衡濤，文惠，許統(tǒng)維

（1.深圳大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.深圳市建筑環(huán)境優(yōu)化設(shè)計研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060）

在道路照明中，路燈的照度及色溫值直接影響著道路照明的效果，影響著駕駛?cè)藛T對標(biāo)識牌的辨識力，間接決定了行車速度和車間距. 為了保證參與交通人員的安全，道路照明必須保證一定的照度和舒適的色溫[1-2]. 盡管國內(nèi)外學(xué)者對夜間的行車安全問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，但是，鮮有實(shí)驗(yàn)設(shè)計同時考慮照度、色溫對不同背景顏色標(biāo)識牌辨識力的影響，以及性別與道路標(biāo)識牌辨識力之間的關(guān)系[3-6].

目前國內(nèi)道路照明普遍存在照明不足和照度不均勻的現(xiàn)象，這將造成駕駛?cè)藛T的辨識力和舒適度降低，帶來交通安全隱患. 同時，廣泛應(yīng)用的LED 路燈的色溫隨意選取的現(xiàn)象也非常普遍，甚至在同一道路上出現(xiàn)色溫值懸殊的路燈，這都會對駕駛員的辨識力與舒適度造成一定的影響[6-8]. 為了保證行車安全，減少不必要的電能消耗，本文將探討在不同的照度與色溫環(huán)境下，不同背景顏色標(biāo)識牌與辨識力的關(guān)系，以及不同性別與辨識力之間的關(guān)系，確定趨于理想的道路照明條件，以期為道路的照度及色溫設(shè)計提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

照度計，型號：杭州新葉 XYI-III，產(chǎn)地：浙江杭州；色度計，杭州新葉 XYC-I，產(chǎn)地：浙江杭州.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

實(shí)驗(yàn)中道路標(biāo)識牌用不同背景顏色的國際標(biāo)準(zhǔn)視力表（后簡稱視標(biāo)）替代[9]，本次實(shí)驗(yàn)由兩部分組成：1）照度為變量，不同背景顏色視標(biāo)與辨識力之間的關(guān)系研究；2）色溫為變量，不同背景顏色視標(biāo)與辨識力之間的關(guān)系研究.

實(shí)驗(yàn)對象為在校大學(xué)生，年齡在20～22 歲，男女各12 名，無基礎(chǔ)性眼疾，裸眼或矯正視力達(dá)到 1.0～1.2 的視力水平，男女兩組的視力條件相同. 交通道路標(biāo)志配色為黃色背景黑色字體、綠色背景白色字體以及藍(lán)色背景白色字體（后文簡稱為黃底黑字、綠底白字及藍(lán)底白字）.

第一部分實(shí)驗(yàn)（不同照度條件下）：實(shí)驗(yàn)變量包括 9 組照度和 3 張不同背景顏色的視標(biāo)（采用國際標(biāo)準(zhǔn)視力表）. 照度等級依據(jù)不同的夜間行車環(huán)境及預(yù)實(shí)驗(yàn)分別選取為0.2 lx、0.5 lx、1 lx、2 lx、5 lx、10 lx、20 lx、50 lx、85 lx；色溫條件選擇日常照明中常見色溫4 500～ 5 000 K .

第二部分實(shí)驗(yàn)（不同色溫條件下）：實(shí)驗(yàn)變量包括 4 組色溫和 3 張不同背景顏色的視標(biāo)（采用國際標(biāo)準(zhǔn)視力表）. 色溫等級依據(jù)不同的夜間行車環(huán)境及預(yù)實(shí)驗(yàn)分別選取2 350 K、4 250 K、5 850 K、8150 K ；目前城市道路的限速一般為60～ 8 0 km/h ，依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，時速70 km/h 的照度值為48 lx[1,7,10-11]，實(shí)驗(yàn)中照度值取48 lx.

