面向駕駛員視覺的公路螺旋形隧道LED照明光源指標(biāo)研究

王鼎媛，喬梅梅，盛 剛

(北京交科公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100191)

0 引言

近年來，我國高速公路建設(shè)取得了飛速的發(fā)展，建設(shè)主戰(zhàn)場由平原丘陵區(qū)逐步轉(zhuǎn)向高山峽谷區(qū)，受地理地形、投資和技術(shù)等多種因素影響，曲線形螺旋隧道不斷涌現(xiàn)，如臥龍溝一號隧道、雅西高速拖烏山和干海子隧道、重慶大化隧道。然而，至今我國尚無關(guān)于高速公路螺旋形隧道照明設(shè)置的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和指南。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)目前已建設(shè)螺旋形高速公路隧道大都按照常規(guī)隧道照明技術(shù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。事實(shí)上，在設(shè)計(jì)規(guī)范方面，我國目前執(zhí)行的《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70-2-01—2014)，在細(xì)則中僅對亮度、均勻度有所規(guī)定，對隧道光環(huán)境的其他指標(biāo)如燈具色溫、頻閃、眩光等要求并沒有明確的定量指標(biāo)[1-3]。針對螺旋式隧道這一特殊隧道線型，隧道色溫、燈具配光曲線、燈具布置方式如何設(shè)置才能更好地構(gòu)造一個(gè)良好的隧道光環(huán)境，給駕駛員提供一個(gè)舒適、安全的照明方式是一個(gè)需要迫切解決的問題[4-6]。

本研究從高速公路螺旋形隧道這一特殊隧道線形入手，分析由于螺旋形隧道這一特殊隧道線型可能給駕駛員帶來的各種安全隱患。采用實(shí)車試驗(yàn)采集駕駛員在螺旋形隧道和普通隧道駕駛心率、心率增長率等指標(biāo)開展研究，優(yōu)化螺旋形隧道照明設(shè)計(jì)指標(biāo)，并分析引發(fā)隧道照明中頻閃和眩光產(chǎn)生的主要因素，確定頻閃和眩光控制指標(biāo)，提出基于螺旋形隧道的隧道光環(huán)境設(shè)置原則，以緩解隧道LED照明光環(huán)境頻閃和眩光給駕駛員造成的煩躁、緊張和焦慮心理，為駕駛員營造一個(gè)良好的隧道LED照明光環(huán)境，提升隧道照明光環(huán)境行車安全性[7-8]。為今后螺旋形隧道照明研究和設(shè)計(jì)奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 螺旋形隧道加強(qiáng)段駕駛員心率變化研究

采用佩戴多通道心理儀實(shí)車試驗(yàn)方法，在延崇高速金家莊螺旋形隧道和棋盤梁隧道實(shí)測了10名不同年齡段駕駛員駕車通過隧道心率數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分為兩部分：一是駕駛員在螺旋形和普通型隧道中加強(qiáng)段行駛時(shí)的心率數(shù)據(jù)和心率增長率數(shù)據(jù)[9-10]；二是駕駛員在螺旋形和普通型隧道基本段中行駛時(shí)的心率數(shù)據(jù)和心率增長率數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)的設(shè)備主要包括多通道生理儀、TES-136照度計(jì)、行車記錄儀、筆記本電腦和試驗(yàn)車輛。兩座隧道位于延崇高速河北段，為雙向四車道，設(shè)計(jì)速度80 km/h(表1和表2所示)。試驗(yàn)車輛在隧道內(nèi)行駛過程中基本處于自由流行駛狀態(tài)。

表1 金家莊隧道基本情況Tab.1 Basic information of Jinjiazhuang tunnel

表2 棋盤梁隧道基本情況Tab.2 Basic information of Qipanliang tunnel

經(jīng)試驗(yàn)測試，得出了1#～10#駕駛員在兩個(gè)隧道加強(qiáng)段中行駛時(shí)隨機(jī)選取的6名駕駛員心率數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 駕駛員在兩個(gè)隧道加強(qiáng)段行駛時(shí)心率數(shù)據(jù)對比Fig.1 Comparison of heart rate data of drivers when driving in reinforcement sections of 2 tunnels

按式(1)計(jì)算兩個(gè)隧道加強(qiáng)段各駕駛員心率增長率。

(1)

式中，Nj為駕駛員在第j時(shí)刻以80 km/h速度在螺旋形隧道內(nèi)行駛時(shí)的心率增長率；nj為駕駛員在第j時(shí)刻以80 km/h速度在螺旋形隧道內(nèi)行駛時(shí)的心率值；n為駕駛員在第j時(shí)刻以80 km/h速度在普通隧道內(nèi)行駛時(shí)的心率值。

