崔洪軍 由婷婷 李 霞 朱敏清 閆 寒

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院 天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院 天津 300401)

0 引 言

我國隧道照明控制模式單一，主要分為時序控制為主和人工控制為輔，多數(shù)隧道白天采用“全天候一個亮度級”的照明方式，夜晚采用長明燈式的基本照明方式。入口段作為公路隧道事故多發(fā)區(qū)[1]，固定亮度級不利于駕駛員行車安全舒適性，同時限制了隧道智能調(diào)光控制技術(shù)的發(fā)展，增加了隧道運營能耗。

JTG/T D70/2—01—2014《公路隧道照明設(shè)計細則》規(guī)定隧道照明應(yīng)采用調(diào)光控制技術(shù)，而實際運營中，入口段亮度取值采用k值法[2]。目前，世界道路協(xié)會、CIE、歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會等學(xué)術(shù)團體均采用定值亮度折減系數(shù)作為入口段亮度條件設(shè)計依據(jù)[3-6]，但洞外亮度變化具有瞬時性，受天氣、時間等因素影響，亮度值變化較快、較大，定值亮度折減系數(shù)計算入口段亮度不能滿足行車安全舒適性和動態(tài)調(diào)光的要求。

國內(nèi)外學(xué)者從行車安全舒適性、照明參數(shù)等方面對隧道入口段照明做了大量研究，Qing Li等[7]提出一種隧道亮度實時調(diào)節(jié)的智能控制方法，根據(jù)隧道洞外亮度、車速及車流量變化計算隧道內(nèi)部亮度需求；He Shiyong等[8]研究了不同墻壁材料下駕駛員視覺參數(shù)的變化，提出在隧道入口段使用遮光板以滿足節(jié)能和安全需求；L.T?hk?m?等[9]從安全性出發(fā)，通過室內(nèi)試驗測量受試者反應(yīng)時間，證明了隧道照明區(qū)域間亮度應(yīng)逐漸降低。胡江碧等[10]提出了基于駕駛安全視認(rèn)的隧道入口段亮度評價方法，得到不同設(shè)計速度下滿足駕駛視認(rèn)的亮度折減系數(shù)值；劉瑩嬰等[11]將對目標(biāo)物的察覺反應(yīng)時間作為評價隧道照明效果的指標(biāo)，驗證了在公路隧道入口段采用高色溫、光譜分布偏向藍綠光的LED光源照明時，駕駛員反應(yīng)時間最短；胡英奎等以駕駛員不發(fā)生視覺障礙的最大瞳孔面積變化臨界速率為約束條件，建立了行車速度為80 km/h時隧道入口段亮度計算模型[12]。

綜上所述，關(guān)于隧道入口段照明研究主要集中于從駕駛員視覺角度出發(fā)，選取不同視覺參數(shù)評價隧道照明質(zhì)量，但多數(shù)選取單一參數(shù)對小型車進行研究，缺乏LED光源下駕駛員安全舒適性的定量評價；另一方面，室內(nèi)靜態(tài)試驗約束了結(jié)果的可靠性，尚無一定運行速度下隧道入口段照明動態(tài)閾值研究。

1 高速公路隧道實車試驗設(shè)計

1.1 試驗人員與車輛選擇

本次試驗共36人參與，其中隧道內(nèi)調(diào)研人員22名，負責(zé)調(diào)查隧道內(nèi)亮度數(shù)據(jù)、車流量及車速情況?？紤]到不同駕齡的駕駛員駕駛技術(shù)不同，隧道照明設(shè)計要依據(jù)最不利原則才能保證所有駕駛員的安全，為增強樣本的代表性，選取14名不同駕齡駕駛員佩戴眼動儀進行人眼視覺特性的測量，其中7名專業(yè)司機，7名私人駕駛員，8名駕駛員駕駛小型車進行試驗，6名駕駛員駕駛大型車進行試驗。所有的駕駛員均為男性，視力情況良好，駕駛技術(shù)均嫻熟，無生理缺陷和交通事故經(jīng)歷，試驗前對路段隧道具體情況均不了解，基本剔除了其他因素對駕駛員的影響。駕駛員基本信息見表1。

