陳 鵬，潘曉東，付志斌，邱漢騏

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

白天晴天時，城市隧道洞外亮度一般可達(dá)5 000cd/m2，而隧道洞內(nèi)亮度僅為幾至十幾坎德拉每平方米。但由于隧道洞口的形式、隧道走向、太陽照射角度等因素的影響，隧道內(nèi)亮度并不是一成不變的[1]。在隧道入口一定距離內(nèi)亮度受洞外自然光的影響較大，在洞口處亮度與洞外亮度相差不大，但超過一定距離時，洞內(nèi)亮度迅速降低，甚至可能出現(xiàn)突變。在較短的時間內(nèi)，亮度的突然降低可能會使駕駛員產(chǎn)生暫時性的視覺障礙，影響行車安全[2-4]。為了獲得上述駕駛環(huán)境對駕駛員的視覺變化及行車安全性的影響，以某城市道路隧道為研究對象，對駕駛員在城市隧道出入口生理特征的變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 自然光影響下城市隧道出入口亮度變化

實(shí)驗(yàn)測定在白天為晴天的情況下，實(shí)驗(yàn)隧道內(nèi)照明設(shè)施運(yùn)行時整個隧道的亮度情況。實(shí)驗(yàn)采用日本美能達(dá)生產(chǎn)的型號為LS—100的亮度儀測量隧道內(nèi)外亮度。將獲得的數(shù)據(jù)通過Origin軟件進(jìn)行處理后擬合得到圖1。

圖1 晴天下午時城市隧道亮度變化

從圖1中可以看出，晴天時，距洞口一定距離范圍內(nèi)亮度變化非?？?，在幾十米范圍內(nèi)從幾千坎德拉每平方米降低到十幾坎德拉每平方米，出口段亮度突變同樣較為嚴(yán)重。

1.1 隧道入口段亮度變化

圖1中，隧道各部分亮度變化比較大，且在入口段亮度發(fā)生突變，為更好地反映入口段突變程度，有必要對入口段亮度進(jìn)行分析研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)形成的樣條曲線見圖2，經(jīng)過擬合計算后，如圖3所示。

圖2 晴天下午時隧道入口處亮度變化

圖3 擬合后晴天下午時隧道入口處亮度變化

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用二階指數(shù)衰減擬合，y=y0+A1e-x/t1+A2e-x/t2，經(jīng)過擬合后，亮度變化曲線方程為：y=-0.06389+103.836e-x/18.217+103.836e-x/18.217，相關(guān)系數(shù)R=0.976。

由圖3可知，晴天時，遮光棚開始處亮度為洞外亮度的72%，洞口亮度僅為洞外亮度的5%，而在洞內(nèi)20m 處，亮度已降低為不到洞外亮度的2%。在距洞口20m 的范圍內(nèi)，亮度降低速率非常大，這種短距離內(nèi)的亮度突變對行車安全十分不利。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在照明入口段由于遮光棚的影響，亮度發(fā)生突變，為變化過渡段，在20m左右的遮光棚處，亮度有個均勻變化的過程，這與公路隧道研究有所不同，進(jìn)入洞口后，亮度又發(fā)生突降。道路至遮光棚亮度突變，遮光棚到洞口亮度再次發(fā)生突變。且行車過程中發(fā)現(xiàn)，在未進(jìn)入遮光棚前，洞口處較為黑暗，視認(rèn)性較差，對行車安全不利（見圖4）。

圖4 車輛在隧道外觀察入口處

通過以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，自然光對隧道內(nèi)亮度的影響是非常明顯的，并具有較強(qiáng)的規(guī)律性：按照現(xiàn)行的隧道照明設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計的城市隧道，遮光棚處基本能滿足行車需求；而在隧道遮光棚后一定距離范圍內(nèi)（實(shí)驗(yàn)隧道為距洞口前后10～20m）亮度變化還是較為劇烈，而且這也是道路視覺環(huán)境突變的區(qū)域。因此，從安全行車的角度考慮應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)這一段區(qū)域內(nèi)的照明，而已有研究也很好地證明了這一點(diǎn)[5]。

1.2 隧道出口段亮度變化

隧道出口處沒有遮光棚，亮度變化較為明顯。在隧道出口前50m左右處，亮度開始突變，在行車過程中，接近隧道口時受亮度突變影響，駕駛員出現(xiàn)視覺障礙[6]。通過圖2 和5 可以看出，出口段亮度變化比入口段亮度變化更加突兀，出口處沒有遮光棚等照明過渡改善措施，當(dāng)車輛接近隧道出口時，看到的是一個刺眼的眩亮白洞，此時形成“白洞效應(yīng)”，駕駛員受“白洞效應(yīng)”的影響，出現(xiàn)嚴(yán)重的視覺障礙。

