基于视觉功效法的公路隧道照明研究方案设计

杜 峰，翁 季，张青文，蔡贤云

（1.福建工程学院，福建福州350118；2.重庆大学，重庆400045）

基于视觉功效法的公路隧道照明研究方案设计

杜 峰1，2，翁 季2，张青文2，蔡贤云2

（1.福建工程学院，福建福州350118；2.重庆大学，重庆400045）

文章针对基于视觉功效法的公路隧道照明研究课题，从研究方案制定的概况、方案设计、实验步骤三个方面进行了分析和讨论，充分展示了实验方案设计的针对性、科学性和严谨性。笔者希望通过具体的论述为本研究的顺利进行奠定坚实基础，同时也希望对其他研究者在制定各自的方案设计时提供参考。

视觉功效；公路隧道照明；方案设计；设计规范

0 引 言

视觉功效是人借助视觉器官完成一定视觉作业的能力，通常用完成作业的速度和精度来评定视觉功效。除了人的因素外，在客观上，它既取决于作业对象的大小、形状、位置、作业细节与背景的亮度对比等作业本身固有的特性，也与照明密切相关。在一定范围内，随着照明的改善，视觉功效会显著提高。研究视觉功效与照明之间的定量关系可为制定照明标准提供视觉方面的依据。在公路隧道照明研究中所提到的视觉功效包括反应时间、瞳孔变化等衡量标准。从视觉功效法的角度出发来研究的原因在于：驾驶安全从本质上讲就是驾驶员在某种特定的状况下，在驾驶安全所需要的时间以内完成目标物识别、刹车、驾驶场景处理等保证安全的任务，该值一般为≤0.7 s。当然驾驶舒适和节能也是很重要的。

1 实验目的

为了更好地研究，课题组从实验室实验和现场实验两部分来综合完成。在实验室实验部分，按照相关规范的规定还原实验的现场。参照国际照明委员会（以下简称CIE）隧道照明规范和我国隧道照明规范的实验设定，探讨实验室方案设定情况。

1.1 实验原理

根据CIE隧道照明设计规范和我国公路隧道照明设计规范以及实施细则的规定，分析公路隧道行驶每一段的行驶时间可得出如下结果（隧道行车速度按照80 km/h计），见表1。

表1 隧道照明各段典型持续时间

从表1可以看出：公路隧道驾驶的过程中，对应80 km/h行驶速度下的行驶时间并不太长，时间都在1～6 s（不含长隧道的中间段）之间，考虑了其他的不同情况（如行驶车辆数目，单向还是双向交通等）之后，研究在此将时长扩大为1～10 s。驾驶员在完全适应的情况下，明适应需要1 min，暗适应需要3～5 min。所以本研究提出非完全适应状态的概念，非完全适应情况下驾驶员必须及时完成目标物识别、制动、驾驶场景处理等保证安全的任务。无论国外还是我国的隧道照明设计，都是从隧道的入口段照明开始的，而这一段照明又是根据接近段照明来确定的，也就是k值法，本研究就是该方法的改进。另外，既然我国规范中的亮度和各段长度是呈阶梯状的，那么各段长度的科学性有待研究，实施细则显示我国各照明段长度根据CIE隧道照明暗适应曲线进行了曲线变折线处理，具体情况见图1和图2。

图1 CIE规范对公路隧道入口段和过渡段亮度规定

图2 2014版细则对于各照明段亮度和长度的规定

以上这两点即是本课题的研究重点，具体说明如下：

（1）研究的起始阶段是接近段到入口段，而且隧道入口段光环境状况也是照明设计的起点，所以首先模拟隧道接近段，利用强光灯箱获取强光（2 500 cd/m2～5 500 cd/m2），模拟20°视角内的洞外景物亮度（以下简称L20），然后让佩戴眼动仪的实验样本适应一定的时间，该时间的长短是根据在洞外20°视角的情况下一个停车视距长度计算得出的，时间一到系统联动，关闭L20的同时实验样本立刻转到反应时间测试系统的入口段亮度（以下简称Lth），模拟亮度为0.5 cd/m2～200 cd/m2，与此同时视标出现，视标的尺寸按照CIE标准设计，最后从佩戴的iView-X眼动仪中观测和记录瞳孔的变化，通过截取时间段来看瞳孔的变化及稳定状况，从而得出入口段瞳孔恢复的时间，记录反应时间的数值。在不同的L20下对应Lth得出不同的反应时间和瞳孔恢复时间，通过这两个时间对应查找出最快的Lth，利用不同的L20和不同色温的光源对应出相应不同的Lth，求出二者之间的关系，为入口段亮度的计算提出有别于传统k值法的新方法。

