淺議基于人因工程學(xué)的城市道路照明評(píng)價(jià)體系研究

陳 荃，臧 鋒

(南京城市照明建設(shè)運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，南京 210019)

引言

目前我國(guó)道路照明領(lǐng)域施行的是《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 45—2015)[1]，此標(biāo)準(zhǔn)契合了當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城市建設(shè)水平，滿足了安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)省能源、維修方便等原則，對(duì)于城市新建、擴(kuò)建和改建的道路及與道路相聯(lián)系的特殊場(chǎng)所的照明設(shè)計(jì)起到了良好的指導(dǎo)作用。但隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展和人民生活水平的大幅提高，人們對(duì)道路照明質(zhì)量的要求越來(lái)越高，滿足關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，更要考慮多方面的綜合影響。同時(shí)，以LED為代表的新型光源的出現(xiàn)及在道路照明領(lǐng)域里廣泛的應(yīng)用，更加暴露出現(xiàn)行道路照明設(shè)計(jì)規(guī)范存在缺陷，其滯后于工程、產(chǎn)品的應(yīng)用現(xiàn)狀，導(dǎo)致新型照明設(shè)施的照明質(zhì)量難以得到準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

1 城市道路照明評(píng)價(jià)體系提升的目的與意義

1.1 更全面地對(duì)照明質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)

人從外界接收到的各種信息中80%以上是通過(guò)視覺(jué)獲得的，良好的道路照明環(huán)境有助于駕駛員及時(shí)獲得有效準(zhǔn)確的視覺(jué)信息并迅速做出判斷，避免因視覺(jué)信息不足誘發(fā)危險(xiǎn)。因此，現(xiàn)行的國(guó)內(nèi)外城市道路照明標(biāo)準(zhǔn)都是基于CIE頒布的“明視覺(jué)的光譜光視效率函數(shù)”來(lái)計(jì)算和測(cè)量。而隨著對(duì)光照非視覺(jué)生物效應(yīng)領(lǐng)域研究的逐步深入，現(xiàn)階段研究成果表明，光照也通過(guò)非視覺(jué)作用于人的生物節(jié)律系統(tǒng)、認(rèn)知功效、警覺(jué)度、情緒、疲勞、睡眠等方面。可以推斷，在夜間道路照明環(huán)境下，隨著時(shí)間的累積，道路照明誘發(fā)的非視覺(jué)效應(yīng)同樣將對(duì)駕駛?cè)水a(chǎn)生相應(yīng)的影響。光照的非視覺(jué)效應(yīng)同樣是構(gòu)成駕駛安全的重要影響因素之一。

如想更全面地對(duì)照明質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要建立一個(gè)全新的框架體系。將原來(lái)單一的視覺(jué)功效評(píng)價(jià)逐步過(guò)渡到視覺(jué)效應(yīng)和非視覺(jué)效應(yīng)的雙重評(píng)價(jià)，前者注重視覺(jué)功能性，后者則與人體健康密切相關(guān)。

1.2 更有效地提升道路節(jié)能設(shè)計(jì)

面對(duì)“雙碳”大考，城市照明行業(yè)亟需調(diào)整發(fā)展邏輯，避免能耗雙控簡(jiǎn)單化處理和“一刀切”問(wèn)題，在守住民生為本的前提下提高能源使用效率，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是非常關(guān)鍵的一環(huán)。最新的各項(xiàng)研究都表明，夜間道路照明環(huán)境的亮度屬于中間視覺(jué)范圍(0.001～3 cd/m2)。在中間視覺(jué)條件下，人眼的空間分辨率、對(duì)比識(shí)別力、立體深度感知、適應(yīng)性調(diào)節(jié)反應(yīng)和反應(yīng)速度等視覺(jué)能力與明視覺(jué)條件下完全不同。真正從道路照明的實(shí)際使用環(huán)境出發(fā)，提出一種基于中間視覺(jué)系統(tǒng)的道路照明評(píng)價(jià)方法非常有利于道路照明的節(jié)能設(shè)計(jì)。

1.3 為智慧照明提供有效的理論支撐

智慧照明作為智慧城市的關(guān)鍵構(gòu)成部分，可以依托路燈資源的能力結(jié)構(gòu)和條件稟賦對(duì)包含民生工程、自然環(huán)境、信息安全等領(lǐng)域的多元要求作出智能化回應(yīng)和管理決策。智慧照明首先將實(shí)現(xiàn)按需用光，即通過(guò)前端計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)道路照明設(shè)施“自主識(shí)別、自主判斷、自主處置”。若研究者能從人因工程學(xué)視角出發(fā)，結(jié)合用戶的真正需求，通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)而科學(xué)的方法整合現(xiàn)有理論和模型，可以為研制“智慧用光”道路照明系統(tǒng)提供有效的理論支撐，更可以充分利用現(xiàn)代照明技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，加快創(chuàng)設(shè)和研發(fā)因時(shí)、因地和因人而異的智能化照明模式和相關(guān)硬件、軟件產(chǎn)品。

