基于小目標視看距離的隧道照明安全性研究

胡治國，馮守中，冒衛星，劉立湘，戴 奇

(1.復旦大學工程與應用技術研究院超越照明研究所，上海 200433；2.安徽中益新材料科技有限公司，安徽 滁州 239500)

引言

近年來，我國的交通建設快速發展，取得了舉世矚目的建設成果。由于公路隧道充分利用了地下、山體等實體內部區域，具有克服地形障礙、縮短行車里程等優點[1]，被廣泛應用于交通建設當中，成為公路交通系統中不可或缺的一部分。因為需要穿越實體，隧道空間在兩側和頂端都處于封閉狀態，內部無法接收自然光照[2]。然而，隧道內外光環境的巨大差異以及內部單一的照明方式容易引起視覺疲勞、不適眩光、可視距離縮短等現象，從而造成隧道事故時有發生，且相較于露天道路更為嚴重[3,4]。研究人員對2001年至2017年全國內的121起隧道交通事故的統計結果表明，中長隧道中每起事故的平均死亡人數高達5.55人、平均受傷人數高達7.82人[5]。因此，隧道照明是否合理將直接關系到駕駛員的行車安全性與視覺舒適性[1,3]。充分掌握駕駛員在隧道空間內的視覺特點和視覺需求，針對性地對隧道照明安全性展開研究，基于合理的照明指標參數進行照明設計，將有利于提高隧道駕駛的安全性，減少交通事故的產生，進而更好地平衡駕駛安全與照明能耗之間的關系，對公路交通的發展產生積極作用。

1 隧道照明研究綜述

1.1 駕駛員的視覺需求

研究表明，在道路行駛中，駕駛員超過80%的信息來自于視覺[3]，良好的照明對于隧道內部保持較高水平的視功能(即在潛意識下駕駛員能夠持續獲取保證駕駛安全的信息的能力[3])至關重要。對于一般道路照明，Rea等[6]的研究表明駕駛員的視覺功效將直接影響交通安全。與露天道路明顯不同，隧道是僅在兩端開口的半封閉管狀空間[7]，盡管在隧道空間內可有效地避免因外部環境、自然天氣等因素帶來的視覺干擾，但由于缺乏自然光照，對照明則提出了更高的要求[8]。有研究表明，雖然隧道內的交通事故率明顯低于露天道路，但事故一旦發生卻比露天道路更為嚴重，而通過提高駕駛員的警覺性和視覺功效可以有效地減少交通事故的發生[4]。因此，隧道照明的首要目的，就是為駕駛員提供安全舒適的照明環境，并通過提高他們的視功能，提高隧道內行駛的安全性。

2002年，國際照明委員會(CIE)就視覺模型與視覺功效之間的關系展開了討論，并發現視覺敏銳度(視力)和視覺功效之間存在明顯的聯系，這表明在一定條件下，可以通過與視覺功效相關的視覺任務來評估人眼的視覺敏銳度[7,9]。Eloholma等[10]基于對人眼視覺功效的相關實驗研究，提出了中間視覺狀態下的視覺效率優化響應模型(MOVE模型)，并通過進一步研究，提出了評估夜間駕駛行為視覺功效的三個子任務，分別是：“一個物體是否能被識別”、“物體能夠多快被識別”以及“識別出這個物體具體是什么”。針對上述三個問題，分別與物體的識別閾值、識別的反應時間、以及目標的具體細節密切相關。而在道路交通行駛過程中，駕駛員承擔了諸多的視覺任務，能否及時地發現路面上的障礙物是其中十分重要的一項[3]。

1.2 基于小目標視認反應時間的國內外相關研究

目前，關于隧道照明對駕駛員視覺功效的影響研究常常圍繞著小目標能見度和駕駛員的反應時間來展開。北美照明工程學會(IES)在2000年提出的小目標能見度模型[11]，以固定距離下的小目標作為參照視看對象，從而評價不同照明環境下物體可見程度。He等[7]以視看小目標物體的反應時間和遺漏率作為評價指標，探討了人眼在周邊視域范圍內的視覺適應對視覺功效的影響。Cengiz等[12]通過中間視覺亮度下小目標視看反應時間的研究，得到了小目標的位置、背景亮度、亮度均勻度等對駕駛員視覺功效的影響。杜峰等[13]通過對國內外公路隧道照明的相關研究展開調研，梳理并分析了基于可見度為基礎的隧道照明設計方法研究進展，結果表明，我國目前對于隧道照明的研究重點聚焦于如暗適應曲線、反應時間、適應時間、察覺對比法等內容上，缺少對于小目標可見度的研究力度。

