烏尉天山勝利隧道進口段視感照度補償分析

李鵬勝，王兵，張麗改，趙越，阿地力江·吐尼牙孜

(新疆大學交通運輸工程學院，烏魯木齊 830047)

0 引 言

烏尉天山勝利隧道，平均海拔3 200 m，規劃22.035 km，是新疆烏尉高速公路的主要組成部分，建成后將是世界上唯一的高海拔超長公路隧道。該隧道海拔高、溫差大、天氣多變，駕駛人駕車經過時，會在短時間內經歷不同天氣環境和視覺明暗適應快速轉換等過程，容易產生視感不適，甚至做出不當駕駛操作。

目前國內外沒有直接對高海拔、多變的天氣下駕駛人視感適應的研究，但有學者進行了低海拔地區公路隧道路段視感研究，為本文研究提供了可借鑒的方法和依據。YEUNG等將隧道分為3個區域，對每個區域交通事故進行分析，發現高速公路隧道進口段交通事故率更高；MEHRI等以伊朗伊拉姆省長隧道為研究對象，采用IESNA LM-71-96和IESNA LM-50-99標準對不同區域的亮度進行測量，得出當隧道入口外亮度分別為290.0和307.0 cd/m時隧道進口段所需設計亮度分別為6.0和6.2 cd/m；HE等的研究結果表明，亮度的急劇下降會導致駕駛人注視點和注視持續時間變化，駕駛人瞳孔直徑增大，視覺負荷增大；DU等提出視覺震蕩等效持續時間(equivalent duration of visual oscillation，EDVO)，定量評價公路隧道進口段視覺舒適度，以適應普遍的視覺震蕩現象，并建議隧道口當前停車視距增加20～30 m；HE等在實驗室模擬駕駛通過道路隧道的過程，發現亮度降低會導致短暫失明和視覺功能下降。

在解決隧道進口段視感不適方面：劉興茂等以貴州莫以隧道為例，提出在隧道入口前半段采用反射光照明的方案；崔洪軍等研究了暗反應轉換影響下的反應時間變化，利用現行混合模型得出頻繁的明暗照度轉換會降低黑暗辨識正確率；黃珂對我國隧道照明設計標準中計算方法上的不足進行了系統分析，基于察覺對比度法研究了隧道進口段亮度的設計方法；王首碩等利用眼動儀采集了駕駛人的眼部數據，通過駕駛模擬仿真平臺，提出公路隧道進口段視線誘導的改善方法；焦方通等利用照度計、眼動儀采集瞳孔面積、照度值等實驗數據，結合入口處時間序列下光環境特點分析了進口段視覺舒適性。

綜上所述，目前國內外對隧道進口段的研究多集中于瞳孔面積變化率和眼動等方面，且對駕駛人肉眼快速暗適應能力的研究多集中在低海拔單體隧道，鮮有人研究高海拔隧道駕駛人視感適應以及分析天氣變化所引起的明暗變化對駕駛人視感的影響。本文在低海拔視感變化基礎上設計隧道模型，檢測分析高海拔公路隧道進口段照度變化規律，得到隧道進口段照度折損系數曲線，判斷視感適應閾值，最終建立駕駛人視感的實時補(逆)償原理模型。

1 進口段視感適應機理

1.1 高海拔公路隧道環境

晴朗天氣下駕駛人駕車經過烏尉高速公路路段時經常突遇多云或陰雨天氣，進入隧道前也要經歷和適應天氣變化造成的道路明暗變化，這會增大操作錯誤的概率。隧道本身具有內部空間封閉、缺少自然光、行車環境單調等特性。駕駛人駕駛車輛白天經過隧道進口段，會在相當短的時間內從亮環境過渡到暗環境。而光線一強一弱容易造成駕駛員視覺上的不適，產生“黑洞效應”，駕駛人判斷認知能力和操作能力也會下降。

駕駛人在“人-車-路-環境”的交互系統中居于主導地位。駕駛人既是車輛的唯一操縱者，也是公路交通環境的感受者。駕駛人獲取的交通信息量有80%是其視覺器官提供的。如圖1所示，從隧道接近段到隧道進口段，駕駛環境突變，照度發生顯著改變，隧道內與隧道外的視覺環境差造成駕駛人視覺上的不適，這使得駕駛人必須通過不斷調整感官認知道路上的各種信息。

圖1 烏尉天山勝利隧道進口段研究區域示意圖

1.2 基于照度的視感適應機理

人通過兩只眼睛采集道路交通信息，經過中樞神經系統認知加工后，反饋給器官操控汽車前的過程稱為視感。人眼的暗適應過程主要靠視錐細胞、視桿細胞進行調整，視錐細胞和視桿細胞的有效視覺范圍不同。視桿細胞的有效視覺范圍較小，但光敏感度較高。視錐細胞的適應機理是減弱光敏感度，進而擴大有效視覺范圍。當光照強度不斷增加時，視錐細胞的反應可一直變大?！耙暩小笔恰耙曈X”的下一步，通常眼睛“覺”大腦“感”，視感反映在大腦皮層中，直接影響駕駛人的決策。

