公路隧道照明環境下中老年駕駛員視覺特征研究綜述

王新鑫，蔡賢云，劉銀露，賈璐熙，馬翔宇，徐小雯

（重慶交通大學 建筑與城市規劃學院，重慶400074）

公路隧道照明的目的是為駕駛員提供良好的視覺環境并保障交通安全，駕駛員從公路隧道外進入隧道內的視覺暗適應過程中會出現視覺滯后現象，因此，公路隧道照明設計必須充分考慮駕駛員的視覺特征［1］。但是，現有公路隧道照明質量評價體系沒有針對不同年齡段駕駛員視覺特征的相關研究。隨著年齡增長，駕駛員視覺能力逐漸減弱，對視覺信號反應時間增加［2］，對公路隧道內安全行車所需光環境要求更高。因此，構建基于不同年齡段駕駛員視覺特征的隧道照明質量評價體系，有利于確保公路隧道照明滿足安全、舒適、節能的要求。

隨著年齡增長眼睛對視覺信號的對比敏感度明顯降低［3］，40歲視力開始功能性減退［4］，40歲之后人眼的對比度視力CVA（Contrast Visual Acuity）顯著下降［5］。借鑒聯合國教科文組織、世界衛生組織對年齡段的劃分依據，將40歲及以上的駕駛員定義為中老年駕駛員。研究表明，隨著年齡的增長，駕駛員的中間視覺敏銳度降低，眩光敏感度增加［6］，不同年齡段駕駛員的視覺差異 （視覺生理、心理特征等）會對行車安全產生直接的影響［7］。因此，相比年輕駕駛員，中老年駕駛員在通過光環境更為復雜的公路隧道時，視覺特征存在明顯差異，例如：瞳孔收縮程度降低，人眼暗適應速度明顯下降，對刺激物細節的分辨能力逐步降低。《中國交通事故概況研究報告》指出，中老年駕駛員駕車導致的死亡人數占駕駛員駕車導致死亡總人數的57.16%［8］。統計數據表明，截至2019年，40歲以上人群占全國總人口的49.26%［9］。2020年全國共有汽車駕駛員4.56億人，36～60歲的駕駛員2.36億人，占51.84%；60歲以上的駕駛員1 641.6萬人［10］，相較2019年增長420.6萬人。由此可見，隨著人口老齡化越來越嚴重，中老年駕駛員的數量必將大幅度增加，依據中老年駕駛員的視覺特征研究公路隧道照明的相關問題，對于提升隧道照明質量具有現實意義。

1 中老年駕駛員的視覺特征

韋伯-費希勒定律表明，要準確評價駕駛員在公路隧道內的主觀感受，需要討論人眼對光刺激量的反應程度。卓艷沖［11］依據心率指標研究了城市公路隧道內駕駛員的心理特征，駕駛員進入隧道洞口時 （視覺暗適應）心率比駛出隧道口時 （視覺明適應）增加了32.4%。居家奇［12］指出低照度彩光照明不能引起中老年人心率的變化，但是能引起年輕人心率的顯著變化。陳堯東等［13］從視覺系統衰退的角度，探討了老年人對不同對比度顏色的識別能力。光源光譜能量分布很大程度上也影響人眼的視覺敏感性［14］，郝洛西等從障礙物探測［15］和主觀評價［16］等方面研究了LED光源的光譜能量分布對視覺作業的影響作用。

駕駛員的視覺能力可以根據視覺作業的精確度與速度通過視覺功效評價，視覺生理與視覺心理均影響視覺功效［17］。人眼瞳孔的變化是研究視覺功效的重要指標，當隧道內的亮度環境相同時，瞳孔大小直接決定了人眼的視覺功效［18］，瞳孔直徑則與人眼視認目標物細節的能力相關［19］。隨著年齡的增長，瞳孔變小，瞳孔直徑從20歲時的7.5 mm減小至85歲時的4.8 mm［20］。而瞳孔收縮程度與人的生理 （年齡）、心理等因素有關［21］。

動態視力直接決定駕駛員的視野和視認距離，動態視力受年齡、公路隧道照明條件、行車速度等因素影響［22］。道路和隧道照明中有關視覺適應、視覺功效的研究對實驗樣本的視力有嚴格要求，而人的視力通常從40～50歲開始下降，39歲以下人群中視力達到1.2的占80%，40～50歲人群中視力能達到1.2的比例下降到60%［23］。駕駛員從公路隧道外進入隧道內的視覺暗適應過程中會出現視覺滯后現象。醫學研究則表明，年齡每增加13歲人眼的暗適應速度下降0.3個單位，即目標亮度必須增加2倍才能被看到。中老年人常見的眼科疾病 （如老年性黃斑病變ARM多見于45歲以上群體），會影響人眼暗適應的靈敏度［20］。由此可見，隨著年齡的增長，駕駛員的暗適應過程會發生很大變化。另外，40歲之后人眼對刺激物細節的分辨能力逐漸降低［24］，45歲前后人眼晶狀體的適應性變化程度下降，人眼聚焦于近、中距離物體時的視看能力降低［25－26］。這些因素都會影響駕駛員察覺公路隧道內障礙物的能力。

隧道照明條件下不同年齡段駕駛員的視覺特征差異，會對公路隧道內的行車安全產生直接的影響 （如行車速度的變化、察覺障礙物的能力等）［7，27］。在道路照明和隧道照明中，駕駛員視覺特征 （視覺生理與心理）的差異體現為視覺功效上的差異，不同照明環境下駕駛員的視覺功效可以用反應時間來衡量［28］。研究表明，隨著年齡增長，駕駛員視覺能力逐漸減弱，對視覺信號反應時間增加［2］，對公路隧道內安全行車所需光環境要求更高。由此可見，中老年人的視覺特征對駕駛員察覺障礙物的能力、公路隧道光環境等均提出了更高要求。