此外，既有研究中基于小目標可見度的研究方法可分為以下兩類：1)在室內靜態模擬實驗條件下，將被試人員識別突然出現在電子屏幕上的小物體所需的反應時間作為參考標準，探究不同背景亮度、亮度對比度等照明指標對視覺功效的影響；2)在實際場景中，以固定位置處小物體的能見度作為評價指標，來評估不同照明條件是否達標，并通過改變照明條件探討不同照明參數對小目標可見度的影響。然而，由于人眼的反應時間存在一定限度，通過照明手段提高反應時間的作用有限，并且對于固定距離上小目標可見度的研究，無法直接與實際駕駛情況中發現在未知位置處出現的障礙物的視看能力產生對應關系，此類研究對實際應用、提高駕駛安全的直接指導作用存在一定的局限。因此，十分有必要在實體隧道場景中，就隧道照明對駕駛員視看能力的影響展開研究，特別是不同隧道光環境對駕駛員發現未知小目標的最長可視距離的影響，進而可通過改善隧道中的人工照明環境，使駕駛員達到更長的視看距離，這將有利于駕駛員盡早地識別發現突發障礙物，并留有足夠的反應時間來避免交通事故的發生，對隧道駕駛的安全性提升將會產生積極作用。

1.3 國內外規范現狀

針對隧道照明，我國現行的行業標準JTG/ D70/2-01—2014 《公路隧道照明設計細則》[14]中對各類照明指標的規定參考了CIE對于隧道照明的推薦值[15]，主要關注道路表面亮度、亮度均勻度等基本光度學參數，而對于光環境的相關色溫(Correlated Color Temperature, CCT)、顯色性指數(Ra)等指標少有提及[2,16]。從工程應用角度，節能也是重要考慮的因素，故在實際實施中，工程師常按規范要求的低值對隧道照明進行設計。此外，有研究表明，照明的光譜也是影響視覺功效的重要因素[17]，而色溫、顯色性等指標與光譜能量分布(Spectrual Power Distribution, SPD)密切相關。同時，光譜亦會影響整體空間明亮程度的感知，例如相關研究表明，視覺感受明亮的辦公空間更受偏愛，且人們的視覺功效更高[18]。Fotois等[19]對人行道上的障礙物視看研究結果也表明，相同照度下，不同光譜可有效地提高視覺功效。因此，對于半封閉的隧道空間，不同光譜帶來的其內部空間整體明亮感的提升對于駕駛員的視覺功效同樣可能存在積極作用。

綜上所述，本文將以隧道空間內的駕駛安全性為首要目標，以未知距離的小目標物體視看發現率作為評價判斷依據，圍繞道路表面亮度、色溫等照明指標，采用不同的參數組合展開一系列人因實驗研究，并且在足尺搭建的隧道照明場地中展開實驗，模擬實際應用場景，探討不同隧道光環境對小目標最長可視距離的影響。

2 基于小目標視看的隧道照明實驗

2.1 實驗背景

本實驗研究在安徽中益新材料科技有限公司的105 m足尺隧道空間中展開，如圖1所示。考慮到規范中對隧道內不同區域的照明要求不同[14]，因此，將光環境相對穩定的隧道中間段作為本次實驗研究的模擬空間。選用實驗隧道內部的90 m區域作為主要場地，避開首尾段，這有利于避免因視覺適應、亮度不均勻(入口處與出口處)等因素對實驗結果的干擾。

在隧道中行駛時，駕駛員的視線方向較為固定，主要集中在正前方，盡管車速對視域范圍存在一定影響(即車速越大，可見辨識清晰的視域范圍越小)，但由于隧道寬度有限，使得駕駛員視線前方的道路區域均位于人眼視野中心較小的視域范圍內。此外，車速并不是影響駕駛員視看距離的首要要素，行車車速也難以在有限的隧道中精確控制，故本研究主要以靜態實驗為主，并排除如控制車速等因素對實驗結果的干擾，以便控制變量，從而清晰地得到不同照明條件要素(道路表面亮度、色溫等)對不確定位置上小目標視看距離的影響。

