杜 峰，翁 季，張青文，蔡賢云

（1.福建工程學院，福建福州350118；2.重慶大學，重慶400045）

基于視覺功效法的公路隧道照明研究方案設計

杜 峰1，2，翁 季2，張青文2，蔡賢云2

（1.福建工程學院，福建福州350118；2.重慶大學，重慶400045）

文章針對基于視覺功效法的公路隧道照明研究課題，從研究方案制定的概況、方案設計、實驗步驟三個方面進行了分析和討論，充分展示了實驗方案設計的針對性、科學性和嚴謹性。筆者希望通過具體的論述為本研究的順利進行奠定堅實基礎，同時也希望對其他研究者在制定各自的方案設計時提供參考。

視覺功效；公路隧道照明；方案設計；設計規(guī)范

0 引 言

視覺功效是人借助視覺器官完成一定視覺作業(yè)的能力，通常用完成作業(yè)的速度和精度來評定視覺功效。除了人的因素外，在客觀上，它既取決于作業(yè)對象的大小、形狀、位置、作業(yè)細節(jié)與背景的亮度對比等作業(yè)本身固有的特性，也與照明密切相關。在一定范圍內，隨著照明的改善，視覺功效會顯著提高。研究視覺功效與照明之間的定量關系可為制定照明標準提供視覺方面的依據。在公路隧道照明研究中所提到的視覺功效包括反應時間、瞳孔變化等衡量標準。從視覺功效法的角度出發(fā)來研究的原因在于：駕駛安全從本質上講就是駕駛員在某種特定的狀況下，在駕駛安全所需要的時間以內完成目標物識別、剎車、駕駛場景處理等保證安全的任務，該值一般為≤0.7 s。當然駕駛舒適和節(jié)能也是很重要的。

1 實驗目的

為了更好地研究，課題組從實驗室實驗和現場實驗兩部分來綜合完成。在實驗室實驗部分，按照相關規(guī)范的規(guī)定還原實驗的現場。參照國際照明委員會（以下簡稱CIE）隧道照明規(guī)范和我國隧道照明規(guī)范的實驗設定，探討實驗室方案設定情況。

1.1 實驗原理

根據CIE隧道照明設計規(guī)范和我國公路隧道照明設計規(guī)范以及實施細則的規(guī)定，分析公路隧道行駛每一段的行駛時間可得出如下結果（隧道行車速度按照80 km/h計），見表1。

表1 隧道照明各段典型持續(xù)時間

從表1可以看出：公路隧道駕駛的過程中，對應80 km/h行駛速度下的行駛時間并不太長，時間都在1～6 s（不含長隧道的中間段）之間，考慮了其他的不同情況（如行駛車輛數目，單向還是雙向交通等）之后，研究在此將時長擴大為1～10 s。駕駛員在完全適應的情況下，明適應需要1 min，暗適應需要3～5 min。所以本研究提出非完全適應狀態(tài)的概念，非完全適應情況下駕駛員必須及時完成目標物識別、制動、駕駛場景處理等保證安全的任務。無論國外還是我國的隧道照明設計，都是從隧道的入口段照明開始的，而這一段照明又是根據接近段照明來確定的，也就是k值法，本研究就是該方法的改進。另外，既然我國規(guī)范中的亮度和各段長度是呈階梯狀的，那么各段長度的科學性有待研究，實施細則顯示我國各照明段長度根據CIE隧道照明暗適應曲線進行了曲線變折線處理，具體情況見圖1和圖2。

圖1 CIE規(guī)范對公路隧道入口段和過渡段亮度規(guī)定

圖2 2014版細則對于各照明段亮度和長度的規(guī)定

以上這兩點即是本課題的研究重點，具體說明如下：

（1）研究的起始階段是接近段到入口段，而且隧道入口段光環(huán)境狀況也是照明設計的起點，所以首先模擬隧道接近段，利用強光燈箱獲取強光（2 500 cd/m2～5 500 cd/m2），模擬20°視角內的洞外景物亮度（以下簡稱L20），然后讓佩戴眼動儀的實驗樣本適應一定的時間，該時間的長短是根據在洞外20°視角的情況下一個停車視距長度計算得出的，時間一到系統(tǒng)聯(lián)動，關閉L20的同時實驗樣本立刻轉到反應時間測試系統(tǒng)的入口段亮度（以下簡稱Lth），模擬亮度為0.5 cd/m2～200 cd/m2，與此同時視標出現，視標的尺寸按照CIE標準設計，最后從佩戴的iView-X眼動儀中觀測和記錄瞳孔的變化，通過截取時間段來看瞳孔的變化及穩(wěn)定狀況，從而得出入口段瞳孔恢復的時間，記錄反應時間的數值。在不同的L20下對應Lth得出不同的反應時間和瞳孔恢復時間，通過這兩個時間對應查找出最快的Lth，利用不同的L20和不同色溫的光源對應出相應不同的Lth，求出二者之間的關系，為入口段亮度的計算提出有別于傳統(tǒng)k值法的新方法。

