摘要 隨著交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展模式由追求速度規(guī)模向更加注重質(zhì)量效益轉(zhuǎn)變，精細(xì)化、因地制宜地設(shè)定隧道照明環(huán)境需求日益增多．隧道照明系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)以保證駕駛員行車的安全性與舒適度為前提，因此需要對隧道照明如何影響駕駛員隧道行車的安全性與舒適度進(jìn)行量化評估．基于隧道照明理論和駕駛員行車基礎(chǔ)研究，選取影響駕駛員安全性與舒適度的8項指標(biāo)，建立駕駛員安全性與舒適度評價體系，并通過隧道駕駛仿真環(huán)境與硬件設(shè)施實現(xiàn)室內(nèi)仿真研究：基于UC-win/Road軟件建立隧道虛擬仿真模型，通過駕駛模擬器和生理儀器獲取8項指標(biāo)對應(yīng)的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，評估不同照明亮度與色溫環(huán)境下的隧道安全性與舒適度．以駕駛員的行車安全及舒適評價值最優(yōu)為目的，得出隧道內(nèi)亮度和色溫的最佳設(shè)定值．實驗結(jié)果驗證了駕駛員行車安全與舒適度評價體系的有效性，提出了改進(jìn)的照明方案，為隧道運(yùn)營方提供參考． 關(guān)鍵詞 隧道照明;駕駛模擬;虛擬仿真;行車安全;舒適度;評價模型

中圖分類號 U492.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

收稿日期 2023-07-29

資助項目 廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計劃 （2022B0 101070001）

作者簡介

胡明偉，男，博士，教授，主要研究方向為智慧交通、智慧城軌、復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真．humw@szu.edu.cn

1 深圳大學(xué) 極端環(huán)境巖土和隧道工程智能建養(yǎng)全國重點(diǎn)實驗室，深圳，518060

2 深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，深圳，518060

3 濱海城市韌性基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點(diǎn)實驗室（深圳大學(xué)），深圳，518060

4 深圳大學(xué) 未來地下城市研究院，深圳，518060

5 廣東省隧道工程安全與應(yīng)急保障技術(shù)及裝備企業(yè)重點(diǎn)實驗室，廣州，510550

6 廣東華路交通科技有限公司，廣州，510420

0 引言

隨著交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，我國道路隧道的建設(shè)和發(fā)展不斷加快．2022年，全國公路隧道24 850處、2 678.43萬延米.其中：特長隧道1 752處、795.11萬延米，與2021年相比，增長率分別為9.6%和10.9%;長隧道6 715處、1 172.82萬延米，與2021年相比，增長率分別為8.1%和8.2%^［1-2］．隧道在結(jié)構(gòu)上與一般城市道路有顯著區(qū)別，其車道狹窄、光線不足等特點(diǎn)加大了駕駛員行車過程中獲取環(huán)境信息的難度，而適宜的燈光環(huán)境是保障行車安全的必要條件．交通運(yùn)輸部發(fā)布的《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014）^［3］規(guī)定超過100 m的公路隧道需要設(shè)置人工照明．

盡管國內(nèi)外隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)給出了隧道照明亮度的建議值及推薦的計算方法，但隧道照明系統(tǒng)的設(shè)計受到現(xiàn)實環(huán)境多方面因素的影響和制約，促使學(xué)者針對特定情境或特定區(qū)段的隧道照明效益進(jìn)行研究．Adrian^［4］提出了等效光幕概念，量化駕駛員在隧道口附近路段降低的視覺功效，通過分析和計算得到接近隧道時的實際適應(yīng)亮度;Zhang等^［5］利用DIALux模擬軟件，分析了隧道入口內(nèi)外不同季節(jié)和氣候條件下的自然光照強(qiáng)度以及隧道入口處光照條件隨距離的變化，優(yōu)化了公路隧道入口處的照明環(huán)境;杜峰等^［6］通過視覺功效法實驗，得到了隧洞入口段燈光安全閾值，以及與環(huán)境色溫的關(guān)聯(lián)性;賀占躍等^［7］通過對實際洞外亮度變化的分析，得到了最優(yōu)的調(diào)光方法優(yōu)化公路隧道入口段照明;Liao等^［8］提出一種帶有自由表面二次透鏡的LED對光束產(chǎn)生目標(biāo)反向光束以提高公路隧道表面亮度的方法，進(jìn)而提升隧道的安全性和能效．

