公路隧道照明中的小目標可見度研究

田心怡，蔡賢云，黃 珂

（重慶交通大學 建筑與城市規劃學院，重慶 400074）

CIE 88—2004研究報告推薦了察覺對比法作為公路隧道照明設計方法，察覺對比法的本質是公路隧道入口段的照明水平能確保小目標物的亮度對比度C不低于最小察覺對比度Cm。同時，該研究報告給出了基于察覺對比法的公路隧道入口段亮度計算公式，其中一項重要的參數即對比顯示系數qc［1］，表示給定區域的路面亮度Lb與小目標物面向行車方向垂直面中點處的照度Ev的比值。從視覺適應的角度而言，為確保小目標物能迅速被察覺到，小目標物與路面亮度之間應有足夠的亮度對比度，因此，對比顯示系數閾值可確保隧道各個照明段內小目標物達到剛好被察覺到的臨界狀態。通過研究明確了背景亮度Lb、閾限亮度差ΔL0和對比顯示系數閾值qc0之間的關系［2］，經過推導得到對比顯示系數閾值公式。

式中：ρ為小目標物反射系數，一般取0.2。

建立對比顯示系數與閾限亮度差之間的關系后，研究對比顯示系數時需要涉及與小目標物可見度特別是可見度中閾限亮度差有關的研究內容。通常把目標物的實際亮度對比大于其臨界對比的倍數稱為可見度（常用VL表示）；閾限亮度差ΔL0是指恰好能滿足小目標物被看見時目標物的閾限亮度Lt0與背景亮度Lb之間的差值。現階段交通照明中關于小目標物可見度的研究主要集中在道路照明中，公路隧道照明中關于可見度的研究較少，但二者在研究環境與方法上有相通之處，因此，可以借鑒道路照明中關于可見度的研究思路。文章主要梳理分析了道路及隧道照明中關于小目標物可見度的研究，特別是可見度中閾限亮度差ΔL0的研究內容。

1 小目標可見度概念溯源

1970年，Gallagher在研究街頭照明與犯罪時提出可見度指標概念，他采用45.72 cm×45.72 cm、反射比6%的灰色和29%的白色交通錐體做實驗，發現可見度是司機察覺到目標物與駕駛車輛之間距離的有效預測方法［3］。成定康平采用20 cm×20 cm、反射系數9%～11%的灰板模擬駕駛員可能碰到障礙物的實驗，通過改變汽車行駛速度和駕駛員反應時間等參數研究路面平均亮度、亮度均勻度及眩光限制等因素與停車視距、察覺小目標物幾率之間的關系，CIE采用了成定康平的實驗成果［4-5］。

Box等研究發現駕駛員在道路上能否察覺到障礙物與可見度水平STV有關。他們在實驗中交錯布置400 W汞燈，通過調節燈具間距研究小目標物與夜間安全行駛之間的關系。研究發現，可見度水平STV與交通事故發生概率之間的關系呈“U”形曲線：汽車時速在50～60 km時，小目標物可見度水平與夜間汽車交通事故發生概率之間密切相關，因此，從道路安全性考慮，可見度水平比亮度水平更適合評價道路照明質量［6］。Merle采用反射系數為50%的灰板模擬不同亮度水平下駕駛員可能碰到障礙物的情況［7］，通過分析56個地點測得的數據發現，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。

結合Blackwell和Aulthorn的研究成果并分析實驗數據，Adrian提出了全新的可見度計算模型［8-9］。Adrian的計算模型中背景亮度分為3部分，他還考慮了小目標物正負亮度對比、目標物停留時間和觀察者年齡等影響因素。在閾限亮度差的測量上Blackwell采用定值刺激法，而Adrian［8-9］采用調整法，認為他們的數據必須乘以2.6才與Blackwell的研究數據一致。北美照明工程學會推薦的道路照明標準明確給出了不同道路類型的小目標物可見度標準，還給出了小目標物可見度的理論計算方法、實驗步驟及評價指標。ANSI／IESNA RP-8-00標準根據Adrian的計算模型確立了閾限亮度差與視角、人眼適應水平之間的關系。

日本學者Narisada等在研究小目標物可見度時，引入了揭示能力（revealing power）的概念（此概念由Waldram在1938年提出），并建立了正、負對比揭示能力與反射系數之間的關系，由此確定小目標物剛好被發現時的閾限亮度差［10］。平川惠士等通過實驗研究小目標物可見度（總體揭示能力）的變化情況，研究結果表明，對稱照明時的總體揭示能力達到某點時小目標物垂直面照度值降低，而給定區域的路面亮度卻升高，導致小目標物可見度發生變化，順光照明中即便增強汽車前燈的作用，小目標物可見度也幾乎沒有變化［11-12］。

道路照明中小目標物可見度的研究較多［13-15］，但公路隧道照明中基于可見度的研究相對較少，曾有學者對比分析了基于可見度的公路隧道照明設計方法［16］，并嘗試將小目標物可見度的研究方法引入公路隧道照明研究中［17］。陳仲林等［18］研究發現對比顯示系數qc與公路隧道內光的空間相對分布有關，即qc受隧道照明方式、燈具安裝位置、燈具間距、燈具掛高、燈具偏轉角、燈具俯仰角、光源功率、燈具配光和隧道內光多次反射等因素的影響，這些因素均會影響小目標物可見度水平。