圖1 實驗場景：(a)實驗隧道空間；(b)實驗視看小物體；(c)實驗1.5 m坐視高示意圖Fig.1 Experimental scenes:(a) the experimental tunnel space;(b) small target;(c) the eye level of 1.5 m at sitting

2.2 實驗場景設計

本研究涉及隧道光環境和實驗視覺任務兩部分的場景設計，具體如下。

2.2.1 光環境場景

各個實驗場景的光環境，通過隧道內的兩種色溫(2 500 K和5 600 K)、兩種功率(低功率和高功率)共4種LED燈具來實現，燈具以等間距對位交錯的方式進行布置，如圖1(a)、(b)所示。

1)道路表面亮度

JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》[14]中對隧道中間段的道路表面亮度規定在1.0～10 cd/m2之間。因此，本研究將實驗道路表面亮度定為2.5 cd/m2、10 cd/m2和20 cd/m2三種。前兩種分別對應人眼中間視覺和明視覺狀態。而道路表面亮度為20 cd/m2的實驗場景用以探討比現有標準進一步提高亮度時，駕駛員對小物體視看距離會如何提升。

2)相關色溫

基于常見色溫范圍，本研究選擇了2 500 K、3 500 K、4 600 K和5 600 K四種色溫，以探討不同色溫對駕駛員視看距離的影響。

根據以上光環境設計，將不同的表面亮度和色溫進行組合，得到共8種隧道光環境實驗場景，如表1所示，其中：

(1)以2 500 K和5 600 K為例，探討此兩種色溫條件下，2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2三種道路表面亮度分別對駕駛員發現小物體的視看距離的影響；

(2)以道路表面亮度10 cd/m2為例，探討2 500 K、3 500 K、4 600 K和5 600 K四種色溫分別對駕駛員發現小物體的視看距離的影響。

通過輻射亮度計(JETI Spectraval-1511)和光譜照度計(EVERFINE SPIC-200)，對隧道內各段進行取點測量，實測結果如表1所示，四種實驗待比較光譜如圖2所示，各實測結果的平均值與設計值相近，且表面均勻度良好，均達到0.85以上；各個場景下，色溫和光譜在隧道內各區域均保持一致，且顯色性良好，均達到80以上。

表1 不同光環境實驗場景參數統計表

圖2 四種待比較的光譜能量分布：2 500 K，3 500 K，4 600 K以及5 600 KFig.2 Four spectral power distributions (SPDs) for comparison with CCTs of 2 500 K,3 500 K, 4 600 K and 5 600 K

2.2.2 視看任務場景

在駕駛過程中，及時地發現未知距離的障礙物是駕駛員所承擔視覺任務中十分重要的一項[3]，可以通過與視覺功效相關的視覺任務來評估人眼的視覺敏銳度[7,9]。因此，本研究以不同距離上的小物體的識別視看作為視覺任務，模擬在道路行駛過程中駕駛員發現障礙物這一行為。

1)視看距離

考慮到充分利用105 m的有限隧道長度以及水泥路面上汽車制動距離的運動規律，我們設計了相應的實驗視看距離。由表2可知，在不同反應時間下(0.2 ～ 1.0 s)，當初始速度位于60～ 120 km/h范圍時，駕駛員從發現障礙物到做出反應再到車輛完全停止的制動距離約在20 ～ 100 m之間。同時，考慮到內部光線外溢以及外部環境干擾會造成實驗隧道洞口附近道路表面亮度不均勻等現象，因此，選取實驗隧道內部90 m區域進行實驗，并將小物體的實驗視看距離定在30 ～ 90 m之間，并以5 m為間距對其進行位置劃分，得到共計12個視看距離，如圖3(a)所示。

利用12 × 12 Latin Square 方陣模型，如圖3(b)所示，將12個視看距離的視看順序進行亂序處理，以此來防止因視看距離規律性變化(逐漸增加或減小)給被試帶來的心理暗示。

2)視看高度

本實驗將被試的視看高度定為1.5 m，以模擬駕駛員位于小轎車內的坐視高度，如圖1(c)所示。

表2 不反應時間和初始速度下的制動距離統計表

圖3 各組實驗視看任務場景：(a)視看距離；(b)12 × 12 Latin square方陣模型Fig.3 (a)The sequence of different visual distances for each group;(b) the 12 × 12 Latin square matrix model

