陳神飛，張 兵，李瑋晟，楊松柏，趙海天

(1.同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092；2.深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 深圳 518060)

引言

不連續(xù)布置的路燈對(duì)駕駛員視覺造成的刺激，在隧道照明、地下通道照明中表現(xiàn)為閃爍效應(yīng)，而這一現(xiàn)象在現(xiàn)有的低位照明中也很明顯[1-4]。不合理的頻閃頻率會(huì)造成駕駛員視覺疲勞[5,6]，視敏度下降[7]等視覺特征變化，也會(huì)引發(fā)駕駛員緊張、焦慮、煩躁、癲癇等身體不適[8-14],甚至引發(fā)交通事故[15,16]。

國際照明標(biāo)準(zhǔn)中, 以國際照明委員會(huì)CIE為主, 在《Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses》(CIE 88—2004)中指出“照明頻閃頻率應(yīng)該控制在小于2.5 Hz或大于15 Hz的范圍內(nèi)”[4]，閃爍頻率取決于行駛速度以及燈距，以減小超低頻閃爍帶來的影響?！豆匪淼劳L(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 026.1—1999)規(guī)定中只表明路燈的間距和車速對(duì)“頻閃”閃爍的影響。

根據(jù)BLOCH’S[17]定律，人眼能感覺到外界刺激的兩個(gè)條件是：刺激信號(hào)需要有一定的強(qiáng)度和一定的作用時(shí)間。很多標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定只是考慮“頻閃”閃爍的頻率，有效控制路燈間距和車速就可以減小“頻閃”閃爍強(qiáng)度，而完全忽略了閃光能量對(duì)頻閃閃爍強(qiáng)度的影響。北美照明工程學(xué)會(huì)IESNA[18](Illuminating Engineering Society of North America)闡明了產(chǎn)生頻閃的原因是由于路燈發(fā)光面與周邊環(huán)境之間形成明顯的亮度反差。當(dāng)反差越大時(shí)，駕駛員明暗視覺交換程度較強(qiáng)，很快導(dǎo)致視覺疲勞，疲勞程度隨時(shí)間增長；當(dāng)反差越小時(shí)，駕駛員明暗視覺交換程度較弱，達(dá)到視覺疲勞的時(shí)間延長，比如，由于白天環(huán)境亮度均衡，駕駛員視覺不易疲勞，而一旦進(jìn)入采用人工光源的隧道，或者低位照明的道路，高亮度的人工光源對(duì)人眼造成的眩光引發(fā)的強(qiáng)烈刺激與低亮度的環(huán)境對(duì)人眼造成的微弱刺激促使駕駛員明暗視覺不斷的交換。而光源刺激信號(hào)的大小實(shí)質(zhì)上就是光源能量的高低。

本文通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，模擬不同亮度的環(huán)境對(duì)人眼的刺激，檢測在不同亮度刺激下，人眼視覺疲勞程度的大小，研究關(guān)于路燈光源能量大小對(duì)人眼視覺疲勞影響。揭示了能量比率在閃爍強(qiáng)度中的主導(dǎo)地位，為道路照明設(shè)計(jì)與隧道照明設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，駕駛員不動(dòng)，模擬的路燈相對(duì)駕駛員運(yùn)動(dòng)。保證LED燈的運(yùn)動(dòng)速度不變，即閃爍的頻率不變，改變不同的亮度等級(jí)。測試者觀看同樣時(shí)間長短，不同亮度等級(jí)的運(yùn)動(dòng)的燈帶，采用閃光融合頻率計(jì)檢測出測試者每次實(shí)驗(yàn)前、后的臨界頻率值，比較不同亮度等級(jí)實(shí)驗(yàn)前、后臨界頻率的差值大小，判斷駕駛員視覺疲勞的程度。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由傳動(dòng)裝置、觀測裝置、檢測裝置組成。實(shí)現(xiàn)速度可控、亮度可控、頻率可控。

