崔洪軍 由婷婷 李 霞 朱敏清 閆 寒

(1.河北工業(yè)大學土木與交通學院 天津 300401；2.河北工業(yè)大學建筑與藝術設計學院 天津 300401)

0 引 言

我國隧道照明控制模式單一，主要分為時序控制為主和人工控制為輔，多數隧道白天采用“全天候一個亮度級”的照明方式，夜晚采用長明燈式的基本照明方式。入口段作為公路隧道事故多發(fā)區(qū)[1]，固定亮度級不利于駕駛員行車安全舒適性，同時限制了隧道智能調光控制技術的發(fā)展，增加了隧道運營能耗。

JTG/T D70/2—01—2014《公路隧道照明設計細則》規(guī)定隧道照明應采用調光控制技術，而實際運營中，入口段亮度取值采用k值法[2]。目前，世界道路協(xié)會、CIE、歐洲標準委員會等學術團體均采用定值亮度折減系數作為入口段亮度條件設計依據[3-6]，但洞外亮度變化具有瞬時性，受天氣、時間等因素影響，亮度值變化較快、較大，定值亮度折減系數計算入口段亮度不能滿足行車安全舒適性和動態(tài)調光的要求。

國內外學者從行車安全舒適性、照明參數等方面對隧道入口段照明做了大量研究，Qing Li等[7]提出一種隧道亮度實時調節(jié)的智能控制方法，根據隧道洞外亮度、車速及車流量變化計算隧道內部亮度需求；He Shiyong等[8]研究了不同墻壁材料下駕駛員視覺參數的變化，提出在隧道入口段使用遮光板以滿足節(jié)能和安全需求；L.T?hk?m?等[9]從安全性出發(fā)，通過室內試驗測量受試者反應時間，證明了隧道照明區(qū)域間亮度應逐漸降低。胡江碧等[10]提出了基于駕駛安全視認的隧道入口段亮度評價方法，得到不同設計速度下滿足駕駛視認的亮度折減系數值；劉瑩嬰等[11]將對目標物的察覺反應時間作為評價隧道照明效果的指標，驗證了在公路隧道入口段采用高色溫、光譜分布偏向藍綠光的LED光源照明時，駕駛員反應時間最短；胡英奎等以駕駛員不發(fā)生視覺障礙的最大瞳孔面積變化臨界速率為約束條件，建立了行車速度為80 km/h時隧道入口段亮度計算模型[12]。

綜上所述，關于隧道入口段照明研究主要集中于從駕駛員視覺角度出發(fā)，選取不同視覺參數評價隧道照明質量，但多數選取單一參數對小型車進行研究，缺乏LED光源下駕駛員安全舒適性的定量評價；另一方面，室內靜態(tài)試驗約束了結果的可靠性，尚無一定運行速度下隧道入口段照明動態(tài)閾值研究。

1 高速公路隧道實車試驗設計

1.1 試驗人員與車輛選擇

本次試驗共36人參與，其中隧道內調研人員22名，負責調查隧道內亮度數據、車流量及車速情況?？紤]到不同駕齡的駕駛員駕駛技術不同，隧道照明設計要依據最不利原則才能保證所有駕駛員的安全，為增強樣本的代表性，選取14名不同駕齡駕駛員佩戴眼動儀進行人眼視覺特性的測量，其中7名專業(yè)司機，7名私人駕駛員，8名駕駛員駕駛小型車進行試驗，6名駕駛員駕駛大型車進行試驗。所有的駕駛員均為男性，視力情況良好，駕駛技術均嫻熟，無生理缺陷和交通事故經歷，試驗前對路段隧道具體情況均不了解，基本剔除了其他因素對駕駛員的影響。駕駛員基本信息見表1。

表1 駕駛員基本信息Tab.1 Driver basic information

通過統(tǒng)計調查分析隧道內不同車型的交通量，可以看出張承高速小汽車和大貨車占比較大，因此，主要以小汽車和大貨車為代表進行分析，試驗車型選擇小汽車和大貨車為代表。車流量統(tǒng)計情況見圖1。