表1 駕駛員基本信息Tab.1 Driver basic information

通過統(tǒng)計調(diào)查分析隧道內(nèi)不同車型的交通量，可以看出張承高速小汽車和大貨車占比較大，因此，主要以小汽車和大貨車為代表進行分析，試驗車型選擇小汽車和大貨車為代表。車流量統(tǒng)計情況見圖1。

選取何種車輛是保證試驗安全順利進行的關(guān)鍵，最終在小汽車車型上選擇長安福特公司生產(chǎn)的蒙迪歐轎車，該車車載點煙器配合眼動儀電流輸出較為穩(wěn)定，且該車動力較強，便于試驗車輛在隧道養(yǎng)護人員掉頭處掉頭，保證較短時間段內(nèi)在隧道進行多次重復(fù)試驗，解決了外界亮度變化大造成的數(shù)據(jù)測量范圍小的問題。由于外界亮度變化較大，大型車測量周期不易保證，調(diào)查時在收費站隨機抽取滿足試驗條件的大貨車，同時在實驗前對大貨車司機基本情況進行詳細調(diào)研。圖2為被試大貨車。

Dikalis眼動研究系統(tǒng)是德國Ergoneers最新科技研制的高精度、低侵入性的高端眼動儀。鑒于其體積小巧、重量較輕，對駕駛員的影響很小的特點，選取其測量駕駛員視覺特性，同一種車型，由于司機不同對視高的影響,絕大部分在5～10 cm范圍內(nèi)變動，少數(shù)司機的視高之差達10～20 cm[13]，所以同種車型駕駛員眼睛高度對結(jié)果影響忽略不計。駕駛員佩戴效果見圖3。

圖1 車流量統(tǒng)計圖Fig.1 Vehicle flow statistics graph

圖2 試驗車輛Fig.2 Test vehicles

圖3 駕駛員佩戴眼動儀Fig.3 The driver wears the eye tracker

1.2 試驗路段與照明設(shè)施

JTG D70—2004《公路隧道養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》按照長度將隧道分為4類[14]，為確保試驗的代表性和準(zhǔn)確性，選取承德到張家口高速公路黃土梁1號隧道、老龍灣隧道、小營隧道及小三岔口隧道于2016年10月26-29日，2017年5月22-26日開展試驗，調(diào)查日天氣晴朗，4條隧道均為分離式隧道，車道形式為單向雙車道，各隧道線形、路面條件及亮度設(shè)施完好，均采用色溫5 000 K、顯色指數(shù)70的LED光源，4條隧道照明系統(tǒng)分為白天開啟加強照明和基本照明，夜間開啟基本照明。具體隧道參數(shù)見表2。

表2 隧道基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of tunnel

1.3 試驗流程

綜合考慮實際情況，并結(jié)合現(xiàn)有試驗設(shè)備情況，決定采用實車試驗方法進行調(diào)查，試驗流程如圖4、圖5所示。

1.3.1 隧道內(nèi)試驗流程

隧道內(nèi)測量人員試驗流程見圖4。

圖4 隧道內(nèi)測量人員試驗流程圖Fig.4 Test flow chart of the surveyor in the tunnel

1.3.2 隧道外試驗流程

駕駛員視覺特性試驗流程見圖5。

圖5 隧道外測量人員試驗流程圖Fig.5 Test flow chart of the surveyor outside the tunnel

1.4 數(shù)據(jù)采集

通過隧道機電人員調(diào)節(jié)亮度級別采集駕駛員視覺數(shù)據(jù)，調(diào)光級別依次為10%，20%，…，100%。

試驗中駕駛員佩戴Dikalis高端眼動儀，配置有2個攝像頭：Eye-camera和Field-camera分別對眼動及場景進行捕捉和錄制，數(shù)據(jù)記錄在D-Lab分析軟件中，隧道內(nèi)測量人員在隧道洞口處隨機擺放20 cm×20 cm×20 cm的目標(biāo)障礙物，反射系數(shù)為0.2，由D-Lab軟件Data Analysis板塊中AOI Management功能捕捉障礙物區(qū)域，得到障礙物區(qū)域內(nèi)注視時間。

