毗鄰隧道連接段進口處視覺變化及合理照度研究

高 峰,張龍瀟,劉漢銀,白 軍,冉 飛

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400041；2.重慶鐵發建新高速公路有限公司，重慶 401120)

0 引言

隨著高速公路運營里程的不斷增加，越來越多的毗鄰隧道開始進入人們的視線，特別是在西部山區。目前對毗鄰隧道尚無準確定義，如圖1所示，王少飛[1]將隧道間距L≤250 m的隧道稱為毗鄰隧道。在隧道的進出口處，亮度會有急劇的變化，容易造成駕駛員的明暗適應困難，由此引發一系列安全問題。此外，由于毗鄰隧道其相鄰隧道的間距較小，所以駕駛員在駕車通過毗鄰隧道時會在較短時間內經歷“暗—明—暗”的適應過程，此時連接段洞口亮度對于駕駛員的心理和生理均會產生較大的影響[2]。而目前由于針對于毗鄰隧道的照明問題還沒有較為完善的相關規范，因此，毗鄰隧道的照明設計仍然是按照普通隧道的照明來進行設計，對于毗鄰隧道來說這顯然是不合理的。

圖1 毗鄰隧道示意圖

駕駛員在行駛過程中，有80%～90%的信息依靠瞳孔由外界獲得[3]，因此瞳孔面積的變化可以較好地反映駕駛員的視覺適應性以及駕駛負荷的程度。國內利用瞳孔面積來進行對于駕駛員的視覺特性的研究是比較多的：林淼[4]在分析了白天隧道出口段的環境照明特征、駕駛人視覺特性以及視覺適應機理的基礎上，將瞳孔面積、照度以及視覺適應時間確定為表征照明優化的參數。杜志剛[5]利用IViewX HED Laptop系統在采集了大量實驗數據的基礎上建立了隧道進出口瞳孔面積及面積變化臨界速度定量關系，并且提出了用瞳孔變化速度和瞳孔變化臨界速度的比值k來評價隧道路段視覺負荷。席海華[6]在實車試驗的基礎上，通過SPSS以及MATLAB等軟件，建立了駕駛人瞳孔面積隨環境照度和車輛在隧道內行駛時間變化的數學模型，從而得到了隧道出口段夜間照明優化模型，并給出了路面照度的優化值。閻瑩[7]在實車試驗的基礎上，利用瞳孔面積作為表征駕駛員明暗適應的參數，得出了通過隧道連接段時駕駛人的瞳孔面積最大值與隧道連接段長度之間的二次曲線模型。

現有研究多集中在研究隧道進口A以及出口D的駕駛員視覺特性[8]，而忽略了B、C處駕駛員的視覺適應過程，本文選擇以實測駕駛員瞳孔直徑的變動來衡量駕駛員的視覺適應性，進而以此來研究毗鄰隧道連接段進口處(C處)的視覺變化及合理照度值。

1 駕駛員通過隧道群瞳孔變化現場試驗

1.1 試驗地點

試驗隧道位于重慶九龍坡區、南岸區，隧道詳情見表1所示，所有試驗隧道路面均為瀝青路面。

表1 試驗隧道情況Table1 Conditionoftunnelofsection隧道序號隧道名稱隧道長度/m1新宋家溝二號隧道與新中梁山隧道連接段42.52宋家溝二號隧道右線與中梁山隧道右線連接段58.653真武山隧道右線毗鄰隧道98.784真武山隧道左線毗鄰隧道103.255中梁山隧道與宋家溝隧道左線連接段111.5

1.2 試驗設計

選擇男性駕駛員4名，矯正視力均在5.0以上，年齡均在20～30歲之間；試驗車輛采用大眾，試驗過程中車輛保持50 km/h的速度行駛；試驗用眼動儀采用德國SMI生產的眼鏡式眼動儀，使用時與電腦相連，可采集駕駛員的屬性、執行校準、觀測實時注視軌跡并實時標注受試者的行為；試驗使用的便攜式筆記本電腦型號為聯想ThinkPad X230，電腦上裝有眼動儀廠家提供的眼動儀數據采集軟件iView ETG，試驗時用數據線與眼動儀相連，打開配套的數據記錄軟件即可采集眼動儀記錄的數據；試驗用照度計采用臺灣泰仕電子工業股份有限公司生產的1339R型照度計,見圖2、圖3。

