光源光色与光生物效应对隧道照明影响的研究

刘英婴

(重庆大学建筑城规学院，重庆400045)

0 引言

公路隧道由于具有缩短里程、提高交通运输效率、节省用地和有利于保护生态环境等优点，在公路尤其是高速公路建设中被广泛采用。随着隧道建设的规模及数量越来越大，隧道照明设施的运营电费和维护费用也越来越高，照明节能和交通安全的矛盾也越来越突出。为了解决好照明节能和交通安全问题，就必须对隧道照明进行新的理论和技术研究。

1 隧道照明特点

隧道照明的目的是与道路照明相同的，均是为了给驾驶员提供良好的视觉环境，保障交通安全，提高运输效率等。但是，隧道的两侧和顶部是封闭的，构造比较特殊，会产生隧道特有的人眼明适应和暗适应，尤其是白昼的视觉问题。在白昼，驾驶员进入隧道时会产生如下的视觉问题:刚接近长隧道时，驾驶员看到的是一个黑洞，这是“黑洞”现象;如果隧道较短，则会产生“黑框”现象;由于洞外亮度大，进入隧道后，人眼需要适应时间，即产生“适应的滞后现象”;对于长隧道的中间段，汽车废气会形成烟雾，影响驾驶员的可见度;在隧道出口，会产生一个很亮的洞口，形成强烈的眩光，降低驾驶员的可见度，这就是“亮洞”现象，这时会使人只能看到障碍物的影子，而隧道线型、结构、路面状况看不清，距离不能判断等。所以隧道照明必须合理解决好隧道照明特有的视觉问题，创造出良好的视觉环境。

目前我国现行的《城市道路照明设计标准》和《公路隧道通风照明设计规范》均未考虑道路和隧道照明光源的光谱功率分布对驾驶员的视觉功效的影响，即均未考虑光源光色对反应时间的影响;而且均是以1924年CIE推荐的在2°视野内由闪烁法于非彩色光条件下，锥状感光细胞在明视觉时的光度学系统进行计算的，这与citopic(司辰视觉)的实际情况不相符，即未考虑光生物效应的影响。因此，相应的标准值是不利于照明节能的。

2 光源的光色对隧道照明的影响

人们眼中所反映出的色彩，不仅取决于物体本身的特性，而且还与照明光源的光色有着直接的关系。光源的光色有两重含义:一是人的视觉观察光源时所看到的表面颜色，用色温来定量描述;另一个是指光源照在物体上所呈现的颜色的客观效果，叫光源的显色性。

由于不同色彩给人心理和生理上的影响，在不同色温的光源照明环境下，隧道路面会产生不同的视觉效果和作用。人们对目标物作出的反应也会随之不同。

在夜间驾驶过程中，反应时间对保障道路交通安全有重要的实际意义。在驾驶过程中，反应时间快就意味着视觉效率高和交通事故的减少。日本关于交通肇事次数与反应时间的关系调查数据表明，肇事次数与驾驶员反应时间长短成正比关系，见表1。

表1 事故次数与反应时间关系

因此，为了保证交通安全，驾驶员发现前方路面上障碍物的反应时间的长短是至关重要的。从反应时间与交通事故的关系可以看出，将“反应时间”作为评价隧道照明光源光色及其光效的参数，是非常重要也是非常必要的。

现行的隧道照明设计标准，均没有考虑光源的光谱分布，也就是光色的影响。另外，在实际隧道照明条件下，会发生在亮背景下观察暗目标的情况，即在负对比条件下人眼更有利于观察目标。而目前的隧道照明研究均采用的是正对比，所以需要进行在负对比条件下的隧道照明研究，使提出的隧道照明设计标准更符合驾驶行车时的实际情况。当目标的亮度、亮度对比和视角相同时，人眼视觉功效好坏是由瞳孔大小确定的:如果在照明光源的辐射光谱中蓝绿色光的成分多，则会使人眼的瞳孔收缩得多，视看目标就感到清晰，朦胧感少，可见度较好;反之，可见度就差。为了正确评价在光源辐射光谱中蓝绿色光成分对视觉功效的影响，在明视觉时，可采用瞳孔亮度来评价;由于隧道中间段平均亮度一般小于4 cd/㎡，在属于中间视觉范畴的照明条件下，确定适宜的反应时间表达式是值得深入研究的，这样可改变现行的隧道照明评价指标不考虑光源光色对视觉的影响，并可根据人眼中第3种感光细胞的光谱响应特性，重新研究和审视现行隧道照明评价指标体系的合理性。

3 光生物效应对隧道照明的影响

3.1 光生物效应

光生物效应是2002年世界上十大发现之一，它能对进入人眼的光辐射产生生物效应而获得对外界的认识，它能控制人的生物节律和强度，并且影响人眼瞳孔大小，从而对人的视看水平和反应时间等产生重要影响。

