土木建筑与环境工程  2016, Vol. 38 Issue (4): 20-26   PDF    
考虑驾驶员视觉适应的公路隧道入口段亮度确定方法
胡英奎1,2, 陈仲林2, 张青文2, 翁季2, 黄珂2, 林勇2    
1. 重庆大学土木工程学院, 重庆 400045 ;
2. 重庆大学建筑城规学院, 重庆 400045
收稿日期：2016-03-15
基金项目：国家自然科学基金（51278507、50908240）
作者简介：胡英奎(1978-), 男, 博士, 主要从事交通照明研究, (E-mai)hyk@cqu.edu.cn。
摘要：驾驶员的视觉适应过程直接影响交通安全。为考虑驾驶员的视觉适应过程，在确定公路隧道入口段亮度时，通过实测得到驾驶员驾车进入隧道过程中的瞳孔大小变化数据，建立了描述驾驶员驾车进入隧道过程中瞳孔面积变化速率最大值与各相关参数之间关系的数学模型。以驾驶员不发生视觉障碍的瞳孔面积变化临界速率为基准，计算得到了驾驶员瞳孔面积变化达到临界速率时，隧道入口段的最低亮度，分析了隧道入口段所需最低亮度与洞外亮度之间的关系，通过回归分析建立了隧道入口段亮度与洞外亮度之间关系的数学模型，得到了考虑驾驶员视觉适应的公路隧道入口段亮度确定方法。
关键词：隧道照明    入口段亮度    适应亮度    视觉适应    瞳孔大小    
Tunnel threshold zone luminance determined method based on drivers' visual adaptation
Hu Yingkui1,2, Chen Zhonglin2, Zhang Qingwen2, Weng Ji2, Huang Ke2, Lin Yong2    
1. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China;
2. Faculty of Architecture and Urban Planning, Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China
Received: 2016-03-15
Foundation item: National Natural Science Foundation of China (No.51278507, 50908240)
Author brief: Hu Yingkui (1978-), PhD, main research interest: tunnel and road lighting, (E-mai)hyk@cqu.edu.cn.
Abstract: Drivers' visual adaptation influenced traffic safty. In order to consider drivers' visual adaptation directly when determine road tunnel threshold zone luminance, drives' pupil size data were measured when they driving into tunnels, and established a mathematical model to describe the relationship between the max speeds of drivers' pupil area changes and related parameters. The maximum speed of drivers' pupil size changes, which could ensure drivers' visual function, were confirmed as critical speeds. The minimum tunnel threshold zone luminance was calculated based on the critical speeds, the relationship between the minimum tunnel threshold zone luminance and corresponding access zone luminance were analyzed, a mathematical model was established to describe the relationship between tunnel threshold zone luminance and access zone luminance with regression method, tunnel threshold zone luminance determined method was proposed based on drivers' visual adaptation.
Key Words: tunnel lighting    threshold zone luminance    adaptation luminance    visual adaptation    pupil size    

由于驾驶员的适应亮度变化剧烈，公路隧道入口段附近是交通事故多发路段。采用科学的隧道入口段亮度确定方法，有利于合理确定隧道入口段的照明水平，进而在确保交通安全的前提下实现照明节能。

