隧道洞口段驾驶人眼滞后特性研究

潘国兵， 牛茂钦， *， 刘 圳， 赵宁雨， 李梦城, 李华蓉， 3

(1. 重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074; 2. 重庆交通大学交通安全科技研究院有限公司， 重庆 400074; 3. 重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合工程试验室， 重庆 400074)

0 引言

随着我国隧道建设的发展，隧道行车过程中的安全问题日益凸显，其中隧道行车过程中亮度变化所带来的交通安全隐患问题越来越受到重视。一些学者针对隧道行车过程中的视觉特性进行了研究： 张青文等[1]和刘英婴等[2]对瞳孔直径调节的变化规律进行了重点研究，指出色温约为5 000 k且光谱分布偏向蓝绿光的LED光源视觉功效最高、最适宜公路隧道过渡段照明； 胡江碧等[3]对隧道入口段照明安全阈值评价方法进行了研究，发现亮度折减系数的倒数越小，洞内外亮度差越小，人眼瞳孔变化越小，并指出在此情况下视觉不需要过渡，便可以达到舒适无紧张感。

2014年颁布的JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》，将公路隧道分为入口段、过渡段、中间段和出口段4个内部照明段，作为新的照明设计标准，更新细化了分级调光[4]。但目前对于瞳孔调节大多是研究其安全阈值及达到某一瞳孔面积时反应灵敏度上存在的安全问题[5-8]，而进入隧道所产生的不良视觉反应是视觉的一种滞后现象，对其产生原因、如何抑制等问题并未有研究涉及。本文通过试验数据证明延迟滞后的存在，并对比分析稳定亮度条件下的瞳孔直径和变化亮度条件下的瞳孔直径，得到了“认知滞后”和“调节滞后”这2种滞后的出现条件，旨在为降低行车风险、提高隧道行车安全性及舒适性提供参考。

1 变化亮度下的人眼滞后特性

光感是人眼最直接的感受，进出隧道过程中，明显改变的光线环境会直接影响驾驶员的视觉特性[9-10]。人眼瞳孔是最重要的感光成像器官，光线着落于视网膜后通过视神经与大脑视皮层区域相连来成像并接受信息[11-12]，即目标出现后光进入眼睛着落于视网膜，传递给大脑进行信息处理，这一过程称为认知过程；大脑认知识别完成后对瞳孔发出信号调节瞳孔大小，通过控制进光量使人眼看清前方事物[13]，这一过程称为调节过程。人眼对于环境亮度十分敏感，需要随亮度变化来不断改变瞳孔大小，控制进光量。其原理类似于照相机的光圈，可以随光亮的强弱而增大和缩小，光线强烈的时候，把光圈开小一点，光线暗时则把光圈开大一点，始终让足够的光线通过光圈进入相机。该过程可以视为一种视觉功能的恢复过程，恢复期间，出现暂时的视觉功效低，无接收信息的能力，这就是“视觉滞后现象”[14-15]。驾驶员在行车过程中对事物信息的判断分析主要依赖视觉，在隧道入口视觉范围变窄，隧道出口视觉范围变宽，环境变暗等原因导致视觉信息量陡增，视觉信息负荷随之增加，大脑识别信息迟缓，调节迟缓，而视觉滞后造成驾驶员视觉模糊，甚至短暂失明，给行车带来极大的安全隐患。

为探寻“认知滞后”和“调节滞后”现象的发生机制，本文针对变化亮度环境条件下的人员瞳孔直径变化开展了室内模型试验研究。

2 室内模型试验

2.1 隧道洞内外亮度现场调研

本文首先开展了典型隧道的调研试验。典型隧道应具有代表性，需要涵盖常见类型的照明灯具和灯具布设等，因此选取包茂高速达州—西安段恒口隧道、狮子寨隧道、祝家渡隧道作为调研对象。利用光谱仪、亮度计等仪器，在天气晴朗、光线强烈的条件下测定隧洞内外的环境亮度。恒口隧道采用自然光照明，其余隧道采用灯具照明。测得的环境亮度与距洞口距离数据如表1所示，并作折线图，如图1所示。

表1 隧道距洞口距离的亮度

注： 以隧道洞口为0点，进洞方向为“+”，出洞方向为“-”。下同。

图1 隧道接近段、入口段亮度折线图

Fig. 1 Brightness line chart when driver approaches to tunnel and tunnel portal section

从图1可以看出，3个隧道的减光趋势只是符合亮度逐渐减小的变化趋势，并没有完全符合人眼亮度特性，这是因为存在明显的亮度差变化，而不是一个平缓渐变的过程。为了探寻人眼视觉特性随亮度变化后的具体数据，本文开展了基于瞳孔直径的视觉特性室内模拟试验。

