城市隧道出入口視覺適應性研究

陳 鵬，潘曉東，付志斌，邱漢騏

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

白天晴天時，城市隧道洞外亮度一般可達5 000cd/m2，而隧道洞內亮度僅為幾至十幾坎德拉每平方米。但由于隧道洞口的形式、隧道走向、太陽照射角度等因素的影響，隧道內亮度并不是一成不變的[1]。在隧道入口一定距離內亮度受洞外自然光的影響較大，在洞口處亮度與洞外亮度相差不大，但超過一定距離時，洞內亮度迅速降低，甚至可能出現突變。在較短的時間內，亮度的突然降低可能會使駕駛員產生暫時性的視覺障礙，影響行車安全[2-4]。為了獲得上述駕駛環境對駕駛員的視覺變化及行車安全性的影響，以某城市道路隧道為研究對象，對駕駛員在城市隧道出入口生理特征的變化進行了實驗研究。

1 自然光影響下城市隧道出入口亮度變化

實驗測定在白天為晴天的情況下，實驗隧道內照明設施運行時整個隧道的亮度情況。實驗采用日本美能達生產的型號為LS—100的亮度儀測量隧道內外亮度。將獲得的數據通過Origin軟件進行處理后擬合得到圖1。

圖1 晴天下午時城市隧道亮度變化

從圖1中可以看出，晴天時，距洞口一定距離范圍內亮度變化非常快，在幾十米范圍內從幾千坎德拉每平方米降低到十幾坎德拉每平方米，出口段亮度突變同樣較為嚴重。

1.1 隧道入口段亮度變化

圖1中，隧道各部分亮度變化比較大，且在入口段亮度發生突變，為更好地反映入口段突變程度，有必要對入口段亮度進行分析研究，實驗數據形成的樣條曲線見圖2，經過擬合計算后，如圖3所示。

圖2 晴天下午時隧道入口處亮度變化

圖3 擬合后晴天下午時隧道入口處亮度變化

對實驗數據采用二階指數衰減擬合，y=y0+A1e-x/t1+A2e-x/t2，經過擬合后，亮度變化曲線方程為：y=-0.06389+103.836e-x/18.217+103.836e-x/18.217，相關系數R=0.976。

由圖3可知，晴天時，遮光棚開始處亮度為洞外亮度的72%，洞口亮度僅為洞外亮度的5%，而在洞內20m 處，亮度已降低為不到洞外亮度的2%。在距洞口20m 的范圍內，亮度降低速率非常大，這種短距離內的亮度突變對行車安全十分不利。

實驗中發現，在照明入口段由于遮光棚的影響，亮度發生突變，為變化過渡段，在20m左右的遮光棚處，亮度有個均勻變化的過程，這與公路隧道研究有所不同，進入洞口后，亮度又發生突降。道路至遮光棚亮度突變，遮光棚到洞口亮度再次發生突變。且行車過程中發現，在未進入遮光棚前，洞口處較為黑暗，視認性較差，對行車安全不利（見圖4）。

圖4 車輛在隧道外觀察入口處

通過以上的分析可以發現，自然光對隧道內亮度的影響是非常明顯的，并具有較強的規律性：按照現行的隧道照明設計方法進行設計的城市隧道，遮光棚處基本能滿足行車需求；而在隧道遮光棚后一定距離范圍內（實驗隧道為距洞口前后10～20m）亮度變化還是較為劇烈，而且這也是道路視覺環境突變的區域。因此，從安全行車的角度考慮應適當加強這一段區域內的照明，而已有研究也很好地證明了這一點[5]。

1.2 隧道出口段亮度變化

隧道出口處沒有遮光棚，亮度變化較為明顯。在隧道出口前50m左右處，亮度開始突變，在行車過程中，接近隧道口時受亮度突變影響，駕駛員出現視覺障礙[6]。通過圖2 和5 可以看出，出口段亮度變化比入口段亮度變化更加突兀，出口處沒有遮光棚等照明過渡改善措施，當車輛接近隧道出口時，看到的是一個刺眼的眩亮白洞，此時形成“白洞效應”，駕駛員受“白洞效應”的影響，出現嚴重的視覺障礙。

圖5 晴天下午時隧道出口處亮度變化

2 城市隧道出入口駕駛員視覺適應性研究

2.1 瞳孔變化與行車安全的關系[6]