（2）選取各照明段之間的適應時間范圍在1～10 s之內，采用視覺功效法，用實驗室的反應時間測量系統(tǒng)（公路隧道照明視覺功效實驗裝置），主要針對1～10 s的適應時間來做針對不同色溫LED燈具實驗樣本的視覺功效實驗。通過反應時間和瞳孔變化，利用計算機軟件和數據處理工具得出各個物理量之間的相互關系，最終得出每一段的適應時間長度，反推得出每一段合適的行駛距離。為此，改進儀器的亮度變化部分，使之更符合實際的公路隧道行駛過程。亮度變化選取JTG/T D70/2－01—2014《公路隧道照明設計細則》（以下簡稱2014細則）中的典型取值，計劃采用140 cd/m2，70 cd/m2，21 cd/m2，7 cd/m2，2.8 cd/m2，2.0 cd/m2，6.0 cd/m2，10 cd/m2。隨著研究的深入，計劃采用第一步研究中L20和Lth之間的關系找到更加合適的Lth數據。依據見表2。

表2 隧道照明各段典型亮度變化（表格來源：自繪）

1.2 實驗儀器改裝設計

1.2.1 實驗數據選取

雖然隧道照明規(guī)范對于路面亮度的規(guī)定多種多樣，但是本研究方案中將所有主要數據按照典型的隧道駕駛情況選取。研究針對我國公路隧道照明的典型情況，行駛速度選擇高速公路隧道最常用的80 km/h，L20選擇天空面積百分比為35%～50%的南洞口，取值選擇4 000 cd/m2。在雙向交通，且交通量為≥650 veh/（h·ln）的情況，k值選擇0.035。所以第一段Lth選擇為4 000×0.035＝140 cd/m2。

1.2.2 光源選取

LED和傳統(tǒng)隧道照明光源，如高壓鈉燈（HPS）、金屬鹵化物燈（MH）等光源的相關對比研究中，大部分結論都是LED不僅節(jié)能，而且高效、安全和舒適。所以本研究不再從光源的對比出發(fā)，而是直接選用多種色溫下的LED光源。

1.2.3 實驗儀器的選取

（1）采用改進后的隧道照明視覺功效測試儀器。通過有針對性的設計，解決了公路隧道照明視覺功效模擬實驗裝置中（洞內入口段）亮度不夠的問題，原先測試亮度上限僅僅可達90 cd/m2，現在可以提高到200 cd/m2左右。三種LED光源的色溫分別為2 829 K，3 814 K和5 257 K。

綜合考慮隧道照明規(guī)范的規(guī)定和現場的測試經驗，可知小目標物的尺寸為0.2 m×0.2 m（該尺寸為導致車輛在駕駛過程中傾覆的最小尺寸），在實驗中為了體現真實性和動態(tài)性，將停車視距、觀測目標、觀測方法等都進行了等比例縮小，比例為1∶20，將視標尺寸處理為0.01m×0.01m。即在80 km/h速度情況下對應100 m停車視距和0.2 m×0.2 m大小的小目標物，此時在反應時間測試儀器前根據比例換算出距離為5 m，除去小目標物在儀器內的1 m，也就是4 m，這個尺寸在實驗室按照1∶20換算完全實現了。該裝置詳見圖3和圖4。

另外根據CIE規(guī)范視標反射系數（對比度）的要求，設計漫反射表面的反射比接近1，所以在這里反射系數和對比度是一樣的，根據CIE規(guī)范選擇對比度為－0.2（公路隧道行駛采用負對比情況），根據背景亮度的不同選用合理灰度的視標。最終現場測試得出灰度220左右的理想視標。在該對比度下得到的數值為可觀測到物體的標準值。

圖3 公路隧道照明視覺功效模擬實驗裝置圖

圖4 公路隧道照明視覺功效模擬實驗裝置正立面示意圖

（2）模擬L20的燈箱。通過課題組的設計，制作了盡量接近日光光源的燈箱，包含熒光燈（基礎亮度的光源）和LED（可調節(jié)光源）在內的燈箱，控制表面亮度在2 500～5 500 cd/m2之間，色溫接近天然光，二者的對比詳見圖5和圖6。從測試數據得出，天然光的色溫為5 506～6 292 K，顯色指數接近100。而研究所使用的L20光源指標為：色溫5 758～6 879 K，顯色指數75～87?？梢钥闯錾珳睾惋@色指數已經相當接近了，但是光譜仍然存在一些不同，因為目前還沒有光譜類似天然光的人工光源。

研究采用上述燈箱獲取2 500～5 500 cd/m2的L20，為了實現這個L20表面亮度，在實驗室根據56.8°視角（考慮了眼睛的余光）來換算得出需要燈箱的面積為直徑4.32 m的圓形面積，考慮到下面部分用處不大（已經是地面以下），尺寸可以取2.16＋1.5/20＝2.24 m（上下尺寸），左右尺寸為4.32 m。詳細尺寸設計過程見圖7。

