察覺對比顯示系數研究

陳仲林，翁 季，張青文，許景峰

(重慶大學建筑城規學院，重慶 400045)

0 引言

2010年國際照明委員會(CIE)建議將基于察覺對比設計方法的對比顯示系數(Contrast revealing coefficient，暫譯為對比顯示系數)作為隧道照明質量的評價指標。對比顯示系數qc是給定區域的路面亮度Lb與小目標垂直面上照度Ev的比值，

小目標是一個邊長為0．2 m、光反射比為0．2的漫反射表面立方體。垂直面上照度Ev就是指放置在給定區域路面上參考目標物中心處、面對車輛行駛方向的垂直面上照度。

從對比顯示系數定義來看，qc值大小與駕駛員在通過隧道時視覺適應以及與駕駛員的生理、心理狀況無關，僅與給定區域的路面亮度和小目標垂直面上照度有關，即可將qc看作為2個光度量——亮度和照度的比值，這就不能全部反映出駕駛員通過公路隧道的實際情況產生的視覺問題。因為隧道是一個兩側和頂部封閉的長管道，尤其在晴天白晝，更易產生隧道特有的人眼暗適應和明適應的視覺現象，即產生所謂黑洞現象，黑框和白洞現象，以及會產生運動效應、墻效應、適應的滯后現象等，這些現象和效應，均會使駕駛員在生理、心理上產生不舒適感覺。因此，作為隧道照明質量的主要評價指標，必須要靈敏地反映出影響隧道照明視覺舒適的各種參量，只有這樣才能使達標的公路隧道照明設計在保證行車安全、快速和舒適的條件下，達到節約能源的目的，使評價指標真正成為公路隧道照明設計的有效照明質量評價指標。

1 察覺對比顯示系數

小目標物是一個漫反射表面的小立方體，當確定了小目標中心點的垂直面上照度Ev后，就可以根據小目標表面的漫反射比ρ0算出反射光亮度

代入(1)后可得

從(3)式來看，對比顯示系數與測點處路面亮度和小目標表面反射光亮度的比值成正比，其比例系數ρ0/π，在本例中約為 0．063 7。

在行車時，為了保證行車安全，就需要在一個安全停車視距外發現小目標物，例如車速為80 km/h時，安全停車視距為110 m。因此，在實際中，駕駛員應該看到較遠的路面亮度和小目標反射光亮度，而不是近處路面上和小目標表面上的亮度，此時駕駛員察覺的路面亮度和小目標表面亮度，會受到汽車前擋風玻璃光透射比τws和汽車前方安全停車視距的近地大氣光透射比τatm，以及汽車前擋風玻璃的透射光亮度Lws，汽車前方安全停車視距的近地大氣散射光亮度Latm，由駕駛員的眼睛掃視前方景物亮度產生的等效光幕亮度Lseq;當然，路面察覺亮度Lbp和目標察覺亮度Ltp還必然會受到路面亮度和目標亮度的影響，并可由(4)式和(5)式表示:

路面察覺亮度和目標察覺亮度值大小受到駕駛員的生理、心理因素影響，并可用眩光感受程度K和最小察覺對比Cm定量表示;同時考慮了實際行車時駕駛員視覺的各種影響因素，反映了空氣的清潔程度、汽車前擋風玻璃的影響，以及駕駛員前方視野內景物亮度的影響，所以，采用路面和目標的察覺亮度概念更貼近實際行車情況。因此，文章建議采用察覺對比顯示系數概念，作為公路隧道照明質量的主要評價指標之一，因為它表示了測點處路面察覺亮度和小目標表面反射光察覺亮度的比值成正比，其比例系數也為ρ0/π，

式中qcp為察覺對比顯示系數。

在行車時，察覺對比顯示系數真實地反映了影響駕駛員安全行車的各種內外因素，所以把察覺對比顯示系數作為公路隧道照明質量主要的評價指標是合適的，并且是全面考慮了駕駛員的生理、心理、物理因素影響，但對比顯示數qc僅反映了隧道照明水平，與駕駛員的生理、心理因素無關。

2 公路隧道照明評價指標

2．1 察覺對比顯示系數與察覺對比的關系

等效光幕亮度是計算路面察覺亮度和目標察覺亮度必須要首先確定的值，而等效光幕亮度一般可用(7)式表示:

式中:m——人眼對眩光的感受程度，與視對象大小、提示時間和觀察者的年齡有關，一般在4．16～29范圍內;

Eev——眩光源在眼睛處且和駕駛員的視線成直角的面上產生的照度;

θ——視線和眩光源之間構成的角度，以角度計;

n——系數，

為了算得駕駛員前方視野內景物亮度產生的等效光幕亮度值，可采用極坐標圖疊加在隧道洞口外景物照片上，分別算出該圖中各部分景物的平均亮度后進行累加，并按下式計算等效光幕亮度

式中K為系數，與系數m一樣，表示人眼對眩光的感受程度，CIE 建議取2．8 ×10－3。

算出等效光幕亮度

式中Lij為景物各區域內的平均亮度。

當確定了(4)式和(5)式中的各參數值后，就可以計算出駕駛員在行駛時的察覺對比

在進行隧道照明察覺對比法設計時，可取察覺對比的最小值進行計算，CIE建議取Cm為－0．28，則有

如設隧道入口段的路面亮度為Lth，則有

于是可得

這就是CIE于2004年推薦的公路隧道照明察覺對比法計算入口段亮度的公式。

從路面察覺亮度(4)式，目標察覺亮度(5)式和察覺對比顯示系數(6)式與察覺對比(13)式中看出，察覺對比顯示系數與察覺對比的各種影響因素是相同的，它們之間的關系可用下式表示:

