張青文 涂 耘 胡英奎 翁 季 陳建中 黃 珂

(1.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045;2.重慶交通科研設(shè)計(jì)院，重慶 400067)

1 引言

世界各國的公路隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，均采用路面的平均亮度、照度、亮度均勻度或照度均勻度作為主要設(shè)計(jì)參數(shù)。盡管亮度和照度引入了國際平均眼的V(λ)函數(shù)，即光譜光視效率函數(shù)，能在一定程度上反映人眼的視覺生理特性，但對(duì)于具有復(fù)雜生理結(jié)構(gòu)和心理效應(yīng)的人類而言，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

隨著科學(xué)研究的不斷進(jìn)步，人們已意識(shí)到照明效果是光、物體與人相互作用產(chǎn)生的結(jié)果。光形成了照明，照明使人看到了物體，并有了生理和心理上的感受。研究表明，不同色溫或光譜成分的人工光源可引起人的光生物效應(yīng) (citopic)，它控制著人的生物節(jié)律和強(qiáng)度［1］。同時(shí)，光又使人產(chǎn)生視知覺，人的視知覺又涉及到人的心理，這便是視覺心理學(xué)的由來。視覺心理學(xué)以人的生理特征為基礎(chǔ)，即研究人眼受到光刺激后所產(chǎn)生的知覺反應(yīng)。由此可知，照明效果應(yīng)是人生理和心理因素的綜合反映［2］。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為照明科技的深入研究創(chuàng)立了條件，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制和圖像測(cè)試技術(shù)為公路隧道照明安全的檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法提供了全新的思路，如何結(jié)合國內(nèi)外照明研究的成果，采用先進(jìn)的測(cè)試儀器，直接測(cè)取人的視覺功效，以此彌補(bǔ)常規(guī)照明檢測(cè)方法 (如路面亮度或照度的檢測(cè))難以反映人們生理和心理效應(yīng)所帶來的缺陷，從而探究新的照明安全評(píng)價(jià)方法，為公路隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供科學(xué)及合理的依據(jù)，具有重要的意義。

2 研究基礎(chǔ)

公路隧道入口段是整個(gè)隧道照明設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，白天，其照明設(shè)計(jì)指標(biāo)的合理與否，關(guān)系到能否有效消除黑洞效應(yīng)帶來的安全隱患和提高照明節(jié)能水平［3］。CIE(國際照明委員會(huì))88—1990 技術(shù)報(bào)告《隧道和地下通道照明指南》［4］中曾建議，將汽車在行駛時(shí)，駕駛?cè)藛T自看到前方障礙物時(shí)起，至達(dá)到障礙物前安全停車止，所需的最短行車距離，即“停車視距”，作為判定隧道安全照明的依據(jù)。這一方法可直接反應(yīng)人在各種照明條件下所產(chǎn)生的生理及心理效應(yīng)，具有較強(qiáng)的科學(xué)及客觀性。報(bào)告中的這項(xiàng)內(nèi)容僅限于指導(dǎo)性，未規(guī)定統(tǒng)一的實(shí)施方法，如何將其用于工程實(shí)踐中，尚有待于照明科技人員的深入研究。

2.1 停車視距

“停車視距 (stopping sight distance)”指駕駛員在行車時(shí)，通常保持的一個(gè)安全距離，將以當(dāng)前車速行駛的車輛在到達(dá)前方的“障礙物”之前安全停車的距離定義為停車視距。“停車視距”是各國公路設(shè)計(jì)與工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中重要的安全技術(shù)指標(biāo)，鑒于國情的不同，各國的相關(guān)規(guī)定大同小異。中國國家標(biāo)準(zhǔn)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范 (JTG D 20—2006)》中對(duì)“停車視距”做出了解釋和明確規(guī)定［5］，即停車視距由兩部分構(gòu)成，駕駛者在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)行駛的距離和駕駛者開始制動(dòng)到剎車停止所行駛的距離(制動(dòng)距離)，此外應(yīng)增加安全距離5～10m，通?？砂词?(1)計(jì)算:

式中:St——停車距離;

t——駕駛員反應(yīng)時(shí)間，取2.5s(判斷時(shí)間

1.5s，運(yùn)行時(shí)間1.0s);

u——車輛行駛設(shè)計(jì)速度;

fi——縱向摩擦系數(shù)，依車速及路面狀況定;g——重力加速度，9.8m/s2。

各級(jí)公路每條車道的停車視距見表1規(guī)定:

表1 停車視距

由于“停車視距”是指駕駛?cè)藛T在行駛過程中發(fā)現(xiàn)車道中有障礙物，自反應(yīng)、剎車至安全停車所需的總距離，因此，何時(shí)發(fā)現(xiàn)障礙物是滿足停車視距的關(guān)鍵，這就取決于駕駛?cè)藛T的視見程度，它受車速、大氣能見度、路面材料、光照效果、障礙物的尺度大小及其光反射率等條件的影響。對(duì)隧道入口段而言，若排除低能見度的影響，在規(guī)定車速下，其光照效果能使駕駛?cè)藛T在停車視距外，及時(shí)發(fā)現(xiàn)尺度足以造成汽車顛覆的障礙物是保障安全停車的前提。

2.2 小目標(biāo)障礙物

鑒于目標(biāo)障礙物與停車視距的關(guān)系，許多國家和地區(qū)制定了關(guān)于停車視距的目標(biāo)物高度標(biāo)準(zhǔn)?；谶@些基礎(chǔ)，借鑒于道路照明的相關(guān)研究，CIE 88—1990技術(shù)報(bào)告中指出，為建立一個(gè)能用于隧道照明的光學(xué)測(cè)量評(píng)估設(shè)施?？刹捎靡粋€(gè)體積為0.2 m×0.2 m×0.2 m、反射率為0.2的正方體小目標(biāo)物作為評(píng)價(jià)停車視距的參照物。即當(dāng)小目標(biāo)物被駕駛?cè)藛T察覺時(shí)距車的距離至少要不小于機(jī)動(dòng)車的停車視距。盡管實(shí)際的交通障礙物也許更大或形體不一，但研究表明，以此為標(biāo)準(zhǔn)的小目標(biāo)物將適用于各種不同的照明環(huán)境。

2.3 iView X眼動(dòng)儀及相應(yīng)軟件

德國SMI公司生產(chǎn)的iView X HED眼動(dòng)儀，為以標(biāo)準(zhǔn)小目標(biāo)障礙物為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的“停車視距法”，用于公路隧道入口段的照明檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)價(jià)研究提供了條件。該設(shè)備運(yùn)用最新的科學(xué)技術(shù)，可進(jìn)行人眼視線追蹤及眼動(dòng)分析。該系統(tǒng)使用一套眼罩式微型攝像機(jī)，安裝在專用的頭盔上，捕捉眼球運(yùn)動(dòng)并記錄視野的變化。配套的MPEG視頻采集器可記錄實(shí)時(shí)采集的場(chǎng)景信息，并存儲(chǔ)供后續(xù)研究分析。系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 iViewX眼動(dòng)儀測(cè)量系統(tǒng)示意圖

采集到的信息可由iViewX眼動(dòng)儀配套的動(dòng)態(tài)分析軟件BeGaze進(jìn)行處理。BeGaze可對(duì)受試者的視覺行為和注視點(diǎn)信息進(jìn)行分析，并能快速提供便于存取的圖像和數(shù)據(jù)。例如，其中的“grid AOI”功能可通過對(duì)受測(cè)人的視覺行為，分析并獲知其注視習(xí)慣，從而判定受測(cè)人對(duì)小目標(biāo)物的發(fā)現(xiàn)時(shí)刻。而“AOI(Areas Of Interest)Editor興趣區(qū)編輯器”則能對(duì)興趣區(qū)內(nèi)的凝視結(jié)果進(jìn)行匯總和統(tǒng)計(jì)，通過對(duì)興趣區(qū)的關(guān)注程度判定受測(cè)人將何時(shí)發(fā)現(xiàn)小目標(biāo)物。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于無須預(yù)先告知受測(cè)人具體的檢測(cè)內(nèi)容，使其保持一種無戒備的自然心態(tài)。

3 研究內(nèi)容

白天，對(duì)于同時(shí)受多變的天然光和人工光雙重照明影響的隧道入口段而言，采用常規(guī)方法的檢測(cè)結(jié)果，難以反映人類由于復(fù)雜生理及心理效應(yīng)所產(chǎn)生的實(shí)際視覺功效，這就產(chǎn)生了以標(biāo)準(zhǔn)小目標(biāo)障礙物為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的“停車視距法”的思路。