選取何種車輛是保證試驗安全順利進行的關鍵，最終在小汽車車型上選擇長安福特公司生產的蒙迪歐轎車，該車車載點煙器配合眼動儀電流輸出較為穩(wěn)定，且該車動力較強，便于試驗車輛在隧道養(yǎng)護人員掉頭處掉頭，保證較短時間段內在隧道進行多次重復試驗，解決了外界亮度變化大造成的數據測量范圍小的問題。由于外界亮度變化較大，大型車測量周期不易保證，調查時在收費站隨機抽取滿足試驗條件的大貨車，同時在實驗前對大貨車司機基本情況進行詳細調研。圖2為被試大貨車。

Dikalis眼動研究系統(tǒng)是德國Ergoneers最新科技研制的高精度、低侵入性的高端眼動儀。鑒于其體積小巧、重量較輕，對駕駛員的影響很小的特點，選取其測量駕駛員視覺特性，同一種車型，由于司機不同對視高的影響,絕大部分在5～10 cm范圍內變動，少數司機的視高之差達10～20 cm[13]，所以同種車型駕駛員眼睛高度對結果影響忽略不計。駕駛員佩戴效果見圖3。

圖1 車流量統(tǒng)計圖Fig.1 Vehicle flow statistics graph

圖2 試驗車輛Fig.2 Test vehicles

圖3 駕駛員佩戴眼動儀Fig.3 The driver wears the eye tracker

1.2 試驗路段與照明設施

JTG D70—2004《公路隧道養(yǎng)護技術規(guī)范》按照長度將隧道分為4類[14]，為確保試驗的代表性和準確性，選取承德到張家口高速公路黃土梁1號隧道、老龍灣隧道、小營隧道及小三岔口隧道于2016年10月26-29日，2017年5月22-26日開展試驗，調查日天氣晴朗，4條隧道均為分離式隧道，車道形式為單向雙車道，各隧道線形、路面條件及亮度設施完好，均采用色溫5 000 K、顯色指數70的LED光源，4條隧道照明系統(tǒng)分為白天開啟加強照明和基本照明，夜間開啟基本照明。具體隧道參數見表2。

表2 隧道基本參數Tab.2 Basic parameters of tunnel

1.3 試驗流程

綜合考慮實際情況，并結合現有試驗設備情況，決定采用實車試驗方法進行調查，試驗流程如圖4、圖5所示。

1.3.1 隧道內試驗流程

隧道內測量人員試驗流程見圖4。

圖4 隧道內測量人員試驗流程圖Fig.4 Test flow chart of the surveyor in the tunnel

1.3.2 隧道外試驗流程

駕駛員視覺特性試驗流程見圖5。

圖5 隧道外測量人員試驗流程圖Fig.5 Test flow chart of the surveyor outside the tunnel

1.4 數據采集

通過隧道機電人員調節(jié)亮度級別采集駕駛員視覺數據，調光級別依次為10%，20%，…，100%。

試驗中駕駛員佩戴Dikalis高端眼動儀，配置有2個攝像頭：Eye-camera和Field-camera分別對眼動及場景進行捕捉和錄制，數據記錄在D-Lab分析軟件中，隧道內測量人員在隧道洞口處隨機擺放20 cm×20 cm×20 cm的目標障礙物，反射系數為0.2，由D-Lab軟件Data Analysis板塊中AOI Management功能捕捉障礙物區(qū)域，得到障礙物區(qū)域內注視時間。

駕駛的機動車上裝有非接觸式的VBOX數據采集盒，實時記錄車速變化及行駛距離；隧道內測量人員使用GM1020數字式照度計測量隧道內亮度并記錄于LuxLab軟件中。

2 隧道入口段照明動態(tài)閾值研究

“按需照明”和“車來燈亮、車走燈滅”是隧道中理想、科學、節(jié)能的照明方式，其保證了駕駛員通過隧道時的安全舒適性，同時利于隧道節(jié)約電能。張承高速承德段隧道照明忽略了洞外亮度變化下的洞內外亮度差異，同時限制了隧道智能調光控制技術的發(fā)展，帶來了很大的安全隱患，增加了隧道運營能耗。