隧道人工照明系統(tǒng)首先要保證駕駛員行車安全性與舒適度，現(xiàn)有研究主要分析駕駛員生理數(shù)據(jù)與行車安全及舒適度之間的關(guān)聯(lián)性，如：Luo等^［9］首先分析了駕駛者屬性對駕駛安全的影響，隨后運(yùn)用模糊理論分析影響駕駛安全的三個主要因素;Wang等^［10］收集了不同生理特征的乘客的車輛運(yùn)動參數(shù)和駕駛舒適度主觀評價，確定了影響乘客舒適性評價的因素;宋建忠^［11］分析了影響駕駛員行車安全的駕駛性格、集中度等的心理因素，并指出行車過程中心理因素與生理因素相互影響并互相作用，共同影響駕駛員的行車安全;羅杰等^［12］通過駕駛員心率變異性分析光環(huán)境負(fù)荷程度，得到不同種類光學(xué)隧道中駕駛員的心理差異性;何世永等^[13]和梁波等^［14］通過隧道照明設(shè)置、隧道內(nèi)外部環(huán)境、駕駛員的反應(yīng)時間、生理負(fù)荷、視覺功效等，多角度研究了隧道內(nèi)的安全駕駛問題．

已有研究大多集中于隧道出入口段照明亮度對駕駛員的影響，而對于中間段照明的研究較少．實驗方式方面，通常以建成的實際隧道作為研究對象開展照明質(zhì)量分析研究，照明系統(tǒng)變量的可調(diào)節(jié)性有限;評估模式方面，大多是對駕駛安全性或舒適度中的某一項或某一類指標(biāo)進(jìn)行分析研究，鮮有對駕駛安全性和舒適度的綜合評價．本文基于現(xiàn)有隧道照明理論和駕駛員行車基礎(chǔ)研究，建立城市隧道照明仿真模型，把隧道照明亮度、照明色溫作為隧道照明系統(tǒng)模型變量，將駕駛員駕駛行為指標(biāo)、生理指標(biāo)、視覺指標(biāo)作為評價駕駛安全舒適性的指標(biāo)，并基于仿真環(huán)境開展室內(nèi)駕駛模擬實驗，全面系統(tǒng)地研究隧道中間段照明對駕駛員隧道行車的影響．

研究框架如圖1所示．

1 隧道照明理論和駕駛員行車基礎(chǔ)研究

1.1 隧道照明理論

1.1.1 隧道照明系統(tǒng)光環(huán)境

光的度量指標(biāo)主要包括發(fā)光強(qiáng)度、亮度、色溫等．發(fā)光強(qiáng)度表示光源在固定方向上單位立體角內(nèi)的光通量.亮度表示人眼感受到物體表面的明亮程度，用字母L表示，單位是cd/m²．亮度的定義如下：

L=dIcos θdA.

其中：I為光強(qiáng);cos θdA表示發(fā)光面的投影面積．色溫用熱力學(xué)溫度表示.黑體在不斷加熱過程中會逐漸由紅變?yōu)槌?、黃、白，最后發(fā)出藍(lán)白光，色溫關(guān)系如圖2所示．

隧道照明色溫對駕駛員視覺有較大影響．當(dāng)色溫在3 000 K以下時，顯示的顏色為橙紅色、黃色;當(dāng)色溫在3 000～5 500 K之間時，呈現(xiàn)顏色為白光;當(dāng)色溫在5 500 K以上時稱為冷光，此時呈現(xiàn)的顏色為藍(lán)白光．

1.1.2 隧道照明區(qū)段劃分

考慮到隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)以及人眼視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)，隧道內(nèi)存在不同等級的亮度需求．《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》^［3］將隧道劃分為接近段、入口段、過渡段、中間段和出口段5個區(qū)段，并給出了各區(qū)段長度計算公式．區(qū)段劃分示意如圖3所示．