根據(jù)這一思路，擬用眼動(dòng)儀記錄受測(cè)駕駛員的視覺追蹤信息，通過動(dòng)態(tài)視頻分析軟件分別對(duì)這些信息中小目標(biāo)物的注視時(shí)刻、注視次數(shù)及注視持續(xù)時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，從而確定駕駛員發(fā)現(xiàn)和車輛抵達(dá)小目標(biāo)物的時(shí)刻t1及t2，由其時(shí)間△t=t2－t1和車輛恒定保持的隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)速U=80 km/h，即可求得受測(cè)駕駛員對(duì)小目標(biāo)物的發(fā)現(xiàn)距離S=△t·U。由此可判定受測(cè)駕駛員是否能在大于或等于一個(gè)安全停車視距處發(fā)現(xiàn)小目標(biāo)障礙物，以驗(yàn)證隧道入口段的人工光和不同時(shí)段的天然光混合照明質(zhì)量能否滿足安全要求。運(yùn)用這種方法的觀測(cè)結(jié)果，包含了受測(cè)人的視覺生理和心理效應(yīng)［6］。

4 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)于2010年8月在中國福建省某高速公路的4條短隧道入口段處進(jìn)行，參見圖2所示的1#隧道實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。每個(gè)隧道在一天中分早、中、晚三個(gè)時(shí)段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)除采用“停車視距法”檢測(cè)隧道入口段在不同照明工況和相應(yīng)天然光影響下的照明質(zhì)量外，還對(duì)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)上的路面亮度LS、路面照度ES及正對(duì)車行方向上的小目標(biāo)物垂直面照度EV進(jìn)行了實(shí)測(cè)。

圖2 1#隧道實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

4.1 實(shí)測(cè)用車及受測(cè)人員

實(shí)測(cè)用車選用了由東南三菱生產(chǎn)的三菱君閣(ZINGER)MPV商務(wù)車。實(shí)驗(yàn)共選擇受測(cè)駕駛員8名。其駕齡分布在4～15年內(nèi)不等。受測(cè)人的平均年齡30歲，身體健康，無心理疾病。所有受測(cè)人對(duì)測(cè)試用車的車況及操作較為熟悉，且均無色盲、色弱，校正視力都在5.0以上。

4.2 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)布置方法參考CIE 88—1990技術(shù)報(bào)告《公路隧道和地下通道照明指南》［4］中推薦的亮度測(cè)量點(diǎn)布置方法。

在CIE建議的基礎(chǔ)上，根據(jù)燈具的間距、高度、懸挑、光源及其一致性的要求，特將測(cè)量點(diǎn)布置為3行3列，其范圍正好對(duì)應(yīng)燈具的分組。測(cè)點(diǎn)位于行車道中，共分為入口段1和2兩個(gè)區(qū)域。圖3列出了段1的測(cè)點(diǎn)示意，其前排測(cè)點(diǎn)距洞口為30m。段2的布點(diǎn)方式與段1相同，段2前排測(cè)點(diǎn)距洞口為80m。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

這些測(cè)點(diǎn)除保證亮度和照度的實(shí)測(cè)需要外，還將作為小目標(biāo)物體的設(shè)置點(diǎn)，以滿足采用“停車視距法”的檢測(cè)要求。

4.3 檢測(cè)儀器

檢測(cè)儀器除應(yīng)用iView X HED眼動(dòng)儀配合“停車視距法”的檢測(cè)外 (該儀器功能參見章節(jié)3)，還分別采用了LM-3型多視場(chǎng)亮度計(jì)和XYI-Ⅲ型全數(shù)字照度計(jì)進(jìn)行了路面亮度LS、路面照度ES及小目標(biāo)物垂直面照度EV的實(shí)測(cè)。所有儀器均滿足國標(biāo)檢測(cè)精度要求［7］。

4.4 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)分為應(yīng)用“停車視距法”對(duì)入口段照明質(zhì)量的檢測(cè)及路面亮度、照度及小目標(biāo)物垂直面照度的實(shí)測(cè)兩大部分。

4.4.1 應(yīng)用“停車視距法”測(cè)定安全停車距離

測(cè)試前，受測(cè)人戴穩(wěn)眼動(dòng)儀頭盔。操作人員位于駕駛座后排，連接、調(diào)整并校正眼動(dòng)儀，直至準(zhǔn)備工作完成。

