頻閃區(qū)間。圖4列出了駕駛員以7種車速(60～120 km/h)通過遮光棚時(shí)，需要避開頻閃效應(yīng)的格柵周期長度范圍(1.5～8.3 m)。

通過研究可知，駕駛員不舒適感最強(qiáng)的周期區(qū)間為2.0～4.2 m[12]。在不利區(qū)間內(nèi)，周期為8 m時(shí)的頻閃效應(yīng)相對較小。但是，考慮到減光效果和美觀需求，在實(shí)際格柵設(shè)計(jì)中很難完全避開上述周期范圍。因此，為了減少格柵遮光棚的頻閃效應(yīng)，還需要進(jìn)一步研究可降低遮光棚頻閃效應(yīng)的其他因素(如調(diào)制深度和亮度占空比等)對頻閃效應(yīng)的影響。

圖4 閃爍頻率范圍內(nèi)(4～11 Hz)不同行駛速度下的格柵周期長度范圍

3.2 太陽輻射規(guī)律對頻閃效應(yīng)的影響

3.2.1 太陽輻射規(guī)律影響調(diào)制深度

計(jì)算遮光棚頻閃效應(yīng)可見度時(shí)，遮光棚明暗亮度可用光波調(diào)制深度(MD)表示[20-21,28]。將地球視為參考系，則太陽光線與水平路面的夾角α(即太陽高度角)為[19]：

α=arcsin(sinβ×sinδ+cosβ×cosδ×cosh′)。

(5)

式中：β為隧道所在的緯度；δ為太陽赤緯角；h′為太陽時(shí)角?？梢?，調(diào)制深度依賴于太陽輻射規(guī)律，當(dāng)太陽高度角α改變時(shí)，路面光波函數(shù)的調(diào)制深度也隨之改變。

考慮到陰雨霧雪天氣下的太陽輻射小，調(diào)制深度也較小，本文選擇輻射條件更為不利的晴天太陽理論模型[26]，即天空中沒有云或云很少時(shí)的情況，將整月中每一天都看作晴天計(jì)算太陽輻射理論值，并推導(dǎo)出對應(yīng)路面亮度季節(jié)變化曲線，如圖5所示[29]。該模型理論計(jì)算值與我國規(guī)范參考輻射值[30]的相對誤差在5%以內(nèi)?；谔柲Ｐ偷睦碚撚?jì)算模型與數(shù)值仿真模型[31]相比，沒有考慮到周圍環(huán)境的光反射影響，但全面考慮了格柵與陽光的幾何關(guān)系，方便求出全年路面亮度季節(jié)變化曲線。

圖5 格柵式遮光棚下路面亮度季節(jié)變化曲線(緯度： N 23°)

3.2.2 調(diào)制深度對SVM的影響

針對格柵周期不舒適設(shè)計(jì)區(qū)間1.5～8.3 m，此處取St=2～8 m，調(diào)制深度對遮光棚SVM的影響如圖6所示?？傮w上，格柵周期越大，SVM越??；當(dāng)格柵周期一定時(shí)，SVM隨著調(diào)制深度減小而減小。在實(shí)際開放式格柵式遮光棚中，格柵下路面亮度調(diào)制深度為73.5%～85.8%，SVM隨調(diào)制深度的變化曲線如圖6中實(shí)線所示。在此范圍內(nèi)，最小格柵周期的SVM隨著調(diào)制深度的增加從25.8增加到28.2，最大格柵周期的SVM從17.9增加到19.5。也就是說，周期St越大，頻閃效應(yīng)可接受性越好(此時(shí)減光效果不好)，而且MD越小格柵的頻閃效應(yīng)越容易被接受[18,26]。值得注意的是，在實(shí)際格柵下，由調(diào)制深度引起的SVM變化量(約2.3)小于由格柵周期引起的變化量(7.9～8.7)，格柵周期對頻閃效應(yīng)可見度的影響最大。