1.3 實(shí)驗(yàn)場景

為了排除其他光源和反射光的干擾，實(shí)驗(yàn)在地下某光學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，室內(nèi)濕度和溫度恒定，四周用黑布形成圍擋，實(shí)驗(yàn)場景如圖1 所示. 實(shí)驗(yàn)前，對每位實(shí)驗(yàn)人員在距離視力表5.0 m 處的固定位置進(jìn)行矯正視力測試，其辨識力以標(biāo)準(zhǔn)視力表的讀數(shù)為量化指標(biāo). 為了減輕光源直射對實(shí)驗(yàn)人員的影響，將光源背向?qū)嶒?yàn)者安置，并在光源和實(shí)驗(yàn)者之間設(shè)置兩個格柵（半徑分別為0.725 m 和5.0 m），以格柵中間圓形孔作為觀察口. 照度計和色度計測試點(diǎn)分別設(shè)在視力表的兩條對角線位置，測試數(shù)據(jù)并取其平均值.

圖1 實(shí)驗(yàn)場景

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

1）將視力表固定在指定位置

2）確定實(shí)驗(yàn)常量值，調(diào)節(jié)色溫為4 500～ 5 000 K （第二部分實(shí)驗(yàn)：調(diào)節(jié)照度為48 lx）.

3）調(diào)節(jié)照度到對應(yīng)的照度值（第二部分實(shí)驗(yàn)：調(diào)節(jié)色溫到對應(yīng)的色溫值）

4）將測試者安排在距離視力表5 m 外的固定位置，依照工作人員的指示依次完成辨識任務(wù)，每個視標(biāo)字母的識別時間為3 s，直到無法正確辨識，將被測人員能準(zhǔn)確辨識的最后一排視力值作為其辨識力.

5）保持原照度（色溫）變量不變，更換視標(biāo)，直到實(shí)驗(yàn)者將 3 張不同背景顏色的視標(biāo)全部辨識完畢.

6）調(diào)查測試者的舒適度情況，給出舒適度等級評價.

7）更換照度變量，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，直到9 組照度變量（4 組色溫變量）全部辨識完畢.

由于電流和燈具本身特性，整個實(shí)驗(yàn)過程中的照度和色溫值波動在±3%（控制設(shè)備誤差范圍內(nèi)）范圍內(nèi).

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

2.1 第一部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

以照度值為橫坐標(biāo)、辨識力值為縱坐標(biāo)，繪制 24 位測試者在照度變化條件下對不同背景顏色視力表的辨識力變化規(guī)律，如圖 2 所示：1）實(shí)驗(yàn)者的辨識力隨著照度的增加呈對數(shù)增長趨勢，其辨識力在30 lx 后增長趨于平穩(wěn)；2）實(shí)驗(yàn)者對 3 種背景顏色視標(biāo)的總體辨識力排序?yàn)樗{(lán)底白字＞綠底白字＞黃底黑字.

為了研究性別與舒適度之間的關(guān)系，對參與測試學(xué)生進(jìn)行了舒適度的問卷調(diào)查. 實(shí)驗(yàn)中，每位測試者做完一組照度實(shí)驗(yàn)后，都需填寫舒適度調(diào)查問卷，其中“1”代表非常不舒適；“2”代表不舒適；“3”代表一般舒適；“4”代表舒適. 舒適度統(tǒng)計見圖3：1）在照度變化范圍內(nèi)，女生的舒適度要明顯高于男生；2）在低于1 lx 和2～ 5 lx照度下，男生舒適度要高于女生；而在1～ 2 lx和高于5 lx 的下，女生的舒適度普遍高于男生；3）50 lx 后，女生的舒適度仍有增長趨勢，而男生的舒適感開始下降.

圖2 不同照度下辨識力的變化

2.2 第二部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

色溫與辨識力的關(guān)系如圖 4 所示：1）在低色溫下，測試學(xué)生對 3 種背景顏色視標(biāo)的整體辨識力相對高于中色溫（3 000～ 5 000 K ）和高色溫（ ＞ 5 000 K）；2）對于背景視標(biāo)的辨色，測試學(xué)生的辨識力排序?yàn)椋核{(lán)底白字＞綠底白字＞黃底黑字；3）在2 350～ 5 850 K 的色溫下，黃底黑字和綠底白字背景下的辨識力變化都是先降低，而后，隨著色溫的持續(xù)增高，黃底黑字背景下的辨識力開始升高，而綠底白字背景下的辨識力卻開始降低；4）藍(lán)底白字背景下的辨識力則隨著色溫的升高先升高后降低再緩慢升高，且在大部分色溫下，其辨識力要高于其他兩種背景.

