基于心理和生理效應的公路隧道中間段照明
——利用誘導照明裝置（逆向反射材料）提高駕車安全性的研究

張青文 ， 胡英奎， 翁 季 ， 彭 力， 陳科吉， 王婭菲

（重慶大學 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400044）

1 研究目的

世界各國的公路隧道照明設計標準中，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值的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[1]。

相關調研表明，即使在公路隧道路面亮度達到甚至高于國家標準的情況下，人們也會感受到整個隧道空間不夠明亮而導致的壓抑感，這應是環境光的不足而導致的心理負面效應。

公路隧道具有兩側封閉的構造特點，尤其是中長隧道的中間段距離較長，路面亮度相對較低，這無疑會增加駕駛人員的心理緊張度，這種緊張度會隨著環境光的減弱而逐漸增大。心理上的緊張亦會導致某些生理指標的負面變化，由此產生的安全隱患不可忽視[2]。

公路隧道的環境亮度是指光輻射作用于隧道空間內所有具有反射特性元素的表面亮度總和。當然，路面亮度是其中的重要指標。如果將路面亮度視為一常數（以國家規范要求為參考）用R（Road道路）表示，其他元素（如反光膜誘導裝置、隧道兩側墻面、拱頂、道路邊緣等）表面亮度總和用E（Environment環境）表示，能否將其R／E值作為對公路隧道駕駛人員心理效應的一種評價，是一種全新的嘗試。

由于公路隧道照明燈具的配光及安裝方式，僅考慮了如何提高路面平均亮度和均勻度，而缺乏墻面、拱頂、道路邊緣等區域的照明，若要設法改變其照明方式，提高這些區域的亮度，則勢必會造成成本的增加。

屬于隧道誘導照明裝置的輪廓標，是采用玻璃微珠或微棱鏡的光學折射與反射原理制成的逆反射薄膜材料。逆反射材料將照射到其上的入射光按原入射方向大部分返回, 僅依靠汽車遠光燈的照射，便可提高自身能見度[3]。公路隧道的現場測試結果表明，在汽車遠光燈的作用下，分別安裝于隧道兩側墻面和隧道中央的反光膜輪廓標及反光環的平均亮度至少在100 cd／m2以上，均在駕駛員20°視場范圍內，而其他任何元素的反射亮度均低于這一指標，諸如墻面、道路邊緣、拱頂等區域的反射亮度則可忽略不計，因此，反光膜的視見亮度可直接視為環境亮度E，不僅僅是誘導性，其明亮度將關系駕駛人員的心理效應。因此，如何找出最具心理滿意度的R／E值，建立一個科學的評價指標，是今后的研究方向。

2 研究內容

目前，關于具有誘導功能的輪廓標施工要求，還未查詢到更多的相應標準或規范，僅在中國《公路隧道設計規范第二冊——工程與附屬設施》中，對公路隧道輪廓標的安裝位置、間距、距路面邊緣高度等有簡單規定，規定中對輪廓標的安裝間距給出了較大的范圍6～15 m，安裝中心位置與路面邊緣高差宜為70 cm。而對輪廓標的尺度大小、幾何形體、表面亮度等，未有明確的規定[4]。

輪廓標的表面亮度是公路隧道中使人產生生理和心理效應的主要刺激量，在環境光中占有重要的位置。因此，鑒于隧道兩側墻面的輪廓標及延伸至頂部的反光環在公路隧道內的高亮度效果，如何控制輪廓標的表面亮度，建立一個科學合理的R／E評價指標，是研究的重點。

現代科學技術為照明科技的深入研究提供了條件， 先進的生理測試儀器及心理分析軟件，為研究提供了可能。以輪廓標的幾何尺度、安裝間距及距地尺度的改變來控制亮度的強弱，即在不同光刺激量的條件下測取駕駛人員的生理及心理指標[5]，是確定R／E評價指標的基礎。

美國的BioHarness是一款適用于室外工作環境的生理信號無線測量系統，可測取在公路隧道駕車環境中，不同光刺激下的腦電波、心率、呼吸、體溫等人體生理量， 如圖1所示。

圖1 無線腦電波實測場景

面部表情分析系統（FaceReader）是一款專業心理分析軟件，軟件采用增加深度神經網絡（Deep neural network）的算法，對各種復雜環境下的面部表情進行分析。在公路隧道不同的照明環境下，自動分析來自于視頻錄制或相機拍攝所獲得的駕駛員面部圖像，根據駕車者面部表情的變化（如緊張度），可求得駕車者在隧道內的緊張情緒在不同照明條件下的變化趨勢。圖2為駕駛人員面部信息處理過程界面。