对于隧道入口段亮度的确定方法，国际照明委员会(CIE)在CIE 88—1990[1]中推荐采用k值法，在CIE 88:2004[2]提出采用察觉对比法；日本机动交通隧道照明标准(JIS Z 9116—1990)[3]中提出入口段亮度由接近段亮度和考虑设计速度的折减系数确定；欧盟隧道照明标准(CR 14380:2003 E)[4]中列出了L20法、考虑交通状况的L20法、光幕亮度法、空间和适应方法等4种确定隧道入口度亮度的方法；英国隧道照明设计规范(BS 5489—2:2003+A1：2008)[5]采用了CR 14380:2003 E[4]中的考虑交通状况的L20法；挪威[6]以洞外适应亮度为基础，考虑交通流量和行车速度确定隧道入口段亮度。中国《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ 026.1—1999)[7]采用k值法确定隧道入口段亮度，《公路隧道照明设计细则》[8]也继续采用该方法。杜志刚等[9]通过行车实验得到了隧道内距离进口x处的亮度值；胡松洁[10]提出了短隧道环境下入口段照明设置水平；殷颖[11-12]对比分析了k值法、SRN主观评价法和察觉对比法等3种隧道入口段亮度的方法；胡英奎等[13]对比分析了k值法和最小察觉对比法。从已有研究成果可以看出，虽然已对隧道入口段亮度确定方法开展了大量研究，但研究内容主要集中在k值法和察觉对比法上。从驾驶员的视觉特点和需求出发研究隧道入口段亮度，确保驾驶员在驾车进入隧道过程中不因光环境的剧烈变化发生视觉障碍，从而确保行车安全，是最直接的隧道入口段亮度确定的方法，而该方法还鲜有研究人员涉及。

笔者在前期研究驾驶员驾车接近隧道过程中适应亮度[14]和瞳孔大小[15]变化规律的基础上，根据实测得到的驾驶员驾车进入隧道过程中的瞳孔大小变化数据，提出了考虑驾驶员视觉适应的公路隧道入口段亮度确定方法。

1 光环境参数及驾驶员瞳孔大小测试

为了获得驾驶员驾车进入隧道过程中的瞳孔变化数据，2010年8月18日至20日，在福建省境内永武(永安—武平)高速公路上的龙井隧道、黄山岭隧道、石背角隧道和溪背山隧道对驾驶员驾车进入隧道过程的瞳孔变化及相应的光环境参数进行了测试。

1.1 测试的基本情况
1.1.1 测试对象

所测的4座隧道位于福建省境内永武高速公路上，测试时间8月份是当地日照最强的季节，测试的3天均为晴间多云天气。为了获得不同的洞外亮度，每天的测试分早晨(7:00—9:00)、中午(11:00—13:00)和傍晚(16:00—18:00)3个时段进行；为了获得不同的入口段亮度，测试过程中开启隧道入口段照明系统的不同回路。测试时，驾驶员头戴眼动仪头盔，尽量以隧道的设计速度(80 km/h)驾车进入隧道，用眼动仪记录驾驶员的瞳孔大小。用亮度计测量隧道洞外亮度和隧道入口段路面亮度。

1.1.2 测试车辆

考虑所用车辆的代表性和测试的方便性，测试选用永武高速公路路政管理部门的工作用车，即由东南三菱生产的三菱君阁(ZINGER)MPV商务车。测试用车车况良好，前挡风玻璃及前排车窗清洁无污染。

1.1.3 被测人员

考虑驾驶员的代表性及驾驶员对测试用车的车况和操作较熟悉的要求，选择了8名男性驾驶员作为被测人员，被测人员全部为永武高速公路的路政管理人员。被测人员的年龄在28~40岁，平均年龄33.4岁，所有被测人员均无色盲、色弱情况，校正视力均在5.0以上，为了眼动仪测试的方便，所有驾驶员都不佩戴眼镜(隐形眼镜除外)。

1.1.4 主要测试仪器和设备

用iView X HED眼动仪记录被测人员的瞳孔大小。眼动仪场景摄像机的采样频率为25 Hz，即每40 ms左右采集一帧图像，眼睛摄像机的采用频率为50 Hz，即每20 ms左右对眼睛采集一次数据。用LM-3瞄点式亮度计测量路面亮度和洞外景物亮度。用Canon EOS 50D数码相机对隧道洞口拍照，以记录隧道外驾驶员视野中的景物组成，与Canon EOS 50D数码相机搭配使用的镜头为Canon EF 17-40 mm f/4L USM。

