乌尉天山胜利隧道进口段视感照度补偿分析

李鹏胜，王兵，张丽改，赵越，阿地力江·吐尼牙孜

(新疆大学交通运输工程学院，乌鲁木齐 830047)

0 引 言

乌尉天山胜利隧道，平均海拔3 200 m，规划22.035 km，是新疆乌尉高速公路的主要组成部分，建成后将是世界上唯一的高海拔超长公路隧道。该隧道海拔高、温差大、天气多变，驾驶人驾车经过时，会在短时间内经历不同天气环境和视觉明暗适应快速转换等过程，容易产生视感不适，甚至做出不当驾驶操作。

目前国内外没有直接对高海拔、多变的天气下驾驶人视感适应的研究，但有学者进行了低海拔地区公路隧道路段视感研究，为本文研究提供了可借鉴的方法和依据。YEUNG等将隧道分为3个区域，对每个区域交通事故进行分析，发现高速公路隧道进口段交通事故率更高；MEHRI等以伊朗伊拉姆省长隧道为研究对象，采用IESNA LM-71-96和IESNA LM-50-99标准对不同区域的亮度进行测量，得出当隧道入口外亮度分别为290.0和307.0 cd/m时隧道进口段所需设计亮度分别为6.0和6.2 cd/m；HE等的研究结果表明，亮度的急剧下降会导致驾驶人注视点和注视持续时间变化，驾驶人瞳孔直径增大，视觉负荷增大；DU等提出视觉震荡等效持续时间(equivalent duration of visual oscillation，EDVO)，定量评价公路隧道进口段视觉舒适度，以适应普遍的视觉震荡现象，并建议隧道口当前停车视距增加20～30 m；HE等在实验室模拟驾驶通过道路隧道的过程，发现亮度降低会导致短暂失明和视觉功能下降。

在解决隧道进口段视感不适方面：刘兴茂等以贵州莫以隧道为例，提出在隧道入口前半段采用反射光照明的方案；崔洪军等研究了暗反应转换影响下的反应时间变化，利用现行混合模型得出频繁的明暗照度转换会降低黑暗辨识正确率；黄珂对我国隧道照明设计标准中计算方法上的不足进行了系统分析，基于察觉对比度法研究了隧道进口段亮度的设计方法；王首硕等利用眼动仪采集了驾驶人的眼部数据，通过驾驶模拟仿真平台，提出公路隧道进口段视线诱导的改善方法；焦方通等利用照度计、眼动仪采集瞳孔面积、照度值等实验数据，结合入口处时间序列下光环境特点分析了进口段视觉舒适性。

综上所述，目前国内外对隧道进口段的研究多集中于瞳孔面积变化率和眼动等方面，且对驾驶人肉眼快速暗适应能力的研究多集中在低海拔单体隧道，鲜有人研究高海拔隧道驾驶人视感适应以及分析天气变化所引起的明暗变化对驾驶人视感的影响。本文在低海拔视感变化基础上设计隧道模型，检测分析高海拔公路隧道进口段照度变化规律，得到隧道进口段照度折损系数曲线，判断视感适应阈值，最终建立驾驶人视感的实时补(逆)偿原理模型。

1 进口段视感适应机理

1.1 高海拔公路隧道环境

晴朗天气下驾驶人驾车经过乌尉高速公路路段时经常突遇多云或阴雨天气，进入隧道前也要经历和适应天气变化造成的道路明暗变化，这会增大操作错误的概率。隧道本身具有内部空间封闭、缺少自然光、行车环境单调等特性。驾驶人驾驶车辆白天经过隧道进口段，会在相当短的时间内从亮环境过渡到暗环境。而光线一强一弱容易造成驾驶员视觉上的不适，产生“黑洞效应”，驾驶人判断认知能力和操作能力也会下降。

驾驶人在“人-车-路-环境”的交互系统中居于主导地位。驾驶人既是车辆的唯一操纵者，也是公路交通环境的感受者。驾驶人获取的交通信息量有80%是其视觉器官提供的。如图1所示，从隧道接近段到隧道进口段，驾驶环境突变，照度发生显著改变，隧道内与隧道外的视觉环境差造成驾驶人视觉上的不适，这使得驾驶人必须通过不断调整感官认知道路上的各种信息。

图1 乌尉天山胜利隧道进口段研究区域示意图

1.2 基于照度的视感适应机理

人通过两只眼睛采集道路交通信息，经过中枢神经系统认知加工后，反馈给器官操控汽车前的过程称为视感。人眼的暗适应过程主要靠视锥细胞、视杆细胞进行调整，视锥细胞和视杆细胞的有效视觉范围不同。视杆细胞的有效视觉范围较小，但光敏感度较高。视锥细胞的适应机理是减弱光敏感度，进而扩大有效视觉范围。当光照强度不断增加时，视锥细胞的反应可一直变大。“视感”是“视觉”的下一步，通常眼睛“觉”大脑“感”，视感反映在大脑皮层中，直接影响驾驶人的决策。