圖3 不同照度下，男女舒適度的變化

圖4 不同色溫下辨識力的變化

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

3.1 第一部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

不同性別在照度變化條件下，對不同背景顏色視標(biāo)的辨識力變化規(guī)律如圖5 所示.

圖5 不同性別在照度變化條件下，對不同背景顏色視標(biāo)的辨識力

從圖 5-a 可以看出：在低于5 lx 的條件下，男生對黃底黑字、綠底白字以及藍(lán)底白字三種不同顏色背景視標(biāo)的辨識力有一定的差別，大致趨勢為：藍(lán)底白字＞綠底白字＞黃底黑字；在5 ～20 lx的下，黃底黑字背景下辨識力的增長速度明顯高于其他兩種背景，總體辨識力為綠底白字＞黃底黑字＞藍(lán)底白字；在高于50 lx 的下，3 種背景下的辨識力差值減小，大致趨勢為藍(lán)底白字＞綠底白字＞黃底黑字.

從圖5-b 可以看出：在低于5 lx 的條件下，女生對3 種背景顏色下視標(biāo)的辨識力幾乎沒有差別；而在高于5 lx 的條件下，對 3 種背景顏色視標(biāo)的辨識力變化開始出現(xiàn)較為明顯的差異，藍(lán)底白字與綠底白字背景下的辨識力呈持續(xù)增長趨勢，且藍(lán)底白字下的辨識力要略高于其他兩種背景；而黃底黑字背景下的辨識力隨照度的增加出現(xiàn)了降低的趨勢. 總體來看，隨照度增大對 3 種背景辨識力的差異性逐漸擴(kuò)大，辨識力排序?yàn)樗{(lán)底白字＞綠底白字＞黃底黑字.

對男女在黃底黑字、綠底白字及藍(lán)底白字等3 種不同背景顏色的辨識力進(jìn)行對比分析，結(jié)果見圖6.

從圖6-a 可以看出：在黃底黑字背景下，在照度小于20 lx 時，男女之間的辨識力差異性較小，多個測點(diǎn)的女生的辨識力都略強(qiáng)于男生，但在50 lx 附近男女生辨識力發(fā)生了突變，女生的辨識力明顯下降，男生的辨識力要強(qiáng)于女生. 男女生在照度大于20 lx 后的辨識力均趨于穩(wěn)定.

從圖 6-b 可以看出：在綠底白字背景下，除了在5 ～20 lx男生的辨識力高于女生，其他照度情況下男女生間的辨識力相差很小.

從圖 6-c 可以看出：在藍(lán)底白字背景下，除了在2 lx 的照度下男生的辨識力高于女生，在其他照度下，女生的辨識力始終略高于男生.

綜上，從照度影響角度研究，綠底白字背景和5 ～20 lx照度下，男生的辨識力高于女生；在藍(lán)底白字背景和大于2 lx 的照度下，女生的辨識力始終高于男生. 對整個群體辨識力排序：藍(lán)底白字＞綠底白字＞黃底黑字.

圖6 3 種背景下男女辨識力的對比

4.2 第二部分實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對比分析

不同性別在不同色溫條件下，對不同背景顏色視標(biāo)的辨識力變化規(guī)律如圖7 所示.

圖7 不同性別在色溫變化條件下，對不同背景顏色視標(biāo)的辨識力

從圖 7-a 可以看出：在色溫變化范圍內(nèi)，男生在黃底黑字及綠底白字兩種背景下的辨識力變化幅度較大，且始終低于藍(lán)底白字背景下的辨識力. 隨著色溫的增加，藍(lán)底白字背景下的辨識力較為穩(wěn)定，在4 250 K 達(dá)到最高值后逐漸降低；黃底黑字背景下的辨識力先處于穩(wěn)定狀態(tài)后緩慢降低再迅速增高；綠底白字背景下的辨識力則先迅速降低后緩慢增高再迅速降低，穩(wěn)定性最差. 總體辨識力：藍(lán)底白字＞黃底黑字＞綠底白字.