2.3 實驗方案

通過模擬駕駛員在行駛過程中發現未知距離上的障礙物這一行為來研究光環境對可視距離的影響。由于灰色在各個光譜下無顏色傾向，我們以邊長為5 cm的灰色立方體盒子作為視看對象，如圖1(b)所示。被試在不知情的情況下，被要求短時間內(5 s)視看前方，尋找并發現在路面上擺放的小物體，并填寫實驗問卷。問卷上僅有“是否發現物體”這一種問題，每一次視看，被試均需要在短時間判斷并填寫一次問卷。實驗結束后，通過統計學分析來消除被試個體差異所帶來的實驗誤差，從而得到不同距離下小物體的發現概率。人因實驗總共分為兩輪，分別于2019年12月18日—21日和12月25日—28日期間進行，時間為每天18:00—21:30。

2.4 實驗被試

在正式實驗開始前，所有被試均通過色盲色弱以及視力檢查，以確定無白內障、青光眼等相關眼部疾病，且雙眼矯正后視力良好(達到一般駕駛員視力要求，即達到5分制視力表分數為4.9以上)。本次實驗共招募了36名合格被試開展人因實驗，其中男性25名，女性11名。由于人眼隨著年齡的增長，會發生晶狀體老化、視網膜黃斑病變等現象[3,20]，因此，本研究將36名被試以45歲為分界線，分為青年被試群體(45歲以下)和中老年被試群體(45歲以上)，其中青年被試為24名(平均年齡為31.3歲，16名男性，8名女性)，中老年被試群體為12名(平均年齡為51.6歲，9名男性，3名女性)。中老年被試群體中一名男性被試由于在兩輪實驗的間隔期間，眼部受傷，視力受到明顯影響，故中途退出。36名被試劃分為12組，每組3人，分組進行各個場景的視看。

2.5 實驗流程

具體實驗的操作流程設計如下：

1)被試經色盲色弱檢查篩選和視力檢查后進行分組，共12組，分別對應12種亂序的視看順序；

2)實驗操作者將隧道內照明燈具調整完畢，待燈具穩定后，等待被試前來進行實驗；

3)每組3名被試居中坐于隧道內10 m處，坐在視線高度為1.5 m的座椅上，如圖4所示，目視前方5 min以便適應隧道內光環境，等待實驗開始，光環境適應期間實驗操作者告知被試在實驗過程中需要完成的視覺任務；

4)實驗開始后，根據 Latin square方陣模型打亂的視看順序對被試進行實驗，每組被試視看12種順序種的其中一種，如圖3(a)所示；

5)實驗過程中，同組中的三名被試被要求禁止交談，并用擋板遮住視線，待實驗人員將視看物體放置于第一個位置后，聽從實驗者指令將遮擋視線的擋板移開，以雙眼目視看前方進行視看，在5 s內判斷是否在道路上發現物體，并在問卷上進行記錄；

6)待第一個位置視看完畢后，被試用擋板繼續遮住視線，實驗操作者將小物體放置于第二個位置，進行下一個位置的視看實驗，以此類推，直到這種視看順序下12個不同距離的擺放位置均看完為止；

7)實驗過程中，在被試不知情的情況下，實驗者將小物體放置于路面中線的偏左或偏右，如圖4所示，以防止因固定視線方向上的物體擺放而產生的視覺記憶和心理暗示。

圖4 隧道空間實驗視看任務場景平面示意圖Fig.4 A sketch of the visual-task experimental scene in tunnel space

3 實驗結果

通過對36名被試進行實驗后，將其在不同隧道光環境條件下，各個距離下視看小物體的發現率進行統計計算，根據心理物理學原理[3,20，21]，人眼的視覺響應呈S型非線性變化，且在量化時可采用典型的數學模型(如logistic function等)，故將實驗數據通過Matlab(Matrix Laboratory 2019b)軟件進行非線性擬合，得到小物體發現概率與視看距離的對應關系，如圖5所示，縱坐標為發現率(%)，橫坐標為視看距離，單位為米(m)。

3.1 最長可視距離的定義

根據人眼視覺特征，被試對于小物體視看的發現概率會隨著距離的增加而減小，距離越近，發現的概率越大；距離越遠，發現的概率越小。隧道照明的首要目的是要保證駕駛的安全性，所以將絕大多數被試所能看見的視看距離定義為最長可視距離較為合理。因此，本實驗以90%的發現率作為評價指標，將最長可視距離定義為：在某一照明條件下，擬合曲線縱坐標(發現率)位于90%時，所對應橫坐標的數值(視看距離)。