筆者擬通過上述試驗數據，分析不同亮度折減系數下瞳孔面積變化率及反應時間變化規(guī)律，結合被試車輛運行速度，在滿足行車安全舒適性的基礎上，通過回歸分析建立瞳孔面積變化率-區(qū)間車速-亮度折減系數模型和反應時間-瞬時車速-亮度折減系數模型，計算公路隧道入口段亮度折減系數區(qū)間，實現科學、安全、舒適的隧道照明環(huán)境。

剔除其他受非隧道照明條件影響駕駛人視覺參數的樣本量，最終對30組(小車22組、大車8組)試驗樣本進行分析。

2.1 視覺參數回歸模型的建立

2.1.1 瞳孔面積變化率-區(qū)間車速-亮度折減系數模型

通過眼動儀適配軟件D-Lab對駕駛員瞳孔面積進行統(tǒng)計分析，根據車輛經過時間，結合該時刻洞內外亮度，得到大車、小車駕駛員通過隧道入口段的瞳孔面積和照度關系見圖6，圖中橫坐標70處為隧道洞口斷面，由圖6可見，小車、大車駕駛員在進入隧道時瞳孔面積產生突變，瞳孔通過增大或減小適應亮度的變化，瞳孔面積的變化反映了駕駛員行車過程中生理/心理狀態(tài)，因此，采用瞳孔面積變化率評價駕駛員行車舒適性[15]。

圖6 各車型駕駛員視覺特性Fig.6 Visual characteristics of each type of driver

分析試驗數據得出小車、大車駕駛員瞳孔面積變化率與亮度之間的關系，如圖7所示，圖中橫坐標70為隧道洞口斷面。

圖7 駕駛員在隧道入口段的瞳孔面積變化規(guī)律Fig.7 The change of pupil area at the entrance of tunnel

依據JTG—T—D702—01—2014《公路隧道照明設計細則》[2]，計算隧道接近段及入口段距離內的區(qū)間車速v，對瞳孔面積變化率與車輛區(qū)間速度、亮度折減系數進行回歸分析，如圖8～9所示，回歸模型判定系數分別為0.934和0.948，可知瞳孔面積變化率與區(qū)間速度具有正相關關系，與亮度折減系數存在負相關關系。

圖8 瞳孔面積變化率與區(qū)間速度關系Fig.8 Relationship between changing rate of pupil and vehicle interval speed

圖9 瞳孔面積變化率與亮度折減系數關系Fig.9 Relationship between changing rate of pupil and luminance reduction coefficient

根據車輛在接近段的速度變化規(guī)律，將接近段分為5段，統(tǒng)計接近段車輛的平均速度，求得大車速度波動平均值為1.92 km/h，低于小車平均值2.08 km/h，說明大車速度波動較小，加速度平穩(wěn)。結合大車、小車駕駛員通過隧道時的瞳孔面積變化率、瞬時速度，得出小車駕駛員在通過隧道時行車狀況不穩(wěn)定，根據最不利原則，對小車駕駛員視覺特性進行分析。

根據上述分析，利用Matlab對樣本數據中U，k及v進行曲線擬合，其關系見圖10。

圖10 U、k、v擬合關系圖Fig.10 Fitting graph of U，k and v

圖中z軸為瞳孔面積變化率，x軸為車輛區(qū)間速度，y軸為亮度折減系數，得到其關系式，見式(1)。

U=-2.86+0.051 06v+276.8k-

0.000 209 6v2-4.673vk-1 783k2+

0.020 1v2k+13.73vk2+4 121k3

(1)

式中：U為瞳孔面積變化率，%；v為車輛區(qū)間速度，km/h；k為測得亮度折減系數。

式(1)判定系數R2=0.946，說明模型可靠性高。設Uc為滿足駕駛員舒適性的臨界值，當|U|≤Uc可求得滿足駕駛員舒適性的亮度折減系數區(qū)間。

2.1.2 反應時間-瞬時車速-亮度折減系數模型

駕駛員的反應時間從根本上影響停車視距，在事故易發(fā)的隧道入口段，反應時間長短直接關系到行車安全，本文選取反應時間表征行車安全性。

JTG D 20—2006《公路路線設計規(guī)范》[16]中規(guī)定了停車視距的計算方法，見式(2)。

(2)

