公路隧道照明光源对疲劳度的影响

杨　勇

(交通运输部公路科学研究院；国家交通安全设施质量监督检验中心，北京　100088)



公路隧道照明光源对疲劳度的影响

杨勇

(交通运输部公路科学研究院；国家交通安全设施质量监督检验中心，北京100088)

摘要：根据人眼对不同波长光辐射光生物效应响应度的差异，为提高照明舒适性，以公路隧道常用照明光源高压钠灯和三种不同色温的白光LED分别作为唯一的照明光源，在不同环境亮度条件下，测试了被试者对相同闪烁视标的闪光融合频率值(FFF)。统计结果显示，相同光源对应的闪光融合频率与环境亮度成正比，相同环境亮度条件下高压钠灯对应的闪光融合频率最小，高色温白光LED的闪光融合频率大于低色温白光LED。通过人眼司辰视觉光谱效率函数和光源发射光谱计算得到表征人眼光生物效应影响程度的“司辰亮度”，其数值与闪光融合频率试验结果相一致，对人眼光生物效应影响显著的光源对应的闪光融合频率越大，即对疲劳抑制的作用效果越明显。

关键词：隧道照明；闪光融合频率；色温；白光LED；司辰视觉

引言

公路隧道照明的目的在于为公路使用者提供更好的作业环境，起到提高通行效率，降低事故发生率的作用。世界各国对公路隧道照明设计标准的研究由来已久，主要围绕不同照明段的亮度指标需求，近年来随着白光LED光源的大规模应用，色温和显色指数等指标对公路隧道照明视认性的影响也逐渐成为研究的热点[1,2]。

在保证安全视认的前提下，提高人眼视觉的舒适性也是评价照明光源优劣的一个重要方面[3,4]，由于公路隧道半封闭的空间特点，其视觉压迫感和单调的环境非常容易加重驾驶人员的疲劳程度和烦躁情绪，而不同光源对人眼光生物效应影响程度的差异使得除照明环境亮度外，光源光谱也成为影响隧道照明安全性的研究方向之一[5,6]。

1疲劳度对驾驶安全的影响

根据安全行为学的理论，驾驶行为属于人类行为的经典模式S-O-R(刺激-中间变量-动作)，在驾驶过程中，驾驶人员依次通过信息采集、大脑分析判断和采取驾驶行为来完成驾驶任务，其中视觉感知是驾驶人员最为重要的信息来源，如果任一环节出现问题，都可能导致交通事故的发生。

通过统计数据和相关研究可以得到，在引发交通事故的诸多因素中，驾驶员是主要因素，而疲劳驾驶是造成事故的主要原因之一。驾驶疲劳的成因包括体力和脑力两方面的影响，其具体表征包括腰背酸疼、视线模糊、反应缓慢等，从而导致驾驶员生理、心理机能等受到不同程度的影响，进而妨碍合理驾驶行为的判断和执行，最终引发驾驶中的交通事故[7,8]。

2照明条件对闪光融合频率影响试验

2.1闪光融合频率(FFF)

人类的眼睛并不是完美的成像系统，外界光信号刺激在视网膜上会产生一定的时延，在光信号闪烁频率较低时，闪烁可以被辨识，但随着闪烁频率提高到某一阈值时，闪烁将不会被察觉，在人眼中表现为稳定的发光，这一阈值的个体化差异较大，且会受到被试者生理、心理等因素影响发生变化。

闪光融合频率表征了人眼对非连续光刺激时间分辨力，对相同被试人员而言，FFF受到光源发光强度、光色、面积、视偏角和被试人员年龄、疲劳度等多个方面的影响。就疲劳度的影响而言，相同测试条件下，随着被试者疲劳度的加强，人眼对闪烁视标的可分辨频率阈值呈下降的趋势，根据这一特性，人眼FFF指标常被用于对大脑中枢神经疲劳程度的测试评价。

2.2光源对FFF影响试验

本项目针对光环境对被试者疲劳度的影响进行闪光融合频率测试，在试验设计阶段所采用的测试设备与常规闪光融合频率计有所区别，主要差异在于测试设备的闪烁点为发光强度恒定的白光LED，在整个测试过程中并不改变闪烁点的发光强度、颜色等指标，而且闪烁点置于开放的测试环境中，不存在常规设备要求的光学暗箱，但试验环境为严格的光学暗室，测试阶段照明光源仅有被试照明灯具，无环境光和其他光源的干扰，测试设备和试验场景如图1所示：