駕駛員的視覺系統是通過瞳孔獲取外部信息的。瞳孔大小的變化，起到調節進入眼內光量的作用。光線強時，瞳孔減小以減輕對視網膜的刺激；光線弱時，瞳孔放大以幫助視網膜分辨物體。研究表明，瞳孔直徑是衡量心理生理負荷的靈敏指標，瞳孔放大往往意味著較大的心理生理負荷[7]。

對于隧道出入口而言，主要是光亮度發生急劇變化，由于駕駛員的視覺適應瞳孔直徑也發生較大變化，駕駛員生理負荷急劇增加。通過眼動儀對駕駛員瞳孔大小變化進行分析研究，能更好地對隧道出入口交通環境的安全性與宜人性進行評估[8]。因此，駕駛員瞳孔大小反應了駕駛員的視覺適應情況及心理生理負荷，可以作為駕駛員視覺適應性的評價指標。

2.2 實驗及數據分析

在該實驗中，考慮駕駛員年齡和駕駛經驗的代表性，選取了2名駕駛員：A駕駛員44歲、駕齡13 年，B 駕駛員36 歲、駕齡3 年。采用EMR—8B眼動儀，實驗時被試者頭戴裝有EMR 的帽子，在被試者眼睛前下方裝有平面鏡與紅外線二極管。帽檐下方的高速攝像機可實時捕捉經平面鏡反射的紅外線在角膜上的反射像和瞳孔輪廓，如圖6所示。

圖6 EMR—8B系統的硬件組成

導出數據并整理發現，對同一隧道進行的多次實驗，即使外界環境一致，同時每次實驗都是獨立的，數據之間也無相關性。但是從圖7可以看出有些點較為離散，盡管對實驗樣本進行了篩選，但是樣本仍呈現一定的個體差異；另外，即使是同一樣本，在不同的時間段也表現出不同的精神狀態，反應了不同實驗個體心理生理上的差異。由于數據總體都表現了動視點視認目標百分比隨速度增大而增加的趨勢性。對于偏離很大的點處理的方法有很多種，如可以采用取置信度的方法剔除異常點。本文采用穩健估計的方法來處理數據。所謂穩健估計，實際上就是在粗差不可避免的情況下，選擇估計方法使未知量估計盡可能減小粗差的影響，得出正常模式下的最佳估計值，穩健估計可理解為某一估計方法對觀測值的粗差或異常值的抵抗能力[10]。

圖7 隧道出入口實驗中駕駛員動視點視認目標百分比-速度關系分布圖

圖8為白天晴天狀態下進入隧道前瞳孔、明暗過渡時的瞳孔及進隧道適應后的瞳孔示意圖，表明隧道外進入隧道時瞳孔由小變大。

圖8 隧道內外駕駛員瞳孔大小變化圖

圖9為白天駕駛員行車經過隧道前、進入隧道及出隧道后的瞳孔直徑變化示意圖，表明在隧道入口位置，瞳孔直徑隨進入隧道距離增加而增大，在隧道出口位置，越往隧道外，瞳孔直徑越來越小。

圖9 城市隧道白天行車實驗瞳孔直徑變化示意圖

城市隧道內外駕駛員瞳孔直徑大小變化的對比示意圖表明城市隧道內瞳孔直徑和隧道外相比明顯增大。瞳孔直徑大小因人而異，但是變化的規律是相似的，因隧道長度和照明條件而變化。一般情況下，隧道進口一般路段瞳孔直徑穩定在1.8mm左右，暗適應區間瞳孔直徑從約1.9mm變化到約4.7mm，到完全適應時穩定在4.5mm左右，直至出口位置。且瞳孔變化面積的不同除受個體差異的影響外，還主要因為車輛速度和隧道亮度的不同而不同。

通過以上分析，瞳孔直徑急劇變化的現象可理解為受眼睛的暗適應影響所致。駕駛員驅車由隧道外進入隧道內，在隧道外的亮度有三千多坎德拉每平方米，而隧道內僅有兩三坎德拉每平方米左右的照明條件，明暗相差很大，這進入隧道后200m 左右的暗適應過程是通過瞳孔直徑的變化來實現的，所以導致瞳孔直徑的急劇變化。這種暗適應過程的長短影響了駕駛員的視認性，是隧道入口事故率較高的主要原因之一[9]。實驗結果還顯示，在隧道出口，瞳孔直徑發生和進口相類似的反向變化，越往隧道外，亮度急劇增加，瞳孔直徑越來越小，從而完成明適應的過程。