駕駛的機動車上裝有非接觸式的VBOX數(shù)據(jù)采集盒，實時記錄車速變化及行駛距離；隧道內(nèi)測量人員使用GM1020數(shù)字式照度計測量隧道內(nèi)亮度并記錄于LuxLab軟件中。

2 隧道入口段照明動態(tài)閾值研究

“按需照明”和“車來燈亮、車走燈滅”是隧道中理想、科學(xué)、節(jié)能的照明方式，其保證了駕駛員通過隧道時的安全舒適性，同時利于隧道節(jié)約電能。張承高速承德段隧道照明忽略了洞外亮度變化下的洞內(nèi)外亮度差異，同時限制了隧道智能調(diào)光控制技術(shù)的發(fā)展，帶來了很大的安全隱患，增加了隧道運營能耗。

筆者擬通過上述試驗數(shù)據(jù)，分析不同亮度折減系數(shù)下瞳孔面積變化率及反應(yīng)時間變化規(guī)律，結(jié)合被試車輛運行速度，在滿足行車安全舒適性的基礎(chǔ)上，通過回歸分析建立瞳孔面積變化率-區(qū)間車速-亮度折減系數(shù)模型和反應(yīng)時間-瞬時車速-亮度折減系數(shù)模型，計算公路隧道入口段亮度折減系數(shù)區(qū)間，實現(xiàn)科學(xué)、安全、舒適的隧道照明環(huán)境。

剔除其他受非隧道照明條件影響駕駛?cè)艘曈X參數(shù)的樣本量，最終對30組(小車22組、大車8組)試驗樣本進行分析。

2.1 視覺參數(shù)回歸模型的建立

2.1.1 瞳孔面積變化率-區(qū)間車速-亮度折減系數(shù)模型

通過眼動儀適配軟件D-Lab對駕駛員瞳孔面積進行統(tǒng)計分析，根據(jù)車輛經(jīng)過時間，結(jié)合該時刻洞內(nèi)外亮度，得到大車、小車駕駛員通過隧道入口段的瞳孔面積和照度關(guān)系見圖6，圖中橫坐標(biāo)70處為隧道洞口斷面，由圖6可見，小車、大車駕駛員在進入隧道時瞳孔面積產(chǎn)生突變，瞳孔通過增大或減小適應(yīng)亮度的變化，瞳孔面積的變化反映了駕駛員行車過程中生理/心理狀態(tài)，因此，采用瞳孔面積變化率評價駕駛員行車舒適性[15]。

圖6 各車型駕駛員視覺特性Fig.6 Visual characteristics of each type of driver

分析試驗數(shù)據(jù)得出小車、大車駕駛員瞳孔面積變化率與亮度之間的關(guān)系，如圖7所示，圖中橫坐標(biāo)70為隧道洞口斷面。

圖7 駕駛員在隧道入口段的瞳孔面積變化規(guī)律Fig.7 The change of pupil area at the entrance of tunnel

依據(jù)JTG—T—D702—01—2014《公路隧道照明設(shè)計細則》[2]，計算隧道接近段及入口段距離內(nèi)的區(qū)間車速v，對瞳孔面積變化率與車輛區(qū)間速度、亮度折減系數(shù)進行回歸分析，如圖8～9所示，回歸模型判定系數(shù)分別為0.934和0.948，可知瞳孔面積變化率與區(qū)間速度具有正相關(guān)關(guān)系，與亮度折減系數(shù)存在負相關(guān)關(guān)系。