3.2 實驗統計結果

24名青年被試群體不僅在數量上更具有統計意義，且不存在因眼部老化等生理現象而系統性地影響實驗結果。該群體實驗數據以及曲線擬合結果如圖5所示。

1)在隧道內色溫為2 500 K時，道路表面亮度為2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2的三種光環境得到的實驗結果分別如圖5(a)、(e)、(c)所示，三種光環境下通過擬合曲線得到的最長可視距離分別為：46.7 m、54.0 m和67.1m；

2)在隧道內色溫為5 600 K時，道路表面亮度為2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2的三種光環境得到的實驗結果分別如圖5(b)、(f)、(d)所示，三種光環境下通過擬合曲線得到的最長可視距離分別為：43.3 m、61.6 m和67.5 m；

3)在隧道內道路表面亮度為10 cd/m2時，色溫為3 500 K和4 600 K的兩種光環境得到的實驗結果分別如圖5(g)、(h)所示，通過擬合曲線得到的最長可視距離分別為：56.9 m和57.5 m。

圖5 各光環境下的最長可視距離：其中:(a)、(e)、(c)分別為2 500 K，2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2；(b)、(f)、(d)分別為5 600 K，2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2;(g)、(h)分別為10 cd/m2，3 500 K、4 600 K。采用四參數Logistic回歸模型對數據進行擬合。Fig.5 Maximum detectable distance for different lighting environment: (a), (e), (c) corresponds to a road luminance of 2.5 cd/m2,10 cd/m2 and 20 cd/m2, respectively, at a CCT of 2 500 K; (b), (f), (d) corresponds to a road luminance of 2.5 cd/m2,10 cd/m2and 20 cd/m2, respectively, at a CCT of 5 600 K; (g), (h) corresponds to CCTs of 3 500 K and 4 600 K, respectively, at a road luminance of 10 cd/m2.Four parameter Logistic regression model was used to fit the data

4 數據分析與討論

將青年被試群體和中老年被試群體的實驗數據分別進行統計分析，在道路表面亮度和色溫兩個方面進行比較分析，以得到道路表面亮度和色溫分別對視看距離的影響。通過統計學軟件SPSS(Statistical Product and Service Solutions)對不同條件下的實驗結果進行配對樣本T檢驗，進行顯著性差異計算，以便證明實驗的有效性和科學性。對于配對檢驗的結果，以p值為主要依據，當p值小于0.05時，即為進行比較的二項結果存在顯著性差異。實驗數據以四參數Logistic回歸模型(4-parameters logistic regression model)進行非線性擬合，如圖5(a)～(h)所示，各個光環境下擬合曲線的決定系數R2均大于0.9以上(0.91～0.99)，擬合關系良好。

4.1 青年被試群體

(1)同一色溫下，不同道路表面亮度對視看距離的影響。

如圖6(a)所示，在隧道內色溫為2 500 K，道路表面亮度分別為2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2時，道路表面亮度對青年被試發現物體視看距離的影響明顯，隨著亮度的升高而增高。對三種亮度條件下的實驗數據進行配對檢驗發現，三種光環境下的實驗結果均存在顯著性差異(p< 0.05)。通過圖5(a)、(e)、(c)可知，這三種條件下的最長可視距離分別為46.7 m、54.0 m和67.1m。若以汽車初始行駛速度為60 km/h為例，以接近人眼極限的反應時間0.2 s為參照，根據表2中的式(1)可知，在色溫為2 500 K時，隨著道路表面亮度從2.5 cd/m2增加到10 cd/m2或20 cd/m2，可為駕駛員避免交通事故分別多爭取0.43 s和1.22 s的反應時間；同樣地，若道路表面亮度從10 cd/m2增加到20 cd/m2，可為駕駛員避免交通事故多爭取0.79 s的反應時間。

