基于色溫修正系數的隧道智慧照明研究綜述

彭 力，翁 季，杜 峰，王婭菲

（重慶大學建筑城規學院；山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶400045）

公路隧道由于具有縮短里程、節省時間、提高運輸效率、節省用地和保護生態環境等優點，在山區公路建設中被廣泛采用。重慶已建成高速公路隧道160余座，隧道里程300多km，隧道照明設施的規模及數量越來越大，隧道的運營電費和維護費用也越來越高，隧道照明節能與安全的矛盾越來越突出，處理不好必將影響高速公路的可持續發展。

參考國外相關規范制定的公路隧道照明規范、標準以及實施細則在應用過程中存在諸多問題。首先，國外的很多客觀條件與中國有很大區別，如洞外氣象條件、常年的天氣狀況、隧道限速情況、車輛數量、隧道內道路修建標準等；其次，在新的發展情況下，光源和燈具已經從熒光燈過渡到高壓鈉燈、金鹵燈和LED，光源和規范之間存在不配套的情況；再次，規范和標準中缺少動態指標，隧道內的光適應過程本身就是動態的，而規范往往從靜態出發進行研究；最后，現階段CIE的技術報告及相應的規范和實施細則都是依據視覺功效法（包括瞳孔變化、反應時間、注視點變化以及興趣區域變化等指標）研究明暗適應過程、適應時間、可見閾、K值、隧道各照明段動態行駛長度、隧道行駛安全性和舒適性評價、智慧照明等，缺少對光源色溫的研究，特別是在隧道入口色溫突變時對駕駛員瞳孔變化、反應時間等視覺功效和警覺性、情緒、持續注意力等光生物效應的影響。筆者通過梳理對隧道照明色溫的相關研究，總結已有成果，分析現有的實驗方法和技術手段，為隧道智慧照明設計提供一定的理論參考和依據。

1 隧道智慧照明研究歷程

隧道智慧照明研究從CIE（國際照明委員會）規范出發，《公路隧道和地下通道照明指南》（CIE 88—2004）中回顧和定義了公路隧道和地下通道照明的各項因素之后，重點推薦了白天和夜間照明問題，提出為適應內外部光線波動問題而采取的措施。《機動及人行交通道路照明》（CIE 115—2010）中介紹了環境系數，保證環境有充足光線進入時以顯示環境目標。蒲山久夫做了2個系列實驗，以補充日本照明學會隧道照明報告，這些實驗是關于快速變化時眼睛瞬時適應的實驗研究。第1個實驗是測量亮度突變之后的視力恢復時間，即明暗適應時間。第2個實驗是檢測亮度降低時在何種程度上可保持視力敏銳度，該指標跟小目標物的發現密切相關。中道文基和成定康平指出，隧道入口段亮度的需求值最少應為駕駛員適應亮度的10%～12.5%。在關于隧道入口照明的研究中，靠近隧道的洞外亮度被看作是駕駛員的適應亮度。人眼的適應亮度不是由視野內的平均亮度決定，更主要是由投向視網膜中央窩的亮度決定，因此，駕駛員在靠近隧道入口處時適應亮度會逐漸降低。其分析了駕駛員駛近隧道時適應時間的衰減，并在實驗結論的基礎上用公式表達出所需要的隧道內的亮度值，即找出了隧道照明適應曲線中接近段到入口段的關系，也是K值法的基礎。但是Schreuder（施羅德）學派和Narisada（成定康平）學派對于K值法的數值推薦值相差很大，有說法是Narisada學派最終放棄了其對K值的推薦結論。根據文獻，Narisada在另外的文章中指出，在障礙物識別模擬實驗中，其采用的識別距離是注視點開始的距離，而Schreuder采用的是適應點開始的距離，二者區別較大，注視點距離為大于150 m，而適應點距離為25 m（根據隧道道路坡度有所改變）。之所以二者差距達到4～7倍，主要在于實驗設定參數的不同，最終其推薦指標乘以2之后是可以采用的。由于K值法使用的方便性，現行的各國隧道照明設計規范（標準或技術導則）多推薦采用K值法確定隧道入口段亮度。但是CIE 88—1990、歐盟隧道照明標準CR 14380:2003與日本機動交通隧道照明標準對于K值的規定存在差異，兩個學派依據的都是相同的模擬測試方法，只是在測試基本參數的選用上差別很大。兩個學派提出的折減系數K的取值都是基于對障礙物識別的模擬實驗，并非直接考慮人眼的視覺適應。中國所采用的K值是二者的中間值。