有軌電車聯(lián)通線類似于地鐵聯(lián)絡(luò)線，但又不同于地鐵聯(lián)絡(luò)線。有軌電車要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營，需在聯(lián)通運(yùn)營的線路之間設(shè)置聯(lián)通線。聯(lián)通線宜采用互通道岔連接，由于多條線路在此交匯運(yùn)營，在一定行車密度下不同運(yùn)營線路的車輛可能同時(shí)到達(dá)，因此，接軌站站位和配線的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合信號控制需求，以保障車輛不會由于排隊(duì)而影響交叉口的正常通行為準(zhǔn)則。

圖6 不同格柵周期長度下SVM隨調(diào)制深度的變化曲線

調(diào)制深度主要取決于格柵投影的明、暗亮度對比，降低格柵間的明段亮度(Lmax)，可以降低MD值，從而改善頻閃效應(yīng)。因此，采取合理措施，比如在格柵空隙設(shè)遮陽網(wǎng)或遮光玻璃等，可以調(diào)節(jié)MD值，從而有效提高頻閃效應(yīng)的可接受性[20,28]。隨著格柵空隙的透光率從1.0降低到0.4，調(diào)制深度從73.5%減小到46.7%，此時(shí)可調(diào)MD值與SVM關(guān)系如圖6中虛線所示。周期2 m格柵的SVM從25.8降低到19.4，周期8 m格柵的SVM從17.9降低到13.4。

3.3 格柵幾何參數(shù)對頻閃效應(yīng)的影響

3.3.1 格柵亮度占空比的變化

如第1節(jié)所述，格柵梁高度較小時(shí)，亮度占空比近似于格柵空隙比。然而，太陽輻射角的季節(jié)和時(shí)刻變化將影響亮度占空比的變化。因此，需要研究格柵亮度占空比的季節(jié)和時(shí)刻變化趨勢，進(jìn)而計(jì)算亮度占空比對頻閃效應(yīng)可見度的影響。表1為不舒適感最強(qiáng)[12]的格柵周期區(qū)間(2～4 m)對應(yīng)的格柵幾何參數(shù)。

表1 格柵參數(shù)設(shè)置

4種格柵周期的格柵式遮光棚亮度占空比在不同時(shí)刻的季節(jié)變化曲線見圖7。由圖7可知，不同格柵周期的亮度占空比都隨著空隙比的增加而增加。當(dāng)遮光棚周期長度從2 m增加到4 m時(shí)，由季節(jié)變化引起的亮度占空比差值從45.1%減小到22.5%，而由時(shí)刻變化引起的亮度占空比差值從80.0%減小到39.6%。圖中，8點(diǎn)時(shí)刻的亮度占空比隨季節(jié)周期波動，呈冬季低夏季高趨勢。隨著時(shí)刻增加，亮度占空比隨太陽輻射的季節(jié)變化規(guī)律逐漸減弱，12點(diǎn)時(shí)刻的亮度占空比不再隨季節(jié)變化。另外，我們還發(fā)現(xiàn)隨著格柵周期增大，8點(diǎn)時(shí)刻的亮度占空比數(shù)值整體上移。

3.3.2 亮度占空比對SVM的影響

我們計(jì)算了夏至?xí)r8點(diǎn)、10點(diǎn)和12點(diǎn)3個(gè)時(shí)刻的遮光棚頻閃效應(yīng)可見度。3個(gè)時(shí)刻的遮光棚明段亮度Lmax分別為3 165、4 932、5 515 cd/m2，暗段亮度Lmin分別為454、756、802 cd/m2，調(diào)制深度取平均值74.4%，SVM計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，對于每一種格柵周期的遮光棚，從8點(diǎn)到12點(diǎn)亮度占空比逐漸增加，在12點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大(與空隙比相等)。對于任意時(shí)刻，亮度占空比都隨著格柵空隙比的增加而增加。但是，頻閃效應(yīng)可見度并不受格柵空隙比和亮度占空比的影響，而只是隨著格柵周期的增大而降低。這一現(xiàn)象符合Bullough等[32]的試驗(yàn)，說明隨著格柵周期的增大，頻率雖然有所降低，但頻閃效應(yīng)的變化不太顯著。可見，當(dāng)行駛速度和調(diào)制深度不變時(shí)，格柵周期長度是影響頻閃效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，而孔隙比或亮度占空比對頻閃效應(yīng)的影響不明顯。