1.2 测试方法和步骤
1.2.1 亮度测量

亮度测量包括隧道入口段亮度测量和洞外景物亮度测量。

1)隧道入口段亮度测量。路面测点参考CIE 88—1990[1]布置，测量点布置为3行3列，各测点处的路面亮度用LM-3瞄点式亮度计测量。在各隧道入口段布置测点后，将亮度计安放在距路面第一行测点100 m处的车道中央，测量时使用亮度计的最小视场角0.03°。

2)洞外景物亮度的测量。实测涉及到的隧道洞外景物主要包括路面、植被、天空、洞口、裸露的岩石、护壁等。洞外景物亮度测量采用LM-3瞄点式亮度计的最大视场角，即2°，且取至少3个不同位置的同种景物亮度的平均值作为该景物亮度的测量值。测量洞外亮度时，亮度计放置在距洞口一个安全停车距离处的行车道中心线上。由于天然光环境变化较快，隧道洞外景物亮度变化也较快。为了方便测量，对于一个隧道的一个测试时段仅测量一次洞外景物亮度，该时段的洞外亮度都以该次测量得到的洞外景物亮度为基础计算得到。

1.2.2 洞外景物拍照

对洞外景物拍照时，数码相机位于路面中心，相机镜头距路面的高度为1.5 m，相机镜头对准隧道口的中心位置，使用镜头的广角端对隧道洞口及其周围景物拍照。

1.2.3 瞳孔大小测量

驾驶员瞳孔大小的测量采用SMI iViewX HED眼动仪。测试开始前，让驾驶员将测试车正对隧道停在距隧道一段距离(一般距隧道口300 m以上)处。测试开始，车辆启动后应尽快将车速提高到隧道的设计行车速度80 km/h，并确保驾车到达距洞口一个停车距离(100 m)处时车速达到隧道的设计行车速度80 km/h左右，然后尽量使行车速度稳定在80 km/h，保持匀速行驶。车辆在行驶过程中不得变换车道。在车辆到达距隧道洞口一个安全停车距离前开始记录瞳孔数据，通过隧道的入口段后停止记录。每座隧道、每个时段有1~3名驾驶员驾车通过；根据具体情况，每名驾驶员在一个时段驾车通过一座隧道1~4次。

1.3 测试结果
1.3.1 隧道洞外亮度

为了隧道照明设计的方便，借用等效光幕亮度Lseq的概念表达驾驶员在距隧道洞口一个停车视距处的适应亮度，即采用了等效光幕亮度Lseq的计算方法，但测量计算等效光幕亮度Lseq时未考虑汽车挡风玻璃透射比和亮度的影响。用在距隧道洞口一个停车视距处测量得到的隧道洞外景物亮度和在距隧道洞口一个停车视距处所拍照片计算等效光幕亮度Lseq。

计算得到的各测试时段各隧道的等效光幕亮度Lseq见表 1。

表 1 各隧道等效光幕亮度亮度Lseq值 Table 1 Lseqvalues of tested tunnels

1.3.2 驾驶员瞳孔大小

测试共记录了8名驾驶员56人次驾车进入4座隧道的瞳孔变化数据。由于眼动仪校准不准确、眼动仪校准后头盔相对驾驶员的头部有运动等原因，造成测试记录的17人次的瞳孔变化无法用于数据分析，被判定为无效数据，测试得到了39人次有效瞳孔变化数据。图 1(a)是测试得到的一个驾驶员驾车进入其中一座隧道过程中的瞳孔大小变化曲线。为了便于分析驾驶员瞳孔大小变化规律，采用小波变换的方法对测试得到的原始数据进行降噪处理，图 1(b)是对图 1(a)所示数据通过小波变换降噪后的结果。

图 1 驾驶员瞳孔大小数据 Fig. 1 Drivers' pupil size

2 驾驶员的瞳孔面积变化速率

驾驶员驾车进入隧道的过程中适应亮度不断变化，驾驶员的瞳孔大小也随之不断变化。如果适应亮度变化过快，驾驶员的瞳孔大小变化达到正常视觉的临界速率仍无法适应环境亮度，则会造成视觉障碍，进而导致交通事故。为了保证在此过程中的行车安全，需要控制驾驶员瞳孔大小的变化速率在安全范围内。