式中：t0為反應時間，s；vt為設計速度，km/h，當設計速度為100 km/h時，計算值取其85%，當設計速度為60 km/h時，計算值取其90%；φ為輪胎與道路的摩擦系數，由中國氣象網查詢知承德年平均降雨量為380 mm，路面為濕潤路面，可由表3查到[17]；i為隧道道路縱坡，%；g為重力加速度，9.8 m/s2。

反應時間是指駕駛員發(fā)現障礙物后，進行判斷直至采取制動措施生效的時間[18]，見式(3)。圖11為眼動儀場景視頻中隧道內人員放置目標障礙物，駕駛員穿過隧道截圖。

t0=tf+tm

(3)

式中：tf為注視時間，s，為駕駛員注視障礙物區(qū)域未采取制動措施的時間；tm為駕駛員操作時間，s，指某時刻駕駛員發(fā)現障礙物后腳離開加速踏板移動到制動踏板所用的時間，駕駛員腳離開加速踏板后，車輛加速度變化較慢，當采取制動措施后，車輛加速度變化較快，通過區(qū)分不同斜率得到駕駛員踏板更換時間，由數據采集盒配套軟件Toolboxs分析得到，見表3時間一欄中差值為某次試驗踏板更換時間。

圖11 眼動儀場景視頻Fig.11 Scene video of Field-camera

開始值結束值差值時間/s2 463.2162 463.3780.162速度/(km/h)79.35077.740-1.610距離/m23 379.80923 384.1814.372

通過對數據分析可得，當大、小車亮度條件、車速一致時，由于大車視距高、視野好，大車發(fā)現障礙物時間較早，因此選取小車為不利樣本建立反應時間的模型。當vt一定時，亮度折減系數k越大，注視時間越短，制動時間越短，反應時間也越短，這是由于亮度條件好，駕駛員較早看清障礙物進而采取制動措施，通過數據擬合可看出兩者呈負相關關系，見圖12；擬合分析車輛運行車速與反應時間，見圖13，駕駛員在隧道接近段會習慣性減速并集中注意力，在此過程中車速對注視時間影響較小，其判定系數R2=0.314，說明車輛速度對反應時間影響不顯著；由細則可知入口段亮度取值采用k值法，式(4)所示為入口段1計算方法，亮度折減系數k反映了洞內外亮度差異，由此可知k的變化與速度無關。

(4)

式中：Lth1為口段亮度，cd/m2；L20(S)為洞外亮度，cd/m2。

圖12 反應時間與亮度折減系數的關系Fig.12 Relationship between luminance reduction coefficient and reaction time

圖13 反應時間與車輛速度的關系Fig.13 Relationship between vehicle′s speed and reaction time

基于上述分析，利用Matlab軟件Curve Fitting Tool對樣本數據中t0，k進行曲線擬合，得到其實測值與預測值關系見圖14。

圖14 t0和k擬合關系圖Fig.14 Fitting graph of t0 and k

得到其關系式，見式(5)。

t0=-3 443k3+668.1k2-58.76k+4.044

(5)

式中：k為亮度折減系數。

式(5)判定系數R2=0.967，說明模型可靠性較高。依據JTG1T D70 2—01—2014《公路隧道照明設計細則》可得隧道照明安全停車視距Ds值[2]，根據隧道照明設計速度計算反應時間t0，代入式(5)，得到滿足駕駛員安全行車條件的亮度折減系數k值區(qū)間。

2.2 隧道入口段照明動態(tài)閾值計算

以小三岔口隧道為例對亮度折減系數區(qū)間進行分析，查表2，將照明設計速度vt=100 km/h代入式(1)，根據已有研究成果[19]，取Uc=20%，可得滿足駕駛員舒適性指標的亮度折減系數區(qū)間[0.033,0.050]；小三岔口隧道照明安全停車視距為Ds=164 m，查文獻[14]中的表A.2.2知φ=0.30[14]，因此，反應時間t0≥2.748 s，可求出該隧道亮度折減系數為k≥0.031。

