基于小目标视看距离的隧道照明安全性研究

胡治国，冯守中，冒卫星，刘立湘，戴 奇

(1.复旦大学工程与应用技术研究院超越照明研究所，上海 200433；2.安徽中益新材料科技有限公司，安徽 滁州 239500)

引言

近年来，我国的交通建设快速发展，取得了举世瞩目的建设成果。由于公路隧道充分利用了地下、山体等实体内部区域，具有克服地形障碍、缩短行车里程等优点[1]，被广泛应用于交通建设当中，成为公路交通系统中不可或缺的一部分。因为需要穿越实体，隧道空间在两侧和顶端都处于封闭状态，内部无法接收自然光照[2]。然而，隧道内外光环境的巨大差异以及内部单一的照明方式容易引起视觉疲劳、不适眩光、可视距离缩短等现象，从而造成隧道事故时有发生，且相较于露天道路更为严重[3,4]。研究人员对2001年至2017年全国内的121起隧道交通事故的统计结果表明，中长隧道中每起事故的平均死亡人数高达5.55人、平均受伤人数高达7.82人[5]。因此，隧道照明是否合理将直接关系到驾驶员的行车安全性与视觉舒适性[1,3]。充分掌握驾驶员在隧道空间内的视觉特点和视觉需求，针对性地对隧道照明安全性展开研究，基于合理的照明指标参数进行照明设计，将有利于提高隧道驾驶的安全性，减少交通事故的产生，进而更好地平衡驾驶安全与照明能耗之间的关系，对公路交通的发展产生积极作用。

1 隧道照明研究综述

1.1 驾驶员的视觉需求

研究表明，在道路行驶中，驾驶员超过80%的信息来自于视觉[3]，良好的照明对于隧道内部保持较高水平的视功能(即在潜意识下驾驶员能够持续获取保证驾驶安全的信息的能力[3])至关重要。对于一般道路照明，Rea等[6]的研究表明驾驶员的视觉功效将直接影响交通安全。与露天道路明显不同，隧道是仅在两端开口的半封闭管状空间[7]，尽管在隧道空间内可有效地避免因外部环境、自然天气等因素带来的视觉干扰，但由于缺乏自然光照，对照明则提出了更高的要求[8]。有研究表明，虽然隧道内的交通事故率明显低于露天道路，但事故一旦发生却比露天道路更为严重，而通过提高驾驶员的警觉性和视觉功效可以有效地减少交通事故的发生[4]。因此，隧道照明的首要目的，就是为驾驶员提供安全舒适的照明环境，并通过提高他们的视功能，提高隧道内行驶的安全性。

2002年，国际照明委员会(CIE)就视觉模型与视觉功效之间的关系展开了讨论，并发现视觉敏锐度(视力)和视觉功效之间存在明显的联系，这表明在一定条件下，可以通过与视觉功效相关的视觉任务来评估人眼的视觉敏锐度[7,9]。Eloholma等[10]基于对人眼视觉功效的相关实验研究，提出了中间视觉状态下的视觉效率优化响应模型(MOVE模型)，并通过进一步研究，提出了评估夜间驾驶行为视觉功效的三个子任务，分别是：“一个物体是否能被识别”、“物体能够多快被识别”以及“识别出这个物体具体是什么”。针对上述三个问题，分别与物体的识别阈值、识别的反应时间、以及目标的具体细节密切相关。而在道路交通行驶过程中，驾驶员承担了诸多的视觉任务，能否及时地发现路面上的障碍物是其中十分重要的一项[3]。

1.2 基于小目标视认反应时间的国内外相关研究

目前，关于隧道照明对驾驶员视觉功效的影响研究常常围绕着小目标能见度和驾驶员的反应时间来展开。北美照明工程学会(IES)在2000年提出的小目标能见度模型[11]，以固定距离下的小目标作为参照视看对象，从而评价不同照明环境下物体可见程度。He等[7]以视看小目标物体的反应时间和遗漏率作为评价指标，探讨了人眼在周边视域范围内的视觉适应对视觉功效的影响。Cengiz等[12]通过中间视觉亮度下小目标视看反应时间的研究，得到了小目标的位置、背景亮度、亮度均匀度等对驾驶员视觉功效的影响。杜峰等[13]通过对国内外公路隧道照明的相关研究展开调研，梳理并分析了基于可见度为基础的隧道照明设计方法研究进展，结果表明，我国目前对于隧道照明的研究重点聚焦于如暗适应曲线、反应时间、适应时间、察觉对比法等内容上，缺少对于小目标可见度的研究力度。