1.2 駕駛員行車基礎(chǔ)理論

1.2.1 人眼視覺特性

駕駛員在感知獲取隧道交通環(huán)境信息時的眼動行為主要有注視、掃視兩種．通過眼動研究可以了解駕駛員在駕駛中對道路和交通環(huán)境的關(guān)注程度、信息獲取方式和信息處理效率．相關(guān)研究^［15-17］表明，隧道駕駛過程中駕駛員自身的生理特性是影響行車安全的最主要因素，約90%的道路交通信息都是通過視覺獲取的，人眼的生理結(jié)構(gòu)、識別機(jī)制等，對駕駛員隧道明暗適應(yīng)、行車安全有重要影響．駕駛員的視覺特性數(shù)據(jù)可反映駕駛員在整個隧道行車過程中的安全與舒適程度．在隧道行駛過程中，人眼為適應(yīng)隧道長度和環(huán)境變化，駕駛員瞳孔面積會較隧道外有所增大，注視和掃視物體的時間也會發(fā)生變化．因此，本研究選擇瞳孔面積變化率、平均注視時間和掃視速度3個指標(biāo)，作為評判駕駛員自身因素中的視覺能力對隧道駕駛安全舒適性的影響．

1.2.2 駕駛生理特性

駕駛員生理是指駕駛員的個性生理特征以及在駕駛工作狀態(tài)下的精神活動．駕駛員行車過程中需要處理大量的信息，包括道路標(biāo)志、標(biāo)線、交通流等，同時還需要維持對車輛的控制，其生理特性會受到多重因素的影響，而生理特性變化又會反向影響駕駛行為．在隧道行駛過程中，受隧道行車周邊環(huán)境和道路車流的影響，駕駛員容易出現(xiàn)緊張、恐懼等情緒，表現(xiàn)為進(jìn)入隧道路段會心跳加速、呼吸急促等，而駕駛員存在這樣的心理時將更容易造成交通事故．因此，本研究選擇心率波動和呼吸率變化2個指標(biāo)，作為評判駕駛員自身因素中的生理特性對隧道駕駛安全舒適性的影響．

1.2.3 駕駛行為理論

駕駛員在行駛過程中應(yīng)能夠充分考慮他人的行動和周圍狀況，自覺地防止事故．在道路行駛過程中，駕駛員的駕駛行為主要包括對車輛速度的控制、對行駛路線的掌控以及對突發(fā)事件的處理．駕駛者對潛在危險點(diǎn)的謹(jǐn)慎程度決定了他們操作的頻繁程度．例如，是否會頻繁換道、踩剎車或油門的頻率等．在模擬隧道環(huán)境內(nèi)，通過觀測駕駛員駕駛速度、車道中心線偏移量、超速時間占比等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)行駛在隧道中的汽車如果觀察到旁邊有大車駛近或前方為彎道時，會下意識地向遠(yuǎn)離危險側(cè)偏離或大幅度調(diào)整方向盤等，對駕駛員行車體驗影響較大，且存在安全隱患．因此，在隧道行駛過程中，駕駛行為也是影響駕駛安全舒適性的重要因素之一．本研究選擇運(yùn)行速度與設(shè)計車速差值、車道中心線偏移量和超速時間占比3個指標(biāo)來反映隧道中的駕駛行為．

2 隧道行車安全舒適度評價模型

基于前文基礎(chǔ)理論研究，本節(jié)通過選取合理指標(biāo)，建立完善的評價指標(biāo)體系，合理構(gòu)建隧道行車安全舒適度評價模型．

2.1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

通過對駕駛員受影響因素的分析及相關(guān)文獻(xiàn)研究，匯總影響駕駛員安全性和舒適度的不同因素：

1）基于人眼視覺特性，選取評估駕駛員眼動指標(biāo)：瞳孔面積變化率P;平均注視時間;掃視平均速度V．

2）基于駕駛生理特性，選取反映駕駛員生理的指標(biāo)：心率波動H;呼吸率變化R．

3）基于駕駛行為理論，選取評估駕駛員行為的指標(biāo)：運(yùn)行速度與隧道設(shè)計車速差值V;車道中心線偏移量L;超速時間占比O．

下一節(jié)將對以上8項指標(biāo)的定義進(jìn)行說明．其中，駕駛員眼動指標(biāo)與駕駛員生理指標(biāo)反映駕駛舒適度，駕駛員行為指標(biāo)反映駕駛安全性，以此構(gòu)建隧道駕駛安全舒適度體系．指標(biāo)體系如圖4所示．

2.1.1 舒適度指標(biāo)

1）駕駛員眼動指標(biāo)