最終求得的隧道入口段亮度折減系數區(qū)間為[0.033,0.050]，計算結果充分考慮了不同洞外亮度下駕駛員安全舒適性，為隧道照明控制部門實時調光提供了理論依據。

3 實例節(jié)能分析

以小三岔口隧道為例計算，其燈具布設方案見表3。

根據照度的定義可以求出燈具功率與照度的關系，見式(6)。

(6)

式中：E為計算區(qū)域內的照度值，lx；K(λ)為燈具光視效能，lm/W；P為燈具功率，W；S為計算區(qū)域內面積，m2；Φ為燈具額定光通量，lm。

由于照度與亮度成線形關系，燈具種類、間距均不變，據此就可以計算燈具功率與亮度的關系。

表3 小三岔口燈具布設方案Tab.3 Lamps layout scheme of XiaoSanChaKou tunnel

以半幅為代表可以計算之前能耗為24 h內總耗電量，見式(7)。

(7)

式中：Pi為i種燈具的功率，W；Ni為第i種燈的數量，h為工作時間，h；C為燈具功率比例系數，表示當前照明亮度級燈具發(fā)光功率占總功率的比例。

將亮度折減系數以等差數列(步長為0.001)分為i組，則調光等級組數，見式(8)。

(8)

將亮度分為j組，則其步長，見式(9)。

(9)

式中：Lmin，Lmax為隧道最小、最大洞外亮度，cd/m2。

由2.2已知隧道入口段亮度折減系數區(qū)間為[0.033,0.050]，小三岔口隧道調查日最大洞外亮度為4 314 cd/m2，最小為386 cd/m2，由式(7)、式(8)得出調光等級為18組，洞外亮度步長為231 cd/m2，對應亮度區(qū)間及調光等級分別為：{[386,610]，0.033}，{[610,841]，0.034}，…，{[4 083,4 314]，0.050}。

小三岔口隧道24 h內折合成小型車車流量情況見圖16。

圖15 小三岔口隧道車流量Fig.15 Traffic volume of XiaoSanChaKou tunnel

基于此就可以對實時調光后的總耗電量進行計算，由于車輛經過時，照明燈具依次開啟，計算量較大，因此假設車輛通過時隧道燈處于開啟狀態(tài)，這樣計算結果比實時調光模式計算結果大，同樣符合要求，通過車流經過隧道時間可得隧道內LED燈具調節(jié)到最低亮度的時間，見圖17。

圖16 燈具最低亮度開啟累積時間Fig.16 Lamps minimum brightness turn-oncumulative time

可以求出加強照明最低亮度開啟累積時間為T加強=3.1 h，基本照明最低亮度開啟累積時間為T基本=7.68 h。

最終可得實時調光后的總耗電量，見式(10)。

(10)

實時調光方案在保證駕駛員行車安全舒適性的前提下，保守計算日24 h半幅隧道節(jié)約了約20%的電能。

4 結束語

1) 通過分析不同車型駕駛員進入隧道過程中瞳孔面積變化率、反應時間與亮度折減系數、車速之間定量關系，以小型車為樣本，分別建立基于駕駛員安全性、舒適性的回歸模型，進而通過約束條件求解亮度折減系數區(qū)間。

2) 以小三岔口隧道為例，求得隧道入口段亮度折減系數區(qū)間為[0.033,0.050]，對調光方案進行了節(jié)能計算，方案實施后預計隧道半幅在24 h內約節(jié)能20%。模型在滿足駕駛員安全舒適性的同時有效減小了隧道照明能耗。

3) 以瞳孔面積變化率和反應時間作為行車安全舒適性指標能較好地評價隧道入口段照明質量，研究成果為隧道調光控制技術提供了參考。

4) 隧道行車安全舒適性與隧道照明環(huán)境關聯(lián)性較強，但隧道線形、洞口形式等外因以及駕駛員生理、心理等內因也對研究產生影響，未來應在進行大數據的測量基礎上研究建立一套完善的隧道行車安全舒適性評價體系，進一步建立適合各種隧道特性的調光模型。