此外，既有研究中基于小目标可见度的研究方法可分为以下两类：1)在室内静态模拟实验条件下，将被试人员识别突然出现在电子屏幕上的小物体所需的反应时间作为参考标准，探究不同背景亮度、亮度对比度等照明指标对视觉功效的影响；2)在实际场景中，以固定位置处小物体的能见度作为评价指标，来评估不同照明条件是否达标，并通过改变照明条件探讨不同照明参数对小目标可见度的影响。然而，由于人眼的反应时间存在一定限度，通过照明手段提高反应时间的作用有限，并且对于固定距离上小目标可见度的研究，无法直接与实际驾驶情况中发现在未知位置处出现的障碍物的视看能力产生对应关系，此类研究对实际应用、提高驾驶安全的直接指导作用存在一定的局限。因此，十分有必要在实体隧道场景中，就隧道照明对驾驶员视看能力的影响展开研究，特别是不同隧道光环境对驾驶员发现未知小目标的最长可视距离的影响，进而可通过改善隧道中的人工照明环境，使驾驶员达到更长的视看距离，这将有利于驾驶员尽早地识别发现突发障碍物，并留有足够的反应时间来避免交通事故的发生，对隧道驾驶的安全性提升将会产生积极作用。

1.3 国内外规范现状

针对隧道照明，我国现行的行业标准JTG/ D70/2-01—2014 《公路隧道照明设计细则》[14]中对各类照明指标的规定参考了CIE对于隧道照明的推荐值[15]，主要关注道路表面亮度、亮度均匀度等基本光度学参数，而对于光环境的相关色温(Correlated Color Temperature, CCT)、显色性指数(Ra)等指标少有提及[2,16]。从工程应用角度，节能也是重要考虑的因素，故在实际实施中，工程师常按规范要求的低值对隧道照明进行设计。此外，有研究表明，照明的光谱也是影响视觉功效的重要因素[17]，而色温、显色性等指标与光谱能量分布(Spectrual Power Distribution, SPD)密切相关。同时，光谱亦会影响整体空间明亮程度的感知，例如相关研究表明，视觉感受明亮的办公空间更受偏爱，且人们的视觉功效更高[18]。Fotois等[19]对人行道上的障碍物视看研究结果也表明，相同照度下，不同光谱可有效地提高视觉功效。因此，对于半封闭的隧道空间，不同光谱带来的其内部空间整体明亮感的提升对于驾驶员的视觉功效同样可能存在积极作用。

综上所述，本文将以隧道空间内的驾驶安全性为首要目标，以未知距离的小目标物体视看发现率作为评价判断依据，围绕道路表面亮度、色温等照明指标，采用不同的参数组合展开一系列人因实验研究，并且在足尺搭建的隧道照明场地中展开实验，模拟实际应用场景，探讨不同隧道光环境对小目标最长可视距离的影响。

2 基于小目标视看的隧道照明实验

2.1 实验背景

本实验研究在安徽中益新材料科技有限公司的105 m足尺隧道空间中展开，如图1所示。考虑到规范中对隧道内不同区域的照明要求不同[14]，因此，将光环境相对稳定的隧道中间段作为本次实验研究的模拟空间。选用实验隧道内部的90 m区域作为主要场地，避开首尾段，这有利于避免因视觉适应、亮度不均匀(入口处与出口处)等因素对实验结果的干扰。

在隧道中行驶时，驾驶员的视线方向较为固定，主要集中在正前方，尽管车速对视域范围存在一定影响(即车速越大，可见辨识清晰的视域范围越小)，但由于隧道宽度有限，使得驾驶员视线前方的道路区域均位于人眼视野中心较小的视域范围内。此外，车速并不是影响驾驶员视看距离的首要要素，行车车速也难以在有限的隧道中精确控制，故本研究主要以静态实验为主，并排除如控制车速等因素对实验结果的干扰，以便控制变量，从而清晰地得到不同照明条件要素(道路表面亮度、色温等)对不确定位置上小目标视看距离的影响。