①瞳孔面積變化率（P）

P=S-SS×100%. （1）

式中：P為駕駛?cè)送酌娣e變化率（%）;S為前一時刻駕駛員瞳孔面積（mm²）;S為后一時刻駕駛?cè)送酌娣e（mm²）．

②平均注視持續(xù)時間（）

=T/k. （2）

式中：為平均注視持續(xù)時間（ms）;T是該實驗者的駕駛總時間（ms）;k為注視次數(shù)．

③掃視平均速度（V）

V=A/T. （3）

式中：V為每一次掃視的角度與掃視持續(xù)時間的比值（（°）/s）;A為掃視的角度（°）;T為掃視持續(xù)時間（s）．

2）駕駛員生理指標(biāo)

①心率波動（H）

心率是指正常人安靜狀態(tài)下每分鐘心跳的次數(shù)，單位為次/min．心率可以作為度量駕駛?cè)斯ぷ鲝?qiáng)度的一個有效指標(biāo)，成人理想心率在60～80次/min，取中間值70次/min作為參考值，記為H．在模擬駕駛過程中，可以用心率波動對駕駛?cè)笋{駛過程中的心理緊張狀態(tài)及舒適程度進(jìn)行分析研究．記駕駛員行駛過程中平均心率為H，單位為次/min，則心率波動H：

H=H-HH. （4）

②呼吸率變化（R）

不同的環(huán)境下人的呼吸次數(shù)會發(fā)生一定變化，可以利用人的呼吸次數(shù)的變化來反映人的心理狀態(tài)，進(jìn)而分析外部環(huán)境對人的影響程度．本研究選用呼吸率變化作為指標(biāo)，以表征隧道環(huán)境與正常環(huán)境下的呼吸頻率（%）．呼吸頻率正常值為每分鐘12～20次，取中間值16次/min作為參考值，記為B．記駕駛員呼吸頻率為B，單位為次/min，則呼吸率變化R：

R=B-BB. （5）

本研究選用呼吸率變化作為指標(biāo)，以表征隧道環(huán)境與正常環(huán)境下的呼吸頻率變化，單位為%.

2.1.2 安全性指標(biāo)

安全性指標(biāo)主要由駕駛行為指標(biāo)來表征，基于現(xiàn)有研究，選取運(yùn)行速度與設(shè)計車速差值（V）、車道中心線偏移量（L）、超速時間占比（O）3個指標(biāo)．

1）運(yùn)行速度與設(shè)計車速差值（V）

公路設(shè)計時，同一路段運(yùn)行速度（V）與設(shè)計速度（V）之差（V）宜小于20 km/h^［18］．為了結(jié)合運(yùn)行速度和設(shè)計速度，運(yùn)行速度取車速頻率分布曲線中第85%車速，記作V;設(shè)計速度記作V，定義運(yùn)行速度與設(shè)計車速差（記為速度差）

V=|V-V|，單位為km/h.

提出3個等級安全評價指標(biāo)（好：V≤10 km/h;一般：10 km/h<V≤20 km/h;差：V>20 km/h）對駕駛員駕駛行為進(jìn)行評價．

2）車道中心線偏移量（L）

車道中心線偏移量是指機(jī)動車中心距車道中心點(diǎn)的距離或偏移值，既能反映駕駛員對車道的保持力，也可反映機(jī)動車在行駛過程中與沿車道中心點(diǎn)行駛的吻合程度，單位為m．部分學(xué)者^［19-21］通過調(diào)查道路隧道中的駕駛員行為后將車道中心線偏移量L用作評估駕駛員開車情況的重要指標(biāo)．

3）超速時間占比（O）

超速時間占比是指車輛在行駛過程中超速時間占總行駛時間的比率，單位為%．它既能反映駕駛員對速度的保持能力，也可側(cè)面體現(xiàn)汽車在行駛過程中駕駛員心理變化．

2.2 隧道安全舒適度評價模型構(gòu)建

1）指標(biāo)類型一致化

選取的指標(biāo)中P、、V、L、O均為負(fù)向指標(biāo)，V為正向指標(biāo)，H和R為適度指標(biāo)．8個指標(biāo)中負(fù)向指標(biāo)占比最大，因此將所有指標(biāo)調(diào)整為負(fù)向指標(biāo)．

2）無量綱化

為減少對各指數(shù)不同量綱的影響，對評價指數(shù)做無量綱化處理．所選取指標(biāo)類型統(tǒng)一為負(fù)向指標(biāo)，采用min-max歸一化到［0，1］區(qū)間．