如圖6(b)所示，在隧道內色溫為5 600 K時，對道路表面亮度分別為2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2時的實驗數據及擬合曲線進行比較發現：此色溫下，道路表面亮度對發現物體視看距離的影響同樣明顯，并隨著亮度的升高而增高。通過圖5(b)、(f)、(d)可知，在這三種亮度下的最長可視距離分別為43.3 m、61.6 m和67.5 m。若以汽車行駛速度為60 km/h為例，以接近人眼極限的反應時間0.2 s為參照，根據表2的式(1)可知，在色溫為5 600 K的情況下，隨著道路表面亮度從2.5 cd/m2增加到10 cd/m2或 20 cd/m2時，可分別為駕駛員避免交通事故多爭取1.10 s 或1.45 s的反應時間。此外，在此色溫條件(5 600 K)下，道路表面亮度為10 cd/m2和20 cd/m2的實驗數據，分別與2.5 cd/m2進行配對檢驗，結果表明均存在顯著性差異(p< 0.05)。

綜上所述，道路表面亮度的提升可以極大地改善隧道內的安全性，隨著道路表面亮度的提升，駕駛員所達到的視看距離越遠，從而為避免交通事故留有充足的反應時間。值得一提的是，當把隧道內道路表面亮度從目前《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-01—2014)[14]中規定的最高值10 cd/m2提升到20 cd/m2后，最長視看距離仍可有顯著提升。因此，在交通事故多發隧道路段，可考慮設計道路表面亮度高于現有標準中推薦的范圍。

(2)同一表面亮度下，不同色溫對視看距離的影響。

如圖7(a)所示，在道路表面亮度為10 cd/m2時，對色溫分別為2 500 K、3 500 K、4 600 K、5 600 K的四個光環境場景下的實驗結果和擬合曲線進行比較分析發現：此亮度條件下，不同色溫對發現物體視看距離存在影響，隨著色溫的升高而略有提高。通過圖5(e)、(f)、(g)、(h)可知，此亮度條件下，色溫越高，通過擬合曲線得到的最長可視距離越大，分別為54.0 m、56.9 m、57.5 m、61.6 m。配對檢驗結果表明，盡管當相近色溫2 500 K和3 500 K、4 600 K和5 600 K進行比較時，實驗結果之間不存在顯著性差異(分別為p=0.811 > 0.05，p=0.516>0.05)，但其余組合的配對檢驗，均顯示不同色溫下的實驗結果在一定程度上存在顯著性差異(p< 0.05)，這表明色溫對駕駛員的視看距離存在影響。因此，基于上述結果，在較高亮度條件下(10 cd/m2)，采用高色溫的光環境不僅能提高視看距離，也同樣為駕駛員預留充足的反應時間，從而整體上提升隧道內的安全性。

若以汽車行駛速度為60 km/h為例，根據表2的式(1)可知，以接近人眼極限的反應時間0.2 s為參照，在道路表面亮度為10 cd/m2時，與色溫為2 500 K的光環境相比，色溫為5 600 K的光環境可為駕駛員多爭取0.47 s的反應時間來避免交通事故的發生，如圖7(b)所示，二者的實驗結果也存在顯著性差異(p=0.012 < 0.05)。由此可知，此亮度條件下，不同的色溫對發現物體視看距離存在影響，高色溫下視看距離更遠。

此外，如圖7(c)所示，在道路表面亮度為2.5 cd/m2時，色溫分別為2 500 K和5 600 K的光環境場景下的實驗結果同樣存在顯著差異(p=0.02 < 0.05)，但此亮度下的2種色溫所得到的最長可視距離較為接近，均位于45 m左右范圍內。同時，色溫為2 500 K時在各個位置點上所對應的小物體發現率均高于5 600 K。這可能與中間視覺狀態或不同色溫下的視覺色彩飽和度有關[22]，需要通過后續研究對其進行進一步驗證。

而如圖7(d)所示，在道路表面亮度為20 cd/m2時，色溫分別為2 500 K和5 600 K的光環境場景下的實驗結果不存顯著差異(p= 0.152 > 0.05)，且二者的擬合曲線也大致相近，并且求得的最長可視距離也較為接近，分別為67.1m和67.5 m。這可能是由于人眼的視覺響應存在一定范圍[3,20，21]，當表面亮度達到一定程度后，色溫對視看距離的影響不占主導或接近飽和。

綜上所述，通過分析可得，色溫對視看距離存在一定影響：在低亮度條件下(2.5 cd/m2)，色溫為2 500 K較5 600 K可使駕駛員具有更遠的視看距離；在較高亮度下(10 cd/m2)，色溫為5 600 K較2 500 K有更遠的最長可視距離；在高亮度下(20 cd/m2)，色溫為2 500 K和5 600 K對視看距離的影響均無明顯差異。