图1 实验场景：(a)实验隧道空间；(b)实验视看小物体；(c)实验1.5 m坐视高示意图Fig.1 Experimental scenes:(a) the experimental tunnel space;(b) small target;(c) the eye level of 1.5 m at sitting

2.2 实验场景设计

本研究涉及隧道光环境和实验视觉任务两部分的场景设计，具体如下。

2.2.1 光环境场景

各个实验场景的光环境，通过隧道内的两种色温(2 500 K和5 600 K)、两种功率(低功率和高功率)共4种LED灯具来实现，灯具以等间距对位交错的方式进行布置，如图1(a)、(b)所示。

1)道路表面亮度

JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》[14]中对隧道中间段的道路表面亮度规定在1.0～10 cd/m2之间。因此，本研究将实验道路表面亮度定为2.5 cd/m2、10 cd/m2和20 cd/m2三种。前两种分别对应人眼中间视觉和明视觉状态。而道路表面亮度为20 cd/m2的实验场景用以探讨比现有标准进一步提高亮度时，驾驶员对小物体视看距离会如何提升。

2)相关色温

基于常见色温范围，本研究选择了2 500 K、3 500 K、4 600 K和5 600 K四种色温，以探讨不同色温对驾驶员视看距离的影响。

根据以上光环境设计，将不同的表面亮度和色温进行组合，得到共8种隧道光环境实验场景，如表1所示，其中：

(1)以2 500 K和5 600 K为例，探讨此两种色温条件下，2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2三种道路表面亮度分别对驾驶员发现小物体的视看距离的影响；

(2)以道路表面亮度10 cd/m2为例，探讨2 500 K、3 500 K、4 600 K和5 600 K四种色温分别对驾驶员发现小物体的视看距离的影响。

通过辐射亮度计(JETI Spectraval-1511)和光谱照度计(EVERFINE SPIC-200)，对隧道内各段进行取点测量，实测结果如表1所示，四种实验待比较光谱如图2所示，各实测结果的平均值与设计值相近，且表面均匀度良好，均达到0.85以上；各个场景下，色温和光谱在隧道内各区域均保持一致，且显色性良好，均达到80以上。

表1 不同光环境实验场景参数统计表

图2 四种待比较的光谱能量分布：2 500 K，3 500 K，4 600 K以及5 600 KFig.2 Four spectral power distributions (SPDs) for comparison with CCTs of 2 500 K,3 500 K, 4 600 K and 5 600 K

2.2.2 视看任务场景

在驾驶过程中，及时地发现未知距离的障碍物是驾驶员所承担视觉任务中十分重要的一项[3]，可以通过与视觉功效相关的视觉任务来评估人眼的视觉敏锐度[7,9]。因此，本研究以不同距离上的小物体的识别视看作为视觉任务，模拟在道路行驶过程中驾驶员发现障碍物这一行为。

1)视看距离

考虑到充分利用105 m的有限隧道长度以及水泥路面上汽车制动距离的运动规律，我们设计了相应的实验视看距离。由表2可知，在不同反应时间下(0.2 ～ 1.0 s)，当初始速度位于60～ 120 km/h范围时，驾驶员从发现障碍物到做出反应再到车辆完全停止的制动距离约在20 ～ 100 m之间。同时，考虑到内部光线外溢以及外部环境干扰会造成实验隧道洞口附近道路表面亮度不均匀等现象，因此，选取实验隧道内部90 m区域进行实验，并将小物体的实验视看距离定在30 ～ 90 m之间，并以5 m为间距对其进行位置划分，得到共计12个视看距离，如图3(a)所示。

利用12 × 12 Latin Square 方阵模型，如图3(b)所示，将12个视看距离的视看顺序进行乱序处理，以此来防止因视看距离规律性变化(逐渐增加或减小)给被试带来的心理暗示。

2)视看高度

本实验将被试的视看高度定为1.5 m，以模拟驾驶员位于小轿车内的坐视高度，如图1(c)所示。

表2 不反应时间和初始速度下的制动距离统计表

图3 各组实验视看任务场景：(a)视看距离；(b)12 × 12 Latin square方阵模型Fig.3 (a)The sequence of different visual distances for each group;(b) the 12 × 12 Latin square matrix model