圖2 利用FaceReader軟件進行駕駛人員面部信息處理過程界面

資料表明，駕車者的緊張情緒是造成安全事故的重要因素。緊張情緒可導致人體心理和生理功能的紊亂，進而不能正確分析與判斷可能遇到的突發情況，易導致交通事故的發生。因此，FaceReader是研究駕駛過程中的緊張心態，探討駕車者的緊張情緒隨某種影響因素而變化的有效工具[6]。

采用影像分析法進行公路隧道光度、色度的空間分布測試（如均一性）可瞬時獲取整個20°視野內的光環境分布（各元素的反射亮度平均值）信息，降低測試的復雜程度，極大地減少了測試所需的時間，提升了效率。采用常規的瞄點式亮度計，做同樣的測試可能需好幾個小時，且結果無法同影像分析法相比較。圖3為產于美國的PR-920數字影像光度計。

采用上述儀器及軟件可測取和分析駕車者在公路隧道內不同照明條件下的心理及生理指標，如緊張情緒及心率變異性。由此尋求最具合理性的亮度環境比R／E值。

中間照明段在公路隧道中具有相對較長的行車距離和較低的路面平均亮度，是易引發安全隱患的區域，因此，本研究選擇中間照明段作為主要實驗場地。

3 研究方法

3.1 實驗場地

圖3 PR-920數字影像光度計示意圖

實驗場地選擇山西省某高速公路隧道。該隧道全長3 430 m，中間照明段長度3 120 m。該隧道設置為單向三車道，隧道建筑限界凈寬14.00 m，單車道寬3.75 m，路面至拱頂距離為6 m。

燈具安裝位置距離路面高度為5.50 m，基本照明段光源采用35 W LED燈，燈具兩側交錯布置，布燈間距10 m。此照明方式除作為白天隧道基本照明外同時作為隧道夜間照明布燈形式，即兩側交錯布燈，燈具發光軸線與豎直面夾角為15°。隧道基本段實景及燈具安裝示意圖分別由圖4和圖5所示。隧道內共設有4種照明方式，可進行控制切換。輪廓標的安裝間距按1 000 m分段，分別劃為4 m、8 m和16 m段，可滿足不同路面亮度、環境亮度條件下的心理和生理指標實測。

3.2 輪廓標的視見亮度控制

在汽車遠光燈的作用下，駕駛者可察覺到輪廓標在百米外兩側墻面所形成的連續光帶，光帶的視見亮度隨著輪廓標的幾何尺度和安裝密度而變化。前期調研已證明，視見亮度隨著二者的增大而變大，如何通過這兩個條件的變化，將視見亮度控制在合理的范圍內，是實驗的必要條件。

為將輪廓標亮度控制在有效的實驗范圍內，在查閱相關資料和現場調研的基礎上，以其他隧道的調研結果為依據，將本次實驗隧道的輪廓標邊緣設計為淺弧度造型，短邊和長邊邊緣弧長分別為65 cm和70 cm，寬度為15 cm，面積大于傳統的輪廓標尺度。其幾何尺度和安裝方式由圖6所示。

圖4 隧道中間照明段實景

該隧道中間照明段的長度為3 120 m，選該照明段為輪廓標實驗路段。將輪廓標安裝間距分別定為4 m、8 m和16 m，由間距密度的變化來控制視見亮度的大小。整個路段以1 000 m劃分，共劃成3段。3種間距各占1段，間距密度沿車輛行駛方向逐漸降低，則輪廓標視見亮度亦隨之降低，從而實現在不同輪廓標視見亮度條件下的現場實測。輪廓標安裝間距示意如圖7。

圖5 隧道照明燈具安裝示意圖

圖6 輪廓標的幾何尺度與安裝方式

圖7 輪廓標安裝間距示意圖

3.3 照明工況

隧道空間的路面和環境亮度受照明工況的影響，即路面、墻面、道路邊緣等元素的表面亮度來自于光源光通量的數量、燈具的配光及安裝方式等條件。且照明光源的光通量絕大部分服務于路面，因此，照明工況是決定路面亮度的主要因素。

同時，不同的照明工況又產生與其相應的光環境。雖然，輪廓標的亮度僅來自于汽車遠光燈，但對駕駛人員的視見亮度影響遠大于隧道內其他環境元素的表面亮度，是環境光的重要組成部分，因此。二者是形成R／E值的關鍵。