實踐證明，人眼感知到的亮度與實際光線的亮度并不相同，因為有時路面反射進入駕駛人肉眼的有效光不多，但能給駕駛人一種刺眼的感受。本文為方便設計和測量，在視感改善設計中選用與被照物無關且客觀存在的照度來衡量。環境照度值隨著忽明忽暗的天氣變化而變化，隨著隧道內外駕駛環境的突變而突變，因此，選擇照度作為評價隧道入口處光環境的變化是合理的。照度采用TES-1339照度計進行測量。

2 視感補償原理與模型創建

2.1 補償原理

高海拔路段太陽輻射強度和氣溫變化導致高低溫交替，直接或間接地影響高海拔氣候變化，造成一周四季、一日四季甚至一小時內四季的天氣變化情況常見。經過從明到暗再從暗到明的駕駛環境，駕駛人產生視感不適，而對駕駛人視感補償可以有效彌補駕駛人的視感不適。光線暗弱時，照度低，駕駛人看不清東西，需要正向補償彌補駕駛人的視感。海拔3 000 m以上的道路景觀以雪山為主，在日照充足的條件下行駛時，折射光線刺眼，需要逆向視感補償(減光處理)以達到駕駛人視感最適應的狀態。

雙主洞單向通行隧道進口段的視覺感受如圖2所示。調查顯示，隧道進口段為隧道事故高發段。進入隧道后駕駛人視感迅速降低，無法在短時間內適應突變的駕駛環境，只有實時視感正補償才可保證駕駛人適應從強光環境到暗光環境的轉換。如果隧道的人造視感補償連續性和均勻性不足，會影響行車安全，因此需利用人造補償光源，根據隧道外的實時光照情況實時調整對駕駛人的視感補償。

圖2 駕駛人在雙主洞單向通行隧道進口段的視覺感受

2.2 照度與視感適應范圍

對駕駛人進入隧道的瞬間環境照度變化率和視覺感受進行分析，可得到不同視感下環境照度變化率范圍。在隧道接近段，2.0 s行程內外界環境照度起伏在低于5 000 lx時，駕駛人視感適應良好；2.0 s行程內外界環境照度起伏范圍為5 000～10 000 lx時，駕駛人視感基本適應，且在0.2 s行程內照度變化范圍為4 000～10 000 lx/s時，駕駛人視感勉強適應；0.2 s行程內照度變化值超過10 000 lx/s時，駕駛人視感不適應。

隧道進口段補償照明能為駕駛人提供安全舒適的行車環境，良好的隧道進口段視覺過渡可帶給駕駛人舒適的視覺感受。因此，圖2所示左右雙主洞單向通行隧道進口段所提供的照度補償要與駕駛人眼睛光線的調整與適應程度相符。這種調整與適應隨著駕駛人通過隧道的過程而逐漸變化。傳統的隧道視感改善方法單一，無法匹配洞外照度實時變化，實際運營隧道難以實現隧道智能視感補償。

2.3 進口段照度折損系數曲線

對隧道入口截面照度折損系數進行擬合，得到隨天氣照度變化對視感進行實時連續補償的模型，計算在不同車速和照度下進口段的亮度，實現亮度計算的連續優化。本文的駕駛人視感補償研究，以駕駛人駕車進入進口段的視感適應為切入點，利用最小二乘法擬合進口段照度折損系數，確定隧道進口段視感補償值。

隧道進口段視感補償的3個參數分別是車速、設計交通量和隧道外照度，這3個參數在隧洞設計時為固定值。實驗得到個數據點(,),…,(,)，找出與這個點最匹配的線性式(見式(1)，其矩陣形式見式(2))，即找出最佳的能夠大致符合超定線性方程組的參數和。測量誤差中不含系統誤差，其余誤差是純偶然誤差且圍繞真值波動，使求得數據值與實際數據之間差值的平方和最小。

=+

(1)

(2)

傳統的隧道視感補償方法通過查表確定進口段視感逆向降低系數，按固定比例計算隧道進口段補償亮度，很難實現連續調光。天氣狀況引起的道路視感補償是隧道進口段視感研究的重要基準之一，隧道進口段視感補償直接影響隧道運營安全，因此隧道進口段設計時應考慮隧道外接近段照度自然變化。高海拔接近段上距隧道口不同距離處在多云、陰天、晴天天氣下的照度隨時間的變化分別見圖3、4、5，晴天、多云、陰天平均照度隨時間的變化見圖6。

圖3 多云天氣下距隧道口不同距離處照度隨時間的變化

圖4 陰天天氣下距隧道口不同距離處照度隨時間的變化

圖5 晴天天氣下距隧道口不同距離處照度隨時間的變化

圖6 晴天、多云、陰天隧道口平均照度隨時間的變化

令20,為在距隧道口一個停車視距()、距地面高1.5 m、正對隧道口方向20°的視場范圍內，面向隧道口中心點的平均洞外照度。為進口段的照度補償折損系數，在設計中按照設計交通量和設計車速的不同分別取值0.045、0.035、0.022、0.012。為進口段th1部分的補償亮度，cd/m；為進口段th2部分的補償亮度；根據《公路隧道照明設計細則》選??；20,通過模擬實驗實測得到；為隧道口外的照度；為路面平均照度與平均亮度的換算系數，瀝青路面一般取15。式(3)～(5)為進口段亮度計算式。隧道進口段亮度補償曲線見圖7。

