公路隧道照明环境下中老年驾驶员视觉特征研究综述

王新鑫，蔡贤云，刘银露，贾璐熙，马翔宇，徐小雯

（重庆交通大学 建筑与城市规划学院，重庆400074）

公路隧道照明的目的是为驾驶员提供良好的视觉环境并保障交通安全，驾驶员从公路隧道外进入隧道内的视觉暗适应过程中会出现视觉滞后现象，因此，公路隧道照明设计必须充分考虑驾驶员的视觉特征［1］。但是，现有公路隧道照明质量评价体系没有针对不同年龄段驾驶员视觉特征的相关研究。随着年龄增长，驾驶员视觉能力逐渐减弱，对视觉信号反应时间增加［2］，对公路隧道内安全行车所需光环境要求更高。因此，构建基于不同年龄段驾驶员视觉特征的隧道照明质量评价体系，有利于确保公路隧道照明满足安全、舒适、节能的要求。

随着年龄增长眼睛对视觉信号的对比敏感度明显降低［3］，40岁视力开始功能性减退［4］，40岁之后人眼的对比度视力CVA（Contrast Visual Acuity）显著下降［5］。借鉴联合国教科文组织、世界卫生组织对年龄段的划分依据，将40岁及以上的驾驶员定义为中老年驾驶员。研究表明，随着年龄的增长，驾驶员的中间视觉敏锐度降低，眩光敏感度增加［6］，不同年龄段驾驶员的视觉差异 （视觉生理、心理特征等）会对行车安全产生直接的影响［7］。因此，相比年轻驾驶员，中老年驾驶员在通过光环境更为复杂的公路隧道时，视觉特征存在明显差异，例如：瞳孔收缩程度降低，人眼暗适应速度明显下降，对刺激物细节的分辨能力逐步降低。《中国交通事故概况研究报告》指出，中老年驾驶员驾车导致的死亡人数占驾驶员驾车导致死亡总人数的57.16%［8］。统计数据表明，截至2019年，40岁以上人群占全国总人口的49.26%［9］。2020年全国共有汽车驾驶员4.56亿人，36～60岁的驾驶员2.36亿人，占51.84%；60岁以上的驾驶员1 641.6万人［10］，相较2019年增长420.6万人。由此可见，随着人口老龄化越来越严重，中老年驾驶员的数量必将大幅度增加，依据中老年驾驶员的视觉特征研究公路隧道照明的相关问题，对于提升隧道照明质量具有现实意义。

1 中老年驾驶员的视觉特征

韦伯-费希勒定律表明，要准确评价驾驶员在公路隧道内的主观感受，需要讨论人眼对光刺激量的反应程度。卓艳冲［11］依据心率指标研究了城市公路隧道内驾驶员的心理特征，驾驶员进入隧道洞口时 （视觉暗适应）心率比驶出隧道口时 （视觉明适应）增加了32.4%。居家奇［12］指出低照度彩光照明不能引起中老年人心率的变化，但是能引起年轻人心率的显著变化。陈尧东等［13］从视觉系统衰退的角度，探讨了老年人对不同对比度颜色的识别能力。光源光谱能量分布很大程度上也影响人眼的视觉敏感性［14］，郝洛西等从障碍物探测［15］和主观评价［16］等方面研究了LED光源的光谱能量分布对视觉作业的影响作用。

驾驶员的视觉能力可以根据视觉作业的精确度与速度通过视觉功效评价，视觉生理与视觉心理均影响视觉功效［17］。人眼瞳孔的变化是研究视觉功效的重要指标，当隧道内的亮度环境相同时，瞳孔大小直接决定了人眼的视觉功效［18］，瞳孔直径则与人眼视认目标物细节的能力相关［19］。随着年龄的增长，瞳孔变小，瞳孔直径从20岁时的7.5 mm减小至85岁时的4.8 mm［20］。而瞳孔收缩程度与人的生理 （年龄）、心理等因素有关［21］。

动态视力直接决定驾驶员的视野和视认距离，动态视力受年龄、公路隧道照明条件、行车速度等因素影响［22］。道路和隧道照明中有关视觉适应、视觉功效的研究对实验样本的视力有严格要求，而人的视力通常从40～50岁开始下降，39岁以下人群中视力达到1.2的占80%，40～50岁人群中视力能达到1.2的比例下降到60%［23］。驾驶员从公路隧道外进入隧道内的视觉暗适应过程中会出现视觉滞后现象。医学研究则表明，年龄每增加13岁人眼的暗适应速度下降0.3个单位，即目标亮度必须增加2倍才能被看到。中老年人常见的眼科疾病 （如老年性黄斑病变ARM多见于45岁以上群体），会影响人眼暗适应的灵敏度［20］。由此可见，随着年龄的增长，驾驶员的暗适应过程会发生很大变化。另外，40岁之后人眼对刺激物细节的分辨能力逐渐降低［24］，45岁前后人眼晶状体的适应性变化程度下降，人眼聚焦于近、中距离物体时的视看能力降低［25－26］。这些因素都会影响驾驶员察觉公路隧道内障碍物的能力。

隧道照明条件下不同年龄段驾驶员的视觉特征差异，会对公路隧道内的行车安全产生直接的影响 （如行车速度的变化、察觉障碍物的能力等）［7，27］。在道路照明和隧道照明中，驾驶员视觉特征 （视觉生理与心理）的差异体现为视觉功效上的差异，不同照明环境下驾驶员的视觉功效可以用反应时间来衡量［28］。研究表明，随着年龄增长，驾驶员视觉能力逐渐减弱，对视觉信号反应时间增加［2］，对公路隧道内安全行车所需光环境要求更高。由此可见，中老年人的视觉特征对驾驶员察觉障碍物的能力、公路隧道光环境等均提出了更高要求。