鑒于此，可利用該隧道內的4種照明工況，分別進行實驗，各工況下的開閉燈情況如表1所示。

工況Ⅰ、工況Ⅱ和工況Ⅲ是隧道投入運營后的常用照明工況，工況Ⅳ僅在緊急情況下出現。因此，前3種照明工況是實驗的主要內容。

3.4 隧道空間的亮度分布實測

利用PR-920數字影像光度計對20°視野范圍內的隧道空間亮度分布進行實測。PR-920配有小廣角的攝像鏡頭，具有較寬的取景范圍，所取圖像中各景物的表面亮度及色度信息可被瞬時測取。被測取的圖像中儲存了以像素點為總數的大量亮度或色度信息，即某個點或面的亮度值分別來自于單個像素或對多個像素點的平均計算結果。利用其TOOLS功能，可有效選取所需的景物區域（如連續的輪廓標光帶或路面區域），從而獲得這些被選區域的平均亮度值。

在20°視野范圍內，駕車者在汽車遠光燈的作用下可觀察到100 m外隧道兩側墻面輪廓標所形成的連續光帶及在照明光源作用下的路面或其他景物。為準確獲取這些景物元素的亮度信息，要求將實驗車輛停放在測試區域道路中心，并開啟遠光燈，將PR-920架設在汽車前大燈旁，儀器調試完畢后，即可進行實測，如圖8所示。

表1 4種典型的照明工況

圖8 隧道道路路面及環境亮度實測

3.5 利用面部表情分析系統（FaceReader）進行面部信息采樣實驗

實驗將采用樂橙TC-1輕型攝像頭對受測駕駛人員進行面部信息采樣。該攝像頭具有高清晰度的圖像質量，在光照不足的條件下可自動轉為紅外拍攝，將其安裝于駕駛位的前擋風玻璃下沿臺面上，調好攝取角度，利用WiFi網絡控制操作，即可獲得受測駕駛人員在駕車過程中的面部表情信息，如圖9所示。

圖9 駕駛人員面部信息采集場景

實驗受測駕駛員不低于5人，年齡、駕齡、身體狀況、視力等均有相應要求。受測人員在采樣期間應保持正常心態，盡量減少外界干擾。實驗以中間照明段為行駛區域，受測人員分別在3種照明工況下跑完全程，每種照明工況下的輪廓標安裝間距分別為4 m、8 m、16 m，等分于1 000 m范圍內。由此可采集到受3種照明工況和3種輪廓標視見亮度影響下的面部表情信息，被采集的面部表情信息經面部表情分析系統FaceReader軟件的處理和分析，可獲得受測人員在不同照明條件影響下的心理緊張度[7]。

3.6 利用BioHarness生理信號無線測量系統測量心率及呼吸

BioHarness是一款適用于室外工作環境的生理信號無線測量系統，該系統利用藍牙功能進行無線操控，可有效測取在公路隧道駕車環境中，不同光刺激下的腦電波、心率、呼吸、體溫等人體生理量。

實驗對心率進行實測。實測前，將測取心率的傳感器套在受測人胸部（圖10），連接電腦，調試完畢后，即可用藍牙控制，進行連續測量，從而測取駕駛人員在3種照明工況和3種輪廓標視見亮度影響下的心率變異指標。

心率變異性（HRV）是指逐次心跳周期差異的變化情況，反映了竇性心率不齊的程度。在正常情況下心律受起搏傳導系統所控制，竇房結是心臟的最高起博點，受植物性神經系統的調節，和外部刺激有關。如，加載精神負荷時，HRV將減少，精神負荷越大HRV越低。因此，HRV可用于分析和評估各種不利因素對人體的影響[8]。

測取心率變異性可掌握受測人在不同光照條件下的生理變化情況，以便進行生理與心理實測結果的綜合分析。

4 實驗流程

圖10 綁有心率測試胸帶時的駕車測試場景

在3種照明工況、3種輪廓標安裝間距的條件下進行實測。每種照明工況下需分別進行輪廓標在4 m、8 m、16 m間距下的各段隧道環境亮度分布實測。該實測結束后，即可進行每種照明工況下，受測人在駕車過程中的面部表情采樣和心率、呼吸的實測工作，其工作流程如圖11所示。

本實驗僅在照明工況Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ條件下進行了實測。

實驗將對5名受測人進行實測，5名受測人將分別在3種照明工況下進行面部表情采樣和生理信息實測，共有16次駕車測試的過程。同時，在駕車返回的過程中還進行了不同照明工況下、無誘導照明下的心理和生理指標測試，以此作為整個數據分析的參考依據。