2 小目標可見度與閾限亮度差

1946年，Blackwell歷時兩年半研究了正常視力下19名女性觀察者的人眼閾限亮度對比。將光斑投射到距離觀察者18.288 m的白色屏幕上并讓觀察者判斷能否看到光斑，通過改變光刺激亮度得到正負亮度對比、小目標物呈現時間6 s時不同觀察視角和不同背景亮度下識別幾率從10%到95%時的亮度對比，并確定99.93%識別幾率下的亮度對比為人眼的閾限亮度對比［19］。

以BlackWell的研究成果為基礎，CIE 19／2-1和19／2-2研究報告得到68個視力正常觀察者的實驗數據，并建立了閾限亮度對比（用Cref表示）與背景亮度Lb之間的關系。研究者最終得到閾限亮度對比Cref的數學模型，見式（2），該數學模型與背景亮度Lb和等效亮度對比（Cref／C）等具有關聯性［20-21］。

式中：Lb為背景亮度，cd／m2；Cref為閾限亮度對比；Cref／C為燈箱亮度對比；n、t、s為系數。

依據Blackwell的閾限亮度實驗及Adrian的可見度模型，翁季等通過計算機模擬研究道路照明光環境下的閾限亮度差，共得到了正負亮度對比情況下20個觀察者的5 760組數據，經數據分析得到閾限狀態下的亮度對比度。該方法不僅節省了裝置和時間，也可迅速準確地得到實驗結果［22-23］，因此，此研究方法對公路隧道光環境下的閾限亮度差研究具有指導意義。后續研究中張晟鵬通過年齡修正系數Ka（駕駛員年齡為60歲時）修正觀察視角7.45′時的閾限亮度差，Adrian發現識別幾率為100%時（實際為99.93%）的閾限亮度差應乘以2.33［24-25］。翁季在觀察視角7.45′的條件下修正了閾限亮度差公式，包括正負亮度對比修正系數Kf、識別時間修正系數Kt和年齡修正系數Ka，通過定值刺激法研究了公路隧道光環境下不同觀察視角和不同背景亮度下的閾限亮度差［26-28］。

崔璐璐等［29］建立了亮度對比度、背景亮度和閾限亮度差之間的關系，在研究中選用7種不同顏色的小目標物（目標物尺寸為0.2 m×0.2 m）和3種不同光源、不同顯色性的燈具營造公路隧道光環境，通過10個觀察者的判定結果得到實驗結果。實驗結果表明，顯色性高的光源對小目標物可見度具有良好的補償作用，可在不改變路面亮度的前提下提高小目標物的識別幾率。

李福生［30］通過探測幾率、反應時間和視覺評價來研究小目標可見度。實驗中背景光源與投影的疊加可以保證各項實驗參數靈活調節。通過反應時間與小目標可見度關系的研究，他發現反應時間均隨小目標可見度的增加而縮短，并由此建立了閾限亮度差的光源光譜模型。此模型能保證在各種視覺區域環境（明視覺、暗視覺和中間視覺）和任意光源光譜下均可求得閾限亮度差，由此拓展了閾限亮度差的適用范圍。不過該項研究中并未結合實驗環境研究閾限亮度差而是直接借用了Adrian的閾限亮度差模型。

3 閾限亮度差的修正

結合Aulhorn、Blackwell和Adrian的研究思路，對閾限亮度差進行修正得到小目標可見度。多項研究表明，觀察者年齡、小目標物正負亮度對比和小目標物呈現時間均會對閾限亮度差實驗結果產生影響［22-27］。筆者曾探討了公路隧道光環境下的對比顯示系數與閾限亮度差之間的關系并建立了數學模型，并通過觀察者年齡、小目標物正負亮度對比和小目標物呈現時間來修正閾限亮度差［17］，如表1所示。表中小目標物呈現時間修正系數相關函數如式（3）～式（5）所示。

表1 不同的閾限亮度差修正系數

4 結論

通過文獻分析得到以下結論：

1）已有多項研究基于小目標物可見度評價道路照明質量，但是公路隧道照明質量評價中缺乏基于小目標物可見度的研究成果。

2）歐盟公路隧道照明規范初步研究了隧道入口段對比顯示系數與閾限亮度差之間的關系，但未深入探討公路隧道光環境下的閾限亮度差。

結合擬解決的問題，文獻的研究思路與方法依然值得借鑒：

1）分析文獻發現可見度水平受布燈方式、光源功率、燈具間距、燈具安裝高度、燈具配光曲線等多項因素的影響；對比顯示系數qc受隧道照明方式、燈具安裝位置、燈具間距、燈具掛高、光源功率、燈具配光和隧道內光多次反射等因素的影響。二者在研究范圍上有重疊之處，對比顯示系數閾值的研究可借鑒可見度的研究方法。

2）借鑒道路照明光環境下閾限亮度差的研究思路與方法，在公路隧道光環境中通過閾限亮度差實驗得到不同觀察視角和背景亮度下的對比顯示系數閾值。