3）確定權(quán)重

熵權(quán)法屬于客觀賦權(quán)方法，全程采用數(shù)值方法進(jìn)行定量分析，能夠最大限度地對研究對象做出客觀性評判，從而有效減少個人的主觀因素對結(jié)論的影響．熵權(quán)法常用于構(gòu)建評價模型^［22-23］，基于駕駛模擬實驗獲得的大量數(shù)據(jù)易于熵權(quán)法的使用．使用熵權(quán)法計算不同指標(biāo)的平均值和方差，得到不同指標(biāo)的離散程度，從而求出各指標(biāo)的權(quán)重值．

4）模型表示

隧道駕駛安全舒適度指標(biāo)SC的數(shù)學(xué)模型如下：

SC=∑8n=1（q·A）. （6）

式中：SC表示隧道駕駛安全舒適度，范圍為［0，1］，屬最小值評價，即數(shù)值越小，評估績效越優(yōu);q為不同指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重;A表示8項指標(biāo)處理數(shù)值;n=1，2，…，8，分別對應(yīng)P、、V、V、L、O、H、R．

3 隧道駕駛室內(nèi)仿真研究

3.1 隧道照明系統(tǒng)建模

本研究采用UC-win/Road作為隧道照明系統(tǒng)建模以及隧道行車仿真的平臺．UC-win/Road是一款基于模塊化和圖形化的建模仿真軟件，其強(qiáng)大的三維建模功能和場景渲染能力能夠真實地模擬駕駛員在實際隧道內(nèi)的駕車輛情況．通過外接駕駛模擬器的方式進(jìn)行駕駛模擬行車仿真，動態(tài)仿真隧道內(nèi)駕駛員行車過程，實時反映隧道駕駛過程中駕駛員的操作對行車的影響．隧道照明系統(tǒng)建模流程如圖5所示．

3.2 基于駕駛模擬的隧道行車仿真

3.2.1 隧道模型參數(shù)設(shè)置

仿真模型的變量控制通過改變模型內(nèi)相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)．本研究的目標(biāo)是評估不同隧道照明光環(huán)境下駕駛?cè)说男熊嚑顟B(tài)，深入分析照明亮度、照明色溫對駕駛員駕駛行為的影響，因此以隧道照明中的照明亮度、照明色溫作為變量，通過2種變量不同數(shù)值之間的組合構(gòu)建實驗組，開展隧道行車仿真實驗．

3.2.2 隧道行車仿真環(huán)境

本研究通過硬軟件結(jié)合應(yīng)用的方式實現(xiàn)“虛擬環(huán)境構(gòu)建—駕駛模擬—駕駛員行為狀態(tài)監(jiān)測”3個核心內(nèi)容，所用硬軟件名稱及作用如表1所示．

4 案例研究

4.1 隧道照明實地調(diào)研及模型構(gòu)建

本研究選取深圳市塘朗山隧道為案例研究對象．塘朗山隧道是深圳市最長的隧道之一，線路全長1 711 m，隧道內(nèi)共3條車道，限速50 km/h，隧道內(nèi)車輛按相應(yīng)車型分道行駛，禁止隨意變道．構(gòu)建的仿真模型中，選用的變量（照明亮度、照明色溫）會根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)置，其他條件設(shè)置均趨近于實際情況．

為使照明系統(tǒng)模型各照明區(qū)段亮度取值區(qū)間與實際隧道照明情況相近，本研究對案例隧道亮度采用TES-137亮度計進(jìn)行實地測量，并記錄光照亮度．依據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況及參考公路隧道照明設(shè)計相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對建立的隧道模型進(jìn)行區(qū)段劃分，對各照明區(qū)段進(jìn)行燈具布設(shè)．隧道各照明區(qū)長度劃分結(jié)果如表2所示．

建成的隧道照明系統(tǒng)模型效果與實際隧道對比如圖6所示．

4.2 隧道駕駛模擬室內(nèi)仿真實驗

1）實驗組設(shè)置

綜合考慮國內(nèi)公路隧道照明相關(guān)細(xì)則標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實地調(diào)查的隧道洞外及洞內(nèi)亮度值，確定的5組中間段照明亮度值依次為：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 cd/m²．由于隧道常用2 500～5 500 K的照明色溫，在顏色上體現(xiàn)為白光、黃光與橙光，故本實驗選用這3類色溫的光源以探究不同色溫條件對駕駛員行駛的影響，共計設(shè)置5×3=15組實驗，實驗組別設(shè)置如表3所示．

