论文摘要

隧道内智能调光在节能方面效果显著，但调光诱发的亮度变化对行车安全的影响却鲜有研究。本研究采用视觉性能实验，考察了不同季节和天气条件下，隧道阈值区内调光的亮度变化率（V）对驾驶员感知、判断和操作安全的影响。结果表明，随着V的增加，驾驶员的反应时间（RT）、瞳孔面积变化率（v_p）和眨眼频率（f_b）增加，当调光开始前亮度（L）较高时，驾驶员反应较快，精神负荷和疲劳程度较低。与调光降低亮度相比，调光提高亮度时，各视觉性能指标降低约10%。本研究基于RT、v_p和f_b的安全阈值，获得了能够满足驾驶员感知、判断和操作安全要求的V阈值。最后，建立了V阈值和L阈值之间的理论模型，为不同季节和天气条件下隧道阈值区V的控制提供依据。

简介

隧道入口附近光环境的剧烈变化会降低驾驶员的视觉识别能力，导致交通事故。为了避免这种情况，在阈值区（入口后隧道的第一部分）安装灯已成为一种有效的方法。阈值区亮度（L_th）由20°锥形视场（L₂₀）中入口附近周围的平均亮度、交通流和车速决定。根据国际照明委员会（CIE），L_th应该基于三个参数设计，即最高L₂₀、最大交通流、最大车速。然而，实际的L₂₀、交通流和车速往往比上述参数要小得多。因此，如果阈值区亮度总是采用设计值，就会导致在白天95%的照明亮度远远高于实际需求，过度照明。为消除过度照明，降低照明能耗，智能调光已广泛应用于隧道照明领域。

在隧道照明领域，调光主要包括阶梯调光和连续调光。与阶梯调光相比，连续调光因其可调性更强、亮度变化更连续而更受欢迎。然而交通繁忙时期车辆的频繁进出，让光变亮和变暗的切换频率很高（高达每小时23次），降低了调光系统的寿命。以往的研究和工程实践都一味强调隧道调光的节能效益，忽略了调光过程中亮度变化导致的安全隐患。瞬时和剧烈的亮度变化显著降低了驾驶员的视觉表现。在实际调光过程中，亮度是以一定的速率连续变化的，而非瞬时变化。但是调光诱导亮度变化率对驾驶安全性的影响尚未得到研究。

本研究通过视觉性能实验，旨在研究：（1）不同季节和天气条件下调光率（即调光诱导亮度变化率）对隧道阈值区RT和瞳孔变化的影响；（2）初始亮度（即调光开始前的亮度）与满足安全要求的调光率之间的理论模型。该模型将有助于提高隧道调光过程中的驾驶安全性。

方法

本研究在暗室中搭建了视觉性能实验平台，该平台包含照明和控制系统、RT测试系统和ASL眼动跟踪系统。

本研究侧重于公路—山区隧道的调光。对于中国的公路—山区隧道，20°锥形视场通常包含一定比例的植物和墙壁，天空面积为0，隧道具有不同的门户方向。为了满足这些特征，本研究选择了三个不同门户方向的隧道来测量L₂₀的值，因此本测量结果可以被认为是中国公路—山区隧道L₂₀变化的代表。

10名色觉正常、视觉敏锐度矫正的受试者（男5名、女5名；23-28岁）自愿参加本研究，所有受试者身体状况良好，有三至五年驾驶经验，持有驾照两年或以上，所有受试者自愿参加本研究，并根据《赫尔辛基宣言》给予书面知情同意，本研究获得浙江大学机构评审委员会批准。测试过程如下图所示：

90%的交通事故都与驾驶员有关，驾驶员的行为可以归纳为感知（Perception）、判断（Judgment）、操作（Operation）三个部分。首先，驾驶员通过视觉和试听感知关于自身状态、车辆状态、交通状况、道路和环境的信息，然后根据上述信息做出判断，确定自己的下一步行动，最后操作车辆。当驾驶员在操作车辆时，新的信息不断产生，形成感知、判断、操作的连续循环，任何部分的安全隐患都可能打乱这个循环，引发交通事故。

