城市隧道照明优化设计研究

李英帅，王卫杰，王茂盛

(1. 南京工业大学 交通运输工程学院，江苏 南京 211816；2. 中国建筑第五工程局有限公司山东公司，山东 济南 256600)

0 引 言

在城市隧道出入口处，由于亮度急剧变化而引起驾驶员视觉上的“黑白洞效应”，会导致驾驶员在短时间内无法适应，增加了交通事故发生的风险。故针对驾驶员视觉特性，优化隧道内照明，对提升城市隧道交通安全至关重要。

国外学者对隧道照明研究开始较早。针对隧道内外亮度差较大问题，从开发智能控制系统[1]、研究灯具照明参数[2]、研究灯具分布情况[3]、隧道外修建遮光棚[4]或加装隔离膜[5]以及利用阳光增加隧道内亮度[6]等方面着手，提出了各种提升隧道内外亮度一致性的优化方法。

国内对于隧道照明的研究起步较晚。由于我国幅原辽阔，受地域环境影响较大，国内隧道具有多样性、复杂性等特点，故国内研究的切入角度更为丰富。从史玲娜等[7]等将文献[8]、[9]进行对比研究发现：采用文献[9]的亮度计算公式可以节能40%左右，由此可见多样复杂的地域环境使得国内公路隧道照明设计难以形成统一定论。

针对隧道内外亮度差较大问题，国内学者依托具体工程项目，从隧道各区段长度及亮度关系[10-12]、驾驶员进入隧道过程中瞳孔面积变化情况[13]、驾驶人不同视觉范围[14]、入口段和过渡段布灯参数[15]、灯具不同安装高度与安装角度[16]等方面开展研究，并获得了较好的结果。

从研究现状来看，国内外学者对隧道照明亮度设计及控制系统设计研究较多，对灯具选择与布置研究较少。此外，研究对象多是公路隧道，较少涉及城市隧道。与公路隧道相比，城市隧道有以下特点：① 城市隧道半径较小；② 夜间城市隧道洞外亮度更高；③ 城市隧道小型车辆居多。基于这些特点，在进行城市隧道照明设计时，在亮度设计和灯具选择布置方面都与公路隧道不同。

在亮度设计方面，因城市隧道长度较公路隧道短，且在对车辆限速方面，城市隧道要低于公路隧道，故在入口段、过渡段和出口段的亮度变化速率存在明显不同；在灯具选择与布置方面，因城市隧道半径小，隧道拱顶高度低，且车辆类型以小汽车为主，大型车辆比例远低于公路隧道，因此城市隧道照明灯具布设也不能照搬公路隧道相关标准。

笔者以南京长江隧道与扬子江隧道两座城市隧道为例，通过驾驶员在隧道内行驶时的视觉特性实验，对两个隧道实验数据进行对比研究，并结合城市隧道特点，从亮度和灯具布设两个方面提出优化建议。

1 隧道实验

1.1 实验设计

本实验目的是采集不同驾驶员在城市隧道行驶时，随隧道内外光环境变化的视觉特征参数数据。经实验前对驾驶员访谈和问卷调查，筛选出具有不同年龄、职业、驾龄的被试驾驶员6名，要求驾驶员具有良好视力，不戴眼镜。

实验设计思路是让实验驾驶员佩戴眼动仪，驾驶实验车分别在南京长江隧道与扬子江隧道往返行驶2次，采集实验过程中的隧道光亮、实验驾驶员注视点、扫视幅度、扫视速度、眨眼频率和眨眼持续时间。数据采集同步进行，后期可分析隧道光亮参数与实验驾驶员视觉特征参数之间的关系。实验流程如图1；实验设备及用途如表1。

表1 实验设备及用途

实验路段选取南京长江隧道和扬子江隧道。两个隧道的各项参数指标值如表2。

表2 隧道各参数指标

1.2 实验过程

实验时间为2019年5月至8月期间的某3天，9：00至15：00，天气晴朗，交通状况良好、平稳，可认为外部实验条件具有较高的一致性。实验前，实验驾驶员佩戴眼动仪，依照实验设备操作人员发出的指令去关注标的物，实验设备操作人员根据实验驾驶员眼动情况标定眼动仪参数，确定眼动参数精确度。实验过程中，驾驶员专心驾车，一人控制眼动仪记录测量，一人记录隧道内外照度变化。驾驶员依照其驾驶经验、驾驶习惯在2个隧道内各往返行驶2次。