圖8 瞳孔面積變化率與區(qū)間速度關(guān)系Fig.8 Relationship between changing rate of pupil and vehicle interval speed

圖9 瞳孔面積變化率與亮度折減系數(shù)關(guān)系Fig.9 Relationship between changing rate of pupil and luminance reduction coefficient

根據(jù)車輛在接近段的速度變化規(guī)律，將接近段分為5段，統(tǒng)計接近段車輛的平均速度，求得大車速度波動平均值為1.92 km/h，低于小車平均值2.08 km/h，說明大車速度波動較小，加速度平穩(wěn)。結(jié)合大車、小車駕駛員通過隧道時的瞳孔面積變化率、瞬時速度，得出小車駕駛員在通過隧道時行車狀況不穩(wěn)定，根據(jù)最不利原則，對小車駕駛員視覺特性進行分析。

根據(jù)上述分析，利用Matlab對樣本數(shù)據(jù)中U，k及v進行曲線擬合，其關(guān)系見圖10。

圖10 U、k、v擬合關(guān)系圖Fig.10 Fitting graph of U，k and v

圖中z軸為瞳孔面積變化率，x軸為車輛區(qū)間速度，y軸為亮度折減系數(shù)，得到其關(guān)系式，見式(1)。

U=-2.86+0.051 06v+276.8k-

0.000 209 6v2-4.673vk-1 783k2+

0.020 1v2k+13.73vk2+4 121k3

(1)

式中：U為瞳孔面積變化率，%；v為車輛區(qū)間速度，km/h；k為測得亮度折減系數(shù)。

式(1)判定系數(shù)R2=0.946，說明模型可靠性高。設(shè)Uc為滿足駕駛員舒適性的臨界值，當(dāng)|U|≤Uc可求得滿足駕駛員舒適性的亮度折減系數(shù)區(qū)間。

2.1.2 反應(yīng)時間-瞬時車速-亮度折減系數(shù)模型

駕駛員的反應(yīng)時間從根本上影響停車視距，在事故易發(fā)的隧道入口段，反應(yīng)時間長短直接關(guān)系到行車安全，本文選取反應(yīng)時間表征行車安全性。

JTG D 20—2006《公路路線設(shè)計規(guī)范》[16]中規(guī)定了停車視距的計算方法，見式(2)。

(2)

式中：t0為反應(yīng)時間，s；vt為設(shè)計速度，km/h，當(dāng)設(shè)計速度為100 km/h時，計算值取其85%，當(dāng)設(shè)計速度為60 km/h時，計算值取其90%；φ為輪胎與道路的摩擦系數(shù)，由中國氣象網(wǎng)查詢知承德年平均降雨量為380 mm，路面為濕潤路面，可由表3查到[17]；i為隧道道路縱坡，%；g為重力加速度，9.8 m/s2。

反應(yīng)時間是指駕駛員發(fā)現(xiàn)障礙物后，進行判斷直至采取制動措施生效的時間[18]，見式(3)。圖11為眼動儀場景視頻中隧道內(nèi)人員放置目標(biāo)障礙物，駕駛員穿過隧道截圖。

t0=tf+tm

(3)

式中：tf為注視時間，s，為駕駛員注視障礙物區(qū)域未采取制動措施的時間；tm為駕駛員操作時間，s，指某時刻駕駛員發(fā)現(xiàn)障礙物后腳離開加速踏板移動到制動踏板所用的時間，駕駛員腳離開加速踏板后，車輛加速度變化較慢，當(dāng)采取制動措施后，車輛加速度變化較快，通過區(qū)分不同斜率得到駕駛員踏板更換時間，由數(shù)據(jù)采集盒配套軟件Toolboxs分析得到，見表3時間一欄中差值為某次試驗踏板更換時間。

圖11 眼動儀場景視頻Fig.11 Scene video of Field-camera

開始值結(jié)束值差值時間/s2 463.2162 463.3780.162速度/(km/h)79.35077.740-1.610距離/m23 379.80923 384.1814.372