2.3 实验方案

通过模拟驾驶员在行驶过程中发现未知距离上的障碍物这一行为来研究光环境对可视距离的影响。由于灰色在各个光谱下无颜色倾向，我们以边长为5 cm的灰色立方体盒子作为视看对象，如图1(b)所示。被试在不知情的情况下，被要求短时间内(5 s)视看前方，寻找并发现在路面上摆放的小物体，并填写实验问卷。问卷上仅有“是否发现物体”这一种问题，每一次视看，被试均需要在短时间判断并填写一次问卷。实验结束后，通过统计学分析来消除被试个体差异所带来的实验误差，从而得到不同距离下小物体的发现概率。人因实验总共分为两轮，分别于2019年12月18日—21日和12月25日—28日期间进行，时间为每天18:00—21:30。

2.4 实验被试

在正式实验开始前，所有被试均通过色盲色弱以及视力检查，以确定无白内障、青光眼等相关眼部疾病，且双眼矫正后视力良好(达到一般驾驶员视力要求，即达到5分制视力表分数为4.9以上)。本次实验共招募了36名合格被试开展人因实验，其中男性25名，女性11名。由于人眼随着年龄的增长，会发生晶状体老化、视网膜黄斑病变等现象[3,20]，因此，本研究将36名被试以45岁为分界线，分为青年被试群体(45岁以下)和中老年被试群体(45岁以上)，其中青年被试为24名(平均年龄为31.3岁，16名男性，8名女性)，中老年被试群体为12名(平均年龄为51.6岁，9名男性，3名女性)。中老年被试群体中一名男性被试由于在两轮实验的间隔期间，眼部受伤，视力受到明显影响，故中途退出。36名被试划分为12组，每组3人，分组进行各个场景的视看。

2.5 实验流程

具体实验的操作流程设计如下：

1)被试经色盲色弱检查筛选和视力检查后进行分组，共12组，分别对应12种乱序的视看顺序；

2)实验操作者将隧道内照明灯具调整完毕，待灯具稳定后，等待被试前来进行实验；

3)每组3名被试居中坐于隧道内10 m处，坐在视线高度为1.5 m的座椅上，如图4所示，目视前方5 min以便适应隧道内光环境，等待实验开始，光环境适应期间实验操作者告知被试在实验过程中需要完成的视觉任务；

4)实验开始后，根据 Latin square方阵模型打乱的视看顺序对被试进行实验，每组被试视看12种顺序种的其中一种，如图3(a)所示；

5)实验过程中，同组中的三名被试被要求禁止交谈，并用挡板遮住视线，待实验人员将视看物体放置于第一个位置后，听从实验者指令将遮挡视线的挡板移开，以双眼目视看前方进行视看，在5 s内判断是否在道路上发现物体，并在问卷上进行记录；

6)待第一个位置视看完毕后，被试用挡板继续遮住视线，实验操作者将小物体放置于第二个位置，进行下一个位置的视看实验，以此类推，直到这种视看顺序下12个不同距离的摆放位置均看完为止；

7)实验过程中，在被试不知情的情况下，实验者将小物体放置于路面中线的偏左或偏右，如图4所示，以防止因固定视线方向上的物体摆放而产生的视觉记忆和心理暗示。

图4 隧道空间实验视看任务场景平面示意图Fig.4 A sketch of the visual-task experimental scene in tunnel space

3 实验结果

通过对36名被试进行实验后，将其在不同隧道光环境条件下，各个距离下视看小物体的发现率进行统计计算，根据心理物理学原理[3,20，21]，人眼的视觉响应呈S型非线性变化，且在量化时可采用典型的数学模型(如logistic function等)，故将实验数据通过Matlab(Matrix Laboratory 2019b)软件进行非线性拟合，得到小物体发现概率与视看距离的对应关系，如图5所示，纵坐标为发现率(%)，横坐标为视看距离，单位为米(m)。

