基于生理和心理效應的公路隧道入口段照明質量檢測方法*

張青文 涂 耘 胡英奎 翁 季 陳建中 黃 珂

(1.重慶大學山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045;2.重慶交通科研設計院，重慶 400067)

1 引言

世界各國的公路隧道照明設計標準，均采用路面的平均亮度、照度、亮度均勻度或照度均勻度作為主要設計參數。盡管亮度和照度引入了國際平均眼的V(λ)函數，即光譜光視效率函數，能在一定程度上反映人眼的視覺生理特性，但對于具有復雜生理結構和心理效應的人類而言，這還遠遠不夠。

隨著科學研究的不斷進步，人們已意識到照明效果是光、物體與人相互作用產生的結果。光形成了照明，照明使人看到了物體，并有了生理和心理上的感受。研究表明，不同色溫或光譜成分的人工光源可引起人的光生物效應 (citopic)，它控制著人的生物節律和強度［1］。同時，光又使人產生視知覺，人的視知覺又涉及到人的心理，這便是視覺心理學的由來。視覺心理學以人的生理特征為基礎，即研究人眼受到光刺激后所產生的知覺反應。由此可知，照明效果應是人生理和心理因素的綜合反映［2］。

現代科學技術為照明科技的深入研究創立了條件，先進的計算機控制和圖像測試技術為公路隧道照明安全的檢測及評價方法提供了全新的思路，如何結合國內外照明研究的成果，采用先進的測試儀器，直接測取人的視覺功效，以此彌補常規照明檢測方法 (如路面亮度或照度的檢測)難以反映人們生理和心理效應所帶來的缺陷，從而探究新的照明安全評價方法，為公路隧道照明設計標準的制定提供科學及合理的依據，具有重要的意義。

2 研究基礎

公路隧道入口段是整個隧道照明設計中的關鍵，白天，其照明設計指標的合理與否，關系到能否有效消除黑洞效應帶來的安全隱患和提高照明節能水平［3］。CIE(國際照明委員會)88—1990 技術報告《隧道和地下通道照明指南》［4］中曾建議，將汽車在行駛時，駕駛人員自看到前方障礙物時起，至達到障礙物前安全停車止，所需的最短行車距離，即“停車視距”，作為判定隧道安全照明的依據。這一方法可直接反應人在各種照明條件下所產生的生理及心理效應，具有較強的科學及客觀性。報告中的這項內容僅限于指導性，未規定統一的實施方法，如何將其用于工程實踐中，尚有待于照明科技人員的深入研究。

2.1 停車視距

“停車視距 (stopping sight distance)”指駕駛員在行車時，通常保持的一個安全距離，將以當前車速行駛的車輛在到達前方的“障礙物”之前安全停車的距離定義為停車視距。“停車視距”是各國公路設計與工程技術標準中重要的安全技術指標，鑒于國情的不同，各國的相關規定大同小異。中國國家標準《公路路線設計規范 (JTG D 20—2006)》中對“停車視距”做出了解釋和明確規定［5］，即停車視距由兩部分構成，駕駛者在反應時間內行駛的距離和駕駛者開始制動到剎車停止所行駛的距離(制動距離)，此外應增加安全距離5～10m，通常可按式 (1)計算:

式中:St——停車距離;

t——駕駛員反應時間，取2.5s(判斷時間

1.5s，運行時間1.0s);

u——車輛行駛設計速度;

fi——縱向摩擦系數，依車速及路面狀況定;g——重力加速度，9.8m/s2。

各級公路每條車道的停車視距見表1規定:

表1 停車視距

由于“停車視距”是指駕駛人員在行駛過程中發現車道中有障礙物，自反應、剎車至安全停車所需的總距離，因此，何時發現障礙物是滿足停車視距的關鍵，這就取決于駕駛人員的視見程度，它受車速、大氣能見度、路面材料、光照效果、障礙物的尺度大小及其光反射率等條件的影響。對隧道入口段而言，若排除低能見度的影響，在規定車速下，其光照效果能使駕駛人員在停車視距外，及時發現尺度足以造成汽車顛覆的障礙物是保障安全停車的前提。

