浅议基于人因工程学的城市道路照明评价体系研究

陈 荃，臧 锋

(南京城市照明建设运营集团有限公司，南京 210019)

引言

目前我国道路照明领域施行的是《城市道路照明设计标准》(CJJ 45—2015)[1]，此标准契合了当时的经济发展及城市建设水平，满足了安全可靠、技术先进、经济合理、节省能源、维修方便等原则，对于城市新建、扩建和改建的道路及与道路相联系的特殊场所的照明设计起到了良好的指导作用。但随着城市建设的不断发展和人民生活水平的大幅提高，人们对道路照明质量的要求越来越高，满足关键指标参数是远远不够的，更要考虑多方面的综合影响。同时，以LED为代表的新型光源的出现及在道路照明领域里广泛的应用，更加暴露出现行道路照明设计规范存在缺陷，其滞后于工程、产品的应用现状，导致新型照明设施的照明质量难以得到准确的评价。

1 城市道路照明评价体系提升的目的与意义

1.1 更全面地对照明质量进行评价

人从外界接收到的各种信息中80%以上是通过视觉获得的，良好的道路照明环境有助于驾驶员及时获得有效准确的视觉信息并迅速做出判断，避免因视觉信息不足诱发危险。因此，现行的国内外城市道路照明标准都是基于CIE颁布的“明视觉的光谱光视效率函数”来计算和测量。而随着对光照非视觉生物效应领域研究的逐步深入，现阶段研究成果表明，光照也通过非视觉作用于人的生物节律系统、认知功效、警觉度、情绪、疲劳、睡眠等方面。可以推断，在夜间道路照明环境下，随着时间的累积，道路照明诱发的非视觉效应同样将对驾驶人产生相应的影响。光照的非视觉效应同样是构成驾驶安全的重要影响因素之一。

如想更全面地对照明质量进行评价，需要建立一个全新的框架体系。将原来单一的视觉功效评价逐步过渡到视觉效应和非视觉效应的双重评价，前者注重视觉功能性，后者则与人体健康密切相关。

1.2 更有效地提升道路节能设计

面对“双碳”大考，城市照明行业亟需调整发展逻辑，避免能耗双控简单化处理和“一刀切”问题，在守住民生为本的前提下提高能源使用效率，实现可持续发展是非常关键的一环。最新的各项研究都表明，夜间道路照明环境的亮度属于中间视觉范围(0.001～3 cd/m2)。在中间视觉条件下，人眼的空间分辨率、对比识别力、立体深度感知、适应性调节反应和反应速度等视觉能力与明视觉条件下完全不同。真正从道路照明的实际使用环境出发，提出一种基于中间视觉系统的道路照明评价方法非常有利于道路照明的节能设计。

1.3 为智慧照明提供有效的理论支撑

智慧照明作为智慧城市的关键构成部分，可以依托路灯资源的能力结构和条件禀赋对包含民生工程、自然环境、信息安全等领域的多元要求作出智能化回应和管理决策。智慧照明首先将实现按需用光，即通过前端计算、人工智能、大数据技术的有机整合，实现道路照明设施“自主识别、自主判断、自主处置”。若研究者能从人因工程学视角出发，结合用户的真正需求，通过严谨而科学的方法整合现有理论和模型，可以为研制“智慧用光”道路照明系统提供有效的理论支撑，更可以充分利用现代照明技术的优势，加快创设和研发因时、因地和因人而异的智能化照明模式和相关硬件、软件产品。

2 基于人因工程学的城市道路照明评价体系研究方案

2.1 基于人因工程学的照明领域研究现状

人因工程(Human Factors Engineering，HFE)是研究人、机器、环境相互影响及作用的一门综合性交叉学科，运用多种理论与方法，目的是使机器系统和工作环境的设计满足人的生理、心理特性，从而达到高效、安全、健康的工作与生活需求[2]。人因工程学强调协调“人—因—环境”三要素之间的关系，达到安全、稳定、高效的目的[3]。在照明领域，国内外研究者在人因设计方面进行了大量研究与实践。尤其是近年来，随着LED照明及智能控制技术的高速发展和光健康理念的不断更新与完善，人因照明研究得到了长足发展[4]。从最初的调光调色应用，发展到多维度人因照明，研究方向逐步从对人能力和极限的可用性研究扩展到全面关注人生理和情绪等各项需求的健康性研究，研究应用领域逐步从工业产品设计扩展到人居环境建设中的方方面面，并且可以用人因指数(Human Centric Index，HCI)来定量刻画同类产品不同的人因相对性能。

2.2 基于人因工程学的城市道路照明评价体系研究思路

2.2.1 城市道路照明条件下(驾驶)人的视觉认知特性和视觉功效研究

从机动车交通道路使用者角度出发，道路照明的主要目的是长时间为驾驶员提供足够的视觉可靠性，即驾驶员为了安全地控制汽车，对呈现在眼前的部分视觉信息进行处理的一种下意识能力[5]。目前，针对视觉效果与感受的光环境质量评价方法主要为基于主观心理满意度的评价方法，通常以问卷的形式，要求驾驶员依据心理主观感受对光环境的效果进行量化评价。该类方法易受个体差异和问卷设计的影响。