圖5 晴天下午時隧道出口處亮度變化

2 城市隧道出入口駕駛員視覺適應(yīng)性研究

2.1 瞳孔變化與行車安全的關(guān)系[6]

駕駛員的視覺系統(tǒng)是通過瞳孔獲取外部信息的。瞳孔大小的變化，起到調(diào)節(jié)進(jìn)入眼內(nèi)光量的作用。光線強(qiáng)時，瞳孔減小以減輕對視網(wǎng)膜的刺激；光線弱時，瞳孔放大以幫助視網(wǎng)膜分辨物體。研究表明，瞳孔直徑是衡量心理生理負(fù)荷的靈敏指標(biāo)，瞳孔放大往往意味著較大的心理生理負(fù)荷[7]。

對于隧道出入口而言，主要是光亮度發(fā)生急劇變化，由于駕駛員的視覺適應(yīng)瞳孔直徑也發(fā)生較大變化，駕駛員生理負(fù)荷急劇增加。通過眼動儀對駕駛員瞳孔大小變化進(jìn)行分析研究，能更好地對隧道出入口交通環(huán)境的安全性與宜人性進(jìn)行評估[8]。因此，駕駛員瞳孔大小反應(yīng)了駕駛員的視覺適應(yīng)情況及心理生理負(fù)荷，可以作為駕駛員視覺適應(yīng)性的評價指標(biāo)。

2.2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

在該實(shí)驗(yàn)中，考慮駕駛員年齡和駕駛經(jīng)驗(yàn)的代表性，選取了2名駕駛員：A駕駛員44歲、駕齡13 年，B 駕駛員36 歲、駕齡3 年。采用EMR—8B眼動儀，實(shí)驗(yàn)時被試者頭戴裝有EMR 的帽子，在被試者眼睛前下方裝有平面鏡與紅外線二極管。帽檐下方的高速攝像機(jī)可實(shí)時捕捉經(jīng)平面鏡反射的紅外線在角膜上的反射像和瞳孔輪廓，如圖6所示。

圖6 EMR—8B系統(tǒng)的硬件組成

導(dǎo)出數(shù)據(jù)并整理發(fā)現(xiàn)，對同一隧道進(jìn)行的多次實(shí)驗(yàn)，即使外界環(huán)境一致，同時每次實(shí)驗(yàn)都是獨(dú)立的，數(shù)據(jù)之間也無相關(guān)性。但是從圖7可以看出有些點(diǎn)較為離散，盡管對實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行了篩選，但是樣本仍呈現(xiàn)一定的個體差異；另外，即使是同一樣本，在不同的時間段也表現(xiàn)出不同的精神狀態(tài)，反應(yīng)了不同實(shí)驗(yàn)個體心理生理上的差異。由于數(shù)據(jù)總體都表現(xiàn)了動視點(diǎn)視認(rèn)目標(biāo)百分比隨速度增大而增加的趨勢性。對于偏離很大的點(diǎn)處理的方法有很多種，如可以采用取置信度的方法剔除異常點(diǎn)。本文采用穩(wěn)健估計的方法來處理數(shù)據(jù)。所謂穩(wěn)健估計，實(shí)際上就是在粗差不可避免的情況下，選擇估計方法使未知量估計盡可能減小粗差的影響，得出正常模式下的最佳估計值，穩(wěn)健估計可理解為某一估計方法對觀測值的粗差或異常值的抵抗能力[10]。

圖7 隧道出入口實(shí)驗(yàn)中駕駛員動視點(diǎn)視認(rèn)目標(biāo)百分比-速度關(guān)系分布圖

圖8為白天晴天狀態(tài)下進(jìn)入隧道前瞳孔、明暗過渡時的瞳孔及進(jìn)隧道適應(yīng)后的瞳孔示意圖，表明隧道外進(jìn)入隧道時瞳孔由小變大。

圖8 隧道內(nèi)外駕駛員瞳孔大小變化圖

圖9為白天駕駛員行車經(jīng)過隧道前、進(jìn)入隧道及出隧道后的瞳孔直徑變化示意圖，表明在隧道入口位置，瞳孔直徑隨進(jìn)入隧道距離增加而增大，在隧道出口位置，越往隧道外，瞳孔直徑越來越小。