將駕駛員以80 km/h的速度在高速公路螺旋形隧道中行駛的心率和駕駛員以80 km/h速度在高速公路普通接近直線形隧道中行駛心率的心率差，除以駕駛員以80 km/h速度在高速公路普通隧道中行駛的心率，得出駕駛員在螺旋形隧道中行駛時(shí)的心率增長率[11]。如圖2所示為隨機(jī)選取的6名駕駛員在螺旋形隧道加強(qiáng)段的心率增長率。

圖2 部分駕駛員在螺旋形隧道加強(qiáng)段中行駛心率增長率Fig.2 Heart rate growth rates of some drivers driving in reinforcement section of spiral tunnel

通過1#～10#駕駛員在兩個(gè)加強(qiáng)段駕駛員心率數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)合駕駛員心率增長率數(shù)據(jù)分析結(jié)果得出如下結(jié)論：在同等照明光環(huán)境下，駕駛員在兩個(gè)隧道加強(qiáng)段行駛時(shí)心率數(shù)據(jù)總體變化不大。部分心率數(shù)據(jù)在螺旋形隧道偏高，部分心率數(shù)據(jù)比直線型隧道偏高，說明駕駛員在兩個(gè)隧道加強(qiáng)段行駛時(shí)駕駛員的心率變化較為舒緩，心率增長率最高不超過15%。綜上所述，在加強(qiáng)段，螺旋形隧道對駕駛員的心率變化影響不大，與文獻(xiàn)[4-5]和[10]的研究結(jié)論基本一致。因此，在隧道照明設(shè)計(jì)中螺旋形隧道加強(qiáng)段設(shè)計(jì)指標(biāo)可按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 螺旋形隧道基本段駕駛員心率變化研究

采用同樣的試驗(yàn)測試方法，對10名駕駛員分別進(jìn)入以上兩個(gè)隧道基本段的心率和心率變化開展了試驗(yàn)研究。得出的結(jié)論如下。

(1)與基本段駕駛時(shí)的心率數(shù)據(jù)相比，駕駛員在進(jìn)入和駛離兩個(gè)隧道時(shí)心率都會(huì)偏高，這說明駕駛員在進(jìn)入和駛離隧道時(shí)，心里較為緊張，注意力較為集中。因此，在所有的隧道進(jìn)出口加強(qiáng)段照明光環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮駕駛員進(jìn)出時(shí)心里緊張的因素，提升隧道進(jìn)出口加強(qiáng)段的照明光環(huán)境質(zhì)量。

(2)在同等照明光環(huán)境下，不熟悉兩個(gè)隧道的同一個(gè)駕駛員在螺旋形隧道基本段心率數(shù)值普遍比在直線形隧道基本段行駛時(shí)偏高。對兩個(gè)隧道路線較為熟悉的同一個(gè)駕駛員，在螺旋形隧道和普通隧道行駛中的心率相差不大。這說明在螺旋形隧道行駛中，對隧道行駛環(huán)境不熟悉的駕駛員會(huì)比在普通隧道行駛中更為緊張，心率變化更快。因此，螺旋形隧道基本段照明亮度、均勻度、色溫警示性、頻閃、眩光指標(biāo)和布設(shè)方法等應(yīng)開展針對性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 螺旋形隧道LED照明燈具頻閃與眩光抑制技術(shù)研究

自從2012年交通運(yùn)輸部、建設(shè)部和科技部開展半導(dǎo)體LED照明燈具示范工程以來[12]，LED照明燈具發(fā)展迅速，其光效和使用壽命遠(yuǎn)超傳統(tǒng)高壓鈉燈和無極燈，目前已取代傳統(tǒng)隧道高壓鈉燈成為公路隧道應(yīng)用最廣泛的照明燈具。眾所周知，隧道LED照明燈具由光源閃爍而引起的頻閃現(xiàn)象是普遍存在的。在隧道照明光環(huán)境當(dāng)中，隧道照明燈具的頻閃是一個(gè)十分重要的參數(shù)。頻閃效應(yīng)對隧道內(nèi)駕駛員有一定的影響，如易引發(fā)視覺錯(cuò)覺、視疲勞，煩躁、緊張、焦慮的心理，這極其容易引發(fā)交通事故，嚴(yán)重的頻閃危害駕駛員的身體健康，損傷視力等[11]。

