1 引 言
随着我国公路隧道运营里程持续增加，隧道驾驶人行车安全已成为道路交通安全中的重要关注点。而隧道入口段因其所处地理位置，当驾驶人驾驶车辆进入隧道时，由于洞内外光色差过大造成的“黑洞效应”和雨雾浓度影响会导致洞内低能见度。相较于公路隧道其他分段，公路隧道入口段常为事故多发段。为减少黑洞效应，保障行车安全，目前常采用的解决方式为加强公路隧道入口段的照明。单纯提高照明亮度，而不考虑低能见度下光源亮度与色温对行车的影响，会给行车安全留下隐患，易产生交通事故。
国内外学者针对光源色温与反应时间对行车安全的影响进行了大量的研究，康诚等以瞳孔直径、瞳孔面积变化率和反应时间作为观测指标，探究了不同LED光源色温对行车安全的影响。梁波等利 用DIALux仿真软件建立隧道仿真模型，以瞳孔直径 与反应时间作为研究指标，通过改变灯具布置方式、 LED色温、高度和侧壁涂料等试验参数，筛选出灯具 布置方式、侧壁反光涂料等最优水平组合。李晓军 等基于虚拟现实技术（VR），利用注意力增长率与 光源色温的度量模型，探究了反应时间的分布规律。 张敏阳等研究了变色温智能照明控制技术在隧道 工程中的设计要点与需求，将色温从3000~6000K 分为6个等级进行调节，总结出一套安全节能的照 明方案。Xiao等通过研究归一化时间、照明性能和 生产成本等因素，利用K均值聚类分析手段，发现增 加光显色性能够提高能见度。Li等使用DIALux进 行仿真测试，对3种色温的LED和4个不同颜色的 目标进行观测，结果表明，低色温LED在中视亮度 上优于高色温LED。Zhao等采用数值模拟方法对3种色温和8个彩色目标进行观测，结果表明黄色、银色和白色可以明显缩短驾驶人的反应时间，而红色和棕色会延长驾驶人的反应时间。对于光源亮度与反应时间对行车安全影响的相关研究，阎莹等为探究瞳孔面积变化率和反应时间之间的关系，通过在13座隧道进行试验，得出了合适的环境亮度值。于丽等从驾驶员舒适性行车角度出发，以瞳孔面积变化率和视觉震荡时间作为分析指标，对驾驶最舒适的亮度进行了研究。这些研究成果割裂了光源多重属性的影响，不能全面反映光源环境对行车安全的影响。
考虑光源的多重性影响，董丽丽等通过试验对126种照明条件进行模拟，得出出口段亮度越大，明适应时间越小，当亮度相同时，随着色温的增大，明适应时间减小。Liu等分析了不同LED光谱与色温和反应时间、瞳孔面积变化率之间的关系，提出了适合不同区域亮度水平的LED光源色温和短波光谱推荐值。Liang等探究了在不同亮度、色温、偏心率和对比度值等因素的影响下，反应时间的变化与差异，结果表明，通过增加光源色温可以提高视觉性能。此类研究成果较为全面地考虑了光源的多重性，但未见考虑能见度的因素。彭伟宸、张驰等[15]等利用UC-win/Road模拟软件建立道路驾驶模拟环境，结果表明能见度和反应时间对行车安全有显著影响。此类研究虽考虑了能见度的影响，但缺乏与色温和亮度结合的对行车安全影响的交叉研究。
综上所述，目前国内外学者对隧道光环境改善研究多关注单、双因素影响，对不同能见度下，多因素结合影响的研究较少，且多因素对行车安全的交叉影响研究不足。
本文将通过搭建公路隧道入口段光源环境的缩尺模型，考虑在不同的能见度下光源色温和亮度的交叉影响，通过分析试验人员的反应时间，研究在不同能见度下光源亮度与色温对行车安全性的影响，进而为隧道照明色温标准的制定提供参考意见。
2 能见度等级划分
为保证缩尺试验数据的有效性，本试验前期对依托工程所在山区一年内的能见度变化情况进行了观测统计，并结合规范对试验所需能见度等级重新加以划分，进而为缩尺试验的能见度参数选择提供依据。
（1）能见度测量方法
公路隧道中能见度检测方式主要分为人工观测和仪器检测两类。因本次样本采集的时间周期较长，采集位置相对固定，故选择仪器检测的方法进行测量。
（2）能见度数据采集
为方便数据采集，本次测量采用散射式能见度仪，现场测量如图1所示。
图1 散射式能见度测量仪实测现场
由于山区气候多变，因此将每日平均能见度作为样本数据并不准确。故对工程所在山区能见度进行实测，结果表明，能见度日变化呈“一峰一谷”状，一般3：00~9：00的能见度为最低值，故本次能见度数据采集时取每日早晨8：00~9：00一小时内的平均能见度作为样本数据，能见度实时采集平台如图2所示。