实践证明，人眼感知到的亮度与实际光线的亮度并不相同，因为有时路面反射进入驾驶人肉眼的有效光不多，但能给驾驶人一种刺眼的感受。本文为方便设计和测量，在视感改善设计中选用与被照物无关且客观存在的照度来衡量。环境照度值随着忽明忽暗的天气变化而变化，随着隧道内外驾驶环境的突变而突变，因此，选择照度作为评价隧道入口处光环境的变化是合理的。照度采用TES-1339照度计进行测量。

2 视感补偿原理与模型创建

2.1 补偿原理

高海拔路段太阳辐射强度和气温变化导致高低温交替，直接或间接地影响高海拔气候变化，造成一周四季、一日四季甚至一小时内四季的天气变化情况常见。经过从明到暗再从暗到明的驾驶环境，驾驶人产生视感不适，而对驾驶人视感补偿可以有效弥补驾驶人的视感不适。光线暗弱时，照度低，驾驶人看不清东西，需要正向补偿弥补驾驶人的视感。海拔3 000 m以上的道路景观以雪山为主，在日照充足的条件下行驶时，折射光线刺眼，需要逆向视感补偿(减光处理)以达到驾驶人视感最适应的状态。

双主洞单向通行隧道进口段的视觉感受如图2所示。调查显示，隧道进口段为隧道事故高发段。进入隧道后驾驶人视感迅速降低，无法在短时间内适应突变的驾驶环境，只有实时视感正补偿才可保证驾驶人适应从强光环境到暗光环境的转换。如果隧道的人造视感补偿连续性和均匀性不足，会影响行车安全，因此需利用人造补偿光源，根据隧道外的实时光照情况实时调整对驾驶人的视感补偿。

图2 驾驶人在双主洞单向通行隧道进口段的视觉感受

2.2 照度与视感适应范围

对驾驶人进入隧道的瞬间环境照度变化率和视觉感受进行分析，可得到不同视感下环境照度变化率范围。在隧道接近段，2.0 s行程内外界环境照度起伏在低于5 000 lx时，驾驶人视感适应良好；2.0 s行程内外界环境照度起伏范围为5 000～10 000 lx时，驾驶人视感基本适应，且在0.2 s行程内照度变化范围为4 000～10 000 lx/s时，驾驶人视感勉强适应；0.2 s行程内照度变化值超过10 000 lx/s时，驾驶人视感不适应。

隧道进口段补偿照明能为驾驶人提供安全舒适的行车环境，良好的隧道进口段视觉过渡可带给驾驶人舒适的视觉感受。因此，图2所示左右双主洞单向通行隧道进口段所提供的照度补偿要与驾驶人眼睛光线的调整与适应程度相符。这种调整与适应随着驾驶人通过隧道的过程而逐渐变化。传统的隧道视感改善方法单一，无法匹配洞外照度实时变化，实际运营隧道难以实现隧道智能视感补偿。

2.3 进口段照度折损系数曲线

对隧道入口截面照度折损系数进行拟合，得到随天气照度变化对视感进行实时连续补偿的模型，计算在不同车速和照度下进口段的亮度，实现亮度计算的连续优化。本文的驾驶人视感补偿研究，以驾驶人驾车进入进口段的视感适应为切入点，利用最小二乘法拟合进口段照度折损系数，确定隧道进口段视感补偿值。

隧道进口段视感补偿的3个参数分别是车速、设计交通量和隧道外照度，这3个参数在隧洞设计时为固定值。实验得到个数据点(,),…,(,)，找出与这个点最匹配的线性式(见式(1)，其矩阵形式见式(2))，即找出最佳的能够大致符合超定线性方程组的参数和。测量误差中不含系统误差，其余误差是纯偶然误差且围绕真值波动，使求得数据值与实际数据之间差值的平方和最小。

=+

(1)

(2)

传统的隧道视感补偿方法通过查表确定进口段视感逆向降低系数，按固定比例计算隧道进口段补偿亮度，很难实现连续调光。天气状况引起的道路视感补偿是隧道进口段视感研究的重要基准之一，隧道进口段视感补偿直接影响隧道运营安全，因此隧道进口段设计时应考虑隧道外接近段照度自然变化。高海拔接近段上距隧道口不同距离处在多云、阴天、晴天天气下的照度随时间的变化分别见图3、4、5，晴天、多云、阴天平均照度随时间的变化见图6。

图3 多云天气下距隧道口不同距离处照度随时间的变化

图4 阴天天气下距隧道口不同距离处照度随时间的变化

图5 晴天天气下距隧道口不同距离处照度随时间的变化

图6 晴天、多云、阴天隧道口平均照度随时间的变化

令20,为在距隧道口一个停车视距()、距地面高1.5 m、正对隧道口方向20°的视场范围内，面向隧道口中心点的平均洞外照度。为进口段的照度补偿折损系数，在设计中按照设计交通量和设计车速的不同分别取值0.045、0.035、0.022、0.012。为进口段th1部分的补偿亮度，cd/m；为进口段th2部分的补偿亮度；根据《公路隧道照明设计细则》选取；20,通过模拟实验实测得到；为隧道口外的照度；为路面平均照度与平均亮度的换算系数，沥青路面一般取15。式(3)～(5)为进口段亮度计算式。隧道进口段亮度补偿曲线见图7。

