基于路燈低頻閃爍能量比率解釋的實驗研究

陳神飛，張 兵，李瑋晟，楊松柏，趙海天

(1.同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092；2.深圳大學建筑與城市規劃學院，廣東 深圳 518060)

引言

不連續布置的路燈對駕駛員視覺造成的刺激，在隧道照明、地下通道照明中表現為閃爍效應，而這一現象在現有的低位照明中也很明顯[1-4]。不合理的頻閃頻率會造成駕駛員視覺疲勞[5,6]，視敏度下降[7]等視覺特征變化，也會引發駕駛員緊張、焦慮、煩躁、癲癇等身體不適[8-14],甚至引發交通事故[15,16]。

國際照明標準中, 以國際照明委員會CIE為主, 在《Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses》(CIE 88—2004)中指出“照明頻閃頻率應該控制在小于2.5 Hz或大于15 Hz的范圍內”[4]，閃爍頻率取決于行駛速度以及燈距，以減小超低頻閃爍帶來的影響。《公路隧道通風照明設計規范》(JTJ 026.1—1999)規定中只表明路燈的間距和車速對“頻閃”閃爍的影響。

根據BLOCH’S[17]定律，人眼能感覺到外界刺激的兩個條件是：刺激信號需要有一定的強度和一定的作用時間。很多標準與規定只是考慮“頻閃”閃爍的頻率，有效控制路燈間距和車速就可以減小“頻閃”閃爍強度，而完全忽略了閃光能量對頻閃閃爍強度的影響。北美照明工程學會IESNA[18](Illuminating Engineering Society of North America)闡明了產生頻閃的原因是由于路燈發光面與周邊環境之間形成明顯的亮度反差。當反差越大時，駕駛員明暗視覺交換程度較強，很快導致視覺疲勞，疲勞程度隨時間增長；當反差越小時，駕駛員明暗視覺交換程度較弱，達到視覺疲勞的時間延長，比如，由于白天環境亮度均衡，駕駛員視覺不易疲勞，而一旦進入采用人工光源的隧道，或者低位照明的道路，高亮度的人工光源對人眼造成的眩光引發的強烈刺激與低亮度的環境對人眼造成的微弱刺激促使駕駛員明暗視覺不斷的交換。而光源刺激信號的大小實質上就是光源能量的高低。

本文通過設計實驗，模擬不同亮度的環境對人眼的刺激，檢測在不同亮度刺激下，人眼視覺疲勞程度的大小，研究關于路燈光源能量大小對人眼視覺疲勞影響。揭示了能量比率在閃爍強度中的主導地位，為道路照明設計與隧道照明設計提供參考依據。

1 實驗方法

1.1 實驗目的

利用相對運動原理，駕駛員不動，模擬的路燈相對駕駛員運動。保證LED燈的運動速度不變，即閃爍的頻率不變，改變不同的亮度等級。測試者觀看同樣時間長短，不同亮度等級的運動的燈帶，采用閃光融合頻率計檢測出測試者每次實驗前、后的臨界頻率值，比較不同亮度等級實驗前、后臨界頻率的差值大小，判斷駕駛員視覺疲勞的程度。

1.2 實驗裝置

實驗裝置由傳動裝置、觀測裝置、檢測裝置組成。實現速度可控、亮度可控、頻率可控。

傳動裝置由步進電機提供動力，帶動皮帶及LED燈勻速運動，通過輸入特定參數，達到速度控制，實現頻率可控操作；觀測裝置，為受試者實驗時所需佩戴的鏡筒，避免測試者視野受外界干擾,如圖1所示。檢測裝置是采用閃光融合頻率計，通過檢測測試者臨界閃光融合頻率(critical flicker frequency, CFF)作為視覺疲勞的參考指標[19-22]，圖2為實驗場景圖。

圖1 實驗模型部件圖(a)[23]；觀測鏡筒裝置(b)Fig.1 Experimental model part drawing (a); observation tube device (b)

圖2 實驗場景圖(測試時實驗室其他照明設備都關閉，圖片中已打開)Fig.2 Experimental scene diagram (other lighting in the lab is turned off during the experiment, the image is already open)

1.3 實驗光源參數指標

實驗中各亮度等級下LED燈參數如表1所示。

表1 實驗中使用LED燈的參數[23]