图2 能见度采集平台
（3）气象数据采集
气象数据来自每日国家气象数据中心的报告。
（4）数据统计
国内现行的《能见度等级和预报》（QX/T114—2010）中对雾区路段的分级见表1。
表1 雾区路段等级划分标准
为量化气象与能见度的关系，参照以上标准，本文对所测的几种典型气象按各自所在的能见度范围重新进行了分类，各能见度等级所对应的气象分布见表2。
表2 各能见度等级所对应的气象分布
3 试验设计
3.1 试验原理
目前针对人眼视觉光度评价方法的研究，主要包括视觉功效法、闪烁光度测量法以及异色视亮度匹配法。视觉功效指标包括反应时间、视锐度、探测几率、对比灵敏度等，若反应时间越快，反应的准确度越高，则说明视觉功效越好。视觉功效法可直接评价不同照明环境下驾驶人的视认能力，更贴近道路照明以及隧道照明应用。因此，本试验基于视觉功效法进行缩尺试验方案设计。
驾驶员的反应时间是保证安全停车视距的关键指标，直接关系到隧道的交通安全，特别是在事故易发的隧道入口段。吕集尔等通过数值模拟给出了反应时间对行车安全影响的曲线，研究发现驾驶员的反应时间是影响行车安全最重要的因素之一，可以直观反映驾驶安全性。故本试验以反应时间代表行车的安全性指标。
3.2 试验仪器和设备
试验平台由隧道入口段缩尺模型、反应时间测量系统、造雾平台组成。测量设备和仪器包括双色可调LED灯、亮度计、色温照度计、光阑、造雾器、散射式能见度仪等。
隧道缩尺模型如图3所示，隧道入口段缩尺模型内部安装无极可调LED灯作为照明光源，模型后半部分挖孔以备试验人员观察激光点的位置。根据重庆地区调研隧道概况，结合本试验主要研究对象为隧道照明色温对行车安全的影响，因此，缩尺模型隧道拱顶采用黑色防火涂料，隧道侧壁采用普通白色光面瓷砖材料，隧道路面为普通沥青材料，材料反射系数分别为0.65、0.711、0.10。
图3 隧道缩尺模型
3.3 试验方案
本次试验利用实验室自主设计的激光发射计时器控制光标的生成，利用亮度、色温双可调的照明光源控制模型内照明条件，通过在观察孔前方安装造雾玻璃箱实时控制能见度条件，造雾玻璃箱能真实模拟隧道入口段的不同能见度条件下驾驶人发现障碍物的应急反应。
试验时，利用造雾玻璃箱对观察孔前方进行不同能见度的设置。试验人员在模型外固定光源进行足够时间的明适应，随后试验人员位于观察孔后侧，通过观察孔对前方出现的随机光标进行观察。同时，从光标出现开始计时，发现光标计时停止，跳过驾驶人生理和心理变化的复杂过程，直接通过反应时间来评价安全性，反应时间测量系统结构如图4所示。
图4 反应时间测量系统结构示意
造雾平台由一个全透明玻璃箱和造雾器组成，在缩尺模型试验中能够利用造雾器在透明玻璃箱中提供不同浓度的水雾，配合能见度仪可对不同能见度造雾时间进行计算，以此对气象条件进行真实还原。造雾器按照1s持续时间喷出雾气后，停止喷雾，待雾气在透明玻璃箱内充分散开后对能见度进行测量，重复操作直至完成各级能见度的造雾时间计算。
本文选取20000m、12 000 m、1 000 m、500 m、200 m和50m六组能见度等级中的典型值作为试验能见度参数，实测达到各能见度等级所需的造雾的时间见表3。
表3 各能见度的造雾时间和视觉效果
3.4 试验参数选取
试验选用国内外研究较多的亮度参数、山区典型的能见度参数、照明设备普遍使用的色温参数和对试验人员观察结果有影响的视标对比度参数进行试验。
（1）光源亮度
高速公路L20（S）的典型值一般为2000~5000cd/m2，设计速度为80km/h的折减系数应在0.025~0.035之间，则模型隧道入口段的亮度应为40~200cd/m2，见表4（已用黑框标明）。
表4 入口段亮度取值（单位：cd/m2）
为了确定试验典型亮度值，本文依托10条公路隧道，对其亮度进行了实测，实测现场如图5所示。
图5 隧道亮度测量现场
结合实测数据，本文选取表4所示黑框中的典型值60cd/m2、120 cd/m2、180 cd/m2作为试验光源亮度设计参数，同时额外增加洞内最暗和最亮亮度值10 cd/m2和240 cd/m2两种亮度参数作为对比。