傳動(dòng)裝置由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，帶動(dòng)皮帶及LED燈勻速運(yùn)動(dòng)，通過輸入特定參數(shù)，達(dá)到速度控制，實(shí)現(xiàn)頻率可控操作；觀測裝置，為受試者實(shí)驗(yàn)時(shí)所需佩戴的鏡筒，避免測試者視野受外界干擾,如圖1所示。檢測裝置是采用閃光融合頻率計(jì)，通過檢測測試者臨界閃光融合頻率(critical flicker frequency, CFF)作為視覺疲勞的參考指標(biāo)[19-22]，圖2為實(shí)驗(yàn)場景圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒考D(a)[23]；觀測鏡筒裝置(b)Fig.1 Experimental model part drawing (a); observation tube device (b)

圖2 實(shí)驗(yàn)場景圖(測試時(shí)實(shí)驗(yàn)室其他照明設(shè)備都關(guān)閉，圖片中已打開)Fig.2 Experimental scene diagram (other lighting in the lab is turned off during the experiment, the image is already open)

1.3 實(shí)驗(yàn)光源參數(shù)指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)中各亮度等級(jí)下LED燈參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)中使用LED燈的參數(shù)[23]

1.4 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

本實(shí)驗(yàn)通過設(shè)計(jì)模擬道路照明光環(huán)境試驗(yàn)臺(tái)，測試者通過觀察前面試驗(yàn)臺(tái)上模擬的道路照明的燈光進(jìn)行道路駕駛實(shí)驗(yàn)測試，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)采用的頻閃頻率為6 Hz。

圖3 實(shí)驗(yàn)測試時(shí)相應(yīng)位置關(guān)系圖及個(gè)測試點(diǎn)實(shí)際視野圖Fig.3 Corresponding positional relationship diagram and actual test field of a test point during experimental test

實(shí)驗(yàn)一共分低、中、高三組亮度等級(jí)，每組實(shí)驗(yàn)開始前后，測試者采用最小變化法測出其臨界閃光融合頻率(CFF)值，多次測試取平均值，記為C1-1、C1-2，C2-1、C2-2，C3-1、C3-2，并計(jì)算其差值記為ΔC1： ΔC1=C1-1-C1-2；ΔC2：ΔC2=C2-1-C2-2，ΔC3：ΔC3=C3-1-C3-2，每組實(shí)驗(yàn)中途休息半小時(shí)以上。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

將實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)全部輸入到SPSS軟件中[24]，CFF平均值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖4、圖5所示。

圖4 低、中、高亮度測試前CFF值(a)和測試后CFF值(b)Fig.4 CFF value before low, medium and high brightness experiment (a) and CFF value after experiment (b)

圖5 (a)低亮度實(shí)驗(yàn)前、后CFF值；(b)中亮度實(shí)驗(yàn)前、后CFF值；(c)高亮度實(shí)驗(yàn)前、后CFF值；Fig.5 (a) CFF values before and after low brightness experiment; (b) CFF values before and after medium brightness experiment; (c)CFF values before and after high brightness experiment

許世巖等[25]針對(duì)平均年齡為24歲的群體研究表明，正常狀態(tài)下人眼雙眼CFF值測試在27～40 Hz之間，繆毅強(qiáng)[26]等通過對(duì)大量不同職業(yè)、年齡、性別的測試，得出正常人的閃光融合頻率在30～45 Hz之間。圖4為每組實(shí)驗(yàn)開始前，測試者的閃光融合頻率測試值，其范圍在30～45 Hz之間。圖5為每組實(shí)驗(yàn)，測試前后CFF值，其對(duì)應(yīng)的差值，即為測試者實(shí)驗(yàn)前后，視覺敏銳度的改變大小。

2.2 數(shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗(yàn)

ΔC1、ΔC2、ΔC3正態(tài)分布檢驗(yàn)從研究過程來分析，每個(gè)測試者最終測試的結(jié)果互相之間保持獨(dú)立，因此，需要先檢驗(yàn)ΔC1、ΔC2、ΔC3是否滿足正態(tài)分布的假設(shè)。