2.1 驾驶员瞳孔面积变化速率的计算

实测中使用的眼动仪每隔约20 ms记录一次瞳孔大小，即，先记录下t时刻的瞳孔大小f(t)，经历Δt时间(约20 ms)后，记录下t+Δt时刻的瞳孔大小f(t+Δ)。由于眼动仪记录瞳孔大小的时间间隔Δt非常短，可以近似认为驾驶员在Δt时间内的瞳孔变化速率保持不变，则Δt时间内的瞳孔变化速率vp可以用式(1)计算得到。

vP=f(t+Δ)−f(t)Δt (1)

将测量得到的驾驶员瞳孔面积随时间变化的数据代入式(1)，即得到相应的瞳孔面积变化速率，图 1所示瞳孔大小变化过程的瞳孔面积变化速率如图 2所示。

图 2 驾驶员瞳孔面积变化速率 Fig. 2 Speeds of drivers' pupil area changes

2.2 驾驶员瞳孔面积变化速率的最大值

使驾驶员能产生正常视觉的瞳孔面积变化速率最大值称为瞳孔面积变化的临界速率，记为vpe。在驾驶员驾车进入隧道过程中，影响行车安全的是驾驶员瞳孔面积变化速率的最大值vpmax，如果vpmax超过了驾驶员瞳孔变化的临界速率vpe，驾驶员将形成视觉障碍而发生交通事故。

在驾驶员驾车进入隧道过程中，驾驶员瞳孔面积变化速率除受适应亮度变化的影响外，还受驾驶员瞳孔大小个体差异等因素的影响。分析发现，在其他条件一定的情况下，将驾驶员在距隧道洞口一个停车视距处的瞳孔大小Sp100、适应亮度Lseq及隧道入口段亮度Lth作为影响驾驶员瞳孔面积变化速率的主要因素。测试时已要求驾驶员在进入隧道接近段之前就将车速提高到隧道的设计行车速度80 km/h，并尽量保持该速度匀速进入隧道。测试中实际测到的行车速度v的最大值为86 km/h，最小值为76 km/h，对应的从隧道洞外100 m到洞内30 m所需行车时间分别为5.44、6.16 s，相差只有0.72 s。为了研究方便，将行车速度对驾驶员瞳孔大小变化带来的影响忽略不计，即未将行车速度作为影响驾驶员瞳孔大小变化的因素。

为了减小测试过程中可能产生的随机误差，在条件许可的情况下，对于相同的测试条件(同一测试时段、同一隧道、相同的洞外亮度Lseq和入口段亮度Lth)，同一位被测者可能进行了多次测试。在分析数据时将同一被测者在相同测试条件下得到的测试结果(vpmax、Sp100)取平均值。

为了得到驾驶员瞳孔面积变化最大值vpmax与其各影响因素(Sp100、Lseq、Lth)之间的关系，利用回归分析的方法建立vpmax与Sp100、Lseq、Lth之间数学关系式，如式(2)所示。

vpmax=a∙Sp100+b∙lnLth+c∙lnLseq+d (2)

式中：vpmax为驾驶员瞳孔面积变化速率的最大值，mm2/s；Sp100为驾驶员在距隧道洞口100 m处的瞳孔面积，mm2；Lseq为距隧道洞口100 m处的适应亮度，即隧道的洞外亮度，cd/m2；Lth为隧道入口段的路面亮度，cd/m2；a、b、c、d为系数。

利用实测得到的各变量的值对式(2)进行回归计算，计算结果见表 2。

表 2 驾驶员瞳孔面积变化速率最大值表达式拟合结果 Table 2 Fitting results of drivers' pupil area maximum change speed expression

从表 2所列结果可以看出，式(2)能比较准确地表达驾驶员驾车进入隧道过程中瞳孔面积变化速率最大值vpmax与驾驶员瞳孔大小Sp100、隧道洞外亮度Lseq及隧道入口段亮度Lth之间的关系。