2）實驗流程

實驗流程如圖7所示．

實驗開始前需要拉上窗簾遮光，關(guān)閉實驗室燈光，采集數(shù)據(jù)的屏幕也盡量遠(yuǎn)離實驗區(qū)域，避免外界其他光照對實驗的影響．每位受試者實驗開始前需要穿戴生理儀及眼動儀并校準(zhǔn)儀器，確保設(shè)備準(zhǔn)確運(yùn)行．

每位實驗人員需做15組實驗，采集他們在不同照明工況下隧道行車的眼動數(shù)據(jù)、生理數(shù)據(jù)及駕駛行為數(shù)據(jù)．每組實驗重復(fù)進(jìn)行5次取平均值以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，得到不同亮度及不同色溫對駕駛員行車舒適度的影響．隧道行車仿真實驗現(xiàn)場如圖8所示．

3）實驗人員

參考現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)選取的實驗人數(shù)規(guī)模^［24］，本實驗共選取10名實驗人員（男駕駛員7名、女駕駛員3名），年齡均在26～50歲之間．所有實驗人員矯正后雙眼視力至少達(dá)5.0，均持有中國C1駕照，駕駛經(jīng)驗均超過3年．在選定符合要求駕駛員后，對所有駕駛員進(jìn)行駕駛模擬操作規(guī)程的培訓(xùn)，保證所有實驗人員熟知駕駛模擬器的操作規(guī)范和流程．考慮到同一駕駛員重復(fù)行駛相同隧道會存在短時記憶效應(yīng)，因此，每位駕駛員進(jìn)行一次實驗的間隔為7 d，實驗時間跨度大．

4.3 實驗結(jié)果

4.3.1 亮度變化影響下各指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果

選取1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 cd/m²共計5種亮度值進(jìn)行亮度影響研究，結(jié)果如圖9所示，圖9中虛線表示均值．

在確定的色溫條件下，8項指標(biāo)均為負(fù)向指標(biāo)（數(shù)值越小越優(yōu)），因此只對各項指標(biāo)最小值進(jìn)行說明．由圖9可知：瞳孔面積變化率在亮度為2和2.5 cd/m²時最小，為1.75%，低于平均值9.79%;平均注視持續(xù)時間在亮度2.5 cd/m²時最小，為423.31 ms，低于平均值14.73%;掃視平均速度在亮度為2 cd/m²時最小，為12.69（°）/s，低于平均值9.55%;速度差在亮度為2.5 cd/m²時最小，為14.08 km/h，低于平均值12.82%;車道中心線偏移量在亮度為2.5 cd/m²時最小，為0.39 m，低于平均值17.02%;超速時間占比在亮度為2 cd/m²時最小，為10.84%，低于平均值16.81%;心率波動在亮度為2.5 cd/m²時最小，為3.12%，低于平均值14.57%;呼吸率變化在亮度為2.5 cd/m²時最小，為2.85%，低于平均值18.75%．

4.3.2 色溫變化影響下各指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果

對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到每位駕駛員在3種色溫環(huán)境下的各指標(biāo)數(shù)據(jù)，具體數(shù)值如圖10所示．

由圖10可見：在確定的亮度條件下，白光環(huán)境中，瞳孔面積變化率、平均注視持續(xù)時間、掃視平均速度、超速時間占比、心率波動、呼吸率變化共計6項指標(biāo)達(dá)到最低，分別為1.59%、462.03 ms、19.89（°）/s、14.14%、4.25%、3.62%;黃光環(huán)境中，速度差指標(biāo)達(dá)到最低，為9.38 km/h;橙光環(huán)境中，車道中心線偏移量指標(biāo)達(dá)到最低，為0.43 m．

5 隧道駕駛安全舒適度分析

5.1 數(shù)據(jù)定性分析及受試者采訪

在改變隧道照明亮度時，實驗中各類指標(biāo)變化趨勢較為一致：隨著亮度增加，駕駛員各項指標(biāo)數(shù)值起初呈減小趨勢，即行車安全及舒適度提升，而當(dāng)亮度增加至一定閾值后各指標(biāo)數(shù)值會開始回升，行車安全及舒適度有所下降．在改變隧道照明色溫時，照明色溫對瞳孔面積變化率、掃視平均速度、車道中心線偏移量、心率波動、呼吸率變化的影響較顯著．