按照《公路隧道照明设计细则》(JTG/TD70/2-01—2014)，隧道入口段路面亮度计算值分别为60cd/m2、120 cd/m2、180 cd/m2、10 cd/m2和240 cd/m2。
（2）光源色温和显色性
本次试验选用常见的8种光源色温用于箱体内照明环境的色温控制，光源色温分别为3000K、3 500 K、4000K、4500K、5000K、5500K、6000K和6 500 K，足以覆盖市面上大部分LED灯的色温范围，本次LED灯光显色指数>97。
（3）能见度条件
本次试验的能见度条件通过造雾器来模拟，按视觉效果分为高能见度和低能见度两类，其中高能见度包括20000m和12000m，低能见度包括1000m、500 m、200 m和50m，共6个能见度参数。
（4）视标对比度
视标对比度对反应时间的影响具有规律性，因此本试验在研究不同能见度条件下光源色温对驾驶人的反应时间时增加了视标对比度这一参数，试验中可通过改变照明背景亮度进而改变视标对比度。
视标对比度C的计算公式为：
式中：C为视标对比度；Lb为光标处的背景亮度（cd/m2）；Lt为光标亮度（cd/m2）。
由于试验期间改变背景亮度时，视标对比度也会随之改变，故本次试验的视标对比度取固定值0.2。
（5）试验人员
本试验共有10名试验人员参与，其中男性和女性各5人，所有试验人员视力正常，无色盲、色弱等影响试验效果的生理问题，试验人员驾驶习惯良好，无重大事故经历。为避免样本数量对试验结果的影响，10名驾驶员先后在一周内不同时间段，各开展5次试验，总计开展50人次试验。具体试验人员信息见表6。
表6 试验人员信息
4 多变量交叉影响下反应时间的变化规律研究
4.1 反应时间随亮度与色温变化的规律对5种光源亮度、8种光源色温工况下各不同能见度的反应时间数据取均值，获得光源亮度和光源色温的交叉影响下平均反应时间的变化规律，如图6所示。
图6 光源亮度和色温的交叉影响下平均反应时间的变化规律
由图6（a）可见，当光源亮度相同时，光源色温与平均反应时间大致呈正相关，色温越低，平均反应时间越短，色温越高，平均反应时间越长。对比不同光源亮度下高低色温之间的平均反应时间差值，当光源亮度为10cd/m2、60 cd/m2、120 cd/m2、180 cd/m2、240 cd/m2时，最大反应时间差值分别为58.5 ms、52.1 ms、51 ms、52.2 ms、54 ms，数值差别较小。
由图6（b）可见，各光源亮度下从低色温到高色温的平均反应时间增幅分别为15.9％，15.5％，15.6％，16.0％，16.6％，数值差别较小。
以上数据分析表明，随着光源亮度从10~240cd/m2逐段提高，光源色温对反应时间的作用效果受光源亮度的影响较小，低亮度10cd/m2的色温表现效果相对其他亮度的色温表现效果显著；此外，色温对反应时间的作用效果主要受能见度的影响。
4.2 反应时间随能见度与色温变化的规律
对8种光源色温环境和6种能见度环境工况中各不同光源亮度的反应时间数据取均值，得到能见度和光源色温的交叉与平均反应时间的关系曲线，如图7所示。
图7 能见度和色温的交叉影响下平均反应时间
由图7可知，高能见度环境中，平均反应时间与色温的关系曲线几乎为水平直线，改变光源色温对平均反应时间的影响较小。但是，在低能见度环境中，由于不同色温的穿雾能力不同，在改变色温的情况下，色温对平均反应时间的影响显著，此时平均反应时间与色温呈正相关。
低能见度分别为1000m、500 m、200 m、50 m时，平均反应时间的最低值都出现在低色温3000K，分别为333ms、348.4 ms、369 ms和387.2 ms，在这种低能见度环境下，色温越低，试验人员的平均反应时间越低，视觉效果越好；同时，随着色温的升高，试验人员的平均反应时间也在增加，视觉效果逐渐变差。由图7、图8可知，在高能见度环境中，能见度为20 000 m时，高色温5500K的平均反应时间最短，低色温3000K的平均反应时间最长，平均反应时间最大增幅为3.8％；当能见度为12000m，色温为4 500 K时，平均反应时间最长，对应平均反应时间最大增幅为2.1％。
图8 各能见度下平均反应时间最大增幅