3.1 最长可视距离的定义

根据人眼视觉特征，被试对于小物体视看的发现概率会随着距离的增加而减小，距离越近，发现的概率越大；距离越远，发现的概率越小。隧道照明的首要目的是要保证驾驶的安全性，所以将绝大多数被试所能看见的视看距离定义为最长可视距离较为合理。因此，本实验以90%的发现率作为评价指标，将最长可视距离定义为：在某一照明条件下，拟合曲线纵坐标(发现率)位于90%时，所对应横坐标的数值(视看距离)。

3.2 实验统计结果

24名青年被试群体不仅在数量上更具有统计意义，且不存在因眼部老化等生理现象而系统性地影响实验结果。该群体实验数据以及曲线拟合结果如图5所示。

1)在隧道内色温为2 500 K时，道路表面亮度为2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2的三种光环境得到的实验结果分别如图5(a)、(e)、(c)所示，三种光环境下通过拟合曲线得到的最长可视距离分别为：46.7 m、54.0 m和67.1m；

2)在隧道内色温为5 600 K时，道路表面亮度为2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2的三种光环境得到的实验结果分别如图5(b)、(f)、(d)所示，三种光环境下通过拟合曲线得到的最长可视距离分别为：43.3 m、61.6 m和67.5 m；

3)在隧道内道路表面亮度为10 cd/m2时，色温为3 500 K和4 600 K的两种光环境得到的实验结果分别如图5(g)、(h)所示，通过拟合曲线得到的最长可视距离分别为：56.9 m和57.5 m。

图5 各光环境下的最长可视距离：其中:(a)、(e)、(c)分别为2 500 K，2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2；(b)、(f)、(d)分别为5 600 K，2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2;(g)、(h)分别为10 cd/m2，3 500 K、4 600 K。采用四参数Logistic回归模型对数据进行拟合。Fig.5 Maximum detectable distance for different lighting environment: (a), (e), (c) corresponds to a road luminance of 2.5 cd/m2,10 cd/m2 and 20 cd/m2, respectively, at a CCT of 2 500 K; (b), (f), (d) corresponds to a road luminance of 2.5 cd/m2,10 cd/m2and 20 cd/m2, respectively, at a CCT of 5 600 K; (g), (h) corresponds to CCTs of 3 500 K and 4 600 K, respectively, at a road luminance of 10 cd/m2.Four parameter Logistic regression model was used to fit the data

4 数据分析与讨论

将青年被试群体和中老年被试群体的实验数据分别进行统计分析，在道路表面亮度和色温两个方面进行比较分析，以得到道路表面亮度和色温分别对视看距离的影响。通过统计学软件SPSS(Statistical Product and Service Solutions)对不同条件下的实验结果进行配对样本T检验，进行显著性差异计算，以便证明实验的有效性和科学性。对于配对检验的结果，以p值为主要依据，当p值小于0.05时，即为进行比较的二项结果存在显著性差异。实验数据以四参数Logistic回归模型(4-parameters logistic regression model)进行非线性拟合，如图5(a)～(h)所示，各个光环境下拟合曲线的决定系数R2均大于0.9以上(0.91～0.99)，拟合关系良好。

4.1 青年被试群体

(1)同一色温下，不同道路表面亮度对视看距离的影响。

如图6(a)所示，在隧道内色温为2 500 K，道路表面亮度分别为2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2时，道路表面亮度对青年被试发现物体视看距离的影响明显，随着亮度的升高而增高。对三种亮度条件下的实验数据进行配对检验发现，三种光环境下的实验结果均存在显著性差异(p< 0.05)。通过图5(a)、(e)、(c)可知，这三种条件下的最长可视距离分别为46.7 m、54.0 m和67.1m。若以汽车初始行驶速度为60 km/h为例，以接近人眼极限的反应时间0.2 s为参照，根据表2中的式(1)可知，在色温为2 500 K时，随着道路表面亮度从2.5 cd/m2增加到10 cd/m2或20 cd/m2，可为驾驶员避免交通事故分别多争取0.43 s和1.22 s的反应时间；同样地，若道路表面亮度从10 cd/m2增加到20 cd/m2，可为驾驶员避免交通事故多争取0.79 s的反应时间。

