公路隧道照明光源對疲勞度的影響

楊　勇

(交通運輸部公路科學研究院；國家交通安全設施質量監督檢驗中心，北京　100088)

?

公路隧道照明光源對疲勞度的影響

楊勇

(交通運輸部公路科學研究院；國家交通安全設施質量監督檢驗中心，北京100088)

摘要：根據人眼對不同波長光輻射光生物效應響應度的差異，為提高照明舒適性，以公路隧道常用照明光源高壓鈉燈和三種不同色溫的白光LED分別作為唯一的照明光源，在不同環境亮度條件下，測試了被試者對相同閃爍視標的閃光融合頻率值(FFF)。統計結果顯示，相同光源對應的閃光融合頻率與環境亮度成正比，相同環境亮度條件下高壓鈉燈對應的閃光融合頻率最小，高色溫白光LED的閃光融合頻率大于低色溫白光LED。通過人眼司辰視覺光譜效率函數和光源發射光譜計算得到表征人眼光生物效應影響程度的“司辰亮度”，其數值與閃光融合頻率試驗結果相一致，對人眼光生物效應影響顯著的光源對應的閃光融合頻率越大，即對疲勞抑制的作用效果越明顯。

關鍵詞：隧道照明；閃光融合頻率；色溫；白光LED；司辰視覺

引言

公路隧道照明的目的在于為公路使用者提供更好的作業環境，起到提高通行效率，降低事故發生率的作用。世界各國對公路隧道照明設計標準的研究由來已久，主要圍繞不同照明段的亮度指標需求，近年來隨著白光LED光源的大規模應用，色溫和顯色指數等指標對公路隧道照明視認性的影響也逐漸成為研究的熱點[1,2]。

在保證安全視認的前提下，提高人眼視覺的舒適性也是評價照明光源優劣的一個重要方面[3,4]，由于公路隧道半封閉的空間特點，其視覺壓迫感和單調的環境非常容易加重駕駛人員的疲勞程度和煩躁情緒，而不同光源對人眼光生物效應影響程度的差異使得除照明環境亮度外，光源光譜也成為影響隧道照明安全性的研究方向之一[5,6]。

1疲勞度對駕駛安全的影響

根據安全行為學的理論，駕駛行為屬于人類行為的經典模式S-O-R(刺激-中間變量-動作)，在駕駛過程中，駕駛人員依次通過信息采集、大腦分析判斷和采取駕駛行為來完成駕駛任務，其中視覺感知是駕駛人員最為重要的信息來源，如果任一環節出現問題，都可能導致交通事故的發生。

通過統計數據和相關研究可以得到，在引發交通事故的諸多因素中，駕駛員是主要因素，而疲勞駕駛是造成事故的主要原因之一。駕駛疲勞的成因包括體力和腦力兩方面的影響，其具體表征包括腰背酸疼、視線模糊、反應緩慢等，從而導致駕駛員生理、心理機能等受到不同程度的影響，進而妨礙合理駕駛行為的判斷和執行，最終引發駕駛中的交通事故[7,8]。

2照明條件對閃光融合頻率影響試驗

2.1閃光融合頻率(FFF)

人類的眼睛并不是完美的成像系統，外界光信號刺激在視網膜上會產生一定的時延，在光信號閃爍頻率較低時，閃爍可以被辨識，但隨著閃爍頻率提高到某一閾值時，閃爍將不會被察覺，在人眼中表現為穩定的發光，這一閾值的個體化差異較大，且會受到被試者生理、心理等因素影響發生變化。

閃光融合頻率表征了人眼對非連續光刺激時間分辨力，對相同被試人員而言，FFF受到光源發光強度、光色、面積、視偏角和被試人員年齡、疲勞度等多個方面的影響。就疲勞度的影響而言，相同測試條件下，隨著被試者疲勞度的加強，人眼對閃爍視標的可分辨頻率閾值呈下降的趨勢，根據這一特性，人眼FFF指標常被用于對大腦中樞神經疲勞程度的測試評價。

2.2光源對FFF影響試驗

本項目針對光環境對被試者疲勞度的影響進行閃光融合頻率測試，在試驗設計階段所采用的測試設備與常規閃光融合頻率計有所區別，主要差異在于測試設備的閃爍點為發光強度恒定的白光LED，在整個測試過程中并不改變閃爍點的發光強度、顏色等指標，而且閃爍點置于開放的測試環境中，不存在常規設備要求的光學暗箱，但試驗環境為嚴格的光學暗室，測試階段照明光源僅有被試照明燈具，無環境光和其他光源的干擾，測試設備和試驗場景如圖1所示：

