长隧道入口白天加强照明段长度优化

赵炜华，张冬梅，文 英，韩 伟，刘浩学

(1. 浙江交通职业技术学院 运输管理学院，浙江 杭州 311112;2.长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064)

0 引言

隧道入口段交通事故数量多，成为难以解决的黑点[1，2]。受隧道环境封闭限制，隧道内外环境亮度存在巨大差异。驾驶人在进入隧道时会产生严重的暗适应问题，无法正确识认道路环境信息，而引发道路交通事故。为创造安全行车环境，在隧道入口段通常设置加强照明，以改善视场环境，减少暗适应问题产生。在我国的隧道通风照明标准中，较为详细地给出白天隧道入口段照度参数和设计方法，采用照度逐渐递减设计模式，隧道入口至中间段可分为四个递变的照明长度L1、L2、L3、L4，以保证顺适过渡值中间段照明值[3-5]。规范中L1可根据车速v、照明停车视距Ds、最小衬托长度b、洞口净空高度h、适应距离d进行计算，并采用CIE适应曲线作为L2、L3、L4长度划分的依据。但在实际运营的隧道照明中，通常存在的问题是入口段不同点照度变化较小，并未按照上述方法进行照明设计。即使按照规范要求进行照明设置，加强照明方案中各段长度也难以保证驾驶人充分适应时间。由于上述问题的存在，致使隧道入口处驾驶人暗适应问题未能很好解决。同时，隧道外自然光照度随着时间、天气、地理环境以及洞口朝向等诸多因素影响，外界环境照度亦存在较大差异。在不同的外界环境照度下，驾驶人实际需要的适应时间存在较大差异。

解决上除问题的根本，在于现有加强照明段照度条件下合理设置各段长度。在自然光的作用下，入口段加强照明的照度值能满足驾驶人需求，但各段长度则属于空白。在国内，同济大学利用瞳孔面积变化进行隧道行车安全水平评价，并提出了很多结论。但从研究内容和方法来看，将瞳孔面积变化完全归因于驾驶人心理紧张程度，而未考虑环境照度和暗适应时间的影响[6-8]。国外对于隧道照明的研究，多从驾驶人视觉变化以及明暗适应与交通安全关系角度开展，提出昼间隧道入口段照度值[9-14]。但由于行车速度和交通条件差异，其各段长度计算方法与国内需求存在较大差异。在隧道环境中行车时，驾驶人不断调整瞳孔面积以适应进入眼睛的光线量。同时，视杆细胞和视锥细胞也处于不同适应水平，以分清颜色和物体细节[13-17]。基于上述原理，本文从驾驶人暗适应时间因素入手，以不同环境照度下的暗适应时间为研究对象，通过试验获得驾驶人暗适应时间的变化规律和分布特征，确定不同条件下隧道入口段暗适应时间，依据入口加强照明最佳行车距离，计算加强照明各段相同照度值保持长度。

1 试验对象与方法

1.1 试验对象

试验选取具有不同职业、驾驶经历、年龄和驾龄的31名驾驶人，其中男性20人，女性11人。被试者视觉机能正常，视力均在0.8以上。

1.2 试验设备

试验室内两侧布置隧道用LED灯提供照明，灯具间隔依据隧道灯具间隔确定，确保光照参数与隧道环境一致。在无照明条件下，试验环境照度为0Lx。利用LED灯发光强度控制器，连续调整试验环境内照度值，保证与隧道环境照度的相同性。利用照度计和亮度计测量试验环境的地面、墙面照度及亮度值，保证试验环境参数控制与隧道的一致性。识认标记为黑色白背景上的E型视标，尺寸为10×10 cm。视标与驾驶人设置距离为10 m，视标离地面高度为85 cm。从进入试验环境至标记清楚视认所经历时间，作为暗适应时间长度，采用数字式秒表记录其长度。

1.3 试验环境

试验在与隧道环境相近的管状封闭空间环境中进行，依据现有隧道照明方案中环境照度的实测值，结合隧道通风、照明标准，确定试验环境照度值，各值具体数据见表1。

表1 试验环境照度参数

1.4 试验方法

被试在外界环境照度条件下适应足够时间后,进入试验照明环境。自被试进入试验环境中起开始计时起，至其完全能够视认标记开口方止，记录该时段为试验境照度下被试的暗适应时间。待该照度下试验结束后，被试重新进入高照度的外界环境中休息10 min，以确保完全适应完全外界光环境。将试验环境照度调至设计照度值，随机调整视标方向，进入下一次试验。为消除额外变量影响，试验设计按照单盲试验原则进行，并详细规定了被试指导语。采用简单重复原则，虽然增加数据处理工作量，但保证了可靠性。