通過對數(shù)據(jù)分析可得，當(dāng)大、小車亮度條件、車速一致時，由于大車視距高、視野好，大車發(fā)現(xiàn)障礙物時間較早，因此選取小車為不利樣本建立反應(yīng)時間的模型。當(dāng)vt一定時，亮度折減系數(shù)k越大，注視時間越短，制動時間越短，反應(yīng)時間也越短，這是由于亮度條件好，駕駛員較早看清障礙物進而采取制動措施，通過數(shù)據(jù)擬合可看出兩者呈負相關(guān)關(guān)系，見圖12；擬合分析車輛運行車速與反應(yīng)時間，見圖13，駕駛員在隧道接近段會習(xí)慣性減速并集中注意力，在此過程中車速對注視時間影響較小，其判定系數(shù)R2=0.314，說明車輛速度對反應(yīng)時間影響不顯著；由細則可知入口段亮度取值采用k值法，式(4)所示為入口段1計算方法，亮度折減系數(shù)k反映了洞內(nèi)外亮度差異，由此可知k的變化與速度無關(guān)。

(4)

式中：Lth1為口段亮度，cd/m2；L20(S)為洞外亮度，cd/m2。

圖12 反應(yīng)時間與亮度折減系數(shù)的關(guān)系Fig.12 Relationship between luminance reduction coefficient and reaction time

圖13 反應(yīng)時間與車輛速度的關(guān)系Fig.13 Relationship between vehicle′s speed and reaction time

基于上述分析，利用Matlab軟件Curve Fitting Tool對樣本數(shù)據(jù)中t0，k進行曲線擬合，得到其實測值與預(yù)測值關(guān)系見圖14。

圖14 t0和k擬合關(guān)系圖Fig.14 Fitting graph of t0 and k

得到其關(guān)系式，見式(5)。

t0=-3 443k3+668.1k2-58.76k+4.044

(5)

式中：k為亮度折減系數(shù)。

式(5)判定系數(shù)R2=0.967，說明模型可靠性較高。依據(jù)JTG1T D70 2—01—2014《公路隧道照明設(shè)計細則》可得隧道照明安全停車視距Ds值[2]，根據(jù)隧道照明設(shè)計速度計算反應(yīng)時間t0，代入式(5)，得到滿足駕駛員安全行車條件的亮度折減系數(shù)k值區(qū)間。

2.2 隧道入口段照明動態(tài)閾值計算

以小三岔口隧道為例對亮度折減系數(shù)區(qū)間進行分析，查表2，將照明設(shè)計速度vt=100 km/h代入式(1)，根據(jù)已有研究成果[19]，取Uc=20%，可得滿足駕駛員舒適性指標(biāo)的亮度折減系數(shù)區(qū)間[0.033,0.050]；小三岔口隧道照明安全停車視距為Ds=164 m，查文獻[14]中的表A.2.2知φ=0.30[14]，因此，反應(yīng)時間t0≥2.748 s，可求出該隧道亮度折減系數(shù)為k≥0.031。

最終求得的隧道入口段亮度折減系數(shù)區(qū)間為[0.033,0.050]，計算結(jié)果充分考慮了不同洞外亮度下駕駛員安全舒適性，為隧道照明控制部門實時調(diào)光提供了理論依據(jù)。

3 實例節(jié)能分析

以小三岔口隧道為例計算，其燈具布設(shè)方案見表3。

根據(jù)照度的定義可以求出燈具功率與照度的關(guān)系，見式(6)。

(6)

式中：E為計算區(qū)域內(nèi)的照度值，lx；K(λ)為燈具光視效能，lm/W；P為燈具功率，W；S為計算區(qū)域內(nèi)面積，m2；Φ為燈具額定光通量，lm。