图7 隧道进口段亮度补偿曲线

=20,

(3)

=0.520,

(4)

=

(5)

在高海拔双主洞单向通行公路隧道的驾驶人视感问题研究中，进口段照度折损系数对应双车道单向设计交通量。在不同交通量下(≥1 200辆h、≤350辆h、350辆h<<1 200辆h)分段拟合，见式(6)。3种交通量下的进口段视感补偿亮度th,的计算式见式(7)。由此解决隧道交通环境的照度离散问题，实时调整进口段视感补偿值，实现视感动态补偿，弥补光环境变化造成的驾驶人视感残差。

(6)

(7)

式中：为车速。

本文引入隧道视感补偿计算模型，对隧道进口段照度折损系数进行最小二乘拟合。隧道进口段视感补偿照明能够按照天气状况的不同，在3个设计交通量范围内按交通速度进行视感补偿调节，分段匹配车速和洞外照度，调整进口段视感补偿亮度。隧道进口段视感补偿照明能满足驾驶人在从高照度环境进入低照度环境的过程中视感适应变化的需求，让驾驶人有足够的时间适应光环境的变化，缓解和消除黑洞效应。

3 照度变化分析模拟实验

新疆高海拔路段环境照度频繁变化，现有的进口段视感补偿调节方式全天为一个等级，只能满足特定照度下的驾驶人视感适应需求。本模拟实验采集模拟隧道路段照度。图8比较了3种方法的视感补偿效果，其中：T表示传统的隧道视感补偿方法；S表示顺序补偿视感补偿方法(按照时间段设置亮度补偿等级)；R为新近视觉补偿方法(现行的补偿方法，亮度随小时分段变化)。

图8 方法T、S、R亮度补偿效果

表1比较了4种进口段视感补偿方法，其中：方法T表示白天的亮度没有变化，隧道内始终保持一个亮度等级。方法S最大适应亮度用查表法确定，取亮环境最大隧道口外临界亮度6 500 cd/m，隧道进口段LED的亮度按照传统最大适应亮度值取227.5 cd/m。方法R亮度随小时分段变化：0:00—2:00，加强视感补偿亮度为最大灯具亮度的40%(91 cd/m)；2:00—3:00，加强视感补偿亮度为最大灯具亮度的60%(136.5 cd/m)；7:00—10:00，加强视感补偿亮度为最大灯具亮度的80%(182 cd/m)；11:00—14:00，加强视感补偿亮度为最大灯具亮度的100%(227.5 cd/m)；15:00—18:00，加强视感补偿亮度为最大灯具亮度的80%(182 cd/m)；19:00—22:00加强视感补偿亮度为最大灯具亮度的60%(136.5 cd/m)；22:00-0:00加强视感补偿亮度为最大灯具亮度的40%(91 cd/m)。方法W为本文提出的进口段智慧视感补偿方法，实时分段拟合进口段亮度补偿曲线，隧道进口段亮度补偿随外界环境照度改变而改变。

表1 T、S、R、W四种方法补偿亮度比较 cd/m2

方法W根据式(6)和(7)计算隧道各区域所需的照度。通过安装照度探测器测量隧道进口段的照度，将采集到的照度数据传输到LED调光控制器，在变电站的服务器上运行方法W后发送命令到LED调光控制器并与照度探测器收集的信息校准，控制隧道进口段LED灯具的亮度。当前时刻计算的亮度等级需要与上次发送的亮度等级作比较，若相邻两次的亮度等级的差值在某一阈值之内(取5%作为亮度等级阈值)，则不发送调光信息，反之，则发送最新的调光信息。当隧道外亮度超过6 500 cd/m时，按照最大设计亮度调节隧道进口段LED灯具的亮度。图9为隧道进口段亮度补偿的计算值与实际值对比。LED的亮度随隧道外照度和车速变化而变化，为驾驶人在不同天气下接近、进入隧道提供良好的视觉适应且可提升能源利用效率。

图9 隧道进口段亮度补偿的计算值与实际值对比

4 结束语

基于进口段亮度补偿与隧道口外照度变化实时一致的要求，设计隧道模型分析照度变化规律。采取拟合进口段照度折损系数的高海拔公路隧道进口段调光方法，实时分段拟合进口段亮度补偿曲线，实现了隧道进口段亮度补偿随外界环境照度改变而改变，为驾驶人在不同天气下接近、进入隧道提供良好的视觉适应且可提升能源利用效率。

当前乌尉天山胜利隧道还未建成，建成后即可前往乌尉隧道完成实车试验，采集实际数据样本进行更深入的研究。另外，基于本文的研究成果，研究出口处环境照度与视感之间的关系和基于驾驶人视感的智慧路灯、智慧“眼镜”、智慧“挡风玻璃”、智慧遮阳棚的技术应用是进一步研究的重点。