3.4 工程案例分析

該遮光棚在不同格柵周期下8點(diǎn)與12點(diǎn)亮度占空比隨季節(jié)變化趨勢如圖8所示。12點(diǎn)的亮度占空比隨季節(jié)變化平緩，且整體高于8點(diǎn)。而8點(diǎn)的亮度占空比隨季節(jié)周期波動較大，呈冬季低夏季高趨勢。隨著時(shí)刻從8點(diǎn)增加到12點(diǎn)，亮度占空比隨太陽輻射的季節(jié)變化規(guī)律逐漸減弱。隨著格柵周期長度從2 m增加到4 m，由季節(jié)引起的亮度占空比差值從52.9%逐漸減小到34.4%，而由時(shí)刻引起的亮度占空比差值從61.8%逐漸減小到37.5%。

圖9示出了該遮光棚在不同格柵周期下頻閃效應(yīng)可見度隨行駛速度(60～110 km/h)和調(diào)制深度(46.7%～85.8%)的變化趨勢。由圖9可知，駕駛員以設(shè)計(jì)時(shí)速110 km行駛時(shí)感受到頻閃效應(yīng)較高，隨著行駛速度降低，SVM不斷降低，所以駕駛員進(jìn)出隧道時(shí)減速行駛能降低頻閃效應(yīng)。

(a) St=2 m(b) St=2.5 m

(c) St=3 m(d) St=4 m

表2 不同亮度占空比的SVM

降低頻閃效應(yīng)的另一個(gè)措施就是增大格柵周期。隨著格柵周期增大，SVM整體減小。而且，在特定調(diào)制深度下，格柵周期越大，SVM相對于速度變化的斜率越小。也就是說，格柵周期越大，SVM對速度越不敏感；格柵周期越小，SVM對速度越敏感。此外，改變調(diào)制深度也是調(diào)節(jié)SVM的有效措施。以圖9為例，所有格柵周期的SVM都隨著MD減小而減小，可見通過降低MD可進(jìn)一步降低頻閃效應(yīng)。

在本例中，我們將格柵周期作為遮光棚的首要設(shè)計(jì)參數(shù)，格柵周期從隧道洞口開始，從2 m至4 m由密而疏漸變，格柵截面尺寸由目標(biāo)減光效果和強(qiáng)度要求決定。并且，建議在臨近隧道洞口段，格柵上方空隙設(shè)置低透光率遮光網(wǎng)，該措施可進(jìn)一步降低遮光棚的頻閃效應(yīng)。若采用亮度遞減式遮光棚，并考慮到當(dāng)?shù)仃幱觎F天氣較多，對于上述設(shè)計(jì)建議可適當(dāng)降低要求。

(a) St=2 m (b) St=2.5 m

(c) St=3 m (d) St=4 m

圖9 行駛速度與調(diào)制深度對SVM的影響

4 結(jié)論與建議

本文基于太陽輻射規(guī)律，引入頻閃效應(yīng)可見度(SVM)指標(biāo)，通過理論計(jì)算定量分析格柵式遮光棚下矩形光波周期長度、亮度占空比和調(diào)制深度等參數(shù)對頻閃效應(yīng)的影響。結(jié)論如下：

1)太陽輻射季節(jié)變化對格柵周期無影響，對亮度占空比和調(diào)制深度有顯著影響。隨著格柵周期的增加，太陽輻射季節(jié)規(guī)律對亮度占空比的影響減小。

2)當(dāng)考慮格柵梁高時(shí)，亮度占空比和調(diào)制深度隨太陽輻射季節(jié)規(guī)律周期變化。

3)格柵周期顯著影響遮光棚的頻閃效應(yīng)可見度，亮度占空比不影響遮光棚頻閃效應(yīng)的可見性。格柵周期一定時(shí)，調(diào)節(jié)調(diào)制深度可有效降低格柵下的頻閃效應(yīng)。

本文研究未考慮雨、雪等天氣，也未考慮隧道周圍建筑、植物或車輛對太陽輻射的遮擋情況,但是，上述結(jié)論可計(jì)入遮光棚緯度和走向的影響?；诘湫透駯攀秸诠馀锾岢龅念l閃效應(yīng)改善措施，可進(jìn)一步推廣到任意緯度和走向的公路隧道，為同類遮光棚優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。