美国道路照明设计标准 （RP－8－00）于2000年引入小目标可见度评价指标［29］，2004年国际照明委员会 （CIE）将察觉对比法中的对比显示系数（contrast revealing coefficient）作为评价公路隧道照明质量的指标［30］。小目标可见度可以评价驾驶员辨认障碍物的清晰程度，与交通事故发生率之间有很强的相关性［31］。小目标可见度与人眼的适应亮度水平有关，其核心参数为阈限亮度差。基于公路隧道光环境特征、视觉适应理论和对比显示系数相关研究［30］，Weng等［32］人提出了对比显示系数阈值 （threshold value of contrast revealing coefficient）的概念。对比显示系数阈值是驾驶员恰好能察觉到小目标物时亮度对比度的临界状态，是对比显示系数的临界值，当对比显示系数不低于对比显示系数阈值时，驾驶员能辨认小目标物，从而确保公路隧道内的行车安全。阈限亮度差和对比显示系数阈值取值与年龄密切相关。

2 中老年驾驶员视觉特征下的阈限亮度差

Box等人研究发现，驾驶员在道路上能否察觉障碍物与可见度水平STV值有关，Keck［31］指出，路面平均亮度与交通事故发生概率之间并不能建立直接关系，但可见度水平STV值与交通事故概率在统计学上具有显著相关性，可见度水平与交通事故发生概率之间的关系呈 “U”形曲线。现阶段公路隧道照明中关于小目标可见度的研究相对较少，因此，借鉴道路照明中可见度的研究思路探讨隧道光环境下的小目标可见度和对比显示系数阈值。

陈仲林等［33］指出，公路隧道照明察觉对比法中的对比显示系数仅与客观物理量 （亮度和照度）有关，而与驾驶员通过隧道时的视觉生理心理特征无关，因此，建议采用察觉对比显示系数qcp反映视觉适应情况。依据朗伯定律、对比显示系数定义［34］和公路隧道照明相关研究［35］，建立对比显示系数阈值与阈限亮度差之间的关系［32］。在此基础上，蔡贤云等［36］设计了对比显示系数阈值的实验方案，并探讨了20～30岁实验样本的对比显示系数阈值取值情况［37］。

公路隧道光环境下小目标可见度和对比显示系数阈值的研究基础均为阈限亮度差，阈限亮度差又与阈限亮度对比 （threshold contrast）直接相关。依据定值刺激法，Blackwell［38］历时两年半得到了年轻女性（19～26岁）视觉特征下的阈限亮度对比和阈限亮度差，实验研究中并未明确所选光源的类型及色温情况。CIE研究报告指出，人眼的视觉能力与年龄之间并非单纯的线形关系。基于20～30岁的实验样本数据［39］，CIE推荐了背景亮度和阈限亮度对比之间的数学模型［40－41］。Adrian［42－43］通过调整法研究阈限亮度差，同时考虑年龄因素确定了小目标可见度的计算模型，但以10岁的年龄间隔对实验样本进行分组并无明确的依据，实验中所选光源的类型及色温情况也未明确。基于Adrian的计算模型，北美照明工程学会（IESNA）确立了道路照明中阈限亮度差与视角、人眼适应水平之间的关系［29］。翁季等［44－45］研究道路照明条件下20～30岁实验样本的阈限亮度对比，并且借助Adrian的公式修正了60岁驾驶员的阈限亮度差。该研究采用的光源类型与色温条件未知，同时年龄修正的条件 （60岁）与阈限亮度差实验条件 （20～30岁）存在差别。

前期研究借助虚拟现实技术已经得到了公路隧道光环境下 （采用6 500 K的LED光源）20～30岁人群的阈限亮度差、对比显示系数阈值［32］和对比显示系数最优值［28］。研究表明，显色性高的光源对隧道内小目标可见度具有补偿作用［46］。李福生［47］依据25～30岁人群的实验数据建立了道路照明下的阈限亮度差光源光谱修正模型，该模型能预测光源光谱对小目标可见度的影响程度，日本学者则通过实验室实验探讨了汽车前照灯对小目标可见度的影响作用［48］。上述光源光谱、显色指数和汽车前照灯影响作用的研究，均可以借鉴到基于中老年驾驶员视觉特征的小目标可见度及阈限亮度差的研究部分。

3 结论

随着年龄增长，人眼对视觉信号的对比敏感度明显降低，40岁之后人眼的对比度视力CVA显著下降。当隧道内亮度环境相同时，瞳孔大小直接决定了人眼的视觉功效，随着年龄增长人眼瞳孔变小，瞳孔直径从20岁时的7.5 mm减小至85岁时的4.8 mm。年龄每增加13岁人眼的暗适应速度下降0.3个单位，即目标亮度必须增加2倍才能被看到。而随着年龄增长，驾驶员视觉能力逐渐减弱，对视觉信号反应时间增加，对公路隧道内安全行车所需光环境要求更高。因此，基于中老年驾驶员的视觉特征研究公路隧道照明相关问题，能补充完善现有隧道照明质量评价体系，提升隧道照明质量，优化隧道照明设计方法，对现有隧道照明规范的修订提出新的理论和具体技术方案。