3 隧道入口段亮度的确定
3.1 测试隧道入口段亮度的确定

式(2)描述了驾驶员驾车进入隧道过程中瞳孔面积变化最大速率vpmax与驾驶员在隧道洞外的瞳孔面积Sp100、隧道洞外亮度Lseq、隧道入口段亮度Lth之间的关系。式(2)可以改写为

Lth=exp(vpmax−a∙Sp100−c∙lnLseq−db) (3)

在已知驾驶员瞳孔面积变化最大速率vpmax、驾驶员在隧道洞外的瞳孔面积Sp100和隧道洞外亮度Lseq的情况下，可以按式(3)计算得到相应的隧道入口段亮度。驾驶员瞳孔面积变化的临界速率vpe是在保证驾驶员正常视觉功能的前提下所允许的瞳孔面积变化速率的最大值，如果将式(3)中的瞳孔面积变化最大速率vpmax取值为驾驶员瞳孔面积变化的临界速率vpe，则按式(3)计算得到的隧道入口段亮度Lth即为在特定的隧道洞外亮度条件下、确保该驾驶员不出现视觉障碍所允许的隧道入口段亮度的最小值。即，对于特定的驾驶员和特定的隧道洞外亮度，保证行车安全所需的隧道入口度亮度可以按照式(4)计算得到。

Lth=exp(vpe−a∙Sp100−c∙lnLseq−db) (4)

驾驶员瞳孔面积变化临界速率可以按式(5)计算得到[16]。

vpe=0.6715Sp100 (5)

将测量得到的Sp100和Lseq、计算得到的vpe及表 2所列参数a、b、c、d的取值代入式(4)，即可计算得到各隧道在各测试时段保证各驾驶员行车安全的入口段亮度。

为了减小测试产生的随机误差，提高测试精度，在条件许可的情况下，有的隧道在同一测试时段(对应同一个洞外亮度)进行了多次测试。根据对不同测试者的测试结果计算得到的同一隧道在同一时段的入口段亮度值不完全相同，即使是根据同一测试者的多次测试结果计算得到的同一隧道在同一时段的入口段亮度值也不完全相同，但根据不同测试结果计算得到的同一隧道在同一时段的入口度亮度值差别不大。如果以同一隧道在同一时段的多次测试的计算结果中最小的隧道入口段亮度值为准，则基于不同测试的计算结果相对误差最大值仅为11.97%，因此，可以近似认为根据同一隧道在同一时段的不同测试结果计算得到的隧道入口段亮度相同，即隧道入口段亮度与洞外亮度一一对应。为了描述隧道入口段亮度与洞外亮度之间的关系，对根据同一隧道在同一时段的多次测试结果计算得到的多个入口段亮度取平均值，将该平均值作为该隧道在该时段(对应一个特定的洞外亮度)的入口段亮度，计算得到的各隧道在各测试时段的隧道入口段亮度及与洞外亮度的对应关系见表 3。

表 3 测试隧道在测试时段入口段亮度的计算值 Table 3 Calculted threshold luminance of tested tunnel

3.2 隧道入口段亮度与洞外适应亮度的关系

表 3所列计算得到的隧道入口段亮度Lth与隧道洞外亮度Lseq之间的关系如图 4所示。

图 3 Lth与Lseq的关系散点图 Fig. 3 Scatter diagram of Lth to Lseq

从图 4可以看出，隧道入口段亮度Lth与隧道洞外亮度Lseq之间基本呈现出线性相关关系。建立线性函数模型来描述Lth与Lseq之间的关系，见式(6)。

Lth=p∙Lseq+q (6)

式中:p、q为系数。利用表 3中所列数据对式(6)进行拟合计算。拟合计算结果：p=0.62、q=4.88。式(6)即为

Lth=0.62Lseq+4.88 (7)