從(17)式中看出，當確定了察覺對比值后，就立即可以算出察覺對比顯示系數，反之亦然。

2．2 基于察覺對比設計方法的隧道照明質量評價指標體系

隧道照明設計的目的是使駕駛員按設計車速安全通過隧道設施，通常要保證發現行車前方的障礙物之前具有一個安全停車視距。停車視距是國際公路照明設計中達到行車安全的重要技術指標，這也是隧道照明設計的目標。

為了達到安全停車視距這個目標，從(17)式來看，必須使察覺對比顯示系數小于不同情況對應的某一個值，這時才能保證駕駛員在一個安全停車視距外發現障礙物，采取相應的安全措施。因此，察覺對比顯示系數是達到目標的主要影響因素之一。

公路隧道照明質量評價指標還有墻面亮度、中間段的路面亮度均勻度和燈具布置產生的閃爍頻率。在中國JTJ 026．1—1999《公路隧道通風照明設計規范》中規定了隧道兩側墻面2 m高范圍內的平均亮度不低于路面平均亮度，還規定了中間段路面亮度總均勻度在雙車道單向交通量大于或等于2 400輛/h時為0．4，小于或等于700輛/h時為0．3等具體規定，以及路面中線亮度縱向均勻度在雙車道單向交通量大于或等于2 400輛/h時為0．6～0．7，小于或等于700輛/h時為0．5等具體規定;同時對燈具布置應滿足閃爍頻率低于2．5 Hz或高于15 Hz的具體規定。

墻面亮度、均勻度和閃爍頻率一起與察覺對比顯示系數組成了基于察覺對比設計方法的公路隧道照明質量的評價指標體系。

該體系中具體影響有很多，但可以分成兩大類:一是對駕駛員產生生理、心理的影響因素，具體評價指標有駕駛員對眩光的感受程度K、最小察覺對比Cm和燈具布置產生的閃爍頻率;二是物理的影響因素，具體評價指標有目標表面亮度Lt、路面(背景)反射光亮度Lb、一個停車距內大氣透射光亮度Latm、汽車擋風玻璃亮度Lws，兩側2 m高墻面亮度Lw、視野內景物亮度Lij和一個停車距內大氣光透射比τatm、汽車前擋風玻璃光透射比τws，以及中間段亮度總均勻度Uo，路面中線亮度縱向均勻度Ul。

3 小結

CIE于2004年推薦了公路隧道照明的察覺對比設計方法，在該方法中提出了對比顯示系數qc，但qc值僅與測點處路面亮度和小目標表面中心點垂直面照度的比值有關，即與隧道內燈具布置、燈具配光等光環境參數有關，而與公路隧道照明對駕駛員的視覺適應和生理、心理影響無關，為了克服對比顯示系數不能全部反映駕駛員通過公路隧道產生的視覺問題需求，提出了采用察覺對比顯示系數概念，并建議作為公路隧道照明質量的主要評價指標之一。

察覺對比顯示系數值的大小反映了駕駛員對眩光感受程度和最小察覺對比這2個心理、生理的影響因素，同時還反映了目標亮度、背景亮度、大氣亮度、擋風玻璃亮度、景物亮度和大氣光透射比、擋風玻璃光透射比等影響因素，這7個影響因素可以用亮度計等在現場加以測定。眩光感覺程度K的值也可以采用視網膜亮度計等對標準人眼和在模擬實際等條件下加以確定，并通過數值積分計算方法加以比較完善。最小察覺對比Cm可以在閾值條件下，在正對比、負對比、不同視角、2s呈現時間、識別幾率為33% ～89%的條件下，在實驗室里，測算出背景亮度與亮度對比的關系，再由回歸法獲得擬合表達式，求出識別幾率為100%的值，確定最小亮度對比值，最后再進行實際情況的修正，最終獲得最小察覺對比Cm。

當獲得了等效光幕亮度 Lseq和測定了(4)式與(5)式中的光度量后，就可以根據(4)式、(5)式、(6)式計算出察覺對比顯示系數qcp值，再根據(17)式求出察覺對比顯示系數，將該值與實驗室中模擬實驗結果進行比較完善。

從察覺對比設計方法出發，公路隧道照明質量評價指標體系的目標是要求安全停車視距符合規定，為此必須使察覺對比顯示系數、墻面亮度、均勻度和閃爍頻率符合要求。其中影響察覺對比顯示系數的9個具體指標是:眩光感受程度、最小察覺對比、目標亮度、背景亮度、大氣亮度、擋風玻璃亮度、景物亮度、大氣光透射比和擋風玻璃光透射比。這總共12個具體指標還可分成兩大類:心理、生理影響因素有3個——眩光感受程度、最小察覺對比、閃爍頻率;物理影響因素有9個——目標亮度、背景亮度、大氣亮度、擋風玻璃亮度、景物亮度、墻面亮度、亮度均勻度、大氣光透射比和擋風玻璃光透射比。總之，公路隧道照明質量具體評價指標是由上述12個具體指標組成的。

［1］ CIE Technical Report·88-2004·Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses［S］．2004

［2］ CIE Technical Report·189-2010·Calculation of Tunnel Lighting Quality Criterion［S］．2010

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

［4］ 日本照明學會．照明手冊［M］．北京:中國建筑工業出版社，1985

［5］ 張青文，涂耘，胡英奎，等．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［J］．照明工程學報，2012，23(2):8 ～14

［6］ 中華人民共和國行業標準JTJ 026．1—1999公路隧道通風照明設計規范［S］．北京:人民交通出版社，2000