淺議基于人因工程學的城市道路照明評價體系研究

陳 荃，臧 鋒

(南京城市照明建設運營集團有限公司，南京 210019)

引言

目前我國道路照明領域施行的是《城市道路照明設計標準》(CJJ 45—2015)[1]，此標準契合了當時的經濟發(fā)展及城市建設水平，滿足了安全可靠、技術先進、經濟合理、節(jié)省能源、維修方便等原則，對于城市新建、擴建和改建的道路及與道路相聯系的特殊場所的照明設計起到了良好的指導作用。但隨著城市建設的不斷發(fā)展和人民生活水平的大幅提高，人們對道路照明質量的要求越來越高，滿足關鍵指標參數是遠遠不夠的，更要考慮多方面的綜合影響。同時，以LED為代表的新型光源的出現及在道路照明領域里廣泛的應用，更加暴露出現行道路照明設計規(guī)范存在缺陷，其滯后于工程、產品的應用現狀，導致新型照明設施的照明質量難以得到準確的評價。

1 城市道路照明評價體系提升的目的與意義

1.1 更全面地對照明質量進行評價

人從外界接收到的各種信息中80%以上是通過視覺獲得的，良好的道路照明環(huán)境有助于駕駛員及時獲得有效準確的視覺信息并迅速做出判斷，避免因視覺信息不足誘發(fā)危險。因此，現行的國內外城市道路照明標準都是基于CIE頒布的“明視覺的光譜光視效率函數”來計算和測量。而隨著對光照非視覺生物效應領域研究的逐步深入，現階段研究成果表明，光照也通過非視覺作用于人的生物節(jié)律系統(tǒng)、認知功效、警覺度、情緒、疲勞、睡眠等方面?？梢酝茢?，在夜間道路照明環(huán)境下，隨著時間的累積，道路照明誘發(fā)的非視覺效應同樣將對駕駛人產生相應的影響。光照的非視覺效應同樣是構成駕駛安全的重要影響因素之一。

如想更全面地對照明質量進行評價，需要建立一個全新的框架體系。將原來單一的視覺功效評價逐步過渡到視覺效應和非視覺效應的雙重評價，前者注重視覺功能性，后者則與人體健康密切相關。

1.2 更有效地提升道路節(jié)能設計

面對“雙碳”大考，城市照明行業(yè)亟需調整發(fā)展邏輯，避免能耗雙控簡單化處理和“一刀切”問題，在守住民生為本的前提下提高能源使用效率，實現可持續(xù)發(fā)展是非常關鍵的一環(huán)。最新的各項研究都表明，夜間道路照明環(huán)境的亮度屬于中間視覺范圍(0.001～3 cd/m2)。在中間視覺條件下，人眼的空間分辨率、對比識別力、立體深度感知、適應性調節(jié)反應和反應速度等視覺能力與明視覺條件下完全不同。真正從道路照明的實際使用環(huán)境出發(fā)，提出一種基于中間視覺系統(tǒng)的道路照明評價方法非常有利于道路照明的節(jié)能設計。

1.3 為智慧照明提供有效的理論支撐

智慧照明作為智慧城市的關鍵構成部分，可以依托路燈資源的能力結構和條件稟賦對包含民生工程、自然環(huán)境、信息安全等領域的多元要求作出智能化回應和管理決策。智慧照明首先將實現按需用光，即通過前端計算、人工智能、大數據技術的有機整合，實現道路照明設施“自主識別、自主判斷、自主處置”。若研究者能從人因工程學視角出發(fā)，結合用戶的真正需求，通過嚴謹而科學的方法整合現有理論和模型，可以為研制“智慧用光”道路照明系統(tǒng)提供有效的理論支撐，更可以充分利用現代照明技術的優(yōu)勢，加快創(chuàng)設和研發(fā)因時、因地和因人而異的智能化照明模式和相關硬件、軟件產品。

2 基于人因工程學的城市道路照明評價體系研究方案

2.1 基于人因工程學的照明領域研究現狀

人因工程(Human Factors Engineering，HFE)是研究人、機器、環(huán)境相互影響及作用的一門綜合性交叉學科，運用多種理論與方法，目的是使機器系統(tǒng)和工作環(huán)境的設計滿足人的生理、心理特性，從而達到高效、安全、健康的工作與生活需求[2]。人因工程學強調協(xié)調“人—因—環(huán)境”三要素之間的關系，達到安全、穩(wěn)定、高效的目的[3]。在照明領域，國內外研究者在人因設計方面進行了大量研究與實踐。尤其是近年來，隨著LED照明及智能控制技術的高速發(fā)展和光健康理念的不斷更新與完善，人因照明研究得到了長足發(fā)展[4]。從最初的調光調色應用，發(fā)展到多維度人因照明，研究方向逐步從對人能力和極限的可用性研究擴展到全面關注人生理和情緒等各項需求的健康性研究，研究應用領域逐步從工業(yè)產品設計擴展到人居環(huán)境建設中的方方面面，并且可以用人因指數(Human Centric Index，HCI)來定量刻畫同類產品不同的人因相對性能。

2.2 基于人因工程學的城市道路照明評價體系研究思路

2.2.1 城市道路照明條件下(駕駛)人的視覺認知特性和視覺功效研究

從機動車交通道路使用者角度出發(fā)，道路照明的主要目的是長時間為駕駛員提供足夠的視覺可靠性，即駕駛員為了安全地控制汽車，對呈現在眼前的部分視覺信息進行處理的一種下意識能力[5]。目前，針對視覺效果與感受的光環(huán)境質量評價方法主要為基于主觀心理滿意度的評價方法，通常以問卷的形式，要求駕駛員依據心理主觀感受對光環(huán)境的效果進行量化評價。該類方法易受個體差異和問卷設計的影響。