圖7 青年被試在不同色溫條件下的實驗結果：(a)10 cd/m2下，四種色溫對比；(b)、(c)、(d)分別為10 cd/m2、2.5 cd/m2、20 cd/m2下，2 500 K與5 600 K對比實驗結果Fig.7 Results for young subjects at different CCTs：(a) comparison of 4 CCTs at 10 cd/m2；(b), (c), (d) corresponds to comparisons between 2 500 K and 5 600 K at road luminance of 10 cd/m2, 2.5 cd/m2 and 20 cd/m2, respectively

4.2 中老年被試群體

對11名中老年被試的數據進行統計分析，發現在同一色溫下，不同道路表面亮度對中老年被試視看距離同樣存在明顯影響，如圖8(a)、(d)所示。對道路表面亮度為10 cd/m2和20 cd/m2的實驗數據進行配對檢驗時，發現在色溫分別為2 500 K和5 600 K時，上述兩種亮度下的實驗結果均不存在顯著性差異(p> 0.05)，這可能是因為人眼隨著年齡的增長，光線在眼球內的散射增多，從而造成視覺閾值降低的現象[3,20]。

此外，與青年被試不同的是，同一道路表面亮度下，不同色溫對中老年被試視看距離影響不明顯。由圖8(c)、(e)、(f)可知，在2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2三種道路表面亮度條件下，色溫為2 500 K和5 600 K的實驗數據進行配對檢驗發現，三種亮度條件下，2 500 K 和5 600 K的實驗結果均不存在顯著性差異(p> 0.05)。這可能與中老年被試因年齡增長、眼部老化對色溫不敏感有關[19]。圖8(b)表明，在道路表面亮度為10 cd/m2時，四種色溫下的擬合曲線較為接近，不僅如此，各個色溫之間的配對檢驗結果也顯示不存在顯著性差異(p> 0.05)，由此進一步說明了中老年被試視看距離受色溫的影響不明顯。

圖8 中老年被試在不同條件下的實驗結果:(a)、(d)分別為色溫為2 500 K和5 600 K時，道路表面亮度為2.5 cd/m2、10 cd/m2、20 cd/m2的三種光環境之間對比實驗結果；(b)、(c)、(e)、(f)為不同表面亮度下，不同色溫光環境間的對比Fig.8 Results for mid-aged subjects at different conditions：(a), (d)comparison of 3 different road luminance levels at CCTs of 2 500 K and 5 600 K, respectively; (b)comparison of 4 CCTs at 10 cd/m2；(c), (e), (f) corresponds to comparisons between 2 500 K and 5 600 K at road luminance of 10 cd/m2, 2.5 cd/m2 and 20 cd/m2, respectively

值得注意的是，如圖9所示，各個隧道光環境場景下，中老年被試與青年被試間視看距離均存在顯著性差異(p< 0.05)，即發現物體的視看距離受年齡構成的影響較大：中老年群體具有更長的視看距離。這也與Fotois等[23]實驗結果相符：通過對路面障礙物的探測實驗發現，老年人所探測的臨界高度大于年輕人，對于障礙物的探測受年齡的影響明顯。

圖9 青年被試與中老年被試在不同條件下的實驗結果對比：(a)、(b)、(c)分別為色溫為2 500 K時，道路表面亮度為2.5 cd/m2、20 cd/m2、10 cd/m2的三種光環境之間對比實驗結果；(e)、(f)、(g)分別為色溫為5 600 K時，道路表面亮度為2.5 cd/m2、20 cd/m2、10 cd/m2的三種光環境之間對比實驗結果；(d)、(h)分別為色溫為3 500 K和4 600 K時，道路表面亮度為10 cd/m2的對比試驗結果Fig.9 Results for comparison between young and mid-aged subjects at different conditions: (a), (b), (c) corresponds to a road luminance of 2.5 cd/m2,20 cd/m2 and 10 cd/m2, respectively, at a CCT of 2 500 K; (e), (f), (g) corresponds to a road luminance of 2.5 cd/m2,10 cd/m2 and 20 cd/m2, respectively, at a CCT of 5 600 K; (d), (h) corresponds to CCTs of 3 500 K and 4 600 K, respectively, at a road luminance of 10 cd/m2