2 城市隧道亮度优化

2.1 亮度数据分析

将照度计采集的两个隧道6次照度(单位：Lux)数据换算成影响驾驶员视觉特性的亮度(单位：cd/m2)数据。经分析处理可知，亮度在与隧道出入口前后50 m范围变化较大，而在隧道中间段基本不变。由于隧道内外亮度变化较大，为减少数据波动对亮度变化影响，以亮度的对数作为纵坐标刻度进行非等间距的划分。图2为亮度在两个隧道入口段、中间段、出口段随位置不同而变化情况。

对隧道亮度变化进行分析，可得到以下结论：

1)隧道中间段亮度最低，长江隧道中间段亮度稳定在5 cd/m2左右，扬子江隧道中间段亮度稳定在3 cd/m2左右；

2)从距洞口50 m处开始，亮度随与洞口距离越近而逐渐增加；

3)亮度在隧道出入口处会产生突变，隧道洞口外亮度明显高于隧道洞口内亮度；

4)亮度在两个隧道的变化趋势相似，长江隧道亮度整体高于扬子江隧道。

2.2 驾驶人眨眼时间分析

对实验驾驶员在两个隧道入口段、中间段、出口段进行眨眼平均时间统计，如表3。眨眼是人类眼睛的一种自我保护活动，它可以让眼睛得到休息，还能在遇到光照急剧变化时保护眼球不受伤害。眨眼时间长短，可在一定程度上反映人类眼睛的舒适程度，每次正常眨眼时间为0.2～0.4 s。

表3 眨眼平均时间统计

由表3可看出：在隧道出入口段，驾驶员眨眼时间明显高于正常水平，在扬子江隧道出入口段，驾驶员眨眼时间甚至达到0.8 s。结合隧道照明亮度变化来看，这是由于隧道内外亮度差异大，人眼受到较强的明暗刺激，需通过增加眨眼时间来得到更好的休息。在隧道中间段，驾驶员眨眼时间逐渐降低，在正常范围上下浮动，表明驾驶员已适应了隧道内的光环境。

从表3还可看出：在扬子江隧道中间段，驾驶员眨眼时间的标准差较大，说明眨眼时间波动幅度较大，这是由于在扬子江隧道中间段，每隔一段距离便存在一对间隔较长的灯具，导致间隔有明显的“黑光圈现象”，影响了眨眼时间变化。

将两个隧道数据对比来看，驾驶员在长江隧道行驶时眨眼时间变化更加平缓，表明长江隧道照明亮度更加合理，驾驶员适应过程更加舒适。另外，长江隧道外的遮光棚在缓解隧道出入口洞内外亮度差异方面也起到了很大作用。

2.3 亮度优化设计建议

根据隧道照明亮度计算规范及实验分析结果，笔者针对城市隧道亮度设计提出优化建议。

2.3.1 减小隧道内外亮度差

分析实验所得眨眼时间变化数据，可知驾驶员在隧道出入口段眨眼时间最长，说明该区域较大的亮度差异会引起驾驶员视觉上的不适感。将洞外亮度值设为L20，将入口段亮度设为Lth，二者比值设为Ω，即Ω=L20/Lth，比值Ω与眨眼时间成正相关，即洞外亮度与出入口段亮度差距越大，驾驶员眨眼时间越长，驾驶员越不舒适。因此，优化此处照明要尽可能减少隧道内外的亮度差，使驾驶员眨眼时间降低至0.2～0.4 s的正常范围。

为达到这一目的有两种思路：① 降低洞外亮度L20；② 提高出入口段亮度Lth。降低洞外亮度可通过在隧道出入口外设立遮光棚或种植常绿树木等方法来实现；提高出入口段亮度可通过增加灯具数量或降低布灯间距来实现。

2.3.2 降低出入口段亮度变化速率

驾驶员在入口段行驶时，隧道内亮度逐渐降低，眨眼时间也逐渐降低，直至行驶到中间段。为了使眨眼时间能更快地降低到正常水平，应控制入口段亮度的降低速率，使入口段亮度缓慢降低至中间段水平。可通过增加入口段长度，增加亮度变化时间，或适当提高隧道中间段亮度，降低入口段与中间段亮度差的方法来实现。

3 城市隧道灯具布置优化

3.1 驾驶员扫视特性分析

扫视又称为眼跳，关于扫视有两个特征值：扫视幅度与扫视速度。若一次注视能收集处理较多信息，则下一次扫视的幅度将会变大；反之若一次注视只能处理有限的少量信息，则下次眼跳幅度将会变小。扫视速度则反应了驾驶员生理活动活跃程度，扫视速度越快说明此刻其生理活动越活跃，反之则说明生理活动越低迷。