在確保受測(cè)人不知小目標(biāo)物出現(xiàn)位置的情況下，將小目標(biāo)物設(shè)置在測(cè)點(diǎn)上。

準(zhǔn)備就緒后，受測(cè)人從距小目標(biāo)物約400m外的起步點(diǎn)啟動(dòng)車輛，并盡快將汽車加速至規(guī)定車速80 km/h，并保持該速度接近隧道。車輛啟動(dòng)后，操作人員應(yīng)及時(shí)啟動(dòng)眼動(dòng)儀，開始記錄駕駛員的視覺行為。駕駛員駕車經(jīng)過小目標(biāo)物后，操作人員需立刻停止眼動(dòng)儀的操作，測(cè)試結(jié)果將由電腦自動(dòng)記錄并存儲(chǔ)。

更換受測(cè)人時(shí)，均需對(duì)眼動(dòng)儀進(jìn)行重新調(diào)整和校準(zhǔn)，測(cè)試過程中，頭盔與受測(cè)人頭部位置不得發(fā)生相對(duì)偏移，否則，需重新進(jìn)行校準(zhǔn)。

4.4.2 路面亮度、照度及小目標(biāo)物垂直面照度的實(shí)測(cè)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)“室外照明測(cè)量方法”中［7］的有關(guān)規(guī)定，選用LM-3型亮度計(jì)中的0.03度小視場(chǎng)角，使測(cè)試距離大于60m，，逐點(diǎn)測(cè)取LS。此外，各點(diǎn)ES和EV用XY-Ⅲ型照度計(jì)逐點(diǎn)測(cè)取 (測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示)。小目標(biāo)物垂直面照度為面對(duì)行車方向的立面中線點(diǎn)EV，見測(cè)試示意圖4。

5 實(shí)驗(yàn)信息及數(shù)據(jù)處理

本研究共對(duì)4條隧道，7位受測(cè)人在不同時(shí)段和照明工況下59次眼動(dòng)實(shí)測(cè)信息和各點(diǎn)LS、ES及EV測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。由此獲得了各次實(shí)測(cè)條件下的小目標(biāo)物被發(fā)現(xiàn)距離和LS、ES及EV測(cè)量樣本的平均值。

圖4 小目標(biāo)物垂直面照度測(cè)試示意圖

5.1 “停車視距法”的測(cè)試信息處理

“停車視距法”的測(cè)試結(jié)果為眼動(dòng)儀所采集的視頻圖像，圖像中記錄了受測(cè)人的眼動(dòng)信息。運(yùn)用BeGaze軟件的動(dòng)態(tài)AOI功能，可對(duì)該信息中受測(cè)人的視覺行為進(jìn)行分析，從而獲取其注視點(diǎn)信息。

AOI可對(duì)眼動(dòng)儀所記錄的每一幀圖像進(jìn)行處理。處理中，逐幀導(dǎo)入視頻圖像，并根據(jù)圖中小目標(biāo)物體的大小，手動(dòng)劃定眼動(dòng)信息捕捉區(qū)域，小目標(biāo)物位于捕捉區(qū)域內(nèi)中心處，軟件將對(duì)該區(qū)域內(nèi)的信息及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，如注視點(diǎn)進(jìn)入?yún)^(qū)域內(nèi)的首次時(shí)間、出現(xiàn)次數(shù)及持續(xù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)等。這些信息可反映小目標(biāo)物被關(guān)注的程度，從而確定小目標(biāo)物被發(fā)現(xiàn)的時(shí)刻。因此，區(qū)域范圍的取值至關(guān)重要，它關(guān)系著整個(gè)測(cè)試精度，本測(cè)試在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，獲得的區(qū)域范圍取值為正方體小目標(biāo)物邊長的4倍 (以圖中實(shí)際邊長為基準(zhǔn))，見圖5所示的BeGaze軟件處理界面。

5.2 路面亮度LS、照度ES及小目標(biāo)物垂直面照度EV的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

在測(cè)量受測(cè)人眼動(dòng)信息的同時(shí)，分別對(duì)各點(diǎn)路面LS、ES及EV進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)其檢測(cè)樣本和檢測(cè)時(shí)段分別算出各個(gè)樣本平均值和該時(shí)段的太陽高度角，以便對(duì)相應(yīng)照明工況下的隧道入口段的安全停車視距進(jìn)行分析。

表2記錄了1#隧道某日早、中、晚三個(gè)時(shí)段中不同照明燈開啟工況和小目標(biāo)物出現(xiàn)位置的情況。表3則列出了與表2對(duì)應(yīng)的各次LS、ES及EV的測(cè)量平均值和停車視距的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