圖2 試驗數據采集

(a)眼動儀

1.3 數據采集

試驗前測量毗鄰隧道連接段進出口的照度，試驗時照度測量的測點布置在行車道中線處，選取洞內40、35、30、25、20、15、10、5、0 m以及洞外5、10、15、20 m處。用眼動儀采集試驗行車過程中的駕駛員的瞳孔直徑。根據所測得的照度、瞳孔直徑以及連接段長度來分析這3個量之間的關系。

試驗采集所得各隧道進口A處瞳孔直徑平均值如表2所示，連接段進口C處瞳孔直徑平均值如表3所示,隧道進口A處照度值如表4所示。

表2 隧道進口A處瞳孔直徑平均值Table2 AveragediameterofthepupilatthetunnelentranceA距洞口長度/m1號隧道2號隧道3號隧道4號隧道5號隧道-201.81.91.71.81.7-151.81.91.71.81.7-1021.81.81.81.8-52.21.91.81.81.802.421.81.91.952.521.91.91.9102.62.22.12.22.2152.62.42.32.42.3202.72.42.42.42.4252.82.62.62.62.53032.82.72.82.63532.92.72.82.8403.12.92.92.92.8

表3 連接段進口C處瞳孔直徑平均值Table3 AveragediameterofthepupilattheentranceCoftheconnectingsection距洞口長度/m1號隧道2號隧道3號隧道4號隧道5號隧道-202.31.81.921.9-152.41.81.921.9-102.82.222.12-52.92.422.1203.22.52.12.22.153.22.62.22.22.1103.22.92.42.42.3153.43.12.72.62.6203.63.1332.8253.83.33.13.12.9303.83.43.23.12.93543.43.33.234043.63.33.23.1

表4 隧道進口A處照度值Table4 IlluminanceattunnelentranceA距洞口長度/m1號隧道2號隧道3號隧道4號隧道5號隧道-20101191101196101193101191101200-15101067101071101064101063101072-10100820100846100839100842100858-5100024100122100131100114100151094443936929392993692939315155915671577159714791016811679168817001598151655166616621679160820160116071596161615772515651572156115801563301530153615261544153535151215161505152015134014621463145514661459

2 連接段長度與瞳孔直徑差異分析

2.1 不同進口處的瞳孔直徑分析

通過分析在隧道進口A處以及在連接段進口C處的瞳孔直徑，如圖4至圖8所示，可以得出隧道進口A處所對應的瞳孔直徑較相應隧道連接段C處所對應的瞳孔直徑均更大。這表明隧道進口處與連接段進口處視覺特性是有較大差別的。

此外從圖4至圖8可以看出，隨著連接段長度的逐漸增加，隧道進口A處瞳孔直徑與相應連接段的進口C處的瞳孔直徑之間的差異在逐漸減小。也就是說，隨著連接段長度的逐漸增加，C處的瞳孔直徑大小與A處的瞳孔直徑大小逐漸趨于一致。

圖4 1號隧道A、C進口處瞳孔直徑對比圖

圖5 2號隧道A、C進口處瞳孔直徑對比圖

圖6 3號隧道A、C進口處瞳孔直徑對比圖

圖7 4號隧道A、C進口處瞳孔直徑對比圖

圖8 5號隧道A、C進口處瞳孔直徑對比圖

2.2 連接段長度與瞳孔直徑差值平均值關系

隧道連接段BC的長度直接影響駕駛員從駛出B處到駛入C處這一段的視覺適應過程是否已經完成。當隧道連接段較長時，駕駛員在駛入C處之前已經完成了明適應過程，此時C處瞳孔直徑大小以及變化規律與A處一致，而隧道連接段較短時，駕駛員在明適應過程尚未完成時就要開始進行暗適應過程，此時C處瞳孔直徑變化與A處相比差異較大。設隧道連接段長度為l，隧道進口A處與相應連接段進口C處瞳孔直徑差值平均值為δ，對1號至5號毗鄰隧道進行分析可得到l與δ之間的關系如圖9所示。