本文數(shù)據(jù)主要采用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)方法對(duì)總體的分布進(jìn)行檢驗(yàn)[27,28]。假設(shè)：

H0: ΔC1、ΔC2、ΔC3與正態(tài)分布沒有顯著區(qū)別;

H1: ΔC1、ΔC2、ΔC3與正態(tài)分布存在顯著區(qū)別。

檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。單樣本k-s檢驗(yàn)結(jié)果表明(ΔC1:P=0.200>0.05;ΔC2:P=0.200>0.05;ΔC3:P=0.200>0.05); 單樣本S-W檢驗(yàn)結(jié)果表明(ΔC1:P=0.943>0.05;ΔC2:P=0.130>0.05;ΔC3:P=0.502>0.05)，則拒絕H0，即符合正態(tài)分布。

表3 ΔC1、ΔC2、ΔC3正態(tài)分布檢驗(yàn)分析表

2.3 獨(dú)立樣本的差異顯著性分析

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)探索的過程中，無法預(yù)測受試者性別、實(shí)驗(yàn)測試時(shí)所坐的位置(位置不同面對(duì)燈運(yùn)動(dòng)的角度不一樣)以及實(shí)驗(yàn)過程中照明環(huán)境亮度變化是從low → high或者是從high → low對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析。性別和照明環(huán)境亮度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響采用Mann-Whitney U檢測[29-33]，實(shí)驗(yàn)位置，即角度不同對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響采用Kruskal-Wallis (K-W) 檢測[34]。

2.3.1 視覺疲勞程度與性別差異的顯著性分析

實(shí)驗(yàn)過程中，被試對(duì)象有21人，其中男性11人，女性10人，平均年齡在25歲左右為探究實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與性別不同是否存在顯著性差異，對(duì)該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，采用Shapiro-Wilk (SW) 檢驗(yàn)。

如表4所示，列出了用Mann-Whitney U方法進(jìn)行檢驗(yàn)的結(jié)果。使用檢驗(yàn)Exact方法計(jì)算出的三種測試結(jié)果的雙側(cè)顯著性水平為P=0.973、0.705、0.468均大于0.05，所以實(shí)驗(yàn)前后視覺疲勞程度與性別沒有顯著性差別。

表4 視覺疲勞程度與性別差異的顯著性分析表

2.3.2 視覺疲勞程度與實(shí)驗(yàn)亮度由low → high和high → low的顯著性分析

在實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)中，無法否定實(shí)驗(yàn)中光照強(qiáng)度變化從low→high,還是從high→low對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，有12位被試者的實(shí)驗(yàn)環(huán)境亮度由low→high,有9位被試者的實(shí)驗(yàn)環(huán)境亮度變化是high→low。如表5所示，為實(shí)驗(yàn)環(huán)境亮度變化是否對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有顯著性影響的分析。

表5 視覺疲勞程度與實(shí)驗(yàn)亮度由low → high和high → low的顯著性分析

如表5所示，列出了用Mann-Whitney U方法進(jìn)行檢驗(yàn)的結(jié)果。使用檢驗(yàn)Exact方法計(jì)算出的三種測試結(jié)果的雙側(cè)顯著性水平為P=0.508、0.554、0.247均大于0.05，所以實(shí)驗(yàn)前后視覺疲勞程度與實(shí)驗(yàn)環(huán)境亮度是從low→high,還是從high→low沒有顯著性差別。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)前后視覺疲勞程度與實(shí)驗(yàn)測試者所處位置差異顯著性分析

在實(shí)驗(yàn)的過程中，為縮短實(shí)驗(yàn)的周期，分別采取了3個(gè)不同的位置及角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以減少實(shí)驗(yàn)的偶然性。如表6所示，為實(shí)驗(yàn)過程中被測試者的測試位置不同是否對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有顯著性差異的檢驗(yàn)。

