基于驾驶员瞳孔变化确定隧道入口段亮度的方法

胡英奎，翁 季，张青文，陈仲林

(重庆大学建筑城规学院，重庆400045)

0 引言

公路隧道由于其特殊的构造，使得白天隧道内外的亮度差别巨大，以至于驾驶员白天驾车进入隧道时由于适应亮度的骤然降低而产生视觉适应滞后现象，从而可能造成交通事故。研究表明，隧道内的交通事故主要集中在隧道出入口附近。如果隧道入口段的亮度过低会直接影响交通安全;而按照现行隧道照明设计规范规定的隧道照明设计方法，隧道入口段亮度是整座隧道照明设计的基础，如果入口段亮度过高又会造成隧道照明能源浪费严重。因此，在确保隧道交通安全的前提下，合理确定隧道入口段亮度，对隧道照明节能意义重大。

目前公路隧道入口段亮度的确定方法主要有2种:k值法和最小察觉对比法。k值法是将洞外亮度L20乘以入口段亮度折减系数k作为隧道入口段亮度。CIE 88-1990和我国的行业规范JTJ 026.1—1999都推荐采用k值法确定隧道入口段亮度。最小察觉对比法是根据驾驶员开车时在距隧道口一个停车视距的位置感受到的等效光幕亮度Lseq确定入口段亮度，CIE 88:2004推荐采用最小察觉对比法确定隧道入口段亮度。在工程实践和研究过程中发现，k值法和最小察觉对比法确定隧道入口段亮度均存在一定的问题，为了合理地确定隧道入口段亮度，国内外学者开展了大量研究工作，以期找到更合理的确定隧道入口段亮度的方法。笔者在对k值法和最小察觉对比法确定隧道入口段亮度进行对比分析的基础上，提出基于驾驶员瞳孔变化确定隧道入口段亮度的方法。

1 用k值法确定隧道入口段亮度

用k值法确定隧道入口段亮度是先根据行车速度和隧道的交通量确定隧道入口段亮度折减系数k，将洞外亮度L20与入口段亮度折减系数k的乘积作为隧道入口段亮度，即

式中

用该方法确定隧道入口段亮度的关键是隧道入口段亮度折减系数k和洞外亮度L20的确定。对于k值的取值，从20世纪60年代开始，隧道照明工程学上的两大学派，即欧洲的D.A.Schreuder学派和日本的成定康平学派，进行了针锋相对的争论，且两大学派理论上的分歧集中反映在k值的差达5倍之多。而且两大学派的立说依据都是相同的模拟测试方法，只是选用的测试的基本参数差别较大。D.A.Schreuder在障碍物标准尺寸和亮度对比度上所采用的是照明工程学上国际通用常规值;而成定康平所采用的是以“注视点”学说为依托的修正值，比较有利于障碍物的视认。但成定康平已于1984年宣布放弃自己的“注视点”学说，并认为其主张的k值应提高1倍左右。而我国在制定相关规范时，并未进行深入的理论和实验研究，而是简单地取两大学派主张的k值的平均值，显然这是缺乏充分的依据的，其结果也可能与事实不符。

洞外亮度L20也有多种确定方法，如查表法、黑度法、环境简图法等。用查表法确定L20是根据在20°视场中天空面积所占的百分比，通过查洞外亮度表的方法确定洞外亮度L20，该方法仅考虑了20°视场中天空面积所占的百分比、行车速度(或停车视距)以及洞口朝向(或洞外景物反射率的高低)这3个参数，且不同地点的天空亮度差别很大，洞外不同景物的反射率差别也很大，因此，用该方法得到的洞外亮度误差较大;用黑度法确定L20主要是利用相机拍照，该方法主要适用于隧道建成之后测量隧道洞外的亮度，而对于隧道建成之前的设计阶段则很难利用;用环境简图法确定洞外亮度L20的过程中需要用到天空、路面、各种景物、隧道入口段的亮度等参数，虽然作为未知数的隧道入口段亮度可以忽略不计，但其余参数的获取也是一项非常复杂的工作。因此，无论用何种方法确定洞外亮度L20都不是一项简单的工作，以至于用k值法确定隧道入口段亮度理论上可行，而在实际工程中难以采用。