圖9 城市隧道白天行車實(shí)驗(yàn)瞳孔直徑變化示意圖

城市隧道內(nèi)外駕駛員瞳孔直徑大小變化的對比示意圖表明城市隧道內(nèi)瞳孔直徑和隧道外相比明顯增大。瞳孔直徑大小因人而異，但是變化的規(guī)律是相似的，因隧道長度和照明條件而變化。一般情況下，隧道進(jìn)口一般路段瞳孔直徑穩(wěn)定在1.8mm左右，暗適應(yīng)區(qū)間瞳孔直徑從約1.9mm變化到約4.7mm，到完全適應(yīng)時穩(wěn)定在4.5mm左右，直至出口位置。且瞳孔變化面積的不同除受個體差異的影響外，還主要因?yàn)檐囕v速度和隧道亮度的不同而不同。

通過以上分析，瞳孔直徑急劇變化的現(xiàn)象可理解為受眼睛的暗適應(yīng)影響所致。駕駛員驅(qū)車由隧道外進(jìn)入隧道內(nèi)，在隧道外的亮度有三千多坎德拉每平方米，而隧道內(nèi)僅有兩三坎德拉每平方米左右的照明條件，明暗相差很大，這進(jìn)入隧道后200m 左右的暗適應(yīng)過程是通過瞳孔直徑的變化來實(shí)現(xiàn)的，所以導(dǎo)致瞳孔直徑的急劇變化。這種暗適應(yīng)過程的長短影響了駕駛員的視認(rèn)性，是隧道入口事故率較高的主要原因之一[9]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，在隧道出口，瞳孔直徑發(fā)生和進(jìn)口相類似的反向變化，越往隧道外，亮度急劇增加，瞳孔直徑越來越小，從而完成明適應(yīng)的過程。

3 城市隧道入口段典型障礙物識別距離研究

3.1 入口段典型障礙物靜態(tài)識別距離研究

白天隧道外亮度約為3000cd/m2左右，在進(jìn)入隧道前駕駛員眼睛處的適應(yīng)亮度相比隧道內(nèi)亮度要高很多。本實(shí)驗(yàn)中共需操作人員2名，分別負(fù)責(zé)障礙物的擺放與隧道洞內(nèi)外照度的測量；駕駛員1名；實(shí)驗(yàn)者4 名。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)與視覺適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)相同。實(shí)驗(yàn)人員從隧道外一定距離往隧道內(nèi)行走，一位工作人員將障礙物不定位置放在隧道內(nèi)實(shí)驗(yàn)距離處，當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員看到障礙物時測量距離并記錄。在所進(jìn)行的隧道入口段障礙物識別實(shí)驗(yàn)中選取4 名實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，如圖10所示。

圖10 入口段障礙物靜態(tài)識別距離

通過以上實(shí)驗(yàn)分析可以得出，在靜態(tài)識別試驗(yàn)中，障礙物的識別距離，隨著障礙物在隧道內(nèi)擺放位置變化先增加后減小，再增加到一個穩(wěn)定的值。在距隧道入口20m 內(nèi)，雖然亮度變化較大，但是駕駛員在隧道外就能看清障礙物，因?yàn)檎系K的視認(rèn)距離主要由障礙物的亮度和背景亮度的對比決定。障礙物在距隧道口100～120m 區(qū)間時，識別距離最短，最小為50m；而障礙物在隧道內(nèi)140m 以后趨于穩(wěn)定，隧道內(nèi)視認(rèn)距離受個體影響較小。

3.2 行車狀態(tài)下隧道入口段典型障礙物識別距離研究

在基于靜態(tài)下典型障礙物的識別實(shí)驗(yàn)后，駕駛員分別以40km/h，50km/h，60km/h，80km/h 的車速向障礙物行駛，當(dāng)發(fā)現(xiàn)障礙物時實(shí)驗(yàn)者按下秒表開始計時，車輛繼續(xù)保持車速行駛，當(dāng)車輛行駛剛通過障礙物時實(shí)驗(yàn)者停止秒表，記錄識別距離。

（1）駕駛員1識別距離

實(shí)驗(yàn)測得駕駛員1隧道入口段障礙物識別距離如圖11所示。

圖11 駕駛員1入口段障礙物識別距離

（2）駕駛員2識別距離

實(shí)驗(yàn)測得駕駛員2隧道入口段障礙物識別距離如圖12所示。

3.3 研究結(jié)果分析

由圖10、圖11、圖12分析可得到如下結(jié)論。

圖12 駕駛員2入口段障礙物識別距離

（1）靜態(tài)條件下，在入口段視認(rèn)距離逐漸減小，當(dāng)障礙物放置在距入口100～120m 范圍時，視認(rèn)距離很短。但當(dāng)障礙物放置在距入口120m 以后時，視認(rèn)距離又開始趨于穩(wěn)定。隧道內(nèi)不同個體的視認(rèn)距離差別不大。主要原因是：當(dāng)障礙物處于隧道內(nèi)距洞口一定距離時，駕駛員在發(fā)現(xiàn)障礙物前，實(shí)際上已經(jīng)對隧道內(nèi)較暗的環(huán)境適應(yīng)了一定的時間。