圖1　閃光融合頻率測試裝置及環境Fig.1　The FFF test equipment and environment

閃光融合頻率測試開始前，被試者需要在試驗光源形成的照明環境中靜處10min，然后打開閃光融合頻率測試計，測試以升序和降序兩種方式進行:升序是從低頻到高頻，先將頻率調低至10Hz，然后要求被試者長按儀器上的觸發按鍵逐漸升高頻率，至不能觀察到光源閃爍后按下第二個按鍵向上位機傳送當時的頻率參數。降序是從高頻到低頻，先將頻率調高至看不到亮點閃爍，由被試按下儀器側面的按鈕降低閃爍頻率，到被試剛剛能看到亮點閃爍時停止，亦記下此時頻率。每次測試按照升序—降序—升序—降序的順序，共測試4個數據，取算術平均值。

試驗的被試人員共20人，遴選年齡在20～28歲之間，具有正常色覺和矯正視力。

測試用環境照明光源包括公路隧道照明領域常見的高壓鈉燈(色溫1958K)、高色溫白光LED(色溫4765K)、中色溫白光LED(色溫4054K)、低色溫白光LED(色溫3177K)，選擇的試驗環境亮度包括，1cd/m2，5cd/m2，15cd/m2，30cd/m2和50cd/m2，閃光頻率調節步長為0.1Hz。

2.3試驗結果分析

由于試驗持續時間較長，試驗過程中被試者受到外界干擾的影響，可能導致測試數據嚴重偏離實際結果，而人為地丟掉一些偏離均值較遠但不屬于異常值的數據，同樣會偏離實際結果，鑒于此，在數據處理過程中，對多次重復性測試的結果根據拉依達準則進行了離群值判別，以圖2顯示的測試結果為例，超過允許范圍的測試結果被篩除。

圖2　白光LED(3177K)、環境亮度5cd/m2條件下閃光融合頻率測試數據Fig.2　The FFF test results of White LED(3177K)under 5cd/m2baceground brightness

經數據篩除后，被試人員在不同光源、不同環境亮度條件下閃光融合頻率測試結果的統計平均值如表1和圖3所示。

表1　不同光源不同環境亮度條件下人眼閃光融合頻率值

圖3　不同光源對人眼閃光融合頻率的影響Fig.3　Influence of different light source on the FFF

測試結果的統計平均值顯示：在相同測試光源條件下，被試者閃光融合頻率隨環境亮度的提高而增加，在相同環境亮度條件下，高壓鈉燈對應的閃光融合頻率小于白光LED對應的閃光融合頻率，而且高色溫白光LED對應的閃光融合頻率高于低色溫白光LED的測試結果。說明環境亮度的提高有助于提高駕駛人員視覺敏感度，降低疲勞感，而高色溫白光LED比低色溫白光LED和高壓鈉燈具有更好的疲勞緩解效果。

3基于司辰視覺的閃光融合頻率分析

司辰視覺和明視覺、暗視覺、中間視覺等視覺感知一樣，都是人眼對入射光的應激反應[9,10]，其區別在于司辰視覺是通過神經結細胞作用于人體的褪黑素分泌，并不具備視覺成像功能，而其他視覺作用則是通過視錐細胞和視桿細胞實現成像功能，但本質而言都是人眼視神經細胞對不同波長輻射的反應，波長與人眼響應度的關系如圖4所示。

圖4　明視覺、暗視覺和司辰視覺光譜效率函數曲線Fig.4　Spectra efficiency curves of Photopic, Sotopic and Citopic

為了更為清晰的分析不同照明光源對人眼光生物效應的影響，參照明視覺亮度的計算方法計算得到人眼司辰視覺條件下的“司辰亮度”，用具體數據定性表示具有不同發射光譜的照明光源對人眼光生物效應影響的強弱，其計算公式如下：

(1)

式中Px(λ)表示的是不同的人眼視覺光譜效率函數，MX是光譜效率函數對應的歸一化系數，明視覺函數對應的是683lm/W，暗視覺對應的是1700lm/W，而司辰視覺對應的是3850lm/W，V(λ)表示的是入射光源的發射光譜。

高壓鈉燈的發射光譜是鈉離子位于589.0nm和589.6nm的特征譜線及其共振加寬，光色為黃色，白光LED采用的是半導體芯片發光激發熒光粉發光的雙(多)色混合發光得到白光，因此通過調節基色光的光強比可以得到不同色溫的白光，測試用照明光源的發射光譜如圖5所示，不同色溫白光LED的發射光譜的譜線輪廓和峰值波長較為近似，表現為雙峰帶狀譜，雙峰分別來自于GaN芯片的藍色發光(峰值波長460nm左右)和YAG：Ce3+受激發出的黃光(峰值波長570nm左右)，峰值位置及相對強度的不同導致了光源的色溫差異。