1.4 實驗方法與步驟

本實驗通過設計模擬道路照明光環境試驗臺，測試者通過觀察前面試驗臺上模擬的道路照明的燈光進行道路駕駛實驗測試，如圖3所示。實驗采用的頻閃頻率為6 Hz。

圖3 實驗測試時相應位置關系圖及個測試點實際視野圖Fig.3 Corresponding positional relationship diagram and actual test field of a test point during experimental test

實驗一共分低、中、高三組亮度等級，每組實驗開始前后，測試者采用最小變化法測出其臨界閃光融合頻率(CFF)值，多次測試取平均值，記為C1-1、C1-2，C2-1、C2-2，C3-1、C3-2，并計算其差值記為ΔC1： ΔC1=C1-1-C1-2；ΔC2：ΔC2=C2-1-C2-2，ΔC3：ΔC3=C3-1-C3-2，每組實驗中途休息半小時以上。

2 數據處理與分析

2.1 實驗數據統計結果

將實驗記錄的數據全部輸入到SPSS軟件中[24]，CFF平均值數據統計如圖4、圖5所示。

圖4 低、中、高亮度測試前CFF值(a)和測試后CFF值(b)Fig.4 CFF value before low, medium and high brightness experiment (a) and CFF value after experiment (b)

圖5 (a)低亮度實驗前、后CFF值；(b)中亮度實驗前、后CFF值；(c)高亮度實驗前、后CFF值；Fig.5 (a) CFF values before and after low brightness experiment; (b) CFF values before and after medium brightness experiment; (c)CFF values before and after high brightness experiment

許世巖等[25]針對平均年齡為24歲的群體研究表明，正常狀態下人眼雙眼CFF值測試在27～40 Hz之間，繆毅強[26]等通過對大量不同職業、年齡、性別的測試，得出正常人的閃光融合頻率在30～45 Hz之間。圖4為每組實驗開始前，測試者的閃光融合頻率測試值，其范圍在30～45 Hz之間。圖5為每組實驗，測試前后CFF值，其對應的差值，即為測試者實驗前后，視覺敏銳度的改變大小。

2.2 數據正態分布檢驗

ΔC1、ΔC2、ΔC3正態分布檢驗從研究過程來分析，每個測試者最終測試的結果互相之間保持獨立，因此，需要先檢驗ΔC1、ΔC2、ΔC3是否滿足正態分布的假設。

本文數據主要采用Shapiro-Wilk檢驗方法對總體的分布進行檢驗[27,28]。假設：

H0: ΔC1、ΔC2、ΔC3與正態分布沒有顯著區別;

H1: ΔC1、ΔC2、ΔC3與正態分布存在顯著區別。

檢驗結果如表3所示。單樣本k-s檢驗結果表明(ΔC1:P=0.200>0.05;ΔC2:P=0.200>0.05;ΔC3:P=0.200>0.05); 單樣本S-W檢驗結果表明(ΔC1:P=0.943>0.05;ΔC2:P=0.130>0.05;ΔC3:P=0.502>0.05)，則拒絕H0，即符合正態分布。

表3 ΔC1、ΔC2、ΔC3正態分布檢驗分析表

2.3 獨立樣本的差異顯著性分析

在整個實驗探索的過程中，無法預測受試者性別、實驗測試時所坐的位置(位置不同面對燈運動的角度不一樣)以及實驗過程中照明環境亮度變化是從low → high或者是從high → low對實驗結果的影響，因此對數據進行顯著性分析。性別和照明環境亮度變化對實驗結果影響采用Mann-Whitney U檢測[29-33]，實驗位置，即角度不同對實驗結果的影響采用Kruskal-Wallis (K-W) 檢測[34]。

2.3.1 視覺疲勞程度與性別差異的顯著性分析

實驗過程中，被試對象有21人，其中男性11人，女性10人，平均年齡在25歲左右為探究實驗測試結果與性別不同是否存在顯著性差異，對該實驗數據進行差異顯著性檢驗，采用Shapiro-Wilk (SW) 檢驗。

如表4所示，列出了用Mann-Whitney U方法進行檢驗的結果。使用檢驗Exact方法計算出的三種測試結果的雙側顯著性水平為P=0.973、0.705、0.468均大于0.05，所以實驗前后視覺疲勞程度與性別沒有顯著性差別。