美國道路照明設計標準 （RP－8－00）于2000年引入小目標可見度評價指標［29］，2004年國際照明委員會 （CIE）將察覺對比法中的對比顯示系數（contrast revealing coefficient）作為評價公路隧道照明質量的指標［30］。小目標可見度可以評價駕駛員辨認障礙物的清晰程度，與交通事故發生率之間有很強的相關性［31］。小目標可見度與人眼的適應亮度水平有關，其核心參數為閾限亮度差。基于公路隧道光環境特征、視覺適應理論和對比顯示系數相關研究［30］，Weng等［32］人提出了對比顯示系數閾值 （threshold value of contrast revealing coefficient）的概念。對比顯示系數閾值是駕駛員恰好能察覺到小目標物時亮度對比度的臨界狀態，是對比顯示系數的臨界值，當對比顯示系數不低于對比顯示系數閾值時，駕駛員能辨認小目標物，從而確保公路隧道內的行車安全。閾限亮度差和對比顯示系數閾值取值與年齡密切相關。

2 中老年駕駛員視覺特征下的閾限亮度差

Box等人研究發現，駕駛員在道路上能否察覺障礙物與可見度水平STV值有關，Keck［31］指出，路面平均亮度與交通事故發生概率之間并不能建立直接關系，但可見度水平STV值與交通事故概率在統計學上具有顯著相關性，可見度水平與交通事故發生概率之間的關系呈 “U”形曲線。現階段公路隧道照明中關于小目標可見度的研究相對較少，因此，借鑒道路照明中可見度的研究思路探討隧道光環境下的小目標可見度和對比顯示系數閾值。

陳仲林等［33］指出，公路隧道照明察覺對比法中的對比顯示系數僅與客觀物理量 （亮度和照度）有關，而與駕駛員通過隧道時的視覺生理心理特征無關，因此，建議采用察覺對比顯示系數qcp反映視覺適應情況。依據朗伯定律、對比顯示系數定義［34］和公路隧道照明相關研究［35］，建立對比顯示系數閾值與閾限亮度差之間的關系［32］。在此基礎上，蔡賢云等［36］設計了對比顯示系數閾值的實驗方案，并探討了20～30歲實驗樣本的對比顯示系數閾值取值情況［37］。

公路隧道光環境下小目標可見度和對比顯示系數閾值的研究基礎均為閾限亮度差，閾限亮度差又與閾限亮度對比 （threshold contrast）直接相關。依據定值刺激法，Blackwell［38］歷時兩年半得到了年輕女性（19～26歲）視覺特征下的閾限亮度對比和閾限亮度差，實驗研究中并未明確所選光源的類型及色溫情況。CIE研究報告指出，人眼的視覺能力與年齡之間并非單純的線形關系。基于20～30歲的實驗樣本數據［39］，CIE推薦了背景亮度和閾限亮度對比之間的數學模型［40－41］。Adrian［42－43］通過調整法研究閾限亮度差，同時考慮年齡因素確定了小目標可見度的計算模型，但以10歲的年齡間隔對實驗樣本進行分組并無明確的依據，實驗中所選光源的類型及色溫情況也未明確。基于Adrian的計算模型，北美照明工程學會（IESNA）確立了道路照明中閾限亮度差與視角、人眼適應水平之間的關系［29］。翁季等［44－45］研究道路照明條件下20～30歲實驗樣本的閾限亮度對比，并且借助Adrian的公式修正了60歲駕駛員的閾限亮度差。該研究采用的光源類型與色溫條件未知，同時年齡修正的條件 （60歲）與閾限亮度差實驗條件 （20～30歲）存在差別。

前期研究借助虛擬現實技術已經得到了公路隧道光環境下 （采用6 500 K的LED光源）20～30歲人群的閾限亮度差、對比顯示系數閾值［32］和對比顯示系數最優值［28］。研究表明，顯色性高的光源對隧道內小目標可見度具有補償作用［46］。李福生［47］依據25～30歲人群的實驗數據建立了道路照明下的閾限亮度差光源光譜修正模型，該模型能預測光源光譜對小目標可見度的影響程度，日本學者則通過實驗室實驗探討了汽車前照燈對小目標可見度的影響作用［48］。上述光源光譜、顯色指數和汽車前照燈影響作用的研究，均可以借鑒到基于中老年駕駛員視覺特征的小目標可見度及閾限亮度差的研究部分。

3 結論

隨著年齡增長，人眼對視覺信號的對比敏感度明顯降低，40歲之后人眼的對比度視力CVA顯著下降。當隧道內亮度環境相同時，瞳孔大小直接決定了人眼的視覺功效，隨著年齡增長人眼瞳孔變小，瞳孔直徑從20歲時的7.5 mm減小至85歲時的4.8 mm。年齡每增加13歲人眼的暗適應速度下降0.3個單位，即目標亮度必須增加2倍才能被看到。而隨著年齡增長，駕駛員視覺能力逐漸減弱，對視覺信號反應時間增加，對公路隧道內安全行車所需光環境要求更高。因此，基于中老年駕駛員的視覺特征研究公路隧道照明相關問題，能補充完善現有隧道照明質量評價體系，提升隧道照明質量，優化隧道照明設計方法，對現有隧道照明規范的修訂提出新的理論和具體技術方案。