2 基于人因工程學(xué)的城市道路照明評(píng)價(jià)體系研究方案

2.1 基于人因工程學(xué)的照明領(lǐng)域研究現(xiàn)狀

人因工程(Human Factors Engineering，HFE)是研究人、機(jī)器、環(huán)境相互影響及作用的一門(mén)綜合性交叉學(xué)科，運(yùn)用多種理論與方法，目的是使機(jī)器系統(tǒng)和工作環(huán)境的設(shè)計(jì)滿足人的生理、心理特性，從而達(dá)到高效、安全、健康的工作與生活需求[2]。人因工程學(xué)強(qiáng)調(diào)協(xié)調(diào)“人—因—環(huán)境”三要素之間的關(guān)系，達(dá)到安全、穩(wěn)定、高效的目的[3]。在照明領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外研究者在人因設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量研究與實(shí)踐。尤其是近年來(lái)，隨著LED照明及智能控制技術(shù)的高速發(fā)展和光健康理念的不斷更新與完善，人因照明研究得到了長(zhǎng)足發(fā)展[4]。從最初的調(diào)光調(diào)色應(yīng)用，發(fā)展到多維度人因照明，研究方向逐步從對(duì)人能力和極限的可用性研究擴(kuò)展到全面關(guān)注人生理和情緒等各項(xiàng)需求的健康性研究，研究應(yīng)用領(lǐng)域逐步從工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)擴(kuò)展到人居環(huán)境建設(shè)中的方方面面，并且可以用人因指數(shù)(Human Centric Index，HCI)來(lái)定量刻畫(huà)同類(lèi)產(chǎn)品不同的人因相對(duì)性能。

2.2 基于人因工程學(xué)的城市道路照明評(píng)價(jià)體系研究思路

2.2.1 城市道路照明條件下(駕駛)人的視覺(jué)認(rèn)知特性和視覺(jué)功效研究

從機(jī)動(dòng)車(chē)交通道路使用者角度出發(fā)，道路照明的主要目的是長(zhǎng)時(shí)間為駕駛員提供足夠的視覺(jué)可靠性，即駕駛員為了安全地控制汽車(chē)，對(duì)呈現(xiàn)在眼前的部分視覺(jué)信息進(jìn)行處理的一種下意識(shí)能力[5]。目前，針對(duì)視覺(jué)效果與感受的光環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法主要為基于主觀心理滿意度的評(píng)價(jià)方法，通常以問(wèn)卷的形式，要求駕駛員依據(jù)心理主觀感受對(duì)光環(huán)境的效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。該類(lèi)方法易受個(gè)體差異和問(wèn)卷設(shè)計(jì)的影響。

駕駛員的視覺(jué)可靠性主要取決于其視場(chǎng)內(nèi)察覺(jué)細(xì)微變化的能力，即保證駕駛員具有良好的視覺(jué)工效。視覺(jué)可靠性包含兩個(gè)方面：視功能和視覺(jué)舒適。視功能是指駕駛員在視野中看清物體及其變化的功能，即視覺(jué)的生理作用是否處于正常狀態(tài)。視覺(jué)舒適是指在道路照明產(chǎn)生的視覺(jué)環(huán)境中，駕駛員在心理上是否感到舒適[6]。

本研究首先搭建專(zhuān)業(yè)的人因照明實(shí)驗(yàn)室，配備虛擬駕駛實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和道路照明模擬系統(tǒng)(圖1、圖2)；其次邀請(qǐng)20名被試開(kāi)展光誘導(dǎo)模擬駕駛實(shí)驗(yàn)，深入探究不同光色、照度、顯色指數(shù)等照明參數(shù)下駕駛?cè)说谋憩F(xiàn)行為；進(jìn)而分析、總結(jié)不同的照明參量對(duì)(駕駛)人視覺(jué)感知的影響規(guī)律，確定符合(駕駛)人視覺(jué)感知特性和視覺(jué)工效的評(píng)價(jià)指標(biāo)及邊際閾值。

圖1 人因照明實(shí)驗(yàn)室實(shí)景Fig.1 Human factors lighting laboratory

2.2.2 城市道路照明非視覺(jué)效應(yīng)與(駕駛)人精神負(fù)荷間關(guān)系研究

2002年，美國(guó)Brown大學(xué)的Berson等發(fā)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物視網(wǎng)膜的第三類(lèi)感光細(xì)胞——視網(wǎng)膜特化感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(intrinsically photosensitive Retinal Ganglion Cell，ipRGC)，這類(lèi)感光細(xì)胞能參與調(diào)節(jié)許多人體非視覺(jué)生物效應(yīng)，包括人體生命體征的變化、激素的分泌和興奮程度[7]。后續(xù)的相關(guān)研究表明，人類(lèi)的生物節(jié)律和認(rèn)知表現(xiàn)都受光環(huán)境的影響，無(wú)論是來(lái)自自然界的太陽(yáng)光，亦或是人造光源，都會(huì)引起人體一系列生理節(jié)律反應(yīng)。照度、色溫、光譜、曝光時(shí)間、曝光時(shí)長(zhǎng)等光照因素均會(huì)對(duì)人產(chǎn)生非視覺(jué)效應(yīng)，并對(duì)人的睡眠情況、工作效率、警覺(jué)性、血壓、心率等生理心理指標(biāo)產(chǎn)生影響。