由于照度與亮度成線形關(guān)系，燈具種類、間距均不變，據(jù)此就可以計算燈具功率與亮度的關(guān)系。

表3 小三岔口燈具布設(shè)方案Tab.3 Lamps layout scheme of XiaoSanChaKou tunnel

以半幅為代表可以計算之前能耗為24 h內(nèi)總耗電量，見式(7)。

(7)

式中：Pi為i種燈具的功率，W；Ni為第i種燈的數(shù)量，h為工作時間，h；C為燈具功率比例系數(shù)，表示當(dāng)前照明亮度級燈具發(fā)光功率占總功率的比例。

將亮度折減系數(shù)以等差數(shù)列(步長為0.001)分為i組，則調(diào)光等級組數(shù)，見式(8)。

(8)

將亮度分為j組，則其步長，見式(9)。

(9)

式中：Lmin，Lmax為隧道最小、最大洞外亮度，cd/m2。

由2.2已知隧道入口段亮度折減系數(shù)區(qū)間為[0.033,0.050]，小三岔口隧道調(diào)查日最大洞外亮度為4 314 cd/m2，最小為386 cd/m2，由式(7)、式(8)得出調(diào)光等級為18組，洞外亮度步長為231 cd/m2，對應(yīng)亮度區(qū)間及調(diào)光等級分別為：{[386,610]，0.033}，{[610,841]，0.034}，…，{[4 083,4 314]，0.050}。

小三岔口隧道24 h內(nèi)折合成小型車車流量情況見圖16。

圖15 小三岔口隧道車流量Fig.15 Traffic volume of XiaoSanChaKou tunnel

基于此就可以對實時調(diào)光后的總耗電量進行計算，由于車輛經(jīng)過時，照明燈具依次開啟，計算量較大，因此假設(shè)車輛通過時隧道燈處于開啟狀態(tài)，這樣計算結(jié)果比實時調(diào)光模式計算結(jié)果大，同樣符合要求，通過車流經(jīng)過隧道時間可得隧道內(nèi)LED燈具調(diào)節(jié)到最低亮度的時間，見圖17。

圖16 燈具最低亮度開啟累積時間Fig.16 Lamps minimum brightness turn-oncumulative time

可以求出加強照明最低亮度開啟累積時間為T加強=3.1 h，基本照明最低亮度開啟累積時間為T基本=7.68 h。

最終可得實時調(diào)光后的總耗電量，見式(10)。

(10)

實時調(diào)光方案在保證駕駛員行車安全舒適性的前提下，保守計算日24 h半幅隧道節(jié)約了約20%的電能。

4 結(jié)束語

1) 通過分析不同車型駕駛員進入隧道過程中瞳孔面積變化率、反應(yīng)時間與亮度折減系數(shù)、車速之間定量關(guān)系，以小型車為樣本，分別建立基于駕駛員安全性、舒適性的回歸模型，進而通過約束條件求解亮度折減系數(shù)區(qū)間。

2) 以小三岔口隧道為例，求得隧道入口段亮度折減系數(shù)區(qū)間為[0.033,0.050]，對調(diào)光方案進行了節(jié)能計算，方案實施后預(yù)計隧道半幅在24 h內(nèi)約節(jié)能20%。模型在滿足駕駛員安全舒適性的同時有效減小了隧道照明能耗。

3) 以瞳孔面積變化率和反應(yīng)時間作為行車安全舒適性指標(biāo)能較好地評價隧道入口段照明質(zhì)量，研究成果為隧道調(diào)光控制技術(shù)提供了參考。

4) 隧道行車安全舒適性與隧道照明環(huán)境關(guān)聯(lián)性較強，但隧道線形、洞口形式等外因以及駕駛員生理、心理等內(nèi)因也對研究產(chǎn)生影響，未來應(yīng)在進行大數(shù)據(jù)的測量基礎(chǔ)上研究建立一套完善的隧道行車安全舒適性評價體系，進一步建立適合各種隧道特性的調(diào)光模型。