图1　闪光融合频率测试装置及环境Fig.1　The FFF test equipment and environment

闪光融合频率测试开始前，被试者需要在试验光源形成的照明环境中静处10min，然后打开闪光融合频率测试计，测试以升序和降序两种方式进行:升序是从低频到高频，先将频率调低至10Hz，然后要求被试者长按仪器上的触发按键逐渐升高频率，至不能观察到光源闪烁后按下第二个按键向上位机传送当时的频率参数。降序是从高频到低频，先将频率调高至看不到亮点闪烁，由被试按下仪器侧面的按钮降低闪烁频率，到被试刚刚能看到亮点闪烁时停止，亦记下此时频率。每次测试按照升序—降序—升序—降序的顺序，共测试4个数据，取算术平均值。

试验的被试人员共20人，遴选年龄在20～28岁之间，具有正常色觉和矫正视力。

测试用环境照明光源包括公路隧道照明领域常见的高压钠灯(色温1958K)、高色温白光LED(色温4765K)、中色温白光LED(色温4054K)、低色温白光LED(色温3177K)，选择的试验环境亮度包括，1cd/m2，5cd/m2，15cd/m2，30cd/m2和50cd/m2，闪光频率调节步长为0.1Hz。

2.3试验结果分析

由于试验持续时间较长，试验过程中被试者受到外界干扰的影响，可能导致测试数据严重偏离实际结果，而人为地丢掉一些偏离均值较远但不属于异常值的数据，同样会偏离实际结果，鉴于此，在数据处理过程中，对多次重复性测试的结果根据拉依达准则进行了离群值判别，以图2显示的测试结果为例，超过允许范围的测试结果被筛除。

图2　白光LED(3177K)、环境亮度5cd/m2条件下闪光融合频率测试数据Fig.2　The FFF test results of White LED(3177K)under 5cd/m2baceground brightness

经数据筛除后，被试人员在不同光源、不同环境亮度条件下闪光融合频率测试结果的统计平均值如表1和图3所示。

表1　不同光源不同环境亮度条件下人眼闪光融合频率值

图3　不同光源对人眼闪光融合频率的影响Fig.3　Influence of different light source on the FFF

测试结果的统计平均值显示：在相同测试光源条件下，被试者闪光融合频率随环境亮度的提高而增加，在相同环境亮度条件下，高压钠灯对应的闪光融合频率小于白光LED对应的闪光融合频率，而且高色温白光LED对应的闪光融合频率高于低色温白光LED的测试结果。说明环境亮度的提高有助于提高驾驶人员视觉敏感度，降低疲劳感，而高色温白光LED比低色温白光LED和高压钠灯具有更好的疲劳缓解效果。

3基于司辰视觉的闪光融合频率分析

司辰视觉和明视觉、暗视觉、中间视觉等视觉感知一样，都是人眼对入射光的应激反应[9,10]，其区别在于司辰视觉是通过神经结细胞作用于人体的褪黑素分泌，并不具备视觉成像功能，而其他视觉作用则是通过视锥细胞和视杆细胞实现成像功能，但本质而言都是人眼视神经细胞对不同波长辐射的反应，波长与人眼响应度的关系如图4所示。

图4　明视觉、暗视觉和司辰视觉光谱效率函数曲线Fig.4　Spectra efficiency curves of Photopic, Sotopic and Citopic

为了更为清晰的分析不同照明光源对人眼光生物效应的影响，参照明视觉亮度的计算方法计算得到人眼司辰视觉条件下的“司辰亮度”，用具体数据定性表示具有不同发射光谱的照明光源对人眼光生物效应影响的强弱，其计算公式如下：

(1)

式中Px(λ)表示的是不同的人眼视觉光谱效率函数，MX是光谱效率函数对应的归一化系数，明视觉函数对应的是683lm/W，暗视觉对应的是1700lm/W，而司辰视觉对应的是3850lm/W，V(λ)表示的是入射光源的发射光谱。

