胡英奎，翁 季，張青文，陳仲林

(重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶400045)

0 引言

公路隧道由于其特殊的構(gòu)造，使得白天隧道內(nèi)外的亮度差別巨大，以至于駕駛員白天駕車進(jìn)入隧道時(shí)由于適應(yīng)亮度的驟然降低而產(chǎn)生視覺適應(yīng)滯后現(xiàn)象，從而可能造成交通事故。研究表明，隧道內(nèi)的交通事故主要集中在隧道出入口附近。如果隧道入口段的亮度過低會(huì)直接影響交通安全;而按照現(xiàn)行隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的隧道照明設(shè)計(jì)方法，隧道入口段亮度是整座隧道照明設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，如果入口段亮度過高又會(huì)造成隧道照明能源浪費(fèi)嚴(yán)重。因此，在確保隧道交通安全的前提下，合理確定隧道入口段亮度，對(duì)隧道照明節(jié)能意義重大。

目前公路隧道入口段亮度的確定方法主要有2種:k值法和最小察覺對(duì)比法。k值法是將洞外亮度L20乘以入口段亮度折減系數(shù)k作為隧道入口段亮度。CIE 88-1990和我國(guó)的行業(yè)規(guī)范JTJ 026.1—1999都推薦采用k值法確定隧道入口段亮度。最小察覺對(duì)比法是根據(jù)駕駛員開車時(shí)在距隧道口一個(gè)停車視距的位置感受到的等效光幕亮度Lseq確定入口段亮度，CIE 88:2004推薦采用最小察覺對(duì)比法確定隧道入口段亮度。在工程實(shí)踐和研究過程中發(fā)現(xiàn)，k值法和最小察覺對(duì)比法確定隧道入口段亮度均存在一定的問題，為了合理地確定隧道入口段亮度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作，以期找到更合理的確定隧道入口段亮度的方法。筆者在對(duì)k值法和最小察覺對(duì)比法確定隧道入口段亮度進(jìn)行對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，提出基于駕駛員瞳孔變化確定隧道入口段亮度的方法。

1 用k值法確定隧道入口段亮度

用k值法確定隧道入口段亮度是先根據(jù)行車速度和隧道的交通量確定隧道入口段亮度折減系數(shù)k，將洞外亮度L20與入口段亮度折減系數(shù)k的乘積作為隧道入口段亮度，即

式中

用該方法確定隧道入口段亮度的關(guān)鍵是隧道入口段亮度折減系數(shù)k和洞外亮度L20的確定。對(duì)于k值的取值，從20世紀(jì)60年代開始，隧道照明工程學(xué)上的兩大學(xué)派，即歐洲的D.A.Schreuder學(xué)派和日本的成定康平學(xué)派，進(jìn)行了針鋒相對(duì)的爭(zhēng)論，且兩大學(xué)派理論上的分歧集中反映在k值的差達(dá)5倍之多。而且兩大學(xué)派的立說依據(jù)都是相同的模擬測(cè)試方法，只是選用的測(cè)試的基本參數(shù)差別較大。D.A.Schreuder在障礙物標(biāo)準(zhǔn)尺寸和亮度對(duì)比度上所采用的是照明工程學(xué)上國(guó)際通用常規(guī)值;而成定康平所采用的是以“注視點(diǎn)”學(xué)說為依托的修正值，比較有利于障礙物的視認(rèn)。但成定康平已于1984年宣布放棄自己的“注視點(diǎn)”學(xué)說，并認(rèn)為其主張的k值應(yīng)提高1倍左右。而我國(guó)在制定相關(guān)規(guī)范時(shí)，并未進(jìn)行深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究，而是簡(jiǎn)單地取兩大學(xué)派主張的k值的平均值，顯然這是缺乏充分的依據(jù)的，其結(jié)果也可能與事實(shí)不符。

