公路隧道入口环境亮度安全临界阈值分析

郑 晅，李 雪，丁 婷，陈建勋

（1.长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安，710064；2.长安大学 公路学院，陕西 西安，710064）

为了在安全行车的同时，降低公路隧道照明能耗，已成为隧道照明中研究的热点问题［1-2］.隧道出入口处人眼存在明暗适应的问题，通常在隧道出入口设置过渡段照明，以保证人眼在隧道入口的暗适应和出口的明适应，保证行车安全［3］.

国际照明学会（international commission on illumination，CIE）规定了公路隧道入口照明适应曲线［4］，我国公路隧道照明设计规范依据CIE 的规定，确定了隧道照明出入口的亮度指标及过渡要求.但是，经调研可得，国内大部分隧道过渡段照明灯具都存在不开或少开的现象，国外很多国家隧道不设置过渡段照明.因此，在节能减排和安全运营需求下，CIE照明适应曲线是否完全适应于实际工程，成为公路隧道明暗适应研究的关键问题之一.

针对隧道照明明暗适应问题，杜志刚等［5-7］利用眼动仪测定人眼明暗适应的变化，但并未从亮度指标等方面对照明问题进一步的研究和分析.庞蕴凡［8］从视觉照明的角度提出了工程照明关键技术参数之间的关系，但未对公路隧道照明的中间视觉进行具体研究.张青文等［9-10］提出了一种公路隧道入口照明质量检测方法，但并未提供证据表明能够体现人眼实际反应时间.在隧道照明节能方面，王少飞等［11］指出在我国隧道照明设计中可以降低照明指标，以达到节能目的，但未从理论和实验方面进行明暗适应的分析和研究.

目前，主要有2种实验方法进行视觉和照明实验研究：暗室利用屏幕视标符号［12-13］和眼动仪根据人眼瞳孔变化分析视觉反应［14］.但模拟隧道照明实验研究中，对隧道照明环境的模拟仍较为简单［15-16］，针对隧道照明和反应时间的关系，还需增加动态仿真和模拟.

本文提出了隧道环境亮度的安全临界阈值.构建了模拟隧道环境的实验平台，设计了实验测试软件和方法；分析得到了隧道中人眼对障碍物安全识别的环境亮度临界阈值；为隧道照明设计指标的确定提供了理论依据.

1 环境亮度安全临界阈值提出

传统的明暗适应建立在眼生理学的二元理论之上，暗视觉的主要是杆状细胞起作用，明视觉是锥状细胞起作用.这种随环境亮度产生的2种细胞作用的变化，即人眼明暗适应的生理学基础.现代眼生理学对2种细胞的变化规律表明：视觉适应包括化学适应和神经性适应2种［17］.这2种反应并行作用共同完成了人眼的明暗适应过程.因此，在照明研究中需要对其综合分析.

根据照明理论，人眼的视觉范围分为明视觉、暗视觉和中间视觉.中间视觉即为现实中人眼的适应范围，而实际中中间视觉只是一个较宽泛的值（0.001～3cd／m2）［18-20］.根据现代眼生理学中时间总和及bloch定律［17］，反应时间与环境亮度成反比关系.环境亮度越亮，反应时间越短，当反应时间到达一个随环境亮度变化不敏感的值时，即达到了人眼识别的中间视觉的上限.鉴此，提出环境亮度安全临界阈值.

2 隧道环境视觉模拟实验

构建模拟隧道环境的实验平台，建立暗室环境，设置动静2种实验模式.采用视标符号在幕布上的停留时间代替人眼视觉反应时间，以期降低被测人员实时操作时的误差.

2.1 实验平台及方法

2.1.1 实验环境搭建 搭建暗室环境，模拟驾驶员对路面障碍物的识别反应.暗室采用灰色绒面遮光布进行铺装，绒布反射率参考以黑色沥青路面的反射率［3］，可保证实验环境与实际隧道照明环境一致，且环境亮度可调.暗室内设投影及屏幕，自主开发投影程序，用于控制室内照明，并进行障碍物识别模拟.照明采用自主研发C-bus总线调光照明装置，照明范围由1 400lx直到全暗（低于0.001lx），环境亮度根据实验要求设定.

2.1.2 实验参数 模拟障碍物大小采用郎道尔环的开口大小来表示，根据80km 车速的停车视距的定义，按110m 外10cm 的物体识别［21］.几何关系如式（1）所示.

由式（1）可得，当实验观测距离为5.5m 时，识别物体大小为0.5cm.