3.1.1 扫视幅度变化分析

对两个隧道入口段、中间段、出口段进行扫视幅度的统计，如表4。

表4 扫视幅度统计

由表4可知：扫视幅度在隧道中间段处，均值在2.0(°)/S2左右，在出入口段，扫视幅度均值在2.1～2.5(°)/S2之间。分别对两个隧道各区段扫视幅度做差异显著性检验，结果表明：在扬子江隧道行驶时，驾驶员扫视幅度在出入口段与中间段差异显著，这是由于扬子江隧道出入口段照度均比中间段高很多，且出入口段信息较多，驾驶员需更多地收集道路信息；而在长江隧道行驶时，驾驶员在出入口段与中间段扫视幅度差异不明显，这是由于长江隧道内外亮度差相比于扬子江隧道较小，驾驶员在出入口段对只需较短时间就可适应光亮强度变化，这说明长江隧道照明设计要优于扬子江隧道。

3.1.2 扫视速度变化分析

对两个隧道入口段、中间段、出口段进行扫视速度统计，如表5。

表5 扫视速度统计

由表5可知：扫视速度在隧道中间段处，均值位于36～40(°)/S之间，而在出入口段，均值位于40～42(°)/S之间。分别对两个隧道各区段扫视速度做差异显著性检验，结果表明：在扬子江隧道入口段与中间段，驾驶员扫视速度对比差异显著，速度平均值高了9%左右，驾驶员进入隧道时，由明入暗，需要加快眼睛扫视速度，以获取隧道内部更多的信息。然而在长江隧道出入口段与中间段，驾驶员扫视速度对比差异性都不显著，说明人眼的扫视速度在隧道出入口段与中间段之间没有较大差异性，光亮度过渡性较好。

3.2 驾驶员注视热点分析

注视点是指人眼看向的一片区域或某个物体。在本次实验中，软件会通过小圆圈自动标出实验者的注视点。当驾驶员在实验隧道中多次或长时间看向某个区域，说明这个区域需要引起驾驶员更多的注意。

通过驾驶员在隧道中的视觉特性实验，可得到驾驶员在两个隧道行驶过程中注视点位置变化。以长江隧道为例，驾驶员在长江隧道入口段与长江隧道中间段的注视热点如图3。

由两个隧道驾驶员注视点分布情况可知：在隧道出入口附近，驾驶员注视点集中于道路中心，而在隧道中间段，驾驶员注视点较为分散。造成这种现象的主要原因是：驾驶员在出入口段需进行明暗适应，在适应过程中，注视点相对集中，而在隧道中间段，光照度变化不大，驾驶员视觉已经适应，其注视点受道路交通状况影响较大，需不断关注道路交通状况，保证行车安全。

3.3 灯具布置优化建议

3.3.1 灯具布置方式

与公路隧道相比，城市隧道突出特点是隧道半径较小，交通车辆以小客车为主，车道更宽，车道数更多。在布置城市隧道照明灯具时，需将城市隧道这些特点考虑进去。

城市隧道半径较小，隧道拱顶高度较低，若选用拱顶布置，容易使驾驶员产生炫目感。扬子江隧道采用的就是拱顶布灯方式，在该隧道行驶时会有明显的炫目感；而长江隧道采用的是两侧对称布置，照明亮度更加均匀，在该隧道行驶时，视觉感受相对舒适。因此，鉴于城市隧道结构特点，灯具两侧布置比拱顶布置更加合适。

为降低隧道内外亮度突变，提升隧道洞口亮度变化速率的平顺性，在隧道出入口段布设增强照明设施。以往增强照明设施设置在隧道两侧，而隧道洞口太阳光多从隧道拱顶上前方射入，导致隧道拱顶内外亮度差异大，因此建议增强照明设施布置在隧道拱顶，以降低隧道内外亮度差。

3.3.2 灯具布置间距

由于城市隧道半径小于公路隧道，在城市隧道出入口段，其亮度变化速率快于公路。城市隧道出入口段灯具布置间距应比公路隧道更小。具体方法是在出入口段基本照明灯具间安装增强照明灯具，并根据洞内外亮度差调节增强照明灯具的工作负荷。

文献[17]给出了灯具安装间距的建议范围，但该范围较为粗略，在设计灯具安装间距时，可通过实验将不同布置间距的照明效果进行对比，以此设计最为合适的布置间距。

4 结 论

笔者以驾驶员在城市隧道内的眼动实验数据为依据，从亮度设计、灯具布置两方面，结合城市隧道的特点提出优化建议，其结论如下：

1)亮度设计方面，建议使用实测得到的洞外亮度来代替规范中所给的亮度标准值；另外，根据驾驶员在隧道行驶时的视觉特性分析，提出在隧道出入口设立减光棚；

2)灯具设计方面，结合城市隧道特点，分析适合城市隧道照明的灯具布置方式，得出了灯具两侧布置更适合城市隧道照明的结论。