3.1 隧道LED照明燈具頻閃效應(yīng)分析

隧道LED照明燈具頻閃效應(yīng)是由于LED芯片供電電流是直流電的原因造成的，其頻閃主要有兩部分，一是隧道LED照明燈具光源芯片本身的頻閃，二是來自LED驅(qū)動(dòng)電源的頻閃，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電源有不同的調(diào)光方式而引發(fā)。目前，隧道LED照明燈具電源調(diào)節(jié)有可控硅調(diào)光、模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光方式(簡稱PWM調(diào)光)3種方式[13-14]。可控硅調(diào)光是從交流相位0開始，輸入電壓斬波，直到可控硅導(dǎo)通時(shí)，才有電壓輸入。其工作原理是將輸入電壓的波形通過導(dǎo)通角切波之后，產(chǎn)生一個(gè)切向的輸出電壓波形。應(yīng)用切向原理，可減少輸出電壓有效值，以此來降低普通負(fù)載(電阻負(fù)載)的功率；模擬調(diào)光就是在0～10 V電源上多了2個(gè)0～10 V的接口(+10 V和-10 V)，通過改變0～10 V的電壓大小來控制電源輸出電流從而達(dá)到調(diào)節(jié)LED芯片亮度的目的；10 V電壓輸出LED芯片光通量最大，0 V電壓輸出LED芯片光通量最小為0；PWM調(diào)節(jié)是對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，通過PWM波占空比和頻率開關(guān)調(diào)節(jié)隧道LED照明燈具控制電源的開啟和關(guān)閉，進(jìn)而改變控制電源正向電流的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對LED芯片光通量大小調(diào)節(jié)的目的。PWM調(diào)節(jié)方法基于人眼對亮度閃爍不夠敏感的特性，使負(fù)載LED時(shí)亮?xí)r暗。如果亮暗的頻率超過100 Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED燈具在閃爍。在一個(gè)PWM周期內(nèi)，因?yàn)槿搜蹖Υ笥?00 Hz內(nèi)的光閃爍頻率，感知不到亮度的快速變化，所以LED燈具亮的時(shí)間在整個(gè)占空比周期中所占比例越大人眼感覺LED燈具越亮[15-16]。

3.2 隧道LED照明燈具布設(shè)方式產(chǎn)生頻閃分析

在隧道照明設(shè)計(jì)當(dāng)中，因?yàn)榧訌?qiáng)段照明亮度要求較高，燈具布置間距能夠滿足頻閃要求，而隧道照明基本段，由于照明亮度要求較低，考慮到建設(shè)費(fèi)用，照明的燈具并非是緊挨著排列，而是兩盞相鄰燈具間隔一定的距離設(shè)置的(隧道進(jìn)出口加強(qiáng)段間隔約1.0 m，過渡段和中間段間隔約5 m和9 m)。所以當(dāng)駕駛員行駛在公路隧道中時(shí)，眼睛不斷受到忽明忽暗的刺激，從而造成一定的明暗突變斑馬效應(yīng)，車速越快突變越快，這種現(xiàn)象與光源的頻閃效應(yīng)十分類似，稱為公路隧道LED照明光環(huán)境“頻閃效應(yīng)”。《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70-2/01)第6.2.1款規(guī)定“當(dāng)行車時(shí)間超過20 s時(shí)，照明燈具布置應(yīng)以滿足閃爍頻率低于2.5 Hz或高于15 Hz 為原則”，目的是消除明暗變化帶來的頻閃效應(yīng)[15]。

4 隧道LED照明光環(huán)境頻閃效應(yīng)消除措施

(1)加大驅(qū)動(dòng)電源輸出電容，提高LED驅(qū)動(dòng)電源輸出質(zhì)量

在LED驅(qū)動(dòng)電源的輸出端接入大容量電容，從而平滑電壓紋波，根據(jù)電容的定義，LED驅(qū)動(dòng)電源電壓紋波與接入的電容存在如式(2)的關(guān)系，由式(2)可知，接入電容可以減小電壓紋波[16]。

(2)

式中，V為驅(qū)動(dòng)電源電壓紋波；Imax為LED電流峰值；Imin為LED電流谷值；Co為增加的電容；f為驅(qū)動(dòng)電源的工作頻率。但采用這種方法來降低電壓紋波存在一定的缺點(diǎn)，因?yàn)閱为?dú)增加電容的容量一般會(huì)增大產(chǎn)品的體積，因此可以利用晶體管的放大特性，構(gòu)成有源濾波器。具體做法為將電容接在晶體管基極上，經(jīng)過放大，可以等效成一個(gè)較大的電容，但是這種方法又會(huì)造成燈具成本的增加。

(2)減少紋波電壓對LED芯片光通量穩(wěn)定性的影響

① 對于大功率單顆LED芯片封裝的隧道LED照明燈具，宜通過調(diào)壓控制，給LED芯片輸出最佳驅(qū)動(dòng)電流。如圖3所示，將驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)在LED光源伏安曲線額平緩區(qū)間段，盡量選取LED光源伏安曲線平緩區(qū)間段的電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)輸出。

圖3 隧道LED照明燈具伏安特性曲線Fig.3 Volt-ampere characteristic curve of tunnel LED lighting fixtures