對10名受試者進(jìn)行試后采訪，其中較為一致的意見是：1）亮度方面，隧道內(nèi)整體環(huán)境昏暗時，行駛

過程中需要消耗更多的精力解讀周邊的環(huán)境以保證行車安全;當(dāng)亮度不斷增加，駕駛感受會逐漸舒適，駕駛表現(xiàn)有所提升，而當(dāng)環(huán)境亮度超過一定閾值后，駕駛員的感官會產(chǎn)生疲憊感導(dǎo)致反應(yīng)力降低，從而導(dǎo)致駕駛表現(xiàn)下降．2）色溫方面，橙光環(huán)境下色溫很低，使得隧道變得更為壓抑，因此駕駛行為變得格外謹(jǐn)慎，對周圍環(huán)境感知能力下降，觀察周邊環(huán)境所用時間顯著增加．上述意見與實驗過程中觀測到生理儀器顯示駕駛過程中有些駕駛員出現(xiàn)了有車經(jīng)過或者轉(zhuǎn)彎時屏住呼吸或者心跳加速的情況相符．

由此可見，本實驗數(shù)據(jù)結(jié)果定性分析與現(xiàn)實駕駛感受一致程度較高，一定程度上印證了本文模擬駕駛實驗的可行性和科學(xué)性．

5.2 隧道駕駛安全舒適度評價值計算與分析

通過對前文選取的8項指標(biāo)進(jìn)行一致化和無量綱化處理，并結(jié)合熵權(quán)法得到的對應(yīng)權(quán)重構(gòu)建安全舒適度評價體系，并以此得出3種照明色溫（白光、黃光、橙光）下5種照明亮度對應(yīng)的安全舒適度評價值，擬合駕駛安全性與舒適度與亮度間函數(shù)關(guān)系．

基于熵權(quán)法的各指標(biāo)權(quán)重值如表4所示．

由式（6）得到不同色溫不同亮度的安全舒適度評價值，3種色溫下駕駛員安全舒適度評價值與亮度之間的關(guān)系趨勢如圖11所示．

通過Matlab擬合得到各類色溫環(huán)境下安全舒適評價值的計算模型：

y=0.312 6x²-1.342 3x+1.586 1，（7）

y=0.643 5x^-0.363， （8）

y=0.03x²-0.158 7x+0.607. （9）

式中：x為亮度值，單位cd/m²;y表示安全舒適度評價值．

由式（8）可知，黃光的安全舒適度評價值隨亮度的增加而降低（評價值越低，安全舒適度效果越好），即黃光最優(yōu)亮度取實驗組亮度上界3 cd/m²，對應(yīng)安全舒適度評價值0.432．白光和橙光色溫環(huán)境下駕駛員安全性與舒適度與光照亮度間的關(guān)系更符合二次函數(shù)變化．對式（7）和式（9）求導(dǎo)運(yùn)算，得最優(yōu)亮度值及安全舒適度評價值：

白光=x=2.147， y=0.145，

橙光=x=2.645， y=0.397．

白光最優(yōu)亮度為2.147 cd/m²，橙光最優(yōu)亮度為2.645 cd/m²，對應(yīng)安全舒適度評價值分別為0.145和0.397．比較3種色溫的最優(yōu)亮度及對應(yīng)的最優(yōu)安全舒適度，可以發(fā)現(xiàn)白光環(huán)境下亮度最低，且安全舒適度評價值最優(yōu)（負(fù)向指標(biāo)，數(shù)值越低越優(yōu)）．因此，實驗環(huán)境中白光最優(yōu)亮度取得最優(yōu)的隧道行車安全舒適度，而較低的亮度在節(jié)能減排方面也具有積極作用．

6 結(jié)語

基于隧道照明理論，將隧道照明亮度、照明色溫作為隧道照明系統(tǒng)模型變量，建立城市隧道駕駛仿真模型作為室內(nèi)仿真實驗環(huán)境;基于駕駛員行車?yán)碚撝旭{駛員的駕駛行為、視覺特性以及生理特性，篩選駕駛員8項指標(biāo)用于評價駕駛安全舒適性，并構(gòu)建評價指標(biāo)體系及模型．通過在隧道照明仿真環(huán)境中開展駕駛模擬實驗，全面系統(tǒng)地研究隧道中間段照明對駕駛員隧道行車的影響，得出以下結(jié)論：