如表6所示，列出了用Mann-Whitney U方法進(jìn)行檢驗(yàn)的結(jié)果。使用檢驗(yàn)Exact方法計(jì)算出的三種測試結(jié)果的雙側(cè)顯著性水平為P=0.127、0.271、0.833均大于0.05，所以實(shí)驗(yàn)前后視覺疲勞程度與實(shí)驗(yàn)被試者所處位置沒有顯著性差異。

表6 實(shí)驗(yàn)前后視覺疲勞程度與實(shí)驗(yàn)測試者所處位置差異顯著性分析

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由以上分析可以知道實(shí)驗(yàn)結(jié)果與被試者性別、實(shí)驗(yàn)環(huán)境光照強(qiáng)度變化形式及被試者實(shí)驗(yàn)所處位置和角度沒有顯著性差異，則可以將實(shí)驗(yàn)變量進(jìn)一步簡化。表7為實(shí)驗(yàn)環(huán)境亮度等級(jí)與被試者測試前后CFF差值的數(shù)據(jù)。

表7 ΔC與實(shí)驗(yàn)光強(qiáng)度數(shù)據(jù)表

續(xù)表7

將該表的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件中進(jìn)行散點(diǎn)圖繪制，得到ΔC與L-fluctuation的散點(diǎn)分布圖，如圖6所示。由圖可以看出，隨著實(shí)驗(yàn)環(huán)境亮度的增大，ΔC也隨著增大。說明實(shí)驗(yàn)環(huán)境亮度越大，對(duì)視覺疲勞程度影響越大。

圖6 實(shí)驗(yàn)前、后CFF差值(ΔC)與實(shí)驗(yàn)LED亮度等級(jí)對(duì)數(shù)(L)的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve between CFF difference (ΔC) before and after experiment and logarithm of LED brightness level (L)

4 討論

圖6的數(shù)據(jù)反應(yīng)了臨界閃光融合頻率差值與實(shí)驗(yàn)環(huán)境亮度等級(jí)的關(guān)系。從圖中可以看出，在相同頻率下，相同時(shí)間內(nèi)，光照強(qiáng)度越大，測得的人眼閃光融合頻率越小，ΔC越大，說明對(duì)人眼視覺刺激越大，視覺疲勞程度越大。即在相同的條件下，光強(qiáng)越小，對(duì)人眼形成的刺激越小，達(dá)到視覺疲勞的時(shí)間就越長。在實(shí)驗(yàn)過程中，測試的實(shí)驗(yàn)亮度等級(jí)只有三個(gè)，低等、中等、高等三個(gè)等級(jí)的亮度差別較大，在該范圍內(nèi)，臨界閃光融合頻率差值ΔC的升高與實(shí)驗(yàn)亮度等級(jí)的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。根據(jù)Ferry-Porter定律[35，36]，臨界閃光融合頻率差值與亮度等級(jí)對(duì)數(shù)應(yīng)該滿足ΔC=klogl+c，k和c都是常數(shù)。由于實(shí)驗(yàn)過程中亮度等級(jí)次數(shù)較少，還需進(jìn)一步探索不同等級(jí)亮度對(duì)臨界閃光融合頻率的影響。

5 結(jié)論

在道路照明與隧道照明設(shè)計(jì)中，因機(jī)動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)在駕駛員的視野中形成的超低頻閃爍是無法避免的，但現(xiàn)有的許多照明標(biāo)準(zhǔn)(包括CIE在內(nèi))與設(shè)計(jì)規(guī)范中都只考慮了通過控制頻閃頻率來降低閃爍強(qiáng)度，而忽略了路燈表面本身的能量關(guān)系對(duì)閃爍強(qiáng)度的影響。

本論文主要揭示了路燈低頻閃爍的本質(zhì)是——能量比率，并且通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了降低閃爍光源表面的亮度(能量比率)大小可以有效緩解視覺疲勞，即減小路燈低頻閃爍對(duì)人眼的影響，延長駕駛員視覺疲勞的時(shí)間。對(duì)于道路照明與隧道照明設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。