如图6(b)所示，在隧道内色温为5 600 K时，对道路表面亮度分别为2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2时的实验数据及拟合曲线进行比较发现：此色温下，道路表面亮度对发现物体视看距离的影响同样明显，并随着亮度的升高而增高。通过图5(b)、(f)、(d)可知，在这三种亮度下的最长可视距离分别为43.3 m、61.6 m和67.5 m。若以汽车行驶速度为60 km/h为例，以接近人眼极限的反应时间0.2 s为参照，根据表2的式(1)可知，在色温为5 600 K的情况下，随着道路表面亮度从2.5 cd/m2增加到10 cd/m2或 20 cd/m2时，可分别为驾驶员避免交通事故多争取1.10 s 或1.45 s的反应时间。此外，在此色温条件(5 600 K)下，道路表面亮度为10 cd/m2和20 cd/m2的实验数据，分别与2.5 cd/m2进行配对检验，结果表明均存在显著性差异(p< 0.05)。

综上所述，道路表面亮度的提升可以极大地改善隧道内的安全性，随着道路表面亮度的提升，驾驶员所达到的视看距离越远，从而为避免交通事故留有充足的反应时间。值得一提的是，当把隧道内道路表面亮度从目前《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014)[14]中规定的最高值10 cd/m2提升到20 cd/m2后，最长视看距离仍可有显著提升。因此，在交通事故多发隧道路段，可考虑设计道路表面亮度高于现有标准中推荐的范围。

(2)同一表面亮度下，不同色温对视看距离的影响。

如图7(a)所示，在道路表面亮度为10 cd/m2时，对色温分别为2 500 K、3 500 K、4 600 K、5 600 K的四个光环境场景下的实验结果和拟合曲线进行比较分析发现：此亮度条件下，不同色温对发现物体视看距离存在影响，随着色温的升高而略有提高。通过图5(e)、(f)、(g)、(h)可知，此亮度条件下，色温越高，通过拟合曲线得到的最长可视距离越大，分别为54.0 m、56.9 m、57.5 m、61.6 m。配对检验结果表明，尽管当相近色温2 500 K和3 500 K、4 600 K和5 600 K进行比较时，实验结果之间不存在显著性差异(分别为p=0.811 > 0.05，p=0.516>0.05)，但其余组合的配对检验，均显示不同色温下的实验结果在一定程度上存在显著性差异(p< 0.05)，这表明色温对驾驶员的视看距离存在影响。因此，基于上述结果，在较高亮度条件下(10 cd/m2)，采用高色温的光环境不仅能提高视看距离，也同样为驾驶员预留充足的反应时间，从而整体上提升隧道内的安全性。

若以汽车行驶速度为60 km/h为例，根据表2的式(1)可知，以接近人眼极限的反应时间0.2 s为参照，在道路表面亮度为10 cd/m2时，与色温为2 500 K的光环境相比，色温为5 600 K的光环境可为驾驶员多争取0.47 s的反应时间来避免交通事故的发生，如图7(b)所示，二者的实验结果也存在显著性差异(p=0.012 < 0.05)。由此可知，此亮度条件下，不同的色温对发现物体视看距离存在影响，高色温下视看距离更远。

此外，如图7(c)所示，在道路表面亮度为2.5 cd/m2时，色温分别为2 500 K和5 600 K的光环境场景下的实验结果同样存在显著差异(p=0.02 < 0.05)，但此亮度下的2种色温所得到的最长可视距离较为接近，均位于45 m左右范围内。同时，色温为2 500 K时在各个位置点上所对应的小物体发现率均高于5 600 K。这可能与中间视觉状态或不同色温下的视觉色彩饱和度有关[22]，需要通过后续研究对其进行进一步验证。

而如图7(d)所示，在道路表面亮度为20 cd/m2时，色温分别为2 500 K和5 600 K的光环境场景下的实验结果不存显著差异(p= 0.152 > 0.05)，且二者的拟合曲线也大致相近，并且求得的最长可视距离也较为接近，分别为67.1m和67.5 m。这可能是由于人眼的视觉响应存在一定范围[3,20，21]，当表面亮度达到一定程度后，色温对视看距离的影响不占主导或接近饱和。