但是，隧道智慧照明的研究只針對動態K值和動態照明是不足的，洞外環境是全天候的，不同時段、不同洞口朝向的隧道外天然光色溫并不相同，人眼對不同色溫光環境的適應能力也不相同。2002年，在對人眼的視覺功效研究中，美國布朗大學David Berson發現了第3種視覺感光細胞——神經節細胞。中國把這種細胞作用下的視覺稱為“司辰視覺”。劉英嬰利用司辰視覺理論研究隧道照明中的光生物效應問題，發現具有更多短波的金屬鹵化物燈的光生物效應光通量比高壓鈉燈高得多。但鑒于LED光源具有亮度高、功耗低、壽命長、啟動快、功率小、頻閃少、不易產生視覺疲勞等優點，應當盡可能發展LED。通過視覺功效和光生物效應實驗研究，將5種色溫的LED光源與傳統照明光源相比較，分析光源色溫與反應時間和人眼瞳孔大小變化的關系，提出適合隧道照明入口段和中間段的LED光源光色，為LED在隧道照明中的應用研究提供實驗依據與參考。

2 色溫突變對駕駛員造成的影響

光視覺效果的研究超過了500年，自電光源的出現，對隧道內停車視距、反應時間等視覺功效的研究，在很長時間內都是隧道照明研究的重點。而生物解剖學上ipRGCs感光細胞的發現，使隧道智慧照明研究開始考慮光生物效應的影響，特別是在駕駛員進入隧道的瞬間色溫突變狀態下人的生理狀態發生的變化（圖1～ 圖 3）。

圖1 進入隧道前10 s

圖2 進入隧道前5 s

圖3 進入隧道瞬間

H.C.Walkey針對單色目標測試了反應時間和搜索時間，從而檢測潛在因素和亮度對比度（針對背景亮度）之間的關系。視覺搜索對于亮度變化比反應時間更加明顯，通過縮放對比度的作用，搜索性能可做到不變，但反應時間的范圍在中間視覺下卻變化明顯。利用彩色刺激研究了2種中間視覺性能模型，描述反應時間和搜索時間在彩色適應下的獨立性。研究的“有效對比度”模型描述了反應時間和搜索時間的光譜獨立性。一種基于反應時間的中間視覺亮度效率模型描述了在對彩色信號無影響情況下每種反應的獨立性。雖然沒有針對公路隧道照明，但其對中間視覺下反應時間和搜索時間的探索方式是與公路隧道照明研究相通的。

另外，進入隧道后人的警覺性改變也是研究的新方向之一。警覺是一種感官意識積極關注外部的狀態，發現并及時應對危險或緊急情況，或快速感知并行動，與心理學以及生理學相關。缺乏警覺性是許多疾病的癥狀，包括發作性睡病、注意力缺陷障礙、慢性疲勞綜合征、抑郁癥或睡眠剝奪。石路發現，光源色溫對CNV等功能具有顯著影響，CNV是反映人體大腦皮層高級神經活動的誘發電位，其各組成部分反映人體大腦不同的生理狀態。高色溫時，人體大腦皮質覺醒水平升高，注意及警覺程度加大。

3 結論

在進入隧道的瞬間，各種光參數都發生了改變，人們對除色溫外的光參數研究較多，為全面了解智慧照明過程，著重分析色溫突變對駕駛員視覺功效的影響。在隧道照明研究中，光源色溫是一個影響光效的重要因素，現有隧道照明標準中，對視覺識別能力被色溫影響的程度未進行詳細考慮，規范也不能完全準確地對隧道照明效果進行評價。加入色溫修正系數，能更好地詮釋駕駛員進入隧道過程中視覺適應過程和駕駛員進入隧道加強照明段后生理狀態發生的改變。總體來看，目前基于色溫突變的隧道智慧照明研究仍處于探索階段，研究成果還沒有整合到公路隧道照明設計應用或導則、標準中。公路隧道智慧照明設計如何平衡視覺需求與健康需求，處理節能與成本之間的矛盾，完善現有的照明設計體系，最終實現有利于行駛安全的隧道智慧照明光環境，是未來研究的重點方向。

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