2.2 小目標障礙物

鑒于目標障礙物與停車視距的關系，許多國家和地區制定了關于停車視距的目標物高度標準。基于這些基礎，借鑒于道路照明的相關研究，CIE 88—1990技術報告中指出，為建立一個能用于隧道照明的光學測量評估設施。可采用一個體積為0.2 m×0.2 m×0.2 m、反射率為0.2的正方體小目標物作為評價停車視距的參照物。即當小目標物被駕駛人員察覺時距車的距離至少要不小于機動車的停車視距。盡管實際的交通障礙物也許更大或形體不一，但研究表明，以此為標準的小目標物將適用于各種不同的照明環境。

2.3 iView X眼動儀及相應軟件

德國SMI公司生產的iView X HED眼動儀，為以標準小目標障礙物為發現目標的“停車視距法”，用于公路隧道入口段的照明檢測和質量評價研究提供了條件。該設備運用最新的科學技術，可進行人眼視線追蹤及眼動分析。該系統使用一套眼罩式微型攝像機，安裝在專用的頭盔上，捕捉眼球運動并記錄視野的變化。配套的MPEG視頻采集器可記錄實時采集的場景信息，并存儲供后續研究分析。系統如圖1所示。

圖1 iViewX眼動儀測量系統示意圖

采集到的信息可由iViewX眼動儀配套的動態分析軟件BeGaze進行處理。BeGaze可對受試者的視覺行為和注視點信息進行分析，并能快速提供便于存取的圖像和數據。例如，其中的“grid AOI”功能可通過對受測人的視覺行為，分析并獲知其注視習慣，從而判定受測人對小目標物的發現時刻。而“AOI(Areas Of Interest)Editor興趣區編輯器”則能對興趣區內的凝視結果進行匯總和統計，通過對興趣區的關注程度判定受測人將何時發現小目標物。該設備的優點在于無須預先告知受測人具體的檢測內容，使其保持一種無戒備的自然心態。

3 研究內容

白天，對于同時受多變的天然光和人工光雙重照明影響的隧道入口段而言，采用常規方法的檢測結果，難以反映人類由于復雜生理及心理效應所產生的實際視覺功效，這就產生了以標準小目標障礙物為發現目標的“停車視距法”的思路。

根據這一思路，擬用眼動儀記錄受測駕駛員的視覺追蹤信息，通過動態視頻分析軟件分別對這些信息中小目標物的注視時刻、注視次數及注視持續時間等參數進行統計和分析，從而確定駕駛員發現和車輛抵達小目標物的時刻t1及t2，由其時間△t=t2－t1和車輛恒定保持的隧道照明設計時速U=80 km/h，即可求得受測駕駛員對小目標物的發現距離S=△t·U。由此可判定受測駕駛員是否能在大于或等于一個安全停車視距處發現小目標障礙物，以驗證隧道入口段的人工光和不同時段的天然光混合照明質量能否滿足安全要求。運用這種方法的觀測結果，包含了受測人的視覺生理和心理效應［6］。

4 實驗方法

實驗于2010年8月在中國福建省某高速公路的4條短隧道入口段處進行，參見圖2所示的1#隧道實測現場。每個隧道在一天中分早、中、晚三個時段進行實驗。實驗除采用“停車視距法”檢測隧道入口段在不同照明工況和相應天然光影響下的照明質量外，還對相應測點上的路面亮度LS、路面照度ES及正對車行方向上的小目標物垂直面照度EV進行了實測。

圖2 1#隧道實測現場

4.1 實測用車及受測人員

實測用車選用了由東南三菱生產的三菱君閣(ZINGER)MPV商務車。實驗共選擇受測駕駛員8名。其駕齡分布在4～15年內不等。受測人的平均年齡30歲，身體健康，無心理疾病。所有受測人對測試用車的車況及操作較為熟悉，且均無色盲、色弱，校正視力都在5.0以上。

4.2 測點布置

測點布置方法參考CIE 88—1990技術報告《公路隧道和地下通道照明指南》［4］中推薦的亮度測量點布置方法。

在CIE建議的基礎上，根據燈具的間距、高度、懸挑、光源及其一致性的要求，特將測量點布置為3行3列，其范圍正好對應燈具的分組。測點位于行車道中，共分為入口段1和2兩個區域。圖3列出了段1的測點示意，其前排測點距洞口為30m。段2的布點方式與段1相同，段2前排測點距洞口為80m。