2 用最小察觉对比法确定隧道入口段亮度

CIE 88:2004推荐基于等效光幕亮度和最小察觉对比来确定隧道入口段亮度，即

其中:

式中

从式(2)和式(3)可以看出，用该方法确定隧道入口段亮度的关键是确定等效光幕亮度Lseq。等效光幕亮度是考虑驾驶员开车时，眩光源的光入射到驾驶员的眼中发生散射而产生的光幕亮度。按照CIE 88:2004推荐的Lseq的确定方法需要先构建一个极坐标图，该图是根据在距隧道入口一个停车视距位置的2°，3°，4°，5.8°，8°，11.6°，16.6°，24°，36°和 56.8°的视场范围各画一个圆，并将每个圆等分成12份，见图1。分别计算驾驶员开车时感觉到的各圆环上各部分的平均亮度，各部分的平均亮度累加即为等效光幕亮度 Lseq，即

式中Lije为驾驶员开车时感觉到的图1所示各部分的平均亮度，Lije用式(5)计算，

式中，Lij为极坐标中每一分区对应的洞外景物亮度平均值。

从式(4)和式(5)可以看出，在等效光幕亮度Lseq的计算过程中不仅考虑了洞外的景物亮度，还考虑了汽车挡风玻璃和空气对驾驶员看到的洞外景物亮度的影响，以及景物所在位置(相对于驾驶员的眼睛)的不同对驾驶员产生的不同影响。所以，相对于L20，Lseq更符合驾驶员看到的景物亮度的实际情况。但在Lseq的计算过程中仍然需要计算各分区景物的平均亮度，该平均亮度的计算方法与用环境简图法确定L20的方法相似。因此，计算等效光幕亮度Lseq的过程仍然存在隧道所在位置的景物亮度的确定的问题。虽然CIE 88:2004给出了几种景物亮度的参考值，但由于地理位置对景物亮度的影响很大，所以如果直接采用CIE推荐的景物亮度值，计算的误差会比较大。

图1 计算等效光幕亮度的分区示意图

3 根据驾驶员瞳孔变化确定隧道入口段亮度

用k值法和最小察觉对比法确定隧道入口段亮度考虑的主要因素都是环境亮度等客观因素，而在交通安全中起关键作用的人的因素并未直接考虑。驾驶员驾车进入隧道的过程，是从洞外较亮的视觉环境快速进入隧道内较暗的视觉环境的过程。人眼的暗适应过程较慢，使得驾驶员驾车进入隧道时，由于未能及时适应隧道内较暗的视觉环境，在隧道入口段看不清障碍物而容易发生事故。

国内外的研究表明，影响隧道内行车安全的主要因素是驾驶员在进入隧道后的视觉适应情况。虽然人眼瞳孔大小受人的生理、心理以及外部环境的影响，但在正常情况下，瞳孔大小与视看环境的亮度存在一定的函数关系。驾驶员白天驾车由较亮的外部进入较暗的隧道内时，瞳孔为了适应较暗的环境而变大。驾驶员的瞳孔变化速度在某一个区间内时，不会发生视觉障碍，行车是安全的;如果瞳孔变化速度超出此安全区间，有可能发生视觉障碍而造成行车事故。驾驶员的瞳孔变化受隧道内外亮度之差以及进入隧道时车速的大小影响，如果隧道内外的亮度差较大，或者进入隧道时车速过快，都会造成驾驶员瞳孔变化速度不能适应环境亮度变化的速度，从而形成视觉障碍而可能引发交通事故。也就是说如果隧道入口段的亮度太低，驾驶员进入隧道后，看清目标所需的瞳孔变化速度超出驾驶员的适应能力，就会产生视觉障碍，从而可能造成行车事故。为了保证行车安全，在隧道的设计速度一定的情况下，可以通过减小隧道内外亮度之差的方法，保证驾驶员的瞳孔变化在一定的范围内。如果已知能保障不会产生视觉障碍的驾驶瞳孔变化的极限范围，则可以根据隧道的洞外亮度和行车速度来确定隧道入口段亮度。驾车进入隧道过程中瞳孔变化与行车安全的关系，可见相关研究成果。但如何根据隧道洞外亮度以及瞳孔变化与行车安全之间的关系确定隧道入口段亮度，还需进一步进行隧道现场实测研究。