障碍物视觉对比度是指障碍物亮度与背景亮度的比值.对比度越大，越容易识别障碍物.实验中设定对比度为15%，可绝大多数的障碍物的情况［8］.

式中：C1，C2分别为相邻的2个平均正确率，t1，t2分别为相邻2次的测试时间，t0为所求反应时间.

静态实验模拟环境亮度不变时人眼对障碍物的识别，得到不同亮度条件下人眼识别障碍物的反应时间.动态实验在静态实验的基础上，模拟车辆进入隧道时环境亮度的变化对人眼识别障碍物反应时间的影响.

2.2 实验方法及过程

静态试验首先确定实验室内环境亮度，设定示标符号的大小、开口方向以及与障碍物背景的对比度、停留时间等参数.实测环境亮度、屏幕亮度、示标符号大小及亮度等，以保证所需要的试验参数，运行测试程序.

给定被测者与屏幕的距离，判断屏幕上郎道尔环的开口方向，系统重复人眼适应到被测者作出判断的过程，自动计算出每个测试者重复20组实验的正确率.实验参数设置图形界面如图1所示.

图1 初始参数设置图形界面Fig.1 Graphical interface of initial parameter settings

动态实验在静态实验的基础上，增加环境亮度的变化.实验中控制C-bus智能照明控制器，使环境亮度在一定的时间段内变化.变化时间由隧道接近段长度和车速计算得出，实验中取3.5s.

2.3 实验样本

实验中测试人员按照我国驾驶人员身体要求随机选择.选取被测者39名，其中男性34名，女性5名，矫正视力均在0.6（4.8）以上，年龄在20～55岁之间，身体健康.年龄构成和视力构成如图2 和3所示.

图2 测试人员年龄比例结构Fig.2 Proportion of testing personnels’age

图3 测试人员矫正视力（左／右）比例结构Fig.3 Proportion of testing personnels’eyesight

3 结果分析

3.1 反应时间与环境亮度关系分析

实验中共设置9种环境亮度，每种环境亮度分别设置10个反应时间.39名被测者在动静2 种实验模式下，共获得7 020组实验数据.

通过对数据的统计、整理和分析，得到了环境亮度与人眼识别时间的曲线拟合关系.静态和动态实验中环境亮度与反应时间对数变化关系如图4 所示.t为反应时间，L 为环境亮度.

图4 环境亮度与反应时间对数变化关系Fig.4 Logarithmic relationship between ambient brightness and reaction time

从图4中可以看出，环境亮度越大，反应时间越短，且动静实验图像趋势一致.当环境亮度在0.2～1.5cd／m2之间时，反应时间受环境亮度变化的影响较大，曲线较陡，反应时间介于150～400ms内；当环境亮度在1.5～5cd／m2之间时，反应时间受环境亮度影响相对减弱，曲线较为平缓，反应时间在介于70～150ms之间；当环境亮度继续增大，曲线接近平行于横轴坐标，反应时间几乎不受环境亮度的影响.拟合分析得到反应时间和环境亮度的函数关系式，如表1所示.

表1 动静态实验反应时间和环境亮度的拟合结果Tab.1 Fitting results between reaction time and ambient brightness in static and dynamic experiment

从表中可以看出，反应时间和环境亮度呈幂指数函数关系，相关系数趋近于1，表明环境亮度和人眼识别时间具有较强的相关性.

3.2 环境亮度安全临界阈值分析

根据明暗适应的医学原理，在较暗环境下，环境亮度与人眼识别时间成反比关系，当环境亮度低于某一临界值时，若人眼的识别时间大于安全识别时间，则这个环境亮度即为基于安全识别的隧道环境亮度的临界阈值.根据目前城市快速干道的照明标准以及国内外隧道在实际运营中隧道内照明亮度标准，实验取0.5、1.5、5cd／m2的亮度的特征点进行人眼反应时间的分析.采用统计回归方法，计算置信概率取95%时，不同亮度特征点处反应时间的置信区间，如表2所示.

由表2可知，按照95%的置信概率，当人眼在0.5cd／m2的环境亮度条件下时，人眼的识别时间在900ms范围内；在环境亮度为1.5cd／m2时，识别时间在300ms内变化；环境亮度在5cd／m2以上时，实验中发现受测者人眼已经完全进入明视觉状态，在安全识别同时无不舒适的感觉.对于动静实验分析表明，当环境亮度1.5cd／m2以上时，两者之间差异很小；在1.5cd／m2以下时，有一定差异，并且动态实验数据离散性加大.结果符合现代医学中相关文献中中间视觉和暗视觉的人眼视力差异性大的规律.