圖7 隧道進口段亮度補償曲線

=20,

(3)

=0.520,

(4)

=

(5)

在高海拔雙主洞單向通行公路隧道的駕駛人視感問題研究中，進口段照度折損系數對應雙車道單向設計交通量。在不同交通量下(≥1 200輛h、≤350輛h、350輛h<<1 200輛h)分段擬合，見式(6)。3種交通量下的進口段視感補償亮度th,的計算式見式(7)。由此解決隧道交通環境的照度離散問題，實時調整進口段視感補償值，實現視感動態補償，彌補光環境變化造成的駕駛人視感殘差。

(6)

(7)

式中：為車速。

本文引入隧道視感補償計算模型，對隧道進口段照度折損系數進行最小二乘擬合。隧道進口段視感補償照明能夠按照天氣狀況的不同，在3個設計交通量范圍內按交通速度進行視感補償調節，分段匹配車速和洞外照度，調整進口段視感補償亮度。隧道進口段視感補償照明能滿足駕駛人在從高照度環境進入低照度環境的過程中視感適應變化的需求，讓駕駛人有足夠的時間適應光環境的變化，緩解和消除黑洞效應。

3 照度變化分析模擬實驗

新疆高海拔路段環境照度頻繁變化，現有的進口段視感補償調節方式全天為一個等級，只能滿足特定照度下的駕駛人視感適應需求。本模擬實驗采集模擬隧道路段照度。圖8比較了3種方法的視感補償效果，其中：T表示傳統的隧道視感補償方法；S表示順序補償視感補償方法(按照時間段設置亮度補償等級)；R為新近視覺補償方法(現行的補償方法，亮度隨小時分段變化)。

圖8 方法T、S、R亮度補償效果

表1比較了4種進口段視感補償方法，其中：方法T表示白天的亮度沒有變化，隧道內始終保持一個亮度等級。方法S最大適應亮度用查表法確定，取亮環境最大隧道口外臨界亮度6 500 cd/m，隧道進口段LED的亮度按照傳統最大適應亮度值取227.5 cd/m。方法R亮度隨小時分段變化：0:00—2:00，加強視感補償亮度為最大燈具亮度的40%(91 cd/m)；2:00—3:00，加強視感補償亮度為最大燈具亮度的60%(136.5 cd/m)；7:00—10:00，加強視感補償亮度為最大燈具亮度的80%(182 cd/m)；11:00—14:00，加強視感補償亮度為最大燈具亮度的100%(227.5 cd/m)；15:00—18:00，加強視感補償亮度為最大燈具亮度的80%(182 cd/m)；19:00—22:00加強視感補償亮度為最大燈具亮度的60%(136.5 cd/m)；22:00-0:00加強視感補償亮度為最大燈具亮度的40%(91 cd/m)。方法W為本文提出的進口段智慧視感補償方法，實時分段擬合進口段亮度補償曲線，隧道進口段亮度補償隨外界環境照度改變而改變。

表1 T、S、R、W四種方法補償亮度比較 cd/m2

方法W根據式(6)和(7)計算隧道各區域所需的照度。通過安裝照度探測器測量隧道進口段的照度，將采集到的照度數據傳輸到LED調光控制器，在變電站的服務器上運行方法W后發送命令到LED調光控制器并與照度探測器收集的信息校準，控制隧道進口段LED燈具的亮度。當前時刻計算的亮度等級需要與上次發送的亮度等級作比較，若相鄰兩次的亮度等級的差值在某一閾值之內(取5%作為亮度等級閾值)，則不發送調光信息，反之，則發送最新的調光信息。當隧道外亮度超過6 500 cd/m時，按照最大設計亮度調節隧道進口段LED燈具的亮度。圖9為隧道進口段亮度補償的計算值與實際值對比。LED的亮度隨隧道外照度和車速變化而變化，為駕駛人在不同天氣下接近、進入隧道提供良好的視覺適應且可提升能源利用效率。

圖9 隧道進口段亮度補償的計算值與實際值對比

4 結束語

基于進口段亮度補償與隧道口外照度變化實時一致的要求，設計隧道模型分析照度變化規律。采取擬合進口段照度折損系數的高海拔公路隧道進口段調光方法，實時分段擬合進口段亮度補償曲線，實現了隧道進口段亮度補償隨外界環境照度改變而改變，為駕駛人在不同天氣下接近、進入隧道提供良好的視覺適應且可提升能源利用效率。

當前烏尉天山勝利隧道還未建成，建成后即可前往烏尉隧道完成實車試驗，采集實際數據樣本進行更深入的研究。另外，基于本文的研究成果，研究出口處環境照度與視感之間的關系和基于駕駛人視感的智慧路燈、智慧“眼鏡”、智慧“擋風玻璃”、智慧遮陽棚的技術應用是進一步研究的重點。