拟合计算的复相关系数R2=0.98，标准差SE=7.72。根据拟合结果计算得到的隧道入口段亮度与表 3中所列根据实测结果计算得到的隧道入口段亮度之间的相对误差见表 4。

表 4 拟合结果与实测结果之间的相对误差 Table 4 Relative error of fitting results to measured results

表 4中L′th为根据拟合结果计算得到隧道入口段亮度；E为拟合结果与实测数据之间的相对误差。从拟合计算的结果来看，式(7)能比较准确地表达表 3中所列Lth与Lseq之间的关系。从表 4可以看出，实测到的洞外亮度最小值为Lseq=6.9 cd/m2，与之对应的根据测试结果计算得到的隧道入口段亮度Lth=6.9 cd/m2，根据拟合结果计算得到的隧道入口段亮度L′th=9.2 cd/m2，该条件下的拟合结果与根据实测数据计算结果之间的相对误差达到了32.85%，是各隧道在各照明条件下拟合结果与实测计算结果之间相对误差的最大值。除此之外，其余拟合结果与根据实测数据计算结果的相对误差都在15%以内。分析最大误差产生的原因，应该与测试时洞外亮度和隧道入口段亮度都比较低有关，测试过程中产生比较小的绝对误差，对比较低的亮度条件计算都可能产生比较大的相对误差。从其对隧道照明设计的影响来看，仅有测试的最低亮度条件下产生了较大的误差，其余测试条件下的误差都在15%以内，说明用式(7)描述Lth与Lseq之间的关系时，仅在低亮度条件下可能产生较大误差，在其余亮度条件下的计算结果基本都能满足隧道照明设计的精度要求。CIE 88:2004建议[12]，在隧道照明设计过程中计算隧道洞外亮度时，采用每年至少出现75 h的最大景物亮度作为计算基础，即在隧道照明设计时考虑的是相对较高的景物亮度，不会出现Lseq=6.9 cd/m2的情况。从这个角度来看，表 4中出现的最大误差条件不会在隧道照明设计的实践中出现，式(7)表达的隧道入口段亮度Lth与洞外亮度Lseq之间的关系能满足隧道照明设计的精度要求。

需要说明的是，用来描述隧道入口段亮度Lth与洞外亮度Lseq之间函数关系的式(7)是在行车速度为80 km/h左右的测试条件下得到的。由于驾驶员瞳孔面积变化速率最大值除了受数据分析过程中已经考虑的驾驶员在隧道洞外的瞳孔面积Sp100、隧道洞外亮度Lseq、隧道入口段亮度Lth等变量的影响外，还受行车速度的影响。因此，式(7)成立的前提条件是行车速度为80 km/h左右，即式(7)仅适用于设计行车速度为80 km/h左右的隧道照明设计。

4 结论

通过实测得到了驾驶员驾车进入隧道过程中瞳孔面积变化速率的最大值，在此基础上分建立了描述驾驶员驾车进入隧道过程中瞳孔面积变化速率最大值与各相关参数之间关系的数学模型。用驾驶员不发生视觉障碍的瞳孔面积变化临界速率为基准，计算得到了驾驶员瞳孔面积变化达到临界速率时隧道入口段的最低亮度。分析隧道入口段亮度与洞外亮度之间的关系，用回归分析的方法建立了隧道入口段亮度与洞外亮度之间关系的数学模型。该方法即为根据驾驶员视觉适应确定隧道入口段亮度的方法。

由于实测条件的限制，仅对设计行车速度为80 km/h的隧道进行了实测，实测的行车速度也都在80 km/h左右，在隧道入口段亮度计算模型建立过程中，无法将行车速度作为变量考虑。但已有研究表明，行车速度是决定隧道入口段亮度的关键参数之一。因此，建立的隧道入口段亮度计算模型仅适用于设计行车速度为80 km/h左右的公路隧道。对于其他不同设计行车速度的公路隧道，还需要进行相应的实测分析，才能建立其入口段亮度计算模型。

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