公路隧道车辆行驶中照明对驾驶人视觉影响的研究

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由于公路隧道半封闭的特殊几何构造和行车环境,使驾驶人操控车辆通过隧道时会经历“明适应”和“暗适应”过程,为缓解明暗适应过程以提高行车安全性,《公路隧道照明设计细则(JTG/T D70/2-01-2014)》对隧道照明进行了分段设计,并对各个区段的照明亮度进行了明确规定。基于“感知-认知-反应”过程,当驾驶人驾驶车辆在隧道中遇到障碍物时,会对障碍物进行辨识和判断,而照明亮度直接影响驾驶人对障碍物的感知,进而影响行车安全。此外,随着公路隧道照明灯具被LED灯具大规模代替,LED灯具色温选择范围广,而目前照明色温对驾驶人视觉辨识和行车安全性的影响缺乏基础理论研究,使得照明色温作为一个可控的指标在隧道照明设计中缺乏科学指导,灯具色温设置无据可依。同时,为改善驾驶人驾驶车辆从隧道外至隧道内的暗适应过程及降低隧道照明运营能耗,现阶段相关研究一般建议在隧道照明分段中的洞口接近段设置减光设施,但对减光设施的分析注重于太阳光直射时产生的失能眩光,对于其产生的不舒适眩光尚缺乏基础理论支撑,而不舒适眩光与接近段的照明亮度直接相关,探究更为舒适的遮光设施(棚)对降低驾驶人的反应时间、提高车辆行驶安全性也具有现实指导意义。为研究不同隧道照明分段光环境下的驾驶人视觉辨识机理,基于驾驶人反应时间,开展了隧道不同照明分段的驾驶人视觉辨识试验;为了获得更加安全舒适的隧道照明光环境以促进驾驶人的视觉辨识能力,研究如何提升隧道接近段减光设施的舒适性。具体为:为了获得公路隧道照明光环境变化以及中间段不同照明色温下驾驶人视觉辨识机理,从驾驶人视场入手,基于视觉功效法及自主研发的反应时间测试系统,进行了公路隧道照明光环境变化的模拟试验。模拟试验以秦岭终南山隧道为参考,按照《公路隧道照明设计细则》中对隧道照明亮度的有关规定,模拟了车辆以70 km/h的车速驶入和驶出隧道时的光环境亮度变化过程,具体亮度设置包含洞外亮度、入口段亮度、过渡段亮度、中间段亮度、出口段亮度。并通过选取8个不同的中间段色温(2500 K、3500 K、4500 K、5500 K、6500 K、7500 K、8500 K、9500 K),研究光环境亮度变化过程中以及变化稳定后,中间段不同色温对驾驶人反应时间的影响;研究中间段色温不同时驾驶时长对反应时间的影响。同时,为了获得中间段不同亮度下驾驶人辨识机理,开展了人眼中央(凹)及周边视觉的目标物辨识试验,通过模拟公路隧道中间段照明环境,设定不同背景亮度场景以及视标在测试屏幕上的开口方向、不同位置和停留时间,统计了驾驶人的探测率及反应时间。最后,为了提升驾驶人驶入隧道时的视觉辨识能力,分析了隧道接近段减光设施的设置方法,以及如何提升常见隧道遮光棚的眩光舒适性。结果表明,在公路隧道照明光环境变化过程中,驾驶人的反应时间随着隧道照明亮度的降低整体上呈增大趋势,但是在同一隧道照明分段下时,短暂的暗适应有助于提高驾驶人的视觉功效,降低反应时间;当光环境由过渡段变化到中间段时,提高中间段与过渡段衔接处中间段照明的色温有助于提高驾驶人视觉功效,但色温不宜过高,反而有可能起反作用,因此适当降低入口段和过渡段照明亮度及提高中间段照明色温,可实现在安全照明的前提下降低隧道照明运营能耗。其次,以三次样条插值模型为基础提出了隧道中间段行车安全评价指标,分别建立了换算反应时间震荡持续时间及不安全因素始发点与色温的关系模型,以此模型为基础分析了隧道中间段照明色温的设置方法。再次,在0.1 cd/m2~5.0 cd/m2的背景亮度下,周边视觉反应时间大于中央视觉反应时间,且均呈现随环境亮度增大而减小的幂函数关系;为了提升车辆在隧道行驶中的安全性,隧道侧壁亮度宜高于路面亮度,并建议使用宽光带对称型配光灯具且采用两侧布置的布灯形式。最后,为了减小隧道洞口遮光棚引起的不舒适眩光以提升隧道光环境变化时驾驶人的视觉功效,提出了隧道遮光棚不舒适眩光的定量评价方法,建立了不等间距和等间距遮光棚投影光斑的不舒适眩光值计算公式,提出了避免遮光棚不舒适眩光的一般设计方法。
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