为了研究根据驾驶员瞳孔变化确定隧道入口段亮度的方法，组织8名驾驶员在福建永武高速(福建永安至武平)上的四座隧道(龙井隧道、黄山岭隧道、石背角隧道和溪背山隧道)进行了驾车进出隧道过程瞳孔变化的测量。测试时，在路面放置小目标物体，将隧道内的照明灯分别打开到不同的照明水平，在每个照明水平，至少有3名驾驶员按照隧道的设计速度驾车通过隧道，同时用亮度计测量隧道洞口外的景物亮度，在此过程中用iView X HED眼动仪记录驾驶员看到的场景和驾驶员的瞳孔数据。图2为现场测试的场景。

图2 现场测试场景

测试完成后，根据驾驶员驾车通过隧道过程中看到的场景视频，可以分析出在隧道照明的各亮度水平驾驶员发现小目标物体的距离，进而可以确定驾驶员在标准停车视距范围内发现目标的瞳孔变化规律。考虑瞳孔变化与隧道洞外亮度、在标准停车视距发现小目标时的隧道入口段亮度以及行车速度之间的关系，即可确定在保证行车安全的前提下，所允许的驾驶员瞳孔变化的极限范围及其规律，根据该变化规律即可在已知洞外亮度和隧道的设计行车速度的情况下确定隧道入口段亮度。

4 小结

基于驾驶员的瞳孔变化确定隧道入口段亮度的方法，直接考虑了驾驶员在驾车进入隧道过程中眼睛对环境亮度变化的适应过程，比用k值法和最小察觉对比法确定隧道入口段亮度的方法更有利于保证隧道内的行车安全。但对于该方法的研究还刚刚起步，可用于研究的现场实测数据还比较少，将该方法用于工程实际还需要进一步的实测研究。

［1］CIE.Guide for the lighting of road tunnels and underpass，CIE 88-1990［R］.Vienna，Austria:CIE Central Bureau，1990

［2］CIE.Guide for the lighting of road tunnels and underpass，CIE 88:2004［R］.Vienna， Austria:CIE Central Bureau，2004

［3］中华人民共和国交通部，JTJ 026.1—1999.公路隧道通风照明设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2000

［4］殷颖，陈仲林，崔璐璐.隧道入口段亮度计算方法比较研究［J］.灯与照明，2008，32(2):20 ～24

［5］胡英奎，陈仲林，孙春红.基于等效光幕亮度理论的隧道入口段亮度计算方法［J］.公路交通科技，2011，28(5):98～101

［6］刘少群，沈粤.高速公路过海隧道入口部照明设计［J］.广州大学学报(自然科学版)，2010，9(3):50～55

［7］杜志刚，潘晓东，郭雪斌.公路隧道进出口行车安全的视觉适应指标［J］.华南理工大学学报(自然科学版)，2007，35(7):15 ～19

［8］杜志刚，潘晓东，杨轸，等.高速公路隧道进出口视觉震荡与行车安全研究［J］.中国公路学报，2007，20(5):101～105

［9］杜志刚，潘晓东，郭雪斌.高速公路隧道进出口视觉适应实验［J］.哈尔滨工业大学学报，2007，39(12):1998～2001

［10］李毅.基于光生物效应的道路照明安全研究［D］.重庆:重庆大学建筑城规学院，2009