交通事故发生概率与驾驶员感知速度呈负相关，通常通过RT来测量，因此本实验将RT作为感知部分安全性的评价指标。

30%的交通事故是由于驾驶员判断操作失误造成的，因此判断操作的安全性也应高度重视。判断操作失误的重要原因之一是驾驶员当时精神负荷和疲劳程度较高。心理负荷定义为单位时间内心理活动的工作量，与瞳孔面积变化的大小呈正相关，因此本实验用瞳孔面积变化率（v_p），即单位时间内瞳孔面积变化的大小来表征心理负荷的大小。

驾驶任务和驾驶环境，特别是隧道阈值区光环境的变化更容易引起任务相关疲劳，因此实验重点关注任务相关疲劳，并使用眨眼频率对其进行定量评估。

结果与讨论

1.调光降低亮度

为探究V和L是否影响RT、v_p和f_b及其影响程度，分别针对调光亮度降低时的RT、v_p和f_b建立了若干混合效应模型，固定效应为V、L以及V和L之间的相互作用效应，随机效应为被试的随机截距，因变量分别为RT、v_p和f_b。

V和L对RT、v_p和f_b的主要影响均显著（p<0.001），表明V和L分别显著影响RT、v_p和f_b；同样，V和L的相互作用也均显著（p<0.05），表明V（或L）对RT、v_p和f_b的影响被L（或V）调制。考虑到这些显著的相互作用，我们进行了进一步的简单效应分析，并讨论了V和L对RT、v_p和f_b的影响。

下图显示了在L=20 cd/m²条件下，亮度调低的过程中RT、v_p、f_b随V的变化。RT随V的增加而增加，表明受试者的知觉减慢。v_p、f_b随V的增加而增加，v_p、f_b分别与精神负荷和任务相关疲劳程度呈正相关，表明精神负荷和疲劳水平增加。

下图则显示了降低亮度时，在不同V下RT、v_p和f_b随L的变化。可以看出，随着L的增加，RT、v_p和f_b先迅速下降，然后趋于平稳；V越大，RT、v_p和f_b随L的变化越大。在高水平的L下，由于感知目标的困难较小，亮度变化与L的比值较小，受试者的视觉表现更好。这些结果表明，与低初始亮度相比，高初始亮度下调光亮度变化对受试者的影响相对较小。

2.调光增加亮度

与第1节中的统计分析类似，分别建立了亮度增加时RT、v_p和f_b的三种混合效应模型。模型的主要效应和相互作用效应如下表所示。V和L对RT、v_p和f_b的主要影响均显著（p<0.001），表明V和L分别影响RT、v_p和f_b；V和L的相互作用也均显著（p<0.05），表明V（或L）对RT、v_p和f_b的影响被L（或V）显著调制。由于显著的相互作用，进行了进一步的简单效应分析，V和L对RT、v_p和f_b的影响讨论如下。

下图显示了在L=20 cd/m²条件下，亮度增大时RT、v_p、f_b随V的变化。RT、v_p、f_b均随V的增大而增大，与亮度减小时一致。不同的是，当亮度增加时，RT、v_p和f_b降低约10 %。表明当调光亮度增加时，亮度变化对视觉性能的影响较小，可能由于人眼具有更好的光适应能力。

下图显示了增加亮度时，RT、v_p、f_b随L在不同V下的变化，L在20 cd/m²~80 cd/m²范围内时，RT、v_p、f_b随L的增加而降低，显示被摄体的视觉表现逐渐增强，简单效果分析结果表明，亮度增加时，RT、v_p、或f_b在大多数V下仅当L小于60 cd/m²时才显著不同（p<0.001）。相反，当亮度降低时，RT、v_p或f_b在每个L下最多为V。这表明受试者对通过调光亮度增加时调光率的变化不太敏感。