表4 視覺疲勞程度與性別差異的顯著性分析表

2.3.2 視覺疲勞程度與實驗亮度由low → high和high → low的顯著性分析

在實驗過程設計中，無法否定實驗中光照強度變化從low→high,還是從high→low對實驗的影響，在實驗設計中，有12位被試者的實驗環境亮度由low→high,有9位被試者的實驗環境亮度變化是high→low。如表5所示，為實驗環境亮度變化是否對實驗結果有顯著性影響的分析。

表5 視覺疲勞程度與實驗亮度由low → high和high → low的顯著性分析

如表5所示，列出了用Mann-Whitney U方法進行檢驗的結果。使用檢驗Exact方法計算出的三種測試結果的雙側顯著性水平為P=0.508、0.554、0.247均大于0.05，所以實驗前后視覺疲勞程度與實驗環境亮度是從low→high,還是從high→low沒有顯著性差別。

2.3.3 實驗前后視覺疲勞程度與實驗測試者所處位置差異顯著性分析

在實驗的過程中，為縮短實驗的周期，分別采取了3個不同的位置及角度進行實驗，以減少實驗的偶然性。如表6所示，為實驗過程中被測試者的測試位置不同是否對實驗結果有顯著性差異的檢驗。

如表6所示，列出了用Mann-Whitney U方法進行檢驗的結果。使用檢驗Exact方法計算出的三種測試結果的雙側顯著性水平為P=0.127、0.271、0.833均大于0.05，所以實驗前后視覺疲勞程度與實驗被試者所處位置沒有顯著性差異。

表6 實驗前后視覺疲勞程度與實驗測試者所處位置差異顯著性分析

3 實驗結果

由以上分析可以知道實驗結果與被試者性別、實驗環境光照強度變化形式及被試者實驗所處位置和角度沒有顯著性差異，則可以將實驗變量進一步簡化。表7為實驗環境亮度等級與被試者測試前后CFF差值的數據。

表7 ΔC與實驗光強度數據表

續表7

將該表的數據導入SPSS軟件中進行散點圖繪制，得到ΔC與L-fluctuation的散點分布圖，如圖6所示。由圖可以看出，隨著實驗環境亮度的增大，ΔC也隨著增大。說明實驗環境亮度越大，對視覺疲勞程度影響越大。

圖6 實驗前、后CFF差值(ΔC)與實驗LED亮度等級對數(L)的關系曲線Fig.6 Relation curve between CFF difference (ΔC) before and after experiment and logarithm of LED brightness level (L)

4 討論

圖6的數據反應了臨界閃光融合頻率差值與實驗環境亮度等級的關系。從圖中可以看出，在相同頻率下，相同時間內，光照強度越大，測得的人眼閃光融合頻率越小，ΔC越大，說明對人眼視覺刺激越大，視覺疲勞程度越大。即在相同的條件下，光強越小，對人眼形成的刺激越小，達到視覺疲勞的時間就越長。在實驗過程中，測試的實驗亮度等級只有三個，低等、中等、高等三個等級的亮度差別較大，在該范圍內，臨界閃光融合頻率差值ΔC的升高與實驗亮度等級的對數成線性關系。根據Ferry-Porter定律[35，36]，臨界閃光融合頻率差值與亮度等級對數應該滿足ΔC=klogl+c，k和c都是常數。由于實驗過程中亮度等級次數較少，還需進一步探索不同等級亮度對臨界閃光融合頻率的影響。

5 結論

在道路照明與隧道照明設計中，因機動車的運動在駕駛員的視野中形成的超低頻閃爍是無法避免的，但現有的許多照明標準(包括CIE在內)與設計規范中都只考慮了通過控制頻閃頻率來降低閃爍強度，而忽略了路燈表面本身的能量關系對閃爍強度的影響。

本論文主要揭示了路燈低頻閃爍的本質是——能量比率，并且通過實驗證實了降低閃爍光源表面的亮度(能量比率)大小可以有效緩解視覺疲勞，即減小路燈低頻閃爍對人眼的影響，延長駕駛員視覺疲勞的時間。對于道路照明與隧道照明設計有一定參考價值。