圖9 連接段長度與瞳孔直徑差值平均值關系圖

由圖9可得隧道進口A處和相應的連接段進口C處之間瞳孔直徑差值平均值δ與連接段長度l之間成二次函數關系式：

l=177.66×δ2-323.29×δ+185.17

(1)

通過式(1)可以知道，當δ=0時，l=185.17 m，即當連接段長度等于185.17 m時，隧道進口A處和毗鄰隧道連接段進口C處之間瞳孔直徑差值為0，即此時A處和C處的瞳孔直徑大小及變化規律是一致的，則可將連接段進口C處的照明作為普通隧道照明進行設計。

3 毗鄰隧道連接段進口C處照明優化

3.1 隧道進口A處照度與瞳孔直徑關系分析

瞳孔大小的變化起到了調節進入眼內光量的作用，在強光照射時，瞳孔會縮小以此來減少進光量，減小對視網膜的刺激，而在弱光時，瞳孔會放大以此來增加進光量，使視網膜能夠得到足夠刺激，進而能清晰地分辨物體[9]。取駕駛員瞳孔直徑為D(mm)，隧道內外路面的照度為E(lx),對所測的5條毗鄰隧道進口A處試驗數據進行分析，建立了lnE和ln(ED)的關系，如圖10所示。

圖10 隧道進口A處lnE-ln(ED)關系圖

由圖10可得出，隧道進口A處lnE與ln(ED)呈二次函數關系，駕駛員瞳孔直徑與照度之間的擬合關系式為:

ln(ED)=0.070 76×(lnE)2-

0.398 57×lnE+7.314 27

(2)

3.2 毗鄰隧道連接段進口C處照明優化

在隧道進口A處按照普通隧道照明設計規范[10]進行設計，使得駕駛員的視覺適應過程滿足心理和生理的安全駕駛要求，通過分析隧道進口A處瞳孔直徑D和照度E之間的關系，得出了式(2)的關系。同理，在C處為滿足安全駕駛的要求，也應該滿足式(2)的關系，因此，在連接段進口C處，當測得瞳孔直徑D后，可根據式(2)得出在滿足安全要求下的合理照度值。

以1、2號隧道為例，將隧道連接段進口C處按普通隧道照明設計規范布燈所得的現有照度值以及用式(2)計算得到的照度值進行對比，結果如表5、表6所示。

表5 1號隧道兩種照度值對比Table5 TwoilluminationvaluesoftunnelNo.1與隧道洞口距離/m隧道現有照度/lx公式計算所得照度/lx51085601101046601151019532209724775936431309084313589039240857392

表6 2號隧道兩種照度值對比Table6 TwoilluminationvaluesoftunnelNo.2與隧道洞口距離/m隧道現有照度/lx公式計算所得照度/lx511379421010677381510236412097464125937565309105323589053240858477

由表5、表6可知，通過式(2)所得到的照度值相較于按照普通隧道照明設計規范進行照明設計所得到的照度值可減小17.1%～55.6%，由此可見，在毗鄰隧道連接段進口處按照普通隧道進行照明設計存在較大浪費。按照式(2)計算所得照度值可在滿足視覺適應的基礎上實現節能。

4 結論

a.通過分毗鄰隧道進口處的瞳孔直徑和連接段進口處的瞳孔直徑之間的差異與連接段長度之間的關系，提出了毗鄰隧道連接段長度大于185.17 m時可以按照普通隧道進行照明設計。

b.通過分析毗鄰隧道進口處瞳孔直徑與照度之間的關系，提出了連接段進口處相應瞳孔直徑下的合理照度值。