圖3 測點布置示意圖

這些測點除保證亮度和照度的實測需要外，還將作為小目標物體的設置點，以滿足采用“停車視距法”的檢測要求。

4.3 檢測儀器

檢測儀器除應用iView X HED眼動儀配合“停車視距法”的檢測外 (該儀器功能參見章節3)，還分別采用了LM-3型多視場亮度計和XYI-Ⅲ型全數字照度計進行了路面亮度LS、路面照度ES及小目標物垂直面照度EV的實測。所有儀器均滿足國標檢測精度要求［7］。

4.4 實驗步驟

實驗分為應用“停車視距法”對入口段照明質量的檢測及路面亮度、照度及小目標物垂直面照度的實測兩大部分。

4.4.1 應用“停車視距法”測定安全停車距離

測試前，受測人戴穩眼動儀頭盔。操作人員位于駕駛座后排，連接、調整并校正眼動儀，直至準備工作完成。

在確保受測人不知小目標物出現位置的情況下，將小目標物設置在測點上。

準備就緒后，受測人從距小目標物約400m外的起步點啟動車輛，并盡快將汽車加速至規定車速80 km/h，并保持該速度接近隧道。車輛啟動后，操作人員應及時啟動眼動儀，開始記錄駕駛員的視覺行為。駕駛員駕車經過小目標物后，操作人員需立刻停止眼動儀的操作，測試結果將由電腦自動記錄并存儲。

更換受測人時，均需對眼動儀進行重新調整和校準，測試過程中，頭盔與受測人頭部位置不得發生相對偏移，否則，需重新進行校準。

4.4.2 路面亮度、照度及小目標物垂直面照度的實測

根據國家標準“室外照明測量方法”中［7］的有關規定，選用LM-3型亮度計中的0.03度小視場角，使測試距離大于60m，，逐點測取LS。此外，各點ES和EV用XY-Ⅲ型照度計逐點測取 (測點位置如圖3所示)。小目標物垂直面照度為面對行車方向的立面中線點EV，見測試示意圖4。

5 實驗信息及數據處理

本研究共對4條隧道，7位受測人在不同時段和照明工況下59次眼動實測信息和各點LS、ES及EV測試數據進行了處理。由此獲得了各次實測條件下的小目標物被發現距離和LS、ES及EV測量樣本的平均值。

圖4 小目標物垂直面照度測試示意圖

5.1 “停車視距法”的測試信息處理

“停車視距法”的測試結果為眼動儀所采集的視頻圖像，圖像中記錄了受測人的眼動信息。運用BeGaze軟件的動態AOI功能，可對該信息中受測人的視覺行為進行分析，從而獲取其注視點信息。

AOI可對眼動儀所記錄的每一幀圖像進行處理。處理中，逐幀導入視頻圖像，并根據圖中小目標物體的大小，手動劃定眼動信息捕捉區域，小目標物位于捕捉區域內中心處，軟件將對該區域內的信息及數據進行分析和統計，如注視點進入區域內的首次時間、出現次數及持續時間的統計等。這些信息可反映小目標物被關注的程度，從而確定小目標物被發現的時刻。因此，區域范圍的取值至關重要，它關系著整個測試精度，本測試在實驗研究的基礎上，獲得的區域范圍取值為正方體小目標物邊長的4倍 (以圖中實際邊長為基準)，見圖5所示的BeGaze軟件處理界面。

5.2 路面亮度LS、照度ES及小目標物垂直面照度EV的實測數據處理結果

在測量受測人眼動信息的同時，分別對各點路面LS、ES及EV進行檢測，根據其檢測樣本和檢測時段分別算出各個樣本平均值和該時段的太陽高度角，以便對相應照明工況下的隧道入口段的安全停車視距進行分析。

表2記錄了1#隧道某日早、中、晚三個時段中不同照明燈開啟工況和小目標物出現位置的情況。表3則列出了與表2對應的各次LS、ES及EV的測量平均值和停車視距的數據處理結果。