洞外亮度L20也有多種確定方法，如查表法、黑度法、環(huán)境簡(jiǎn)圖法等。用查表法確定L20是根據(jù)在20°視場(chǎng)中天空面積所占的百分比，通過查洞外亮度表的方法確定洞外亮度L20，該方法僅考慮了20°視場(chǎng)中天空面積所占的百分比、行車速度(或停車視距)以及洞口朝向(或洞外景物反射率的高低)這3個(gè)參數(shù)，且不同地點(diǎn)的天空亮度差別很大，洞外不同景物的反射率差別也很大，因此，用該方法得到的洞外亮度誤差較大;用黑度法確定L20主要是利用相機(jī)拍照，該方法主要適用于隧道建成之后測(cè)量隧道洞外的亮度，而對(duì)于隧道建成之前的設(shè)計(jì)階段則很難利用;用環(huán)境簡(jiǎn)圖法確定洞外亮度L20的過程中需要用到天空、路面、各種景物、隧道入口段的亮度等參數(shù)，雖然作為未知數(shù)的隧道入口段亮度可以忽略不計(jì)，但其余參數(shù)的獲取也是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作。因此，無論用何種方法確定洞外亮度L20都不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作，以至于用k值法確定隧道入口段亮度理論上可行，而在實(shí)際工程中難以采用。

2 用最小察覺對(duì)比法確定隧道入口段亮度

CIE 88:2004推薦基于等效光幕亮度和最小察覺對(duì)比來確定隧道入口段亮度，即

其中:

式中

從式(2)和式(3)可以看出，用該方法確定隧道入口段亮度的關(guān)鍵是確定等效光幕亮度Lseq。等效光幕亮度是考慮駕駛員開車時(shí)，眩光源的光入射到駕駛員的眼中發(fā)生散射而產(chǎn)生的光幕亮度。按照CIE 88:2004推薦的Lseq的確定方法需要先構(gòu)建一個(gè)極坐標(biāo)圖，該圖是根據(jù)在距隧道入口一個(gè)停車視距位置的2°，3°，4°，5.8°，8°，11.6°，16.6°，24°，36°和 56.8°的視場(chǎng)范圍各畫一個(gè)圓，并將每個(gè)圓等分成12份，見圖1。分別計(jì)算駕駛員開車時(shí)感覺到的各圓環(huán)上各部分的平均亮度，各部分的平均亮度累加即為等效光幕亮度 Lseq，即

式中Lije為駕駛員開車時(shí)感覺到的圖1所示各部分的平均亮度，Lije用式(5)計(jì)算，

式中，Lij為極坐標(biāo)中每一分區(qū)對(duì)應(yīng)的洞外景物亮度平均值。

從式(4)和式(5)可以看出，在等效光幕亮度Lseq的計(jì)算過程中不僅考慮了洞外的景物亮度，還考慮了汽車擋風(fēng)玻璃和空氣對(duì)駕駛員看到的洞外景物亮度的影響，以及景物所在位置(相對(duì)于駕駛員的眼睛)的不同對(duì)駕駛員產(chǎn)生的不同影響。所以，相對(duì)于L20，Lseq更符合駕駛員看到的景物亮度的實(shí)際情況。但在Lseq的計(jì)算過程中仍然需要計(jì)算各分區(qū)景物的平均亮度，該平均亮度的計(jì)算方法與用環(huán)境簡(jiǎn)圖法確定L20的方法相似。因此，計(jì)算等效光幕亮度Lseq的過程仍然存在隧道所在位置的景物亮度的確定的問題。雖然CIE 88:2004給出了幾種景物亮度的參考值，但由于地理位置對(duì)景物亮度的影響很大，所以如果直接采用CIE推薦的景物亮度值，計(jì)算的誤差會(huì)比較大。

圖1 計(jì)算等效光幕亮度的分區(qū)示意圖

3 根據(jù)駕駛員瞳孔變化確定隧道入口段亮度

用k值法和最小察覺對(duì)比法確定隧道入口段亮度考慮的主要因素都是環(huán)境亮度等客觀因素，而在交通安全中起關(guān)鍵作用的人的因素并未直接考慮。駕駛員駕車進(jìn)入隧道的過程，是從洞外較亮的視覺環(huán)境快速進(jìn)入隧道內(nèi)較暗的視覺環(huán)境的過程。人眼的暗適應(yīng)過程較慢，使得駕駛員駕車進(jìn)入隧道時(shí)，由于未能及時(shí)適應(yīng)隧道內(nèi)較暗的視覺環(huán)境，在隧道入口段看不清障礙物而容易發(fā)生事故。