另外，根據20°視角情況下計算得出的尺寸為直徑1.41 m的圓形，同樣考慮下面部分用處不大，尺寸可以取1.41/2＋1.5/20＝0.78 m（上下尺寸），左右尺寸0.7 m。最后取1.5 m×1 m。最終的燈箱是沒有考慮余光情況下按照該尺寸來制作的。為了光線分布均勻，前面采用了均勻漫透射的膜進行覆蓋。制成后的實際情況見圖8。

圖5 L20光源的光譜圖

圖6 不同時間天然光光譜

圖7 L20燈箱尺寸設計過程

圖8 燈箱最終圖片

（3）iView-X眼動儀改進和反應時間測試儀器聯(lián)動設計和制作。首先，反應時間測試儀器，要求精確到毫秒（ms）級別，包含計時模塊、激發(fā)按鈕和反應按鈕等。其次，改進后實現在設定的等待時間之后的聯(lián)動（L20關閉的同時計時器起作用，Lth也同時起作用，而且視標同時彈出）。設定三個視標：分為左中右三種情況，對應角度－10°，0°，10°，角度選取參考了其他論文的實驗，三種情況隨機出現，設定三個小目標物的原因是避免出現長期注視同一個視標產生不客觀的“猜中”情況。詳細見圖9。

圖9 聯(lián)動系統(tǒng)最終圖片

2 實驗步驟

（1）從隧道照明視覺功效測試實驗儀器外面加一個足夠亮度的燈箱模擬L20。亮度2 500～5 500 cd/m2。分別取規(guī)范中所規(guī)定的在80 km/h時L20隨機亮度的工況。

（2）在該儀器內部（模擬隧道入口段）視覺面上調出不同色溫2 829 K，3 814 K和5 257 K左右的背景亮度Lth，如0.5 cd/m2，1.0 cd/m2，5.0 cd/m2，10 cd/m2，20 cd/m2，40 cd/m2，60 cd/m2，80 cd/m2，100 cd/m2，120 cd/m2，140 cd/m2，160 cd/m2，180 cd/m2，200 cd/m2。選擇多的亮度值是為了擴大樣本的數量，查找四個閾值，分別是可見閾值、基本安全閾值（按照交通工程學）、舒適閾值（基于瞳孔變化）和安全閾值（基于反應時間）。

（3）調節(jié)燈箱亮度，使初始亮度L20為2 500～5 500 cd/m2之間的任意值，注視初始時間之后，關掉外面燈箱的電源，使實驗樣本注視的背景亮度變?yōu)閮x器內的亮度Lth，與此同時聯(lián)動釋放視標，同時眼動儀聯(lián)動發(fā)生作用，隨后實驗樣本根據看到視標的情況利用手中的按鈕確定第一時間看到的時間（即反應時間）。通過瞳孔變化看視覺恢復時間，通過反應時間測試儀器數據來看反應時間。最終把數據記錄下來進行分析，獲得L20和Lth之間的關系，此結論可以作為公路隧道智慧照明的基礎，還可以獲得各照明段適宜的行駛距離數值。

3 小 結

科學研究成果是跟研究方案設計的針對性、科學性、嚴謹性分不開的，論文通過對課題實驗室實驗研究方案設計過程、實驗儀器和實驗步驟的詳細介紹，為在研項目的順利進行奠定了堅實基礎，也希望可為其他科學研究拋磚引玉，提供一點可供借鑒之處。

［1］王煒，過秀成.交通工程學（第二版）［M］.南京：東南大學出版社，2011

［2］CIE 88-1990.Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［S］.CIE Central Bureau

［3］CIE 88-2004.Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［S］.CIE Central Bureau

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［6］中華人民共和國交通部.JTG/T D70/2—01—2014公路隧道照明設計細則［S］

［7］謝秀穎，等.實用照明設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011

［8］崔璐璐，陳仲林，等.隧道照明光源與光源光色研究［J］.照明工程學報，2009（2）：24～29

［9］劉英嬰，張青文，胡英奎，等.LED光源色溫對隧道入口段和中間段的影響［J］.照明工程學報，2013（2）：30～34

［10］于娜，丁偉智.LED光源在隧道照明中的應用中的應用及節(jié)能分析［J］.照明工程學報，2016，27（1）：32～37

The Project Design of Road Tunnel Illum ination Research Based on Visual Performance

DU Feng1，2，WENG Ji2，ZHANG Qingwen2，CAIXianyun2
（1.Fujian University of Technology，Fuzhou Fujian，350118；2 Chongqing University，Chongqing 400044，P.R.China）

Aimed at the road tunnel illumination project based on visual performance，the paper analyzed and discussed briefly on the outline，project design，experiment procedure of the research project plan and sufficiently demonstrated the pertinence，scientificity and stringency.The paper hoped to lay the solid foundation to the research and provide reference to the other researchers tomake their own plan.

visual performance；road tunnel illumination；project plan；design standard

2015-12-10

國家自然科學基金資助項目（51278507）

杜峰，男，福建工程學院副教授，重慶大學博士研究生。