2.2 室内隧道模型

通过调研和实车试验可知，车辆进出隧道时，行车环境亮度的变化速率是由行驶速度和洞内外亮度差决定的，行驶速度越快，变化速率越快。为准确模拟驾驶员在隧道行车过程中不断变化的亮度环境，首先建立了1∶10隧道模型，采用无级调光灯具，亮度变化范围为1～3 000 cd/m2。采用光谱辐射度计PR655进行亮度标定，眼部采集设备采用德国SMI ETG眼镜式眼动仪，采样频率可达30 Hz(双眼)，可满足试验精度需求。室内试验模型如图2所示。

图2 公路隧道照明模拟装置侧视图

试验需采集变化亮度条件下的瞳孔直径。室内模型试验设置条件： 利用可调节照明灯具模拟隧道内部照明的亮度，由亮度L最大值3 000 cd/m2减小至最小值1 cd/m2，其分别以0(初始瞳孔直径)、50、100、…、600 cd/m2·s的亮度变化速率逐次减小 ，模拟驾驶人由洞外亮环境进入隧道暗环境状态的过程(下文简称“明-暗”过程)；稳定30 s以上，待视觉完全适应，再由1 cd/m2逐级增加至3 000 cd/m2，模拟驶出隧道的过程(下文简称“暗-明”过程)。到此为一个完整的试验周期，被试者全程佩戴眼动仪。试验过程中测试员操控眼动仪数据采集软件，记录试验开始时间。

2.3 变化亮度条件下的瞳孔直径采集

车辆进入隧道为亮度逐渐缩减的过程，驶出隧道为亮度逐渐增加的过程。因此，按照室内模型试验设置的工况，使亮度变化速率S分别以0、50、100、…、600 cd/m2·s来变化，采集被试人员各工况下的瞳孔直径变化数据，结果如图3和图4所示。

在图3中，S较小时，瞳孔直径d都能够随亮度变化及时调节，但当S增至350 cd/m2·s和600 cd/m2·s时，曲线前端趋于水平，当L降到一定值以后，平均瞳孔直径才开始逐渐增大。同样，在图4中，出口段亮度变化速率约大于450 cd/m2·s 后，曲线前端逐渐趋于水平，瞳孔直径在亮度降到一定值后才开始变化。

综上，d与L呈反比，对比稳定亮度条件下的d，驾驶人在L逐渐变化的环境中瞳孔直径调节存在滞后，且随亮度变化速率增大，其越明显。在由明到暗S约为350 cd/m2·s和由暗到明S约为450 cd/m2·s时，瞳孔直径变化的滞后越为明显。

3 检验与数据分析

为了研究亮度变化条件下人眼瞳孔直径与亮度变化速率之间存在的规律，建立样本区间0～50、50～100、…、550～600 cd/m2·s，计算各样本内全亮度条件下瞳孔直径变化量的平均值作为样本平均数，用D表示，各区间瞳孔直径增量均值如表2所示。通过增量的比较可知，400～450 cd/m2·s明-暗和暗-明过程相较之前变化量都存在量级差异，进一步研究需要通过数理统计分析。该样本量较小，满足T检验使用条件，样本数据通过分位图示法(简称Q-Q图)验证。可知，在95%置信区间下并不背离正态分布规律，且基本符合正态分布规律，如图5所示。

3.1 T检验分析

根据上文D的大小情况，提取增量明显的样本做目标样本，通过T检验检验其与总体样本均数D0=0.102 930 1 mm是否存在显著差异，结果如表3所示。计算公式如下：

图3明-暗变化亮度环境下亮度-瞳孔直径折线图

Fig. 3 Line chart of pupil diameter with brightness under light-dark condition

图4 暗-明变化亮度照明环境下亮度-瞳孔直径折线图

式中：A为样本标准差，i=1,…，n；di为瞳孔直径样本，自由度df=n-1。

确定95%置信度的置信区间，明-暗(-0.134 048 90，-0.084 123 15)、暗-明(0.083 230 94 ，0.122 629 27)，自由度df为371，备择假设H1为真实的总体样本均值，在统计学上不等于目标样本的D值，零假设H0反之，检验水准α=0.05，计算t值并查阅界值表，得到对应的显著水平P值。若P<0.05，则接受H1、拒绝H0，即存在差异； 若P>0.05，反之。