综上所述，通过分析可得，色温对视看距离存在一定影响：在低亮度条件下(2.5 cd/m2)，色温为2 500 K较5 600 K可使驾驶员具有更远的视看距离；在较高亮度下(10 cd/m2)，色温为5 600 K较2 500 K有更远的最长可视距离；在高亮度下(20 cd/m2)，色温为2 500 K和5 600 K对视看距离的影响均无明显差异。

图7 青年被试在不同色温条件下的实验结果：(a)10 cd/m2下，四种色温对比；(b)、(c)、(d)分别为10 cd/m2、2.5 cd/m2、20 cd/m2下，2 500 K与5 600 K对比实验结果Fig.7 Results for young subjects at different CCTs：(a) comparison of 4 CCTs at 10 cd/m2；(b), (c), (d) corresponds to comparisons between 2 500 K and 5 600 K at road luminance of 10 cd/m2, 2.5 cd/m2 and 20 cd/m2, respectively

4.2 中老年被试群体

对11名中老年被试的数据进行统计分析，发现在同一色温下，不同道路表面亮度对中老年被试视看距离同样存在明显影响，如图8(a)、(d)所示。对道路表面亮度为10 cd/m2和20 cd/m2的实验数据进行配对检验时，发现在色温分别为2 500 K和5 600 K时，上述两种亮度下的实验结果均不存在显著性差异(p> 0.05)，这可能是因为人眼随着年龄的增长，光线在眼球内的散射增多，从而造成视觉阈值降低的现象[3,20]。

此外，与青年被试不同的是，同一道路表面亮度下，不同色温对中老年被试视看距离影响不明显。由图8(c)、(e)、(f)可知，在2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2三种道路表面亮度条件下，色温为2 500 K和5 600 K的实验数据进行配对检验发现，三种亮度条件下，2 500 K 和5 600 K的实验结果均不存在显著性差异(p> 0.05)。这可能与中老年被试因年龄增长、眼部老化对色温不敏感有关[19]。图8(b)表明，在道路表面亮度为10 cd/m2时，四种色温下的拟合曲线较为接近，不仅如此，各个色温之间的配对检验结果也显示不存在显著性差异(p> 0.05)，由此进一步说明了中老年被试视看距离受色温的影响不明显。

图8 中老年被试在不同条件下的实验结果:(a)、(d)分别为色温为2 500 K和5 600 K时，道路表面亮度为2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2的三种光环境之间对比实验结果；(b)、(c)、(e)、(f)为不同表面亮度下，不同色温光环境间的对比Fig.8 Results for mid-aged subjects at different conditions：(a), (d)comparison of 3 different road luminance levels at CCTs of 2 500 K and 5 600 K, respectively; (b)comparison of 4 CCTs at 10 cd/m2；(c), (e), (f) corresponds to comparisons between 2 500 K and 5 600 K at road luminance of 10 cd/m2, 2.5 cd/m2 and 20 cd/m2, respectively

值得注意的是，如图9所示，各个隧道光环境场景下，中老年被试与青年被试间视看距离均存在显著性差异(p< 0.05)，即发现物体的视看距离受年龄构成的影响较大：中老年群体具有更长的视看距离。这也与Fotois等[23]实验结果相符：通过对路面障碍物的探测实验发现，老年人所探测的临界高度大于年轻人，对于障碍物的探测受年龄的影响明显。

图9 青年被试与中老年被试在不同条件下的实验结果对比：(a)、(b)、(c)分别为色温为2 500 K时，道路表面亮度为2.5 cd/m2、20 cd/m2、10 cd/m2的三种光环境之间对比实验结果；(e)、(f)、(g)分别为色温为5 600 K时，道路表面亮度为2.5 cd/m2、20 cd/m2、10 cd/m2的三种光环境之间对比实验结果；(d)、(h)分别为色温为3 500 K和4 600 K时，道路表面亮度为10 cd/m2的对比试验结果Fig.9 Results for comparison between young and mid-aged subjects at different conditions: (a), (b), (c) corresponds to a road luminance of 2.5 cd/m2,20 cd/m2 and 10 cd/m2, respectively, at a CCT of 2 500 K; (e), (f), (g) corresponds to a road luminance of 2.5 cd/m2,10 cd/m2 and 20 cd/m2, respectively, at a CCT of 5 600 K; (d), (h) corresponds to CCTs of 3 500 K and 4 600 K, respectively, at a road luminance of 10 cd/m2