根据交通工程学相关理论，驾驶行为中的安全识别时间一般为1.2～1.5s之间（1.5s为道路工程中常用道路信息感知反应时间），偏于安全的考虑，应用中按1s考虑，可为其他因素影响留有较大的安全余度，符合隧道照明实际情况.此时基于安全识别的环境亮度临界阈值可以确定为0.5cd／m2，这样可以大幅缩减工程中照明灯具的布设，减少照明电费支出、实现节能的目的.

表2 不同环境亮度下的反应时间Tab.2 Reaction time of different ambient brightness

4 工程应用与结果分析

4.1 工程应用

实证中分别选择短隧道、长隧道、特长隧道一处进行实验，验证降低公路隧道照明指标后的效果.这3处隧道分别为包家山隧道群的黄龙隧道（右洞长200m，左洞长250m）、谭坝Ⅲ（右洞长1 050m，左洞长959m）、谭坝Ⅳ隧道（右洞长3 050m，左洞长3 000m）.

夏季（5月份）和冬季（11月份）随机抽取3d，对3个隧道进口400m（黄龙隧道较短，按150m 范围检测）范围内亮度进行检测，分析其过渡段照明.取3d数据的平均值，如表3所示.D 为所测位置与隧道入口距离.

4.2 结果分析和对比

分析工程应用中隧道实测数据，与CIE 隧道亮度适应曲线进行对比，如图5所示.

从图5可知，隧道进口10m 内亮度急剧下降，80m 的范围内，环境亮度与洞外亮度关系较大，与照明设置关系不大.短隧道（黄龙隧道）、长隧道（谭坝Ⅲ隧道）、特长隧道（谭坝Ⅳ隧道）的实测数据表明，隧道进口80m 以后的范围内，环境亮度基本在5cd／m2以内，经过近3a的运行，2012年交通量已超过1万辆以上，照明设置可以适应隧道安全运行，与研究结论一致.

CIE隧道照明适应曲线按照我国现行规范（参考CIE-88 2004制定）标准取值.将过渡段分为3部分：1）距洞口0.5个停车视距内的亮度与洞外环境亮度（Lth）一致，2）之后0.5 个停车视距内亮度降低，线性下降至0.4倍的Lth，3）随后进入渐变区，亮度按适应曲线Ltr＝Lth（1.9＋t）-1.4逐渐降低，直到等于洞内基本段照明亮度（Lin）.

对比可以看出，CIE曲线与实际曲线相差较大.隧道进口80 m 以后，环境亮度基本在5cd／m2以内，与CIE曲线所推荐的100～200cd／m2的取值差异较大.此外，CIE曲线所推荐的390m 过渡段长度及100cd／m2多的过渡幅度，也远大于实际应用长度和亮度变化幅度.

表3 隧道进口范围内环境亮度实测平均值Tab.3 Average ambient brightness measured within the tunnel entrance

根据实证及前述理论分析可知，在环境亮度安全临界阈值以上时，人眼完全可以自行调节明暗适应，没有必要在隧道入口进行照明过渡.即现有CIE标准存在夸大驾驶员隧道入口照明需求的问题.

5 结 论

根据实验分析及工程验证，提出了公路隧道入口环境亮度安全临界阈值，得出以下结论：

（1）根据现代眼生理学及实验得出：当环境亮度为0.2～20cd／m2时，反应时间与环境亮度具有明显的反比关系，当反应时间满足最小安全识别时间时，即达到了隧道环境亮度安全临界阈值.

（2）构建模拟隧道环境的实验平台，设置了动静2种实验模式，对不同受测者的实验数据进行统计分析，根据交通工程学安全识别时间的要求，得出隧道环境亮度与人眼反应时间的关系，得到理论环境亮度安全临界阈值为0.5cd／m2，为隧道照明指标的确定提供了依据.

（3）实际应用表明，隧道洞口80m 以内环境亮度与洞外亮度相关，80m 以后环境亮度安全临界阈值为5cd／m2时，可以不需要设置特别的过渡照明，比CIE标准有大幅减低.

（4）本研究选择了短、长及特长隧道进行应用验证，自2009年5月运营至今，未出现因亮度不满足CIE推荐指标所引起的交通事故.由于交通事故无法通过设计进行实例验证，因此下一步的工作需进一步观测和分析运营数据，以进一步验证基于安全的隧道入口亮度临界阈值.

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