（2）选取各照明段之间的适应时间范围在1～10 s之内，采用视觉功效法，用实验室的反应时间测量系统（公路隧道照明视觉功效实验装置），主要针对1～10 s的适应时间来做针对不同色温LED灯具实验样本的视觉功效实验。通过反应时间和瞳孔变化，利用计算机软件和数据处理工具得出各个物理量之间的相互关系，最终得出每一段的适应时间长度，反推得出每一段合适的行驶距离。为此，改进仪器的亮度变化部分，使之更符合实际的公路隧道行驶过程。亮度变化选取JTG/T D70/2－01—2014《公路隧道照明设计细则》（以下简称2014细则）中的典型取值，计划采用140 cd/m2，70 cd/m2，21 cd/m2，7 cd/m2，2.8 cd/m2，2.0 cd/m2，6.0 cd/m2，10 cd/m2。随着研究的深入，计划采用第一步研究中L20和Lth之间的关系找到更加合适的Lth数据。依据见表2。

表2 隧道照明各段典型亮度变化（表格来源：自绘）

1.2 实验仪器改装设计

1.2.1 实验数据选取

虽然隧道照明规范对于路面亮度的规定多种多样，但是本研究方案中将所有主要数据按照典型的隧道驾驶情况选取。研究针对我国公路隧道照明的典型情况，行驶速度选择高速公路隧道最常用的80 km/h，L20选择天空面积百分比为35%～50%的南洞口，取值选择4 000 cd/m2。在双向交通，且交通量为≥650 veh/（h·ln）的情况，k值选择0.035。所以第一段Lth选择为4 000×0.035＝140 cd/m2。

1.2.2 光源选取

LED和传统隧道照明光源，如高压钠灯（HPS）、金属卤化物灯（MH）等光源的相关对比研究中，大部分结论都是LED不仅节能，而且高效、安全和舒适。所以本研究不再从光源的对比出发，而是直接选用多种色温下的LED光源。

1.2.3 实验仪器的选取

（1）采用改进后的隧道照明视觉功效测试仪器。通过有针对性的设计，解决了公路隧道照明视觉功效模拟实验装置中（洞内入口段）亮度不够的问题，原先测试亮度上限仅仅可达90 cd/m2，现在可以提高到200 cd/m2左右。三种LED光源的色温分别为2 829 K，3 814 K和5 257 K。

综合考虑隧道照明规范的规定和现场的测试经验，可知小目标物的尺寸为0.2 m×0.2 m（该尺寸为导致车辆在驾驶过程中倾覆的最小尺寸），在实验中为了体现真实性和动态性，将停车视距、观测目标、观测方法等都进行了等比例缩小，比例为1∶20，将视标尺寸处理为0.01m×0.01m。即在80 km/h速度情况下对应100 m停车视距和0.2 m×0.2 m大小的小目标物，此时在反应时间测试仪器前根据比例换算出距离为5 m，除去小目标物在仪器内的1 m，也就是4 m，这个尺寸在实验室按照1∶20换算完全实现了。该装置详见图3和图4。

另外根据CIE规范视标反射系数（对比度）的要求，设计漫反射表面的反射比接近1，所以在这里反射系数和对比度是一样的，根据CIE规范选择对比度为－0.2（公路隧道行驶采用负对比情况），根据背景亮度的不同选用合理灰度的视标。最终现场测试得出灰度220左右的理想视标。在该对比度下得到的数值为可观测到物体的标准值。

图3 公路隧道照明视觉功效模拟实验装置图

图4 公路隧道照明视觉功效模拟实验装置正立面示意图

（2）模拟L20的灯箱。通过课题组的设计，制作了尽量接近日光光源的灯箱，包含荧光灯（基础亮度的光源）和LED（可调节光源）在内的灯箱，控制表面亮度在2 500～5 500 cd/m2之间，色温接近天然光，二者的对比详见图5和图6。从测试数据得出，天然光的色温为5 506～6 292 K，显色指数接近100。而研究所使用的L20光源指标为：色温5 758～6 879 K，显色指数75～87。可以看出色温和显色指数已经相当接近了，但是光谱仍然存在一些不同，因为目前还没有光谱类似天然光的人工光源。

研究采用上述灯箱获取2 500～5 500 cd/m2的L20，为了实现这个L20表面亮度，在实验室根据56.8°视角（考虑了眼睛的余光）来换算得出需要灯箱的面积为直径4.32 m的圆形面积，考虑到下面部分用处不大（已经是地面以下），尺寸可以取2.16＋1.5/20＝2.24 m（上下尺寸），左右尺寸为4.32 m。详细尺寸设计过程见图7。