3.调光率阈值

根据以往的研究，我们将RT=570 ms、v_p=4 mm²/s和6 mm²/s（分别在亮度降低和增加条件下）和f_b=0.25-0.5 Hz分别作为感知速度、精神负荷和疲劳水平的安全阈值。

基于上述安全阈值，我们对RT、v_p、f_b的数据进行了处理，以RT为例，采用一定L和V下所有受试者的85%分位数数据（RT₈₅），然后通过线性插值得到每个L下使RT₈₅达到上述安全阈值的V，并标记为调光率阈值（V_thr-RT）；若RT₈₅在一定L下均未达到安全阈值，则取实验中的最大值（7 cd/(m²·s)）作为V_thr-RT。相应地，我们分别得到v_p85、f_b85，然后得到V_thr-vp、V_thr-fb。在每个L处得到的V_thr-RT、V_thr-vp、V_thr-fb如下图所示。

可以看出，V_thr-RT、V_thr-vp、V_thr-fb均随初始亮度呈指数级增加。当亮度降低时，V_thr-vp最大，在任意L处均高于5.2 cd/(m²·s)；而V_thr-RT和V_thr-vp相对较小，范围从4.3 cd/(m²·s)到6 cd/(m²·s)。可以看出，只要RT、v_p在调光过程中不超过其安全阈值，驾驶员的感知、判断和操作错误的概率就相对较低，驾驶的安全风险相对较低。

而当亮度增加时，由于RT、v_p和f_b受V的影响相对较小，L下调光率的阈值大多高于10%。特别是对于瞳孔面积变化率，实验中v_p85在L和V范围内没有超过安全阈值，表明调光亮度变化没有使被试者的精神负荷过高而影响驾驶安全。同时，基于RT安全阈值的调光率阈值最小，表明在驾驶员的感知、判断和操作中，感知部分是驾驶安全的关键。

此外，指数函数用于拟合满足RT、v_p和f_b安全阈值的调光率的L与阈值：

其中V^down_thr（cd/(m²·s)）是亮度降低条件下的调光速率阈值；V^up_thr（cd/(m²·s)）是亮度增加条件下的调光速率阈值。根据这两个公式，在阈值区调光时，调光率应遵循初始亮度设置，以满足驾驶员的安全要求。在初始亮度较低的条件下，如冬季和秋季阴天，调光率应受到严格限制。

结论

本研究有四个主要结果：

• 随着调光率（V）的增加，视觉表现各项指标增加，知觉速度减慢，精神负荷和疲劳程度增加，反应时间（RT）呈现由慢到快的增长趋势。瞳孔面积变化率（v_p）近似线性增加。眨眼频率（f_b）在V≥6 cd/(m²·s) 时超出正常范围。当V保持不变时，初始亮度（L）越高，被试的感知速度越快，驾驶员的精神负荷和疲劳水平越低，表明被试通过调光受到亮度变化的影响越小。

  
  

  
  

• 与亮度降低相比，亮度提高后，RT、v_p和f_b降低了约10%，它们随V的变化范围更小，这是由于人眼具有更好的光适应能力，降低亮度对视觉性能的影响比提高亮度的影响更为显著。

  
  

• 所有满足RT、v_p和f_b安全阈值的调光率阈值均随L的增加呈指数级增加，满足RT安全阈值的调光率阈值最低，表明在调光过程中，驾驶员最初的感知是驾驶安全的关键，而非判断与之后的操作。

  
  

• 本研究建立了初始亮度与调光率阈值之间的理论模型，能够满足驾驶员感知、判断和操作的安全需求。本研究提出，在不同的初始亮度条件下，应控制调光率的上限，以提高隧道调光过程中的驾驶安全性。

综上所述，本研究采用视觉性能实验，探索了不同季节和天气条件下隧道阈值区调光诱导亮度变化率对驾驶员感知、判断和操作安全的影响，并提出了初始亮度和调光诱导亮度变化率阈值之间的理论模型。未来的研究可以通过实车实验进一步探索真实隧道中调光诱导亮度变化的影响，并进一步完善当前模型。

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Heliyon上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

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