由表3可看出,在明-暗样本区间为350～400 cd/m2·s时，P=0.231 5>0.05，所以可知其他区间都存在差异，且该结论有统计学意义。为得到更加准确的结论则需进一步研究，根据数据增量程度将目标样本进行分类划块形成新的目标样本，并以目标样本之前的样本均值作总体样本，减小总体样本量，用D1表示，再次检验，结果如表4所示。

表2明-暗和暗-明各区间瞳孔直径增量均值

Table 2 Mean values of pupil diameter increment of light-dark and dark-light sections

速率变化区间/(cd/m2·s)速率增量平均值D/mm明-暗暗-明0～50 -0.011 612 9030.001 290 32350～100-0.017 741 935-0.003 225 806100～1500.008 387 0970.003 225 806150～200-0.037 096 7740.015 483 871200～250-0.006 451 613-0.002 258 065250～300-0.021 612 903-0.007 741 935300～350-0.022 258 065-0.006 129 032350～400-0.093 870 9680.033 225 806400～450-0.659 032 2580.219 677 419450～500-0.155 483 8710.275 806 452500～550-0.163 870 9680.266 451 613550～600-0.128 387 0970.439 354 839

图5 分位图示法检验数据符合正态分布

表4 目标样本均值与其前半部分所有样本的均值差异性检验

由表4可知，样本区间为450～600 cd/m2·s时，样本均值接受H0，其他目标样本P<0.05，拒绝H0，接受H1,统计显著。因此，对于明-暗过程存在阈值350 cd/m2·s和400 cd/m2·s；对于暗-明过程存在阈值350、400、500 cd/m2·s。

3.2 滞后特性分析

对比分析后再统计瞳孔直径开始变化的时间，可得出各变化亮度条件下人眼的滞后时间，如表5所示。

在明-暗400 cd/m2·s≤S≤ 600 cd/m2·s和暗-明500 cd/m2·s≤S≤ 600 cd/m2·s情况下，当亮度达到预设最终亮度时，在明-暗S=400 cd/m2·s的情况以下，只出现“认知滞后”，而瞳孔调节在亮度减少约600 cd/m2后也能够贴合稳定亮度下的亮度瞳孔直径的曲线。但当S>450 cd/m2·s时，瞳孔直径的调节就无法及时随亮度变化；暗-明条件下，S=400 cd/m2·s和S>500 cd/m2·s时，瞳孔直径调节与明-暗过程情况相似。

综上所述，由2个原因造成滞后现象： 1)大脑对环境亮度变化认知迟钝并对瞳孔传输信息的滞后，为“认知滞后”； 2)大脑无法识别，同时瞳孔调节速率无法跟随亮度变化而造成的滞后，为“调节滞后”。明-暗情况下，“认知滞后”出现在S≥350 cd/m2·s时，“调节滞后”出现在S≥400 cd/m2·s时；暗-明情况下，“认知滞后”出现在S≥400 cd/m2·s时，“调节滞后”出现在S≥500 cd/m2·s时。只出现“认知滞后”时经大脑短暂停滞，待识别完成后瞳孔还是能够快速调节和适应的，“调节滞后”出现时反映出比前者更长的适应恢复过程，会产生严重后果。因此，在实际隧道照明过程中，可以通过灯光布置、无极调光或减光构筑物等方式抑制滞后现象。

表5 认知滞后延迟时间表

4 结论与讨论

本文以照明设计规范为基准，根据人眼瞳孔调节的生理机制，通过室内模拟试验，比对稳定亮度条件下和变化亮度条件下的人眼瞳孔直径曲线，主要结论如下：

1)当亮度变化速率S过大，出现“认知滞后”时，对行车安全有一定影响；出现“调节滞后”时，对行车安全存在严重影响。

2)进入隧道，S趋于350 cd/m2·s时出现“认知滞后”，当S增加到约400 cd/m2·s时，有明显的“调节滞后”趋势；驶出隧道，S趋于400 cd/m2·s时出现“认知滞后”，S增加到约500 cd/m2·s时有明显的“调节滞后”趋势。

3)为有效抑制滞后现象、提高行车安全，需要控制亮度变化速率。可采用通过减光设施延长驾驶人视觉适应时间、细化照明分级、无极调光等方法。

4)在隧道洞口段中参考以上结论，对于优化照明并抑制滞后特性、提高隧道行车安全性具有一定的作用。

本文通过室内模型试验的方法，重点研究了环境亮度变化情况下人眼视觉滞后现象的产生机制。实验室条件与隧道实际条件存在较大差异，下一步需结合隧道实际照明设施的应用和隧道实际情况进行研究，以便更好为隧道洞口段优化照明提供参考。