高压钠灯的发射光谱是钠离子位于589.0nm和589.6nm的特征谱线及其共振加宽，光色为黄色，白光LED采用的是半导体芯片发光激发荧光粉发光的双(多)色混合发光得到白光，因此通过调节基色光的光强比可以得到不同色温的白光，测试用照明光源的发射光谱如图5所示，不同色温白光LED的发射光谱的谱线轮廓和峰值波长较为近似，表现为双峰带状谱，双峰分别来自于GaN芯片的蓝色发光(峰值波长460nm左右)和YAG：Ce3+受激发出的黄光(峰值波长570nm左右)，峰值位置及相对强度的不同导致了光源的色温差异。

图5　测试用光源发射光谱Fig.5　The emission spectra of test lighting sources

将光源发射光谱和人眼不同的光谱效率函数分别代入式(1)，通过计算可以得到四种试验用光源在相同明视觉亮度情况下，对应的暗视觉亮度和司辰视觉亮度指标如表2所示。

表2　不同光源对人眼视觉亮度的影响差异

通过对不同光源“司辰亮度”的计算，由计算结果可以得到：在相同明视觉亮度条件下，高压钠灯的“司辰亮度”值最低，而高色温白光LED的“司辰亮度”计算结果高于低色温白光LED，与人眼闪光融合频率的测试结果相对照， “司辰亮度”计算结果与人眼闪光融合频率测试结果的变化趋势相一致，“司辰亮度”较高的光源，其对应的人眼闪光融合频率值较高，即对人视疲劳的抑制作用更为明显。

分析试验结果的主要原因是高色温白光LED中短波成分的含量较高，与司辰视觉光谱效率函数的契合较好，对人眼光生物效应的影响更为显著，高压钠灯的发射光谱基本集中在长波部分，对人眼光生物效应的影响较小。

4结论

研究所用高压钠灯和三种不同色温的白光LED均是公路隧道常用照明光源，通过对不同光源、不同环境亮度条件下人眼闪光融合频率试验得到：随着环境亮度的提高，不同光源对应的闪光融合频率呈提高趋势；在相同环境亮度条件下，高压钠灯的闪光融合频率值最小，色温越高的白光LED对应的闪光融合频率越高。通过光源发射光谱和人眼光谱效率函数的拟合分析，在相同明视觉亮度条件下，高色温白光LED由于短波成分较多，与司辰视觉光谱效率函数契合较好，司辰亮度指标较高，即对人眼疲劳抑制作用更为显著，高压钠灯的司辰视觉效应最差，这一分析结果与统计试验结果相一致。在照明应用中，针对具体照明工程的功能性需求，在非连续作业且需缓解照明服务对象疲劳度的场所，宜采用短波成分较多，即“司辰亮度”指标较高的照明光源。

参考文献

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Effect of Highway Tunnel Illumination Light Source on Fatigue

Yang Yong

(ResearchInstituteofHighwayMinistryofTransport；KeyLaboratoryofRoadSafetyMinistryof

CommunicationsPRC,Beijing100088,China)

Abstract：According to the difference of human optical response to different wavelengths of light radiation, in order to increase lighting comfort, light sources commonly used in highway tunnel were tested respectively as the only light source. Samples involved are high pressure sodium lamp (HPS) and three kinds of white LEDs with different correlated color temperature (CCT). At different background brightness conditions, the flicker fusion frequency (FFF) of subjects were tested and recorded. Statistics showed that the FFF value of the same light is proportional to the background brightness. Under the same background brightness the FFF of HPS is the minimum, and the sample of white LED with higher CCT has higher FFF than white LED with lower CCT. The “citopic brightness” was calculated by human citopic vision spectral efficiency function and emission spectra of lamp samples. It can be used to characterize the biological effects of human vision. Citopic brightness values were consistent with the results in FFF test: the lamp sample with significant influence on the biological effects showed higher FFF, meaning on the inhibition effect of fatigue was more obvious.

Key words:tunnel lighting; flicker fusion frequency; correlated color temperature; white LED; citopic vision

基金项目：国家自然科学基金(驾驶模拟环境下驾驶行为畸变规律及数度评价方法研究)

中图分类号：U491

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.017