（2）行車狀態(tài)時在不同速度條件下，當(dāng)障礙物放置在距入口一定距離范圍時（本實(shí)驗(yàn)得出距離為50～100m），障礙物的視認(rèn)距離很短，最低處不足60m。根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》中照明停車視距表相關(guān)規(guī)定[9]：設(shè)計速度為80km/h時，停車視距為100m；設(shè)計速度為60km/h 時，停車視距為55m；設(shè)計速度為40km/h 時，停車視距為27m，因此該區(qū)域內(nèi)當(dāng)速度達(dá)到60km/h 以上時視認(rèn)距離未達(dá)到停車視距的要求，這對行車安全極為不利。

（3）當(dāng)障礙物處于隧道接近入口處時，視認(rèn)距離相對較高。主要原因是，在這一區(qū)域內(nèi)，隧道內(nèi)照度受洞外自然光的影響較大，亮度較高。

（4）當(dāng)障礙物處于距洞口一定距離范圍（大于120m）時，視認(rèn)距離相對較高。主要原因是，當(dāng)障礙物處于隧道內(nèi)距洞口一定距離時，駕駛員在發(fā)現(xiàn)障礙物前，實(shí)際上已經(jīng)對隧道內(nèi)較暗的環(huán)境適應(yīng)了一定的時間。

（5）當(dāng)障礙物放置在同一位置時，在各速度條件下的障礙物識別距離大致呈現(xiàn)如下趨勢：40km/h＞50km/h＞60km/h＞80km/h。但當(dāng)速度較小時，視認(rèn)距離離散程度減小，當(dāng)速度小于60km/h時，視認(rèn)距離受速度的影響較小。

4 結(jié)論

本文首先測量了某城市隧道的亮度分布，了解了城市隧道亮度突變的區(qū)域；然后利用行車實(shí)驗(yàn)，得到了城市隧道入口駕駛員瞳孔直徑變化規(guī)律；在掌握了環(huán)境和駕駛員生理指標(biāo)變化的基礎(chǔ)上設(shè)計相應(yīng)的障礙物識別實(shí)驗(yàn)，分析得到隧道入口段不利于行車安全的區(qū)域?；谝陨先齻€實(shí)驗(yàn)，分析得到了城市隧道出入口駕駛員視覺變化與行車安全的關(guān)系，為今后城市隧道進(jìn)出口的駕駛員行車安全提供了理論基礎(chǔ)與依據(jù)。

[1] 許景峰，胡英奎，何滎.國內(nèi)外公路隧道照明標(biāo)準(zhǔn)中亮度水平對比研究[J].照明工程學(xué)報，2010，21（5）：26-32．

[2] 劉洋.基于駕駛員生理與心理反應(yīng)的公路隧道光環(huán)境分析[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009．

[3] 鄭晅，王夢恕.公路隧道照明新思路分析與探討[J].公路，2007，11（11）：224-227．

[4] 胡英奎，陳仲林，孫春紅.基于等效光幕亮度理論的隧道入口段亮度計算方法[J]. 公路交通科技，2011，28（5）：98-101．

[5] 潘曉東，宋永朝，楊軫，等.基于視覺負(fù)荷的公路隧道進(jìn)出口環(huán)境改善范圍[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009（6）：777-780．

[6] 杜志剛.面向駕駛員視覺信息加工的行車安全評價模型研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007．

[7] 胡英奎，翁季，張青文，等.基于駕駛員瞳孔變化確定隧道入口段亮度的方法[J].燈與照明，2008，35（4）：10-13．

[8] 杜志剛，蔣宏，潘曉東.眼動儀在道路交通安全與環(huán)境評價中的應(yīng)用[C]//第三屆全國公路科技創(chuàng)新高層論壇論文集.北京：人民交通出版社，2006：938-943．

[9] 郭雪斌.隧道出入口駕駛員瞳孔及視點(diǎn)分布特性實(shí)驗(yàn)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2006．

[10] 李少帥. 基于行車安全實(shí)驗(yàn)的隧道視覺適應(yīng)性研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2010．