150多年来，人们一直认为人眼中只有锥状感光细胞和杆状感光细胞两种感光细胞。但是，2002年，美国布朗(Brown)大学的David Berson等学者在人眼视网膜上发现了第3种感光细胞——神经节细胞，它对不同波长光的敏感度是不同的，峰值位于490 nm，并称为citopic(我国暂译为司辰视觉)。光生物效应虽然是一种非映像的视觉效应，却控制了人的生物节律和强度，并且影响人眼瞳孔大小。对瞳孔大小变化的研究表明，瞳孔大小是随着照射在被试眼睛上的照度大小和光谱分布不同而变化的。

光生物效应过程与视觉过程不尽相同，虽然它们同样是由人眼开始的，但是并不把影像信息直接传递到脑后皮层视区，而是由视网膜上神经节细胞将光信号传递到下丘脑通路(RHT)，再进入到视神经交叉上核(SCN)、脑室外神经核(PVN)和上部颈神经节，最后传递到松果体腺。视神经交叉上核是内源性振荡器，是生物钟，振荡周期为24.5 h。在正常情况下，主要是依靠光的刺激调整生物钟，每天清晨，光照把清醒和睡眠周期调整得与白天和黑夜周期一致。而在暗的条件下，松果体腺合成褪黑激素，并由血液吸收带至全身，有利于人们休息睡觉。除了褪黑激素呈现出昼夜节律外，还有人体的体温、人体的机敏程度和激素皮质醇等也具有昼夜节律。

3.2 光生物效应在隧道照明中的应用研究

采用不同的照明光源，会产生不同的光生物效应，从而对驾驶员的机敏程度等产生影响，即对发现障碍的反应时间产生影响，并会影响交通安全。在中间视觉时，人眼中视网膜上神经节感光细胞、锥状感光细胞和杆状光细胞同时要起作用，这3种感光细胞产生的视觉功效均会对交通安全产生影响，尤其是人眼中第3种感光细胞——citopic(司辰视觉)对人的机敏程度等生物效应的影响。因此，在遂道照明中不但要考虑中间视觉对交通安全的影响，而且还要考虑光生物效应对交通安全的影响。

光生物效应的光谱光效能最大值为3 850 lm/W，对应的峰值波长为490 nm。对于光生物效应而言，也可参在照明视觉条件下的光通量计算式进行:

式中

现采用400 W金属卤化物灯和400 W高压钠灯的光谱功率分布实测值，计算出在不同视觉条件下400 W金属卤化物灯和高压钠灯的光通量，光通量与光源功率的比值，就可以算得金属卤化物灯和高压钠灯的发光效率，光源的光通量和发光效率计算值见表2。

图1 光生物效应、暗视觉和明视觉的光谱光效率

表2 在不同视觉条件下金属卤化物灯和高压钠灯的光通量和发光效率

在人眼视网膜上神经节感光细胞对短波长的光辐射更为敏感，由于金属卤化物灯的短波长光比高压钠灯含量更多，所以由式(2)算得的金属卤化物灯的光生物效应光通量比高压钠灯大得多(见表2)。金属卤化物灯的光生物效应发光效率约为343 lm/W，而高压钠灯的光生物效应发光效率约为105 lm/W，前者为后者的3倍多，这会影响人眼瞳孔大小;对于隧道照明来说，瞳孔增大，就会产生聚焦和眩光等问题，于是就会影响驾驶员视看前方道路上障碍物的清晰度，从而对安全、快速、舒适运行产生不利影响。因为当光源的功率等相同时，发光效率大的光源辐射出光通量就会更多，产生的照度也会更大，所以当功率等同的辐射成分中富含短波长的金属卤化物灯会比高压钠灯产生更大的照度，从而更有利于瞳孔收缩，提高可见度。

总之，从表2中可以看出，在不同视觉条件下同一个光源的辐射光通量大小不同，而且不同种类的光源光通量随不同视觉的变化规律亦不相同，这是由于不同光源的光谱功率分布不相同和人眼的不同感光细胞对光的响应差别共同造成的，人眼中3种感光细胞:锥状感光细胞、杆状感光细胞和神经节感光细胞对光最敏感的波长分别为555 nm，507 nm和490 nm，而且相应的光效能最大值分别为683 lm/W，1 700 lm/W和3 850 lm/W。由此可知，当照明光源中富含蓝绿光成分时，有可能使暗视觉时光通量大于明视觉时光通量，对金属卤化物灯而言，暗视觉时光通量比明视觉时光通量几乎大一倍，光生物效应光通量比明视觉时光通量大二倍多。因此，当视觉工作需要考虑光生物效应时就必须研究照明光源的光谱功率分布的不同所产生的影响，对于隧道照明来说，必须要考虑光生物效应对聚焦等影响，这样才能达到隧道照明安全与节能要求。

4 小结

在隧道照明研究中，光源的光色是一个不可忽视的重要因素。在光谱能量分布相似而色温不同的光源中，选择富含短波较多的光源，可以进一步提高照明效果，同时节约能源，实现绿色照明。而光生物效应对隧道照明的影响，目前国际上还处于研究的“空白”，相信随着这方面研究的不断深入，在未来的隧道照明设计中，一定可以更加全面科学地评价隧道照明光源的光效问题，可以更好地控制隧道光源光色对隧道照明的影响，从而解决隧道照明中节能与安全的矛盾，提高道路交通的安全性和舒适性。

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