3 城市隧道入口段典型障礙物識別距離研究

3.1 入口段典型障礙物靜態識別距離研究

白天隧道外亮度約為3000cd/m2左右，在進入隧道前駕駛員眼睛處的適應亮度相比隧道內亮度要高很多。本實驗中共需操作人員2名，分別負責障礙物的擺放與隧道洞內外照度的測量；駕駛員1名；實驗者4 名。實驗地點與視覺適應性實驗相同。實驗人員從隧道外一定距離往隧道內行走，一位工作人員將障礙物不定位置放在隧道內實驗距離處，當實驗人員看到障礙物時測量距離并記錄。在所進行的隧道入口段障礙物識別實驗中選取4 名實驗者的實驗數據進行分析整理，如圖10所示。

圖10 入口段障礙物靜態識別距離

通過以上實驗分析可以得出，在靜態識別試驗中，障礙物的識別距離，隨著障礙物在隧道內擺放位置變化先增加后減小，再增加到一個穩定的值。在距隧道入口20m 內，雖然亮度變化較大，但是駕駛員在隧道外就能看清障礙物，因為障礙的視認距離主要由障礙物的亮度和背景亮度的對比決定。障礙物在距隧道口100～120m 區間時，識別距離最短，最小為50m；而障礙物在隧道內140m 以后趨于穩定，隧道內視認距離受個體影響較小。

3.2 行車狀態下隧道入口段典型障礙物識別距離研究

在基于靜態下典型障礙物的識別實驗后，駕駛員分別以40km/h，50km/h，60km/h，80km/h 的車速向障礙物行駛，當發現障礙物時實驗者按下秒表開始計時，車輛繼續保持車速行駛，當車輛行駛剛通過障礙物時實驗者停止秒表，記錄識別距離。

（1）駕駛員1識別距離

實驗測得駕駛員1隧道入口段障礙物識別距離如圖11所示。

圖11 駕駛員1入口段障礙物識別距離

（2）駕駛員2識別距離

實驗測得駕駛員2隧道入口段障礙物識別距離如圖12所示。

3.3 研究結果分析

由圖10、圖11、圖12分析可得到如下結論。

圖12 駕駛員2入口段障礙物識別距離

（1）靜態條件下，在入口段視認距離逐漸減小，當障礙物放置在距入口100～120m 范圍時，視認距離很短。但當障礙物放置在距入口120m 以后時，視認距離又開始趨于穩定。隧道內不同個體的視認距離差別不大。主要原因是：當障礙物處于隧道內距洞口一定距離時，駕駛員在發現障礙物前，實際上已經對隧道內較暗的環境適應了一定的時間。

（2）行車狀態時在不同速度條件下，當障礙物放置在距入口一定距離范圍時（本實驗得出距離為50～100m），障礙物的視認距離很短，最低處不足60m。根據《公路隧道通風照明設計規范》中照明停車視距表相關規定[9]：設計速度為80km/h時，停車視距為100m；設計速度為60km/h 時，停車視距為55m；設計速度為40km/h 時，停車視距為27m，因此該區域內當速度達到60km/h 以上時視認距離未達到停車視距的要求，這對行車安全極為不利。

（3）當障礙物處于隧道接近入口處時，視認距離相對較高。主要原因是，在這一區域內，隧道內照度受洞外自然光的影響較大，亮度較高。

（4）當障礙物處于距洞口一定距離范圍（大于120m）時，視認距離相對較高。主要原因是，當障礙物處于隧道內距洞口一定距離時，駕駛員在發現障礙物前，實際上已經對隧道內較暗的環境適應了一定的時間。

（5）當障礙物放置在同一位置時，在各速度條件下的障礙物識別距離大致呈現如下趨勢：40km/h＞50km/h＞60km/h＞80km/h。但當速度較小時，視認距離離散程度減小，當速度小于60km/h時，視認距離受速度的影響較小。

4 結論

本文首先測量了某城市隧道的亮度分布，了解了城市隧道亮度突變的區域；然后利用行車實驗，得到了城市隧道入口駕駛員瞳孔直徑變化規律；在掌握了環境和駕駛員生理指標變化的基礎上設計相應的障礙物識別實驗，分析得到隧道入口段不利于行車安全的區域。基于以上三個實驗，分析得到了城市隧道出入口駕駛員視覺變化與行車安全的關系，為今后城市隧道進出口的駕駛員行車安全提供了理論基礎與依據。

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