圖5 運(yùn)用AOI功能的圖像處理界面

表2 1#隧道照明燈開啟工況及小目標(biāo)物的放置區(qū)域

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論

6.1 由安全視距評(píng)價(jià)隧道入口段照明質(zhì)量

表3列出了由眼動(dòng)儀測(cè)取，經(jīng)BeGaze軟件動(dòng)態(tài)AOI功能處理后，獲得的1#隧道在不同時(shí)段和照明工況下的小目標(biāo)物發(fā)現(xiàn)距離。不難看出，在1#隧道所獲得的24個(gè)測(cè)量樣本中，當(dāng)照明工況為正常狀態(tài)，車速為80 km/h時(shí)，其發(fā)現(xiàn)距離均大于110m。由表1可知，該結(jié)果滿足國標(biāo)規(guī)定的停車視距要求。即該隧道照明質(zhì)量可滿足規(guī)定車速下的行車安全要求。安全視距直接反映了受測(cè)人的視覺功效，它源于受測(cè)人的生理和心理因素，較傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，它更具合理性及科學(xué)性。

表3 1#隧道路面亮度LV、照度ES、小目標(biāo)物垂直面照度EV及停車視距

6.2 照明工況對(duì)隧道入口段照明質(zhì)量的影響

由表2、表3可知，照明工況在僅開啟基本照明、應(yīng)急照明或僅有車燈的情況下，所對(duì)應(yīng)的LS、ES及EV值極低，絕大多數(shù)發(fā)現(xiàn)距離不足110m，甚至遠(yuǎn)低于此，如表3中10、11、12、13、14、19、20、21號(hào)測(cè)量樣本值所示。這說明此時(shí)洞內(nèi)和洞外形成較大的亮度差，黑洞效應(yīng)使受測(cè)人員產(chǎn)生嚴(yán)重的視覺滯后［8］現(xiàn)象和緊張感，這種生理和心理上的負(fù)面反應(yīng)，會(huì)使視覺功效大大下降。而當(dāng)照明工況為全開狀態(tài)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的LS、ES及EV值均很高，其發(fā)現(xiàn)距離遠(yuǎn)超過110m，這顯然違背了以節(jié)能為前提的安全原則。因此，合理的照明工況，不僅可消除黑洞效應(yīng)，滿足行車安全，又可防止洞內(nèi)過亮所造成的能量浪費(fèi)。

6.3 天然光對(duì)隧道入口段的影響

由于隧道構(gòu)造特點(diǎn)所致，晴天時(shí)，天然光將使洞內(nèi)外形成極大的亮度反差，這也會(huì)給駕駛員帶來嚴(yán)重的視覺滯后現(xiàn)象，這種影響在有直射陽光時(shí)尤為明顯。由4條隧道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，天然光對(duì)隧道入口段有較大的影響，且與隧道洞口朝向、太陽高度角和兩者間的夾角有關(guān)。表4列出了當(dāng)關(guān)閉人工照明，僅受晴天天然光影響時(shí)的1#、2#、3#隧道入口段1和2的LS實(shí)測(cè)值。由表4可知，當(dāng)太陽高度角較小 (如早晨或傍晚)或洞口朝向與太陽方位夾角不大時(shí)，天然光對(duì)入口段1影響較大，這種影響隨著洞內(nèi)距離的延伸而變小，由入口段2的LS值即可看出。

此結(jié)論為如何考慮隧道朝向和太陽高度角的關(guān)系，以充分利用天然光資源，降低人工照明的能耗損失，制定出安全節(jié)能的隧道入口段照明標(biāo)準(zhǔn)提供了依據(jù)。

表4 隧道入口段受直射陽光影響的亮度實(shí)測(cè)值

7 結(jié)束語

該研究在查閱國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)理論，利用安全視距法和先進(jìn)的眼動(dòng)儀系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新性地總結(jié)出一種全新的隧道入口段照明質(zhì)量檢測(cè)方法。該方法可直接測(cè)取駕駛?cè)藛T在某一照明環(huán)境下的視覺功效，它是駕駛?cè)藛T生理和心理效應(yīng)的客觀反映，比常規(guī)的物理檢測(cè)方法更具合理性和科學(xué)性，因此，它還可推廣到道路、體育場(chǎng)等大型室外照明場(chǎng)所。該方法的成功運(yùn)用將為室外照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供更加科學(xué)的依據(jù)。

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