國(guó)內(nèi)外的研究表明，影響隧道內(nèi)行車安全的主要因素是駕駛員在進(jìn)入隧道后的視覺適應(yīng)情況。雖然人眼瞳孔大小受人的生理、心理以及外部環(huán)境的影響，但在正常情況下，瞳孔大小與視看環(huán)境的亮度存在一定的函數(shù)關(guān)系。駕駛員白天駕車由較亮的外部進(jìn)入較暗的隧道內(nèi)時(shí)，瞳孔為了適應(yīng)較暗的環(huán)境而變大。駕駛員的瞳孔變化速度在某一個(gè)區(qū)間內(nèi)時(shí)，不會(huì)發(fā)生視覺障礙，行車是安全的;如果瞳孔變化速度超出此安全區(qū)間，有可能發(fā)生視覺障礙而造成行車事故。駕駛員的瞳孔變化受隧道內(nèi)外亮度之差以及進(jìn)入隧道時(shí)車速的大小影響，如果隧道內(nèi)外的亮度差較大，或者進(jìn)入隧道時(shí)車速過快，都會(huì)造成駕駛員瞳孔變化速度不能適應(yīng)環(huán)境亮度變化的速度，從而形成視覺障礙而可能引發(fā)交通事故。也就是說如果隧道入口段的亮度太低，駕駛員進(jìn)入隧道后，看清目標(biāo)所需的瞳孔變化速度超出駕駛員的適應(yīng)能力，就會(huì)產(chǎn)生視覺障礙，從而可能造成行車事故。為了保證行車安全，在隧道的設(shè)計(jì)速度一定的情況下，可以通過減小隧道內(nèi)外亮度之差的方法，保證駕駛員的瞳孔變化在一定的范圍內(nèi)。如果已知能保障不會(huì)產(chǎn)生視覺障礙的駕駛瞳孔變化的極限范圍，則可以根據(jù)隧道的洞外亮度和行車速度來確定隧道入口段亮度。駕車進(jìn)入隧道過程中瞳孔變化與行車安全的關(guān)系，可見相關(guān)研究成果。但如何根據(jù)隧道洞外亮度以及瞳孔變化與行車安全之間的關(guān)系確定隧道入口段亮度，還需進(jìn)一步進(jìn)行隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究。

為了研究根據(jù)駕駛員瞳孔變化確定隧道入口段亮度的方法，組織8名駕駛員在福建永武高速(福建永安至武平)上的四座隧道(龍井隧道、黃山嶺隧道、石背角隧道和溪背山隧道)進(jìn)行了駕車進(jìn)出隧道過程瞳孔變化的測(cè)量。測(cè)試時(shí)，在路面放置小目標(biāo)物體，將隧道內(nèi)的照明燈分別打開到不同的照明水平，在每個(gè)照明水平，至少有3名駕駛員按照隧道的設(shè)計(jì)速度駕車通過隧道，同時(shí)用亮度計(jì)測(cè)量隧道洞口外的景物亮度，在此過程中用iView X HED眼動(dòng)儀記錄駕駛員看到的場(chǎng)景和駕駛員的瞳孔數(shù)據(jù)。圖2為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的場(chǎng)景。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)景

測(cè)試完成后，根據(jù)駕駛員駕車通過隧道過程中看到的場(chǎng)景視頻，可以分析出在隧道照明的各亮度水平駕駛員發(fā)現(xiàn)小目標(biāo)物體的距離，進(jìn)而可以確定駕駛員在標(biāo)準(zhǔn)停車視距范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的瞳孔變化規(guī)律?？紤]瞳孔變化與隧道洞外亮度、在標(biāo)準(zhǔn)停車視距發(fā)現(xiàn)小目標(biāo)時(shí)的隧道入口段亮度以及行車速度之間的關(guān)系，即可確定在保證行車安全的前提下，所允許的駕駛員瞳孔變化的極限范圍及其規(guī)律，根據(jù)該變化規(guī)律即可在已知洞外亮度和隧道的設(shè)計(jì)行車速度的情況下確定隧道入口段亮度。

4 小結(jié)

基于駕駛員的瞳孔變化確定隧道入口段亮度的方法，直接考慮了駕駛員在駕車進(jìn)入隧道過程中眼睛對(duì)環(huán)境亮度變化的適應(yīng)過程，比用k值法和最小察覺對(duì)比法確定隧道入口段亮度的方法更有利于保證隧道內(nèi)的行車安全。但對(duì)于該方法的研究還剛剛起步，可用于研究的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)還比較少，將該方法用于工程實(shí)際還需要進(jìn)一步的實(shí)測(cè)研究。

［1］CIE.Guide for the lighting of road tunnels and underpass，CIE 88-1990［R］.Vienna，Austria:CIE Central Bureau，1990

［2］CIE.Guide for the lighting of road tunnels and underpass，CIE 88:2004［R］.Vienna， Austria:CIE Central Bureau，2004

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