② 對于多顆小功率LED芯片串并聯(lián)封裝的隧道LED照明燈具，宜增加串聯(lián)LED芯片個(gè)數(shù)。由于驅(qū)動(dòng)電源輸出的紋波電壓不變，串聯(lián)的LED芯片個(gè)數(shù)顆數(shù)越多，紋波電壓造成光通量影響就越小，產(chǎn)生的紋波電流也相應(yīng)越小，進(jìn)而形成的頻閃效應(yīng)也越小。如果使用并聯(lián)方式實(shí)施分流驅(qū)動(dòng)電流，同樣可以達(dá)到減低紋波電流，但要注意各分支LED芯片正向壓降要盡量保持一致，否則易出現(xiàn)各分支電流區(qū)別過大的問題，進(jìn)而易造成隧道LED照明燈具光通量輸出均勻性差的問題。

(3)選擇合適隧道LED照明燈具的電源驅(qū)動(dòng)方式

隧道LED照明燈具的供電電源一般兩種驅(qū)動(dòng)方式，一是恒壓驅(qū)動(dòng)電源，二是恒流驅(qū)動(dòng)電源。恒壓驅(qū)動(dòng)電源是指在允許的負(fù)載情況下，輸出恒定的電壓，電壓大小不隨負(fù)載變化而變化。恒流驅(qū)動(dòng)電壓是指在允許額定功率負(fù)載情況下，輸出恒定的電流，電流不隨負(fù)載的變化而變化[9]。從圖4可知，隧道LED照明燈具伏安特性曲線可看出，隧道LED照明燈具驅(qū)動(dòng)電流隨著電壓的升高而升高，電壓的小幅度波動(dòng)會(huì)引起驅(qū)動(dòng)電流的大幅度波動(dòng)，因?yàn)橄淼繪ED照明燈具頻閃的主要因素在于消除LED的電流波動(dòng)大小，故隧道LED照明燈具宜采用恒流驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行供電[17-18]。

圖4 隧道中間段LED照明燈具縱橫向配光曲線與效果Fig.4 Vertical and horizontal light distribution curve and effect of LED lighting fixtures in middle section of tunnel

(4)優(yōu)化隧道LED照明燈具布置方式和布設(shè)間距

根據(jù)《公路隧道照明細(xì)則》等相關(guān)規(guī)定，可以得出閃爍頻率低于2.5 Hz或高于15 Hz都是可以忽略的。而根據(jù)式(3)可以得出，頻閃與布燈間距和行車速度的關(guān)系。

(3)

式中，f為照明的頻閃頻率；v為行車速度；l為燈具布置間距。

以金家莊螺旋隧道為例，隧道照明行車速度為80 km/h，即22 m/s；如果要求閃爍頻率低于2.5 Hz，則布燈間距應(yīng)大于9 m，如果要求閃爍頻率高于15 Hz，則布燈間距應(yīng)小于1.4 m。隧道根據(jù)頻閃頻率可以得出燈具布燈間距，但是如果金家莊隧道布燈間距大于9 m，受隧道線型影響、燈具配光曲線等因素影響，會(huì)在路面形成亮度不同、明暗交替的“斑馬線”現(xiàn)象，隧道基本段縱向均勻度會(huì)很差。駕駛員在基本段的行車過程中明暗對比明顯，會(huì)使駕駛員眼睛對隧道LED照明光環(huán)境產(chǎn)生明暗頻閃現(xiàn)象，從而引起視覺生理不適，進(jìn)而產(chǎn)生心理緊張，影響行車安全。考慮螺旋形隧道曲線為增強(qiáng)誘導(dǎo)性，金家莊隧道采用連續(xù)布燈方式，抑制隧道LED照明光環(huán)境的頻閃現(xiàn)象。

如圖4所示，對隧道中間段LED照明燈具的縱橫向配光曲線進(jìn)行了優(yōu)化和模擬確定，可顯著緩解隧道LED照明光環(huán)境炫光現(xiàn)象。

5 結(jié)論

基于隧道LED照明光源，分析了螺旋形隧道和直線形隧道加強(qiáng)照明段和基本段駕駛員行駛心率影響機(jī)理，以此為理論依據(jù)，提出了在螺旋形隧道加強(qiáng)段和基本段要對隧道照明光環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。根據(jù)隧道LED照明燈具的特性，分析了隧道LED照明燈具頻閃產(chǎn)生的原因，根據(jù)隧道LED照明燈具布置間距和頻閃的計(jì)算公式，并結(jié)合頻閃相關(guān)研究結(jié)論，合理確定頻閃范圍，明確了隧道LED照明燈具布置間距的合理取值，提出了隧道LED照明光環(huán)境頻閃效應(yīng)綜合消除措施，有助于提升隧道LED照明光環(huán)境的視認(rèn)性水平，為螺旋形隧道LED照明燈具關(guān)鍵指標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和布設(shè)提供了理論依據(jù)，具有重要的指導(dǎo)意義。