同樣，在夜間道路照明環(huán)境下，隨著時(shí)間的累積，道路照明誘發(fā)的非視覺(jué)效應(yīng)將對(duì)駕駛?cè)水a(chǎn)生相應(yīng)的影響，使駕駛員的認(rèn)知與信息處理能力下降、產(chǎn)生疲勞等，而這種不良的精神負(fù)荷水平狀態(tài)是造成駕駛?cè)顺鲥e(cuò)、行為表現(xiàn)較差的關(guān)鍵影響因素。因此，光照的非視覺(jué)效應(yīng)也非常值得關(guān)注。

目前國(guó)內(nèi)外該類(lèi)研究還在少數(shù)，且國(guó)內(nèi)研究中的對(duì)象局限于隧道這一特殊路段的照明環(huán)境。本研究將創(chuàng)新性地以非視覺(jué)生物效應(yīng)的相關(guān)研究理論與成果為研究基礎(chǔ)，利用專(zhuān)業(yè)的人因照明實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行城市道路照明領(lǐng)域?qū)ｍ?xiàng)研究，借助虛擬駕駛平臺(tái)模擬夜間道路駕駛，綜合運(yùn)用主觀量表評(píng)價(jià)和腦電圖(Electroencephalography，EGG)客觀生理數(shù)據(jù)測(cè)量的主客觀相對(duì)照的方法，評(píng)估道路照明中照度水平、色溫、顯色指數(shù)等參數(shù)對(duì)(駕駛)人在駕駛作業(yè)情況下情緒和節(jié)律產(chǎn)生的多因素疊加作用，探究夜間不同的道路照明光環(huán)境對(duì)(駕駛)人精神負(fù)荷的具體影響及作用規(guī)律，為豐富完善道路照明評(píng)價(jià)體系奠定基礎(chǔ)。

2.2.3 以(駕駛)人為中心的道路照明評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

在整個(gè)人—車(chē)—環(huán)境系統(tǒng)中，駕駛者作為系統(tǒng)主體，其生理、心理狀態(tài)將在很大程度上影響其決策與行為，進(jìn)而影響駕駛安全[8]。因此，本研究將“以人為中心”，結(jié)合現(xiàn)階段道路照明與駕駛安全的研究現(xiàn)狀，充分考慮前兩部分試驗(yàn)結(jié)果，分別提取基于(駕駛)人的視覺(jué)認(rèn)知特性和視覺(jué)工效，以及非視覺(jué)效應(yīng)的人因效能影響因子和評(píng)價(jià)指標(biāo)；對(duì)應(yīng)建立起視覺(jué)工效綜合評(píng)價(jià)指數(shù)和預(yù)測(cè)模型及非視覺(jué)效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)和預(yù)測(cè)模型；以此兩部分預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建起以(駕駛)人為中心的道路照明評(píng)價(jià)指數(shù)和預(yù)測(cè)模型，提升道路照明環(huán)境的安全性、舒適性與高效性。

2.3 后續(xù)工作安排

根據(jù)人因工程學(xué)的要求，良好的道路照明需全面滿足人—照明系統(tǒng)—環(huán)境的需求，除了將光源特性(色溫、光效等)和人的視覺(jué)感知、心理、生理舒適度納入道路照明設(shè)計(jì)與應(yīng)用的全過(guò)程中，還需綜合考慮照明系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定及自然環(huán)境等因素，并以此建立道路照明綜合評(píng)價(jià)體系。

后續(xù)的工作將依據(jù)此前的研究結(jié)果，充分結(jié)合現(xiàn)有的照明評(píng)價(jià)體系，基于科學(xué)性與實(shí)用性原則、整體性與層次性原則、主成分性與獨(dú)立性原則、靈活性與可操作性原則、定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合原則建立一個(gè)從視覺(jué)功效、視覺(jué)舒適性、非視覺(jué)效應(yīng)、安全性、節(jié)能性等多角度的道路照明綜合評(píng)價(jià)體系，積極探索道路照明人性化、智能化、高效化的發(fā)展新方向。

3 結(jié)語(yǔ)

新時(shí)代的城市道路照明建設(shè)作為城市建設(shè)的重要一環(huán)，應(yīng)堅(jiān)持以夜間公眾需求和訴求為根本，對(duì)城市道路照明設(shè)計(jì)展開(kāi)更為綜合而全面的評(píng)價(jià)研究。本研究期望能夠?qū)⑷艘蚬こ虒W(xué)為理論基礎(chǔ)，將目標(biāo)導(dǎo)向和問(wèn)題導(dǎo)向相統(tǒng)一，采用主客觀相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方法，從視覺(jué)工效、視覺(jué)舒適性、駕駛員的生理和感知以及認(rèn)知特性、安全性、節(jié)能性、環(huán)境友好性等多元角度出發(fā)，積極探索以人為本的照明技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐。