毗邻隧道连接段进口处视觉变化及合理照度研究

高 峰,张龙潇,刘汉银,白 军,冉 飞

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400041；2.重庆铁发建新高速公路有限公司，重庆 401120)

0 引言

随着高速公路运营里程的不断增加，越来越多的毗邻隧道开始进入人们的视线，特别是在西部山区。目前对毗邻隧道尚无准确定义，如图1所示，王少飞[1]将隧道间距L≤250 m的隧道称为毗邻隧道。在隧道的进出口处，亮度会有急剧的变化，容易造成驾驶员的明暗适应困难，由此引发一系列安全问题。此外，由于毗邻隧道其相邻隧道的间距较小，所以驾驶员在驾车通过毗邻隧道时会在较短时间内经历“暗—明—暗”的适应过程，此时连接段洞口亮度对于驾驶员的心理和生理均会产生较大的影响[2]。而目前由于针对于毗邻隧道的照明问题还没有较为完善的相关规范，因此，毗邻隧道的照明设计仍然是按照普通隧道的照明来进行设计，对于毗邻隧道来说这显然是不合理的。

图1 毗邻隧道示意图

驾驶员在行驶过程中，有80%～90%的信息依靠瞳孔由外界获得[3]，因此瞳孔面积的变化可以较好地反映驾驶员的视觉适应性以及驾驶负荷的程度。国内利用瞳孔面积来进行对于驾驶员的视觉特性的研究是比较多的：林淼[4]在分析了白天隧道出口段的环境照明特征、驾驶人视觉特性以及视觉适应机理的基础上，将瞳孔面积、照度以及视觉适应时间确定为表征照明优化的参数。杜志刚[5]利用IViewX HED Laptop系统在采集了大量实验数据的基础上建立了隧道进出口瞳孔面积及面积变化临界速度定量关系，并且提出了用瞳孔变化速度和瞳孔变化临界速度的比值k来评价隧道路段视觉负荷。席海华[6]在实车试验的基础上，通过SPSS以及MATLAB等软件，建立了驾驶人瞳孔面积随环境照度和车辆在隧道内行驶时间变化的数学模型，从而得到了隧道出口段夜间照明优化模型，并给出了路面照度的优化值。阎莹[7]在实车试验的基础上，利用瞳孔面积作为表征驾驶员明暗适应的参数，得出了通过隧道连接段时驾驶人的瞳孔面积最大值与隧道连接段长度之间的二次曲线模型。

现有研究多集中在研究隧道进口A以及出口D的驾驶员视觉特性[8]，而忽略了B、C处驾驶员的视觉适应过程，本文选择以实测驾驶员瞳孔直径的变动来衡量驾驶员的视觉适应性，进而以此来研究毗邻隧道连接段进口处(C处)的视觉变化及合理照度值。

1 驾驶员通过隧道群瞳孔变化现场试验

1.1 试验地点

试验隧道位于重庆九龙坡区、南岸区，隧道详情见表1所示，所有试验隧道路面均为沥青路面。

表1 试验隧道情况Table1 Conditionoftunnelofsection隧道序号隧道名称隧道长度/m1新宋家沟二号隧道与新中梁山隧道连接段42.52宋家沟二号隧道右线与中梁山隧道右线连接段58.653真武山隧道右线毗邻隧道98.784真武山隧道左线毗邻隧道103.255中梁山隧道与宋家沟隧道左线连接段111.5

1.2 试验设计

选择男性驾驶员4名，矫正视力均在5.0以上，年龄均在20～30岁之间；试验车辆采用大众，试验过程中车辆保持50 km/h的速度行驶；试验用眼动仪采用德国SMI生产的眼镜式眼动仪，使用时与电脑相连，可采集驾驶员的属性、执行校准、观测实时注视轨迹并实时标注受试者的行为；试验使用的便携式笔记本电脑型号为联想ThinkPad X230，电脑上装有眼动仪厂家提供的眼动仪数据采集软件iView ETG，试验时用数据线与眼动仪相连，打开配套的数据记录软件即可采集眼动仪记录的数据；试验用照度计采用台湾泰仕电子工业股份有限公司生产的1339R型照度计,见图2、图3。

图2 试验数据采集

(a)眼动仪

1.3 数据采集

试验前测量毗邻隧道连接段进出口的照度，试验时照度测量的测点布置在行车道中线处，选取洞内40、35、30、25、20、15、10、5、0 m以及洞外5、10、15、20 m处。用眼动仪采集试验行车过程中的驾驶员的瞳孔直径。根据所测得的照度、瞳孔直径以及连接段长度来分析这3个量之间的关系。

试验采集所得各隧道进口A处瞳孔直径平均值如表2所示，连接段进口C处瞳孔直径平均值如表3所示,隧道进口A处照度值如表4所示。

表2 隧道进口A处瞳孔直径平均值Table2 AveragediameterofthepupilatthetunnelentranceA距洞口长度/m1号隧道2号隧道3号隧道4号隧道5号隧道-201.81.91.71.81.7-151.81.91.71.81.7-1021.81.81.81.8-52.21.91.81.81.802.421.81.91.952.521.91.91.9102.62.22.12.22.2152.62.42.32.42.3202.72.42.42.42.4252.82.62.62.62.53032.82.72.82.63532.92.72.82.8403.12.92.92.92.8

表3 连接段进口C处瞳孔直径平均值Table3 AveragediameterofthepupilattheentranceCoftheconnectingsection距洞口长度/m1号隧道2号隧道3号隧道4号隧道5号隧道-202.31.81.921.9-152.41.81.921.9-102.82.222.12-52.92.422.1203.22.52.12.22.153.22.62.22.22.1103.22.92.42.42.3153.43.12.72.62.6203.63.1332.8253.83.33.13.12.9303.83.43.23.12.93543.43.33.234043.63.33.23.1

表4 隧道进口A处照度值Table4 IlluminanceattunnelentranceA距洞口长度/m1号隧道2号隧道3号隧道4号隧道5号隧道-20101191101196101193101191101200-15101067101071101064101063101072-10100820100846100839100842100858-5100024100122100131100114100151094443936929392993692939315155915671577159714791016811679168817001598151655166616621679160820160116071596161615772515651572156115801563301530153615261544153535151215161505152015134014621463145514661459

2 连接段长度与瞳孔直径差异分析

2.1 不同进口处的瞳孔直径分析

通过分析在隧道进口A处以及在连接段进口C处的瞳孔直径，如图4至图8所示，可以得出隧道进口A处所对应的瞳孔直径较相应隧道连接段C处所对应的瞳孔直径均更大。这表明隧道进口处与连接段进口处视觉特性是有较大差别的。

此外从图4至图8可以看出，随着连接段长度的逐渐增加，隧道进口A处瞳孔直径与相应连接段的进口C处的瞳孔直径之间的差异在逐渐减小。也就是说，随着连接段长度的逐渐增加，C处的瞳孔直径大小与A处的瞳孔直径大小逐渐趋于一致。

图4 1号隧道A、C进口处瞳孔直径对比图

图5 2号隧道A、C进口处瞳孔直径对比图

图6 3号隧道A、C进口处瞳孔直径对比图

图7 4号隧道A、C进口处瞳孔直径对比图

图8 5号隧道A、C进口处瞳孔直径对比图

2.2 连接段长度与瞳孔直径差值平均值关系

隧道连接段BC的长度直接影响驾驶员从驶出B处到驶入C处这一段的视觉适应过程是否已经完成。当隧道连接段较长时，驾驶员在驶入C处之前已经完成了明适应过程，此时C处瞳孔直径大小以及变化规律与A处一致，而隧道连接段较短时，驾驶员在明适应过程尚未完成时就要开始进行暗适应过程，此时C处瞳孔直径变化与A处相比差异较大。设隧道连接段长度为l，隧道进口A处与相应连接段进口C处瞳孔直径差值平均值为δ，对1号至5号毗邻隧道进行分析可得到l与δ之间的关系如图9所示。

图9 连接段长度与瞳孔直径差值平均值关系图

由图9可得隧道进口A处和相应的连接段进口C处之间瞳孔直径差值平均值δ与连接段长度l之间成二次函数关系式：

l=177.66×δ2-323.29×δ+185.17

(1)

通过式(1)可以知道，当δ=0时，l=185.17 m，即当连接段长度等于185.17 m时，隧道进口A处和毗邻隧道连接段进口C处之间瞳孔直径差值为0，即此时A处和C处的瞳孔直径大小及变化规律是一致的，则可将连接段进口C处的照明作为普通隧道照明进行设计。

3 毗邻隧道连接段进口C处照明优化

3.1 隧道进口A处照度与瞳孔直径关系分析

瞳孔大小的变化起到了调节进入眼内光量的作用，在强光照射时，瞳孔会缩小以此来减少进光量，减小对视网膜的刺激，而在弱光时，瞳孔会放大以此来增加进光量，使视网膜能够得到足够刺激，进而能清晰地分辨物体[9]。取驾驶员瞳孔直径为D(mm)，隧道内外路面的照度为E(lx),对所测的5条毗邻隧道进口A处试验数据进行分析，建立了lnE和ln(ED)的关系，如图10所示。

图10 隧道进口A处lnE-ln(ED)关系图

由图10可得出，隧道进口A处lnE与ln(ED)呈二次函数关系，驾驶员瞳孔直径与照度之间的拟合关系式为:

ln(ED)=0.070 76×(lnE)2-

0.398 57×lnE+7.314 27

(2)

3.2 毗邻隧道连接段进口C处照明优化

在隧道进口A处按照普通隧道照明设计规范[10]进行设计，使得驾驶员的视觉适应过程满足心理和生理的安全驾驶要求，通过分析隧道进口A处瞳孔直径D和照度E之间的关系，得出了式(2)的关系。同理，在C处为满足安全驾驶的要求，也应该满足式(2)的关系，因此，在连接段进口C处，当测得瞳孔直径D后，可根据式(2)得出在满足安全要求下的合理照度值。

以1、2号隧道为例，将隧道连接段进口C处按普通隧道照明设计规范布灯所得的现有照度值以及用式(2)计算得到的照度值进行对比，结果如表5、表6所示。

表5 1号隧道两种照度值对比Table5 TwoilluminationvaluesoftunnelNo.1与隧道洞口距离/m隧道现有照度/lx公式计算所得照度/lx51085601101046601151019532209724775936431309084313589039240857392

表6 2号隧道两种照度值对比Table6 TwoilluminationvaluesoftunnelNo.2与隧道洞口距离/m隧道现有照度/lx公式计算所得照度/lx511379421010677381510236412097464125937565309105323589053240858477

由表5、表6可知，通过式(2)所得到的照度值相较于按照普通隧道照明设计规范进行照明设计所得到的照度值可减小17.1%～55.6%，由此可见，在毗邻隧道连接段进口处按照普通隧道进行照明设计存在较大浪费。按照式(2)计算所得照度值可在满足视觉适应的基础上实现节能。

4 结论

a.通过分毗邻隧道进口处的瞳孔直径和连接段进口处的瞳孔直径之间的差异与连接段长度之间的关系，提出了毗邻隧道连接段长度大于185.17 m时可以按照普通隧道进行照明设计。

b.通过分析毗邻隧道进口处瞳孔直径与照度之间的关系，提出了连接段进口处相应瞳孔直径下的合理照度值。