驾驶员的视觉可靠性主要取决于其视场内察觉细微变化的能力，即保证驾驶员具有良好的视觉工效。视觉可靠性包含两个方面：视功能和视觉舒适。视功能是指驾驶员在视野中看清物体及其变化的功能，即视觉的生理作用是否处于正常状态。视觉舒适是指在道路照明产生的视觉环境中，驾驶员在心理上是否感到舒适[6]。

本研究首先搭建专业的人因照明实验室，配备虚拟驾驶实验平台和道路照明模拟系统(图1、图2)；其次邀请20名被试开展光诱导模拟驾驶实验，深入探究不同光色、照度、显色指数等照明参数下驾驶人的表现行为；进而分析、总结不同的照明参量对(驾驶)人视觉感知的影响规律，确定符合(驾驶)人视觉感知特性和视觉工效的评价指标及边际阈值。

图1 人因照明实验室实景Fig.1 Human factors lighting laboratory

2.2.2 城市道路照明非视觉效应与(驾驶)人精神负荷间关系研究

2002年，美国Brown大学的Berson等发现了哺乳动物视网膜的第三类感光细胞——视网膜特化感光神经节细胞(intrinsically photosensitive Retinal Ganglion Cell，ipRGC)，这类感光细胞能参与调节许多人体非视觉生物效应，包括人体生命体征的变化、激素的分泌和兴奋程度[7]。后续的相关研究表明，人类的生物节律和认知表现都受光环境的影响，无论是来自自然界的太阳光，亦或是人造光源，都会引起人体一系列生理节律反应。照度、色温、光谱、曝光时间、曝光时长等光照因素均会对人产生非视觉效应，并对人的睡眠情况、工作效率、警觉性、血压、心率等生理心理指标产生影响。

同样，在夜间道路照明环境下，随着时间的累积，道路照明诱发的非视觉效应将对驾驶人产生相应的影响，使驾驶员的认知与信息处理能力下降、产生疲劳等，而这种不良的精神负荷水平状态是造成驾驶人出错、行为表现较差的关键影响因素。因此，光照的非视觉效应也非常值得关注。

目前国内外该类研究还在少数，且国内研究中的对象局限于隧道这一特殊路段的照明环境。本研究将创新性地以非视觉生物效应的相关研究理论与成果为研究基础，利用专业的人因照明实验室进行城市道路照明领域专项研究，借助虚拟驾驶平台模拟夜间道路驾驶，综合运用主观量表评价和脑电图(Electroencephalography，EGG)客观生理数据测量的主客观相对照的方法，评估道路照明中照度水平、色温、显色指数等参数对(驾驶)人在驾驶作业情况下情绪和节律产生的多因素叠加作用，探究夜间不同的道路照明光环境对(驾驶)人精神负荷的具体影响及作用规律，为丰富完善道路照明评价体系奠定基础。

2.2.3 以(驾驶)人为中心的道路照明评价模型构建

在整个人—车—环境系统中，驾驶者作为系统主体，其生理、心理状态将在很大程度上影响其决策与行为，进而影响驾驶安全[8]。因此，本研究将“以人为中心”，结合现阶段道路照明与驾驶安全的研究现状，充分考虑前两部分试验结果，分别提取基于(驾驶)人的视觉认知特性和视觉工效，以及非视觉效应的人因效能影响因子和评价指标；对应建立起视觉工效综合评价指数和预测模型及非视觉效应综合评价指数和预测模型；以此两部分预测模型为基础，构建起以(驾驶)人为中心的道路照明评价指数和预测模型，提升道路照明环境的安全性、舒适性与高效性。

2.3 后续工作安排

根据人因工程学的要求，良好的道路照明需全面满足人—照明系统—环境的需求，除了将光源特性(色温、光效等)和人的视觉感知、心理、生理舒适度纳入道路照明设计与应用的全过程中，还需综合考虑照明系统的安全、稳定及自然环境等因素，并以此建立道路照明综合评价体系。

后续的工作将依据此前的研究结果，充分结合现有的照明评价体系，基于科学性与实用性原则、整体性与层次性原则、主成分性与独立性原则、灵活性与可操作性原则、定性分析与定量计算相结合原则建立一个从视觉功效、视觉舒适性、非视觉效应、安全性、节能性等多角度的道路照明综合评价体系，积极探索道路照明人性化、智能化、高效化的发展新方向。

3 结语

新时代的城市道路照明建设作为城市建设的重要一环，应坚持以夜间公众需求和诉求为根本，对城市道路照明设计展开更为综合而全面的评价研究。本研究期望能够将人因工程学为理论基础，将目标导向和问题导向相统一，采用主客观相结合的综合评价方法，从视觉工效、视觉舒适性、驾驶员的生理和感知以及认知特性、安全性、节能性、环境友好性等多元角度出发，积极探索以人为本的照明技术应用实践。