從圖7-b 可以看出：女生在綠底白字背景下的辨識力隨著色溫的增加而逐漸降低，但始終高于其他兩種背景下的辨識力；黃底黑字背景下的辨識力先迅速降低后緩慢增加再緩慢降低；藍(lán)底白字背景下的辨識力則是先維持不變后降低再增高，但整體變化較穩(wěn)定. 總體辨識力：綠底白字＞黃底黑字＞藍(lán)底白字.

對男女不同背景顏色視標(biāo)的辨識力進(jìn)行對比分析，結(jié)果見圖8.

圖8 不同色溫時，男女對3 種不同背景視標(biāo)辨識力的對比

從圖 8-a 可以看出：在黃底黑字背景下，隨著色溫的增加，男生的辨識力先迅速降低，后緩慢增加再緩慢降低，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)；而女生的辨識力先處于穩(wěn)定狀態(tài)，后緩慢降低再迅速增高. 總體看來，男生在低色溫下有最高辨識力，在高色溫下辨識力變化較穩(wěn)定；而女生則是在高色溫下有最高辨識力，在低色溫下辨識力變化較穩(wěn)定.

從圖8-b 可以看出：在綠底白字背景下，女生的辨識力隨著色溫的增加而持續(xù)降低，但始終高于同等條件下男生的辨識力；男生辨識力的變化趨勢則隨著色溫的增加先降低后升高再降低.

從圖 8-c 可以看出：在藍(lán)底白字條件下，男生的辨識力要明顯高于女生；變化趨勢上看，男生的辨識力是先增加后減少，而女生是先不變再下降后上升，且在5 850 K 處有最低值.

綜上，相同的照度條件，黃底黑字背景下，男生辨識力隨著色溫的增加越來越穩(wěn)定，且在最低色溫處有最佳辨識力，而女生辨識力隨著色溫的增加越來越不穩(wěn)定，且在最高色溫處有最佳辨識力；綠底白字背景下女生的辨識力要明顯高于男生且變化較穩(wěn)定；藍(lán)底白字背景下男生的辨識力則明顯高于女生的辨識力.

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）從舒適度角度研究，20 lx 是一個臨界點(diǎn). 在20 lx 前辨識力與舒適感隨著照度的增加急劇增長，而在20 lx 之后增長緩慢，女生的舒適度普遍高于男生；2）從照度影響角度研究，對整個群體，照度低于30 lx 時，辨識力會隨著照度增加急劇增大，當(dāng)照度超過30 lx 時，辨識力變化非常平緩，甚至有減小現(xiàn)象，辨識力排序：藍(lán)底白字＞綠底白字＞黃底黑字；3）從色溫影響角度研究，藍(lán)底白字背景下男生辨識力高于女生，在綠底白字背景下女生辨識力高于男生，且在黃底黑字背景下男生在最低色溫區(qū)域有最佳辨識力，而女生在最高色溫區(qū)域有最佳辨識力，對整個群體辨識力來講，低色溫的辨識力高于高色溫的辨識率.

機(jī)動車在行駛過程中，車燈光線會直接照射在路邊標(biāo)識牌的表面，原本只有路燈照射的標(biāo)識牌表面的照度及色溫都會發(fā)生改變，不同型號車燈的照度及色溫都不一樣，故這種變化是不可控的. 在光環(huán)境比較復(fù)雜的情況下，照度、色溫和路標(biāo)色彩三種因素的搭配決定了駕駛員的舒適感和辨識力，因此選擇一種較高辨識力的照明方式尤為重要. 在滿足道路照明規(guī)范、保證安全駕駛辨識力的條件下，從節(jié)能和舒適度考慮，道路路燈可以采用如下優(yōu)化方案：照度控制在30～ 40 lx、色溫控制在3 000～ 4 500 K 、道路標(biāo)識牌色彩搭配為藍(lán)底白字.