圖5 運用AOI功能的圖像處理界面

表2 1#隧道照明燈開啟工況及小目標物的放置區域

6 實驗結果的分析與討論

6.1 由安全視距評價隧道入口段照明質量

表3列出了由眼動儀測取，經BeGaze軟件動態AOI功能處理后，獲得的1#隧道在不同時段和照明工況下的小目標物發現距離。不難看出，在1#隧道所獲得的24個測量樣本中，當照明工況為正常狀態，車速為80 km/h時，其發現距離均大于110m。由表1可知，該結果滿足國標規定的停車視距要求。即該隧道照明質量可滿足規定車速下的行車安全要求。安全視距直接反映了受測人的視覺功效，它源于受測人的生理和心理因素，較傳統的檢測方法，它更具合理性及科學性。

表3 1#隧道路面亮度LV、照度ES、小目標物垂直面照度EV及停車視距

6.2 照明工況對隧道入口段照明質量的影響

由表2、表3可知，照明工況在僅開啟基本照明、應急照明或僅有車燈的情況下，所對應的LS、ES及EV值極低，絕大多數發現距離不足110m，甚至遠低于此，如表3中10、11、12、13、14、19、20、21號測量樣本值所示。這說明此時洞內和洞外形成較大的亮度差，黑洞效應使受測人員產生嚴重的視覺滯后［8］現象和緊張感，這種生理和心理上的負面反應，會使視覺功效大大下降。而當照明工況為全開狀態時，所對應的LS、ES及EV值均很高，其發現距離遠超過110m，這顯然違背了以節能為前提的安全原則。因此，合理的照明工況，不僅可消除黑洞效應，滿足行車安全，又可防止洞內過亮所造成的能量浪費。

6.3 天然光對隧道入口段的影響

由于隧道構造特點所致，晴天時，天然光將使洞內外形成極大的亮度反差，這也會給駕駛員帶來嚴重的視覺滯后現象，這種影響在有直射陽光時尤為明顯。由4條隧道的實驗結果證明，天然光對隧道入口段有較大的影響，且與隧道洞口朝向、太陽高度角和兩者間的夾角有關。表4列出了當關閉人工照明，僅受晴天天然光影響時的1#、2#、3#隧道入口段1和2的LS實測值。由表4可知，當太陽高度角較小 (如早晨或傍晚)或洞口朝向與太陽方位夾角不大時，天然光對入口段1影響較大，這種影響隨著洞內距離的延伸而變小，由入口段2的LS值即可看出。

此結論為如何考慮隧道朝向和太陽高度角的關系，以充分利用天然光資源，降低人工照明的能耗損失，制定出安全節能的隧道入口段照明標準提供了依據。

表4 隧道入口段受直射陽光影響的亮度實測值

7 結束語

該研究在查閱國內外標準的基礎上，結合相關理論，利用安全視距法和先進的眼動儀系統，通過實驗，創新性地總結出一種全新的隧道入口段照明質量檢測方法。該方法可直接測取駕駛人員在某一照明環境下的視覺功效，它是駕駛人員生理和心理效應的客觀反映，比常規的物理檢測方法更具合理性和科學性，因此，它還可推廣到道路、體育場等大型室外照明場所。該方法的成功運用將為室外照明設計標準的制定提供更加科學的依據。

［1］章海驄.照明科學新進展—眼睛的非視覺效應 ［J］.照明工程學報，2006，9:1～3.

［2］劉曉玲.視覺神經生理學［M］.北京:人民交通出版社，2006，7.

［3］涂耘.公路隧道節能照明設計研究 ［J］.燈與照明，2007，2:37～39.

［4］CIE 88—1990.GUIDE FOR THE LIGHTING OF ROAD sTUNNELS AND UNDERPASSES［S］.ISBN 3 900 734 25 9.1990.

［5］JTG D 20—2006.公路路線設計規范 ［S］.北京:人民交通出版社，2006，7.

［6］孟慶茂，常建華.實驗心理學［M］.北京師范大學出版集團，1998，8.

［7］GB∕T 15240—94.室外照明測量方法 ［S］.北京:國家技術監督局，1995，6.

［8］陳仲林，孫春紅.公路隧道照明設計研究 ［J］.燈與照明，2007，3:32～35.