1）在確定的照明色溫條件下，本研究選取的8項指標(biāo)在實驗環(huán)境1.0～3.0 cd/m²亮度下，隨亮度增加均呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢，表明當(dāng)前條件下在1.0～3.0 cd/m²之間存在一個使駕駛員隧道行車過程中既安全又舒適的亮度．

2）在確定的照明亮度條件下，本研究選取的8項指標(biāo)中有6項指標(biāo)在白光環(huán)境下數(shù)值最小，基于熵權(quán)法得到的權(quán)重可得該6項指標(biāo)合計權(quán)重為0.756，可初步認(rèn)為白光環(huán)境對實驗環(huán)境中的隧道駕駛更友好．

3）通過擬合得到3種照明色溫下的安全舒適度評價值-亮度數(shù)學(xué)模型，得出實驗環(huán)境下最優(yōu)評價值對應(yīng)的照明色溫及亮度：當(dāng)照明色溫為白光，亮度為2.147 cd/m²時，駕駛員的安全舒適評價值最優(yōu)，為0.145．

4）比較3種色溫條件各自最優(yōu)評價值下的亮度，白光亮度最低，因此選用白光作為隧道照明色溫，兼有節(jié)能減排作用．

在實際設(shè)置城市隧道照明系統(tǒng)時，為改善駕駛員的行車安全與舒適度，且出于節(jié)能考慮，在燈具的選擇上應(yīng)盡量選用色溫較高、體現(xiàn)為白光色溫的燈具，這與已有的相關(guān)研究結(jié)論相符^［25-26］．考慮到本研究的照明亮度設(shè)置僅適用于實驗環(huán)境的中間段，且中間段亮度的安全評價值應(yīng)同時受過渡段亮度影響，因此建議隧道照明亮度設(shè)置應(yīng)結(jié)合實際，在有條件的情況下開展與本研究近似的實驗以確定最優(yōu)亮度值．本文實驗結(jié)果能夠為隧道照明系統(tǒng)對駕駛員安全舒適度影響評估提供參考，提出的研究方案可為以駕駛員安全舒適為目標(biāo)的智能化隧道照明系統(tǒng)設(shè)計提供實驗范例，并兼有計算機(jī)模擬仿真改造成本低、方案移植性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)．

本研究中平面屏幕呈現(xiàn)的駕駛仿真環(huán)境與現(xiàn)實情景仍存在差距，未來將考慮仿真效果更優(yōu)的呈現(xiàn)環(huán)境，如虛擬現(xiàn)實環(huán)境，進(jìn)一步提升結(jié)果準(zhǔn)確性．

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Evaluating tunnel lighting impact on driver safety and comfort via driving simulation

HU Mingwei^{1，2，3，4} WU Wenlin² TIAN Qingyan^5，6 GUO Zhongxin² YANG Wenjie²

1 State Key Laboratory of Intelligent Geotechnics and Tunnelling，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China

2 College of Civil and Transportation Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China

3 Key Laboratory of Coastal Urban Resilient Infrastructures （Shenzhen University），Ministry of Education，Shenzhen 518060，China

4 Underground Polis Academy，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China

5 Guangdong Provincial Key Laboratory of Tunnel Safety and Emergency Support Technology ＆ Equipment，Guangzhou 510550，China

6 Guangdong Hualu Transport Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510420，China

Abstract The development mode of transportation infrastructure construction has shifted from pursuing speed and scale to prioritizing quality and efficiency.As a result，there has been an increasing demand for fine-tuning and adapting the tunnel lighting environment，which should prioritize the safety and comfort of drivers.Based on tunnel lighting theory and driving behavior researches，eight indicators that affect driver safety and comfort were selected to establish a driving safety and comfort evaluation system.Indoor simulation was cof177fb7d365c667c59a18c8d216bd41b38eb3e1ad8631093cdad7992217bf2e5nducted through tunnel driving simulation environment and hardware facilities.A virtual simulation model of the tunnel was established using UC-win/Road software，and data corresponding to the eight indicators were obtained through driving simulators and physiological instruments.Then the entropy method was used to determine the weights of the indicators，and the driving safety and comfort in the tunnel under different lighting brightness and color temperature environments were evaluated.The target value of brightness and color temperature in the tunnel were obtained with the goal of achieving the optimal value of driver safety and comfort.The experimental results confirm the effectiveness of the driver safety and comfort evaluation system，propose an improved tunnel lighting scheme，and provide reference for tunnel operators.

Key words tunnel lighting;driving simulation;virtual simulation;driving safety;comfort;evaluation model