4.3 最長可視距離與道路表面亮度的關系

根據不同隧道光環境場景下的數據擬合曲線，可以得到視看距離與道路表面亮度、色溫之間的關系：道路表面亮度對視看距離影響顯著，色溫對視看距離存在影響但不顯著。根據實驗結果，通過二次多項式擬合，可以得到在色溫分別為2 500 K和5 600 K時，小物體最長可視距離和道路表面亮度的對應關系，如圖10所示。

圖10 最長可視距離擬合曲線：(a)青年被試;(b)中老年被試Fig.10 Curve fitting of maximum detectable distance vs. luminance of road for(a)young subjects; (b) mid-aged subjects

圖10(a)表明，青年被試的最長可視距離隨著表面亮度的增加而增加，且受色溫影響明顯，在2 500 K和 5 600 K時的擬合關系明顯不同。而通過圖10(b)可以發現，中老年被試的最長可視距離隨著道路表面亮度的增加而增加，但受色溫影響不明顯，在2 500 K和 5 600 K時的擬合關系幾乎相同。

5 實驗結論

基于以上的實驗結果與數據分析，可以得到以下結論：

1)隧道內最長可視距離受道路表面亮度影響顯著。

同一色溫下，不同的道路表面亮度對于發現物體的視看距離影響明顯。最長可視距離隨著亮度的增加而迅速增加。對于青年被試，在色溫為2 500 K時，當道路表面亮度處于2.5 cd/m2～20 cd/m2范圍，最長可視距離隨著亮度的增加而持續增加；在色溫為5 600 K時，當道路表面亮度處于2.5 cd/m2～10 cd/m2范圍，最長可視距離隨著亮度的增加而迅速增加，當道路表面亮度處于10 cd/m2～20 cd/m2范圍時，最長可視距離隨著亮度的增加增長趨緩。對于中老年被試，無論色溫為2 500 K或5 600 K，在道路表面亮度處于2.5 cd/m2～20 cd/m2范圍，最長可視距離均受到道路表面亮度的明顯影響，隨著亮度的增加而持續增加。因此，在某些交通事故頻發的隧道路段，可采用高于現有標準中推薦范圍的道路表面亮度。

(2)隧道照明色溫對最長可視距離有一定影響，但具體影響程度受被試年齡、道路表面亮度等因素限制。

對于青年被試，在道路表面亮度較低的情況下(2.5 cd/m2)，色溫為2 500 K較5 600 K可提供更遠的視看距離；在較高亮度下(10 cd/m2)，最長可視距離隨著色溫提高而增加，色溫為5 600 K較2 500 K可提供更遠的最長可視距離；在高亮度下(20 cd/m2)，色溫為2 500 K和5 600 K對視看距離的影響不存在明顯差異。對于中老年被試，在低亮度(2.5 cd/m2)和高亮度(10 cd/m2和20 cd/m2)條件下，色溫為2 500 K與5 600 K對視看距離的影響均無明顯差異。因此，對于不同道路表面亮度要求的隧道區域，采用合適的色溫可在一定程度提高視看距離，從而提高隧道行駛的安全性。

6 結語

隧道空間內駕駛安全和照明能耗間的平衡是研究人員持續關注的問題。通過本實驗研究，給出了駕駛員對于障礙物的最長可視距離如何受到道路表面亮度、色溫以及駕駛員年齡的影響。基于本研究可知，提高隧道路面亮度可有效提高駕駛人員的最長可視距離。特別是對于隧道內事故多發地段，在現有標準推薦的道路表面亮度基礎上適度地再提高亮度可有效地增加最長可視距離，從而提高隧道行駛的安全性。對于45歲以下的青年人，在低亮度條件下(2.5 cd/m2)，低色溫的隧道光環境(如2 500 K)可使其達到更遠的視看距離；而在較高亮度條件下(10 cd/m2)，較高色溫(如5 600 K)的隧道光環境可達到更遠的最長可視距離。通過在不同亮度條件下采用合適的色溫，可以在一定程度上提高駕駛員的最長可視距離，為駕駛員多爭取反應時間，從而保證在能耗相同的前提下，增加駕駛員在隧道內行駛的安全性。因此，本研究通過隧道空間內道路表面亮度和照明色溫對最長可視距離影響的相關實驗，為提高駕駛安全性提供了隧道照明設計參考。