4.3 最长可视距离与道路表面亮度的关系

根据不同隧道光环境场景下的数据拟合曲线，可以得到视看距离与道路表面亮度、色温之间的关系：道路表面亮度对视看距离影响显著，色温对视看距离存在影响但不显著。根据实验结果，通过二次多项式拟合，可以得到在色温分别为2 500 K和5 600 K时，小物体最长可视距离和道路表面亮度的对应关系，如图10所示。

图10 最长可视距离拟合曲线：(a)青年被试;(b)中老年被试Fig.10 Curve fitting of maximum detectable distance vs. luminance of road for(a)young subjects; (b) mid-aged subjects

图10(a)表明，青年被试的最长可视距离随着表面亮度的增加而增加，且受色温影响明显，在2 500 K和 5 600 K时的拟合关系明显不同。而通过图10(b)可以发现，中老年被试的最长可视距离随着道路表面亮度的增加而增加，但受色温影响不明显，在2 500 K和 5 600 K时的拟合关系几乎相同。

5 实验结论

基于以上的实验结果与数据分析，可以得到以下结论：

1)隧道内最长可视距离受道路表面亮度影响显著。

同一色温下，不同的道路表面亮度对于发现物体的视看距离影响明显。最长可视距离随着亮度的增加而迅速增加。对于青年被试，在色温为2 500 K时，当道路表面亮度处于2.5 cd/m2～20 cd/m2范围，最长可视距离随着亮度的增加而持续增加；在色温为5 600 K时，当道路表面亮度处于2.5 cd/m2～10 cd/m2范围，最长可视距离随着亮度的增加而迅速增加，当道路表面亮度处于10 cd/m2～20 cd/m2范围时，最长可视距离随着亮度的增加增长趋缓。对于中老年被试，无论色温为2 500 K或5 600 K，在道路表面亮度处于2.5 cd/m2～20 cd/m2范围，最长可视距离均受到道路表面亮度的明显影响，随着亮度的增加而持续增加。因此，在某些交通事故频发的隧道路段，可采用高于现有标准中推荐范围的道路表面亮度。

(2)隧道照明色温对最长可视距离有一定影响，但具体影响程度受被试年龄、道路表面亮度等因素限制。

对于青年被试，在道路表面亮度较低的情况下(2.5 cd/m2)，色温为2 500 K较5 600 K可提供更远的视看距离；在较高亮度下(10 cd/m2)，最长可视距离随着色温提高而增加，色温为5 600 K较2 500 K可提供更远的最长可视距离；在高亮度下(20 cd/m2)，色温为2 500 K和5 600 K对视看距离的影响不存在明显差异。对于中老年被试，在低亮度(2.5 cd/m2)和高亮度(10 cd/m2和20 cd/m2)条件下，色温为2 500 K与5 600 K对视看距离的影响均无明显差异。因此，对于不同道路表面亮度要求的隧道区域，采用合适的色温可在一定程度提高视看距离，从而提高隧道行驶的安全性。

6 结语

隧道空间内驾驶安全和照明能耗间的平衡是研究人员持续关注的问题。通过本实验研究，给出了驾驶员对于障碍物的最长可视距离如何受到道路表面亮度、色温以及驾驶员年龄的影响。基于本研究可知，提高隧道路面亮度可有效提高驾驶人员的最长可视距离。特别是对于隧道内事故多发地段，在现有标准推荐的道路表面亮度基础上适度地再提高亮度可有效地增加最长可视距离，从而提高隧道行驶的安全性。对于45岁以下的青年人，在低亮度条件下(2.5 cd/m2)，低色温的隧道光环境(如2 500 K)可使其达到更远的视看距离；而在较高亮度条件下(10 cd/m2)，较高色温(如5 600 K)的隧道光环境可达到更远的最长可视距离。通过在不同亮度条件下采用合适的色温，可以在一定程度上提高驾驶员的最长可视距离，为驾驶员多争取反应时间，从而保证在能耗相同的前提下，增加驾驶员在隧道内行驶的安全性。因此，本研究通过隧道空间内道路表面亮度和照明色温对最长可视距离影响的相关实验，为提高驾驶安全性提供了隧道照明设计参考。