圖5　測試用光源發射光譜Fig.5　The emission spectra of test lighting sources

將光源發射光譜和人眼不同的光譜效率函數分別代入式(1)，通過計算可以得到四種試驗用光源在相同明視覺亮度情況下，對應的暗視覺亮度和司辰視覺亮度指標如表2所示。

表2　不同光源對人眼視覺亮度的影響差異

通過對不同光源“司辰亮度”的計算，由計算結果可以得到：在相同明視覺亮度條件下，高壓鈉燈的“司辰亮度”值最低，而高色溫白光LED的“司辰亮度”計算結果高于低色溫白光LED，與人眼閃光融合頻率的測試結果相對照， “司辰亮度”計算結果與人眼閃光融合頻率測試結果的變化趨勢相一致，“司辰亮度”較高的光源，其對應的人眼閃光融合頻率值較高，即對人視疲勞的抑制作用更為明顯。

分析試驗結果的主要原因是高色溫白光LED中短波成分的含量較高，與司辰視覺光譜效率函數的契合較好，對人眼光生物效應的影響更為顯著，高壓鈉燈的發射光譜基本集中在長波部分，對人眼光生物效應的影響較小。

4結論

研究所用高壓鈉燈和三種不同色溫的白光LED均是公路隧道常用照明光源，通過對不同光源、不同環境亮度條件下人眼閃光融合頻率試驗得到：隨著環境亮度的提高，不同光源對應的閃光融合頻率呈提高趨勢；在相同環境亮度條件下，高壓鈉燈的閃光融合頻率值最小，色溫越高的白光LED對應的閃光融合頻率越高。通過光源發射光譜和人眼光譜效率函數的擬合分析，在相同明視覺亮度條件下，高色溫白光LED由于短波成分較多，與司辰視覺光譜效率函數契合較好，司辰亮度指標較高，即對人眼疲勞抑制作用更為顯著，高壓鈉燈的司辰視覺效應最差，這一分析結果與統計試驗結果相一致。在照明應用中，針對具體照明工程的功能性需求，在非連續作業且需緩解照明服務對象疲勞度的場所，宜采用短波成分較多，即“司辰亮度”指標較高的照明光源。

參考文獻

[1] 閆斌，劉廷章，欒新源，等. 色溫和光通量獨立可調的白光LED系統[J].照明工程學報，2014,25(6)：20-22.

[2] 徐代升，陳曉，朱翔，等. 基于冷暖白光LED的可調色溫可調光照明光源[J].光學學報，2014,34(1)：1-7.

[3] 宋佳音，馬劍，劉剛. 基于視覺功效法及行人穿行情況下的LED道路照明功效研究[J].照明工程學報，2013,24(6)：79-83.

[4] 蔡建奇，陳凱，胡李敏，等. 評價LED照明產品對人眼舒適度影響的新方法[J].照明工程學報，2013,24(增刊)：22-26.

[5] 張青文，陳仲林，胡英奎，等. 光源色溫對隧道及道路照明視覺功效影響的研究[J].照明工程學報，2008, 19(2):24-29.

[6] 金鵬，喻春雨，周奇峰，等. LED在道路照明中的光效優勢[J].光學精密工程，2011，19(1)：51-55.

[7] 周建，劉清霞，柴華，等. 環境單調地區公路駕駛疲勞外部致因與安全對策[J].公路，2014，(7)：270-273.

[8] 張寧寧，王宏，付榮榮. 基于小波熵的駕駛疲勞腦電信號特征提取[J].汽車工程，2013,35(12)：1139-1142.

[9] 陳仲林，胡英奎，翁季. 用司辰視覺研究道路照明安全[J].照明工程學報，2007,18(1)：31-34.

[10] 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, 17 (3):1-3.

Effect of Highway Tunnel Illumination Light Source on Fatigue

Yang Yong

(ResearchInstituteofHighwayMinistryofTransport；KeyLaboratoryofRoadSafetyMinistryof

CommunicationsPRC,Beijing100088,China)

Abstract：According to the difference of human optical response to different wavelengths of light radiation, in order to increase lighting comfort, light sources commonly used in highway tunnel were tested respectively as the only light source. Samples involved are high pressure sodium lamp (HPS) and three kinds of white LEDs with different correlated color temperature (CCT). At different background brightness conditions, the flicker fusion frequency (FFF) of subjects were tested and recorded. Statistics showed that the FFF value of the same light is proportional to the background brightness. Under the same background brightness the FFF of HPS is the minimum, and the sample of white LED with higher CCT has higher FFF than white LED with lower CCT. The “citopic brightness” was calculated by human citopic vision spectral efficiency function and emission spectra of lamp samples. It can be used to characterize the biological effects of human vision. Citopic brightness values were consistent with the results in FFF test: the lamp sample with significant influence on the biological effects showed higher FFF, meaning on the inhibition effect of fatigue was more obvious.

Key words:tunnel lighting; flicker fusion frequency; correlated color temperature; white LED; citopic vision

基金項目：國家自然科學基金(駕駛模擬環境下駕駛行為畸變規律及數度評價方法研究)

中圖分類號：U491

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.017