另外，根据20°视角情况下计算得出的尺寸为直径1.41 m的圆形，同样考虑下面部分用处不大，尺寸可以取1.41/2＋1.5/20＝0.78 m（上下尺寸），左右尺寸0.7 m。最后取1.5 m×1 m。最终的灯箱是没有考虑余光情况下按照该尺寸来制作的。为了光线分布均匀，前面采用了均匀漫透射的膜进行覆盖。制成后的实际情况见图8。

图5 L20光源的光谱图

图6 不同时间天然光光谱

图7 L20灯箱尺寸设计过程

图8 灯箱最终图片

（3）iView-X眼动仪改进和反应时间测试仪器联动设计和制作。首先，反应时间测试仪器，要求精确到毫秒（ms）级别，包含计时模块、激发按钮和反应按钮等。其次，改进后实现在设定的等待时间之后的联动（L20关闭的同时计时器起作用，Lth也同时起作用，而且视标同时弹出）。设定三个视标：分为左中右三种情况，对应角度－10°，0°，10°，角度选取参考了其他论文的实验，三种情况随机出现，设定三个小目标物的原因是避免出现长期注视同一个视标产生不客观的“猜中”情况。详细见图9。

图9 联动系统最终图片

2 实验步骤

（1）从隧道照明视觉功效测试实验仪器外面加一个足够亮度的灯箱模拟L20。亮度2 500～5 500 cd/m2。分别取规范中所规定的在80 km/h时L20随机亮度的工况。

（2）在该仪器内部（模拟隧道入口段）视觉面上调出不同色温2 829 K，3 814 K和5 257 K左右的背景亮度Lth，如0.5 cd/m2，1.0 cd/m2，5.0 cd/m2，10 cd/m2，20 cd/m2，40 cd/m2，60 cd/m2，80 cd/m2，100 cd/m2，120 cd/m2，140 cd/m2，160 cd/m2，180 cd/m2，200 cd/m2。选择多的亮度值是为了扩大样本的数量，查找四个阈值，分别是可见阈值、基本安全阈值（按照交通工程学）、舒适阈值（基于瞳孔变化）和安全阈值（基于反应时间）。

（3）调节灯箱亮度，使初始亮度L20为2 500～5 500 cd/m2之间的任意值，注视初始时间之后，关掉外面灯箱的电源，使实验样本注视的背景亮度变为仪器内的亮度Lth，与此同时联动释放视标，同时眼动仪联动发生作用，随后实验样本根据看到视标的情况利用手中的按钮确定第一时间看到的时间（即反应时间）。通过瞳孔变化看视觉恢复时间，通过反应时间测试仪器数据来看反应时间。最终把数据记录下来进行分析，获得L20和Lth之间的关系，此结论可以作为公路隧道智慧照明的基础，还可以获得各照明段适宜的行驶距离数值。

3 小 结

科学研究成果是跟研究方案设计的针对性、科学性、严谨性分不开的，论文通过对课题实验室实验研究方案设计过程、实验仪器和实验步骤的详细介绍，为在研项目的顺利进行奠定了坚实基础，也希望可为其他科学研究抛砖引玉，提供一点可供借鉴之处。

［1］王炜，过秀成.交通工程学（第二版）［M］.南京：东南大学出版社，2011

［2］CIE 88-1990.Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［S］.CIE Central Bureau

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［7］谢秀颖，等.实用照明设计［M］.北京：机械工业出版社，2011

［8］崔璐璐，陈仲林，等.隧道照明光源与光源光色研究［J］.照明工程学报，2009（2）：24～29

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The Project Design of Road Tunnel Illum ination Research Based on Visual Performance

DU Feng1，2，WENG Ji2，ZHANG Qingwen2，CAIXianyun2
（1.Fujian University of Technology，Fuzhou Fujian，350118；2 Chongqing University，Chongqing 400044，P.R.China）

Aimed at the road tunnel illumination project based on visual performance，the paper analyzed and discussed briefly on the outline，project design，experiment procedure of the research project plan and sufficiently demonstrated the pertinence，scientificity and stringency.The paper hoped to lay the solid foundation to the research and provide reference to the other researchers tomake their own plan.

visual performance；road tunnel illumination；project plan；design standard

2015-12-10

国家自然科学基金资助项目（51278507）

杜峰，男，福建工程学院副教授，重庆大学博士研究生。