駕駛員的視覺可靠性主要取決于其視場內察覺細微變化的能力，即保證駕駛員具有良好的視覺工效。視覺可靠性包含兩個方面：視功能和視覺舒適。視功能是指駕駛員在視野中看清物體及其變化的功能，即視覺的生理作用是否處于正常狀態(tài)。視覺舒適是指在道路照明產生的視覺環(huán)境中，駕駛員在心理上是否感到舒適[6]。

本研究首先搭建專業(yè)的人因照明實驗室，配備虛擬駕駛實驗平臺和道路照明模擬系統(tǒng)(圖1、圖2)；其次邀請20名被試開展光誘導模擬駕駛實驗，深入探究不同光色、照度、顯色指數等照明參數下駕駛人的表現行為；進而分析、總結不同的照明參量對(駕駛)人視覺感知的影響規(guī)律，確定符合(駕駛)人視覺感知特性和視覺工效的評價指標及邊際閾值。

圖1 人因照明實驗室實景Fig.1 Human factors lighting laboratory

2.2.2 城市道路照明非視覺效應與(駕駛)人精神負荷間關系研究

2002年，美國Brown大學的Berson等發(fā)現了哺乳動物視網膜的第三類感光細胞——視網膜特化感光神經節(jié)細胞(intrinsically photosensitive Retinal Ganglion Cell，ipRGC)，這類感光細胞能參與調節(jié)許多人體非視覺生物效應，包括人體生命體征的變化、激素的分泌和興奮程度[7]。后續(xù)的相關研究表明，人類的生物節(jié)律和認知表現都受光環(huán)境的影響，無論是來自自然界的太陽光，亦或是人造光源，都會引起人體一系列生理節(jié)律反應。照度、色溫、光譜、曝光時間、曝光時長等光照因素均會對人產生非視覺效應，并對人的睡眠情況、工作效率、警覺性、血壓、心率等生理心理指標產生影響。

同樣，在夜間道路照明環(huán)境下，隨著時間的累積，道路照明誘發(fā)的非視覺效應將對駕駛人產生相應的影響，使駕駛員的認知與信息處理能力下降、產生疲勞等，而這種不良的精神負荷水平狀態(tài)是造成駕駛人出錯、行為表現較差的關鍵影響因素。因此，光照的非視覺效應也非常值得關注。

目前國內外該類研究還在少數，且國內研究中的對象局限于隧道這一特殊路段的照明環(huán)境。本研究將創(chuàng)新性地以非視覺生物效應的相關研究理論與成果為研究基礎，利用專業(yè)的人因照明實驗室進行城市道路照明領域專項研究，借助虛擬駕駛平臺模擬夜間道路駕駛，綜合運用主觀量表評價和腦電圖(Electroencephalography，EGG)客觀生理數據測量的主客觀相對照的方法，評估道路照明中照度水平、色溫、顯色指數等參數對(駕駛)人在駕駛作業(yè)情況下情緒和節(jié)律產生的多因素疊加作用，探究夜間不同的道路照明光環(huán)境對(駕駛)人精神負荷的具體影響及作用規(guī)律，為豐富完善道路照明評價體系奠定基礎。

2.2.3 以(駕駛)人為中心的道路照明評價模型構建

在整個人—車—環(huán)境系統(tǒng)中，駕駛者作為系統(tǒng)主體，其生理、心理狀態(tài)將在很大程度上影響其決策與行為，進而影響駕駛安全[8]。因此，本研究將“以人為中心”，結合現階段道路照明與駕駛安全的研究現狀，充分考慮前兩部分試驗結果，分別提取基于(駕駛)人的視覺認知特性和視覺工效，以及非視覺效應的人因效能影響因子和評價指標；對應建立起視覺工效綜合評價指數和預測模型及非視覺效應綜合評價指數和預測模型；以此兩部分預測模型為基礎，構建起以(駕駛)人為中心的道路照明評價指數和預測模型，提升道路照明環(huán)境的安全性、舒適性與高效性。

2.3 后續(xù)工作安排

根據人因工程學的要求，良好的道路照明需全面滿足人—照明系統(tǒng)—環(huán)境的需求，除了將光源特性(色溫、光效等)和人的視覺感知、心理、生理舒適度納入道路照明設計與應用的全過程中，還需綜合考慮照明系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定及自然環(huán)境等因素，并以此建立道路照明綜合評價體系。

后續(xù)的工作將依據此前的研究結果，充分結合現有的照明評價體系，基于科學性與實用性原則、整體性與層次性原則、主成分性與獨立性原則、靈活性與可操作性原則、定性分析與定量計算相結合原則建立一個從視覺功效、視覺舒適性、非視覺效應、安全性、節(jié)能性等多角度的道路照明綜合評價體系，積極探索道路照明人性化、智能化、高效化的發(fā)展新方向。

3 結語

新時代的城市道路照明建設作為城市建設的重要一環(huán)，應堅持以夜間公眾需求和訴求為根本，對城市道路照明設計展開更為綜合而全面的評價研究。本研究期望能夠將人因工程學為理論基礎，將目標導向和問題導向相統(tǒng)一，采用主客觀相結合的綜合評價方法，從視覺工效、視覺舒適性、駕駛員的生理和感知以及認知特性、安全性、節(jié)能性、環(huán)境友好性等多元角度出發(fā)，積極探索以人為本的照明技術應用實踐。