2 试验数据处理

将全部被试数据整体进行甄别，剔除无效数据后，利用SPSS软件的统计描述功能，分析不同试验条件下被试暗适应时间分布特征。经检验，全部被试在所有照度条件下，暗示应时间符合正态分布。由费希纳定理可知，对于环境照度的感知水平并不是完全取决于物理量，每个人也存在着一定的阈限值。不同照度条件下，暗适应时间变化规律如图1所示。

由图1可知，随着试验照度逐渐增加，暗适应时间不断减小。不同被试在同一环境照度下，暗适应时间是存在差异，室内环境照度越低，暗适应时间差异越大。室内环境照度为2.5Lx时，适应时间最大差距15秒以上；当室内环境照度达到48Lx时，适应时间差距不大，在1.7秒。具体统计结果如表2所示。

图1 不同试验31个试验样本的暗适应时间

试验序号统计量全 距中 值众 数均 值均值标准误标准差方 差偏 度偏度标准误峰 度峰度标准误13115.519.716.219.5580.69483.868614.966-0.0210.414-0.3900.8092317.116.917.615.3940.37122.06674.271-0.4410.414-0.8050.8093316.99.88.410.5290.37542.09034.3690.3620.414-1.1380.80943157.657.28.8950.21921.23991.5370.3640.414-1.1600.8095314.66.55.55.4770.1921.06891.1420.0330.414-0.4290.8096312.63.223.13.3510.12770.71110.5060.1860.414-0.8400.8097311.71.81.61.8940.09160.51010.260.3430.414-1.0300.809

表2详细给出了不同条件下暗适应时间分布特征，表明该数据有效性和信度，也显示相应数据的变化规律。在不同试验条件下，时间符合正态分布，表明在均值附近相同时间出现频率最高。

3 可靠暗适应时间确定

在暗适应时间分布规律具体应用于隧道入口段加强照明时，为减少暗适应问题发生，保证驾驶人在驶入该段时的行车安全，则必须考虑全部被试的适应时间累积频率分布，而不能仅考虑频率最高的特征值作为计算依据。经计算和检验，结果如表3所示。

表3 不同试验条件下暗适应时间百分位数

考虑到驾驶人的差异性，试验数据可能存在奇异点的影响。同时，为充分保证绝大部分驾驶人的行车安全，考虑工程成本和实践的可能性，选择85%分位数对应的暗适应时间作为最终控制参数。其结果如表4所示。

表4 不同照度下驾驶人最佳暗适应时间

表4所确定的值，是全部被试在试验条件下能够完全暗适应时间长度。人们在进入隧道环境中时，所处光环境是经过多个面的多次漫反射后的生态光，具有相对均匀的特点。考虑到前风挡玻璃和车窗等的遮光和反光作用，为充分保证行车安全，时间应相对增加。当从外界环境刚进入隧道时，暗适应问题最为严重，所以暗适应时间增加2秒，以保证安全。而对于递减式加强照明来说，后续在后续各段的环境中行车时，则变化为地照度环境中的暗适应问题，同时其差异也逐渐减小，所以在工程设计中可以不考虑增加暗适应时间问题。在后续的照度逐渐递减过程中，各段的长度则可选择为各段均值的差。根据69座隧道实际环境照度测量结果，试验2、试验4、试验5、试验7中照度参数与实际相符。则相对应的暗适应时间为隧道入口渐变照明段长度L1、L2、L3、L4的行车时间。经上述分析，最终确定长隧道入口段渐变照度下，暗适应时间如表5所示。

表5 隧道环境照度下暗适应时间

4 入口各段长度计算

在隧道通风、照明标准中，将入口段照度设计分别表示为L1、L2、L3、L4等四段，各段长度的确定应当依照驾驶人暗适应时间来确定。长度确定方法如式(1)所示。

(1)

式中，L为长度，t为暗适应时间，v为车速。

考虑到在限速条件下，隧道入口段车速变化较小，且考虑工程实践中的方便性和可操作性，计算中可将行车速度看作等速不变。则计算方法如式(2)所示。

L=v×t

(2)

式中，L为长度，t为暗适应时间，v为车速。

根据试验得到的不同工况下驾驶人暗适应时间，依据式(2)计算不同行车速度下隧道入口白天加强照明段长度，结果如表6所示。

表6 不同行车速度下隧道入口白天加强照明各段长度

5 结语

1)在进入长隧道行车时，驾驶人会遇到较强的暗适应问题。随着隧道环境照度不同，驾驶人暗适应时间差异较大，随着照度增加，暗适应时间缩短。本文详细分析和测定不同照度下暗适应时间，结果参见文中数据。

2)从现有标准及实践看，要减轻上述问题的产生，需要改变入口段加强照明段的长度设计。各段长度则依据驾驶人暗适应时间确定，不同行车速度下各段长度优化结果如文中所述。

3)要实现入口段照明的最优化配置，还需要确定最佳照度值。该文所提供的方法是基于现有隧道运营中实际照度确定，仅需较小的工程量就可以实现照明的顺适变化，减少暗适应问题所引起的事故，保障隧道入口段交通安全。

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