在低能见度环境中，低光源色温为3000K时，低能见度对应的平均反应时间最短，随着光源色温的提高，平均反应时间都出现了延长，且最大增幅都超过了20％，其中能见度为50m的最大增幅超过了25％。
以上数据分析表明，在雨雾雪等低能见度的气象下，采用低色温3000K照明反应时间更短，视认能力更强，行车的安全性更好。
4.3 反应时间随能见度与亮度变化的规律
对5种光源亮度环境和6种能见度环境工况中各不同光源色温的反应时间数据取均值，获得能见度和光源亮度的交叉影响下平均反应时间的变化规律，如图9所示。
图9 能见度和亮度的交叉影响下平均反应时间
由图9可知，在光源亮度为10~120cd/m2范围内，各能见度等级对应的平均反应时间变化较大，且随着光源亮度的增加，平均反应时间均出现了下降；其中，高能见度20000m、12000m环境对应的平均反应时间下降最明显。在光源亮度为120~240cd/m2范围内，低能见度50m、200m环境对应的平均反应时间有上升趋势。进一步地，计算各光源亮度下不同能见度的平均反应时间降幅，如图10所示。
图10 各光源亮度下平均反应时间降幅
由图10可知，在120~240 cd/m2的亮度范围内，各能见度等级对应的平均反应时间变化幅度较小，在高能见度环境中，随着亮度从10cd/m2逐级升高到240 cd/m2，能见度20 000 m和12 000 m对应的反应时间降幅曲线呈上升趋势，且在10~60cd/m2阶段上升速度最快，随后随亮度的升高逐渐趋缓，整体降幅分别为20％和15.6％。在低能见度环境中，能见度1 000m对应的曲线呈上升趋势，整体降幅为10.8％。
能见度500m、200 m、50 m对应的曲线呈先上升后降低的趋势，且随能见度的降低，下降速度加快。其中，能见度为500m时反应时间降幅在180cd/m2亮度下时，为8.5％；能见度为200m对应的曲线反应时间降幅在120cd/m2亮度下达到最大，为8.5％；能见度为50m时反应时间降幅最大值在120cd/m2亮度下达到最大，为10.4％。
白墙效应会导致驾驶人的反应时间增加，对道路交通安全造成较大威胁，低能见度分别为500m、200 m、50 m时，出现“白墙效应”前的极限光源亮度分别是180cd/m2、120cd/m2、120 cd/m2。结合前文能见度对光源色温的影响规律，低能见度下建议控制照明亮度，同时选择低色温照明来保证行车安全。
5 结 论
本文首先对依托工程隧道洞外气象能见度数据进行了统计，以能见度指标对各个气象进行量化分级。随后基于视觉功效法设计了反应时间缩尺试验，在洞外亮度为5000cd/m2、洞外色温在5500K的背景下，进行了不同工况下的试验。通过对试验结果进行分析，获得了光源色温、光源亮度、能见度与反应时间的关系，结论如下：
（1）能见度与反应时间呈负相关，能见度越低反应时间越长。其中高能见度平均反应时间最长仅为290.6ms，低能见度平均反应时间不短于359.4ms。
（2）高能见度环境下，提高光源亮度有助于降低驾驶人的反应时间，降幅最高约为20％；低能见度环境下，采用提高光源亮度的方式用以降低反应时间的效果会下降，降幅最高仅为10.8％；此外，在低能见度下光源亮度过高容易产生“白墙现象”导致反应时间增加。
（3）高能见度环境下，高色温的反应时间更短，能见度为20000m、12000 m对应的最佳色温分别为5500K和6000K，相比其他色温，平均反应时间最大降幅分别为3.8％和2.1％；低能见度环境下，低色温3000K平均反应时间最短，高色温6500K平均反应时间最长，能见度1000m、500m、200m、50m的平均反应时间最大降幅都超过了20％，其中能见度50m的最大降幅约25.6％。
建议在高能见度环境下，采用180cd/m2的光源亮度值以及5500K以上的高色温照明；在低能见度环境下，采用120cd/m2的光源亮度值以及3000K低色温照明。
本文考虑了能见度、光源色温和亮度的交叉影响，对驾驶人的行车安全展开研究，弥补了照明亮度领域研究中忽视能见度影响的不足；此外，由于我国还没有规范对照明色温的设计要求提出明确的规定，因此本文提供的照明色温建议可为公路隧道照明色温设计标准的制定提供理论依据。
摘自《现代隧道技术》