圖11 隧道實測工作流程框圖

5 數據處理結果

利用FaceReader軟件的數據處理功能對各照明工況下的不同誘導照明安裝間距下的心理指標進行了處理和分析。主要通過照明條件導致的駕駛者緊張情緒變化程度來尋求照明條件和心理變異的關系，以獲得合理的R／E值。

由PR-920所測取的環境亮度值可知（表2），無論在何種照明工況下，4 m間距段輪廓標光帶的平均亮度最高，8 m間距段僅次于4 m間距段，16 m間距段最低。而隧道墻面、路沿等環境亮度和路面亮度則遠低于輪廓標光帶的平均亮度（由于反光環亮度未形成隧道兩側的連續光帶，對駕車者影響不大，故暫未考慮）。

圖12反映了受測者在3種照明工況時的緊張情緒隨輪廓標安裝間距（即亮度變化）改變的關系曲線。由此可知，在照明工況Ⅰ時，路面亮度相對較高，平均亮度為7.16 cd／m2，4 m和8 m段的緊張情緒很小，幾乎無變化。但進入16 m段時，緊張情緒略有增大，此時，路面亮度對受測者的緊張情緒起主要作用。

照明工況Ⅱ時，路面平均亮度為5.33 cd／m2，8 m段的緊張情緒相對于4 m段略有增加，進入16 m段時，緊張情緒增加且起伏較大。

照明工況Ⅲ時，路面平均亮度為2.91 cd／m2,此時，4 m、8 m、16 m 3個分段的緊張情緒由低至高呈明顯變化。這表明，當路面亮度較低時，緊張情緒隨輪廓標光帶的亮度由小而大，且變化趨勢明顯，此時的輪廓標亮度對緊張情緒起主要作用。

由此可知，路面亮度和輪廓標亮度與受測人的緊張情緒相關聯，路面亮度較高時，輪廓標亮度的改變對緊張情緒的影響不大，反之亦然。中國《公路隧道照明設計細則》（JTG/TD70/2-01—2014）中規定車速為80 km/h時，中間照明段路面亮度為2.5 cd/m2,按上述結論，此時的輪廓標亮度對駕車者的緊張情緒起主要作用。因此，合理的亮度環境比R／E是降低駕車者緊張情緒、保證安全駕駛的重要因素。

表2 不同照明工況、輪廓標間距及環境亮度測量值

續表

圖12 不同照明工況下的受測人緊張情緒與輪廓標安裝間距的關系曲線

通過BioHarness測取的心率數據經濾波處理后，再由Kubios HRV Standard心率變異性分析軟件進行處理和分析。初步獲知受測者的心率變異性與照明工況和輪廓標亮度的變化有關，變化規律與FaceReader處理結果基本相似。這種變化趨勢表明HRV可作為隧道照明條件對駕駛者生理影響評價的一種手段[9]。

通過對不同照明工況和輪廓標間距下的心理緊張度及心率變異性，可找出所對應的路面和輪廓標光帶的平均亮度值，以此確定最佳的亮度環境比R／E值，即緊張度和心率變異性最小時的亮度環境比。

研究中，還對受測者進行了主觀問卷調查，調查結果將作為R／E值的評估依據，主觀評價與客觀數據的結合將提高的R／E值的置信度。

6 結論

道路交通反光膜以輪廓標的形式已廣泛用于公路隧道內的交通誘導照明。在汽車遠光燈的作用下，其視見亮度遠大于其他環境元素的反射亮度。研究表明，其對駕車者的心理和生理影響有明顯的作用。以定量研究的方法，在不同照明工況下，找出輪廓標亮度與駕車者的心理和生理變化規律，即在公路隧道路面亮度滿足國家標準的前提下，控制好輪廓標的反射亮度（通過增大輪廓標幾何尺度和控制安裝間距來予以實現），制定出合理的R／E值，由此，不僅可降低安全隱患，還無需輔助照明來提高環境亮度，具有安全節能的意義。

鑒于人體心理和生理變化的復雜性，受儀器設備和實驗條件的限制，研究工作有待于進一步深入和完善。

目前，研究工作尚在進行中，大量的實驗數據還需更加科學的分析和論證。初步研究結果證明，該研究是一次成功的嘗試，對在公路隧道節能的基礎上提高安全性，改善公路隧道的光環境質量具有重要的意義，為《國家公路隧道照明設計標準》和《公路隧道設計規范》（如反光膜輪廓標的施工安裝要求）的制定提供了科學合理的依據。