公路隧道照明安全影响原因及研究手段

驾驶人在进入和离开隧道时，易出现“黑洞效应”和“白洞效应”，由于隧道是一个半封闭的管状式结构，这是一种不可避免的光学现象，在高强度的光照条件下，隧道内外的照度差较大，在驾驶人驶入隧道时，受到“暗适应”的影响，此时看到隧道入口就像一个“黑洞”，在驶出隧道时，看到隧道出口又像是一个“白洞”；相反，在夜间行车时，由于隧道外照度低，隧道内部照度高，又会出现看隧道入口像“白洞”，隧道出口像“黑洞”的情况。这种生理特性使得在隧道行驶的危险指数变高。而在隧道标准段行驶时，也会因隧道内单一乏味的景观产生视觉疲劳，增加行车风险。因此，针对驾驶人的视觉特性的隧道光照研究就显得尤为重要，这也成为了近年来隧道行车安全方面的研究重点。

1. 照度差对行车安全影响

为响应构建绿色集约、安全可靠的现代化高质量国家综合立体交通网的号召，在保障安全的情况下减少能源的浪费，有学者基于驾驶人的生理反应，开发出能提高隧道行车安全指数又不至浪费的新型隧道照明设计方案。Yang 等开发的线性引导系统发现驾驶人的视觉、心理和行为方面都对隧道行车安全有着显著的积极影响；同时，在节能方面，一个亮度为 2.3cd/m² 的高速公路隧道配合线性引导系统，相当于传统隧道的 4cd/m² 。对于亮度值分别为 4、5、6 和8cd/m² 的高速公路隧道，线性引导系统的等效亮度分别为 7、18、18 和 21cd/m2，可将能耗降低 30% 至 42% 。而考虑到车辆行驶时对比静止时的人眼的可见距离的不同，在隧道行驶时，LED 灯或车头灯照射下的可见距离显著小于静态条件下的可见距离。在 LED 照明环境中， 40km/h 、60kmh、 80km/h 和 100kmh 的速度行驶时，可见距离分别比静止时减少了 8% 、 16% 、23% 和 31%。隧道内的照明亮度设置应充分考虑驾驶速度对人眼视觉表现的影响。对于限速低于 60km/h的公路隧道，即使仅使用车辆前照灯，观察者也能在短过安全停车距离的情况下识别出障碍物。鉴于目前隧道照明的巨大能耗负担，建议采用 LED 灯和车前照灯组合照明以减少照明能耗。对于设计限速超过 80km/h 的公路隧道根据现行照明规范规定的亮度值设置路面照明亮度无法保证驾驶安全，可以根据研究内容增加高设计车速的隧道的照明亮度 [7]。可考虑结合人眼适应曲线来优化隧道照明配置，在隧道内安装高光透过率遮阳板可以有效降低外部亮度，从而缓解" 黑洞效应"。

除了在隧道设施方面改进隧道照明设施，近年研究者们还着手在隧道的照明控制模型、算法方面提升隧道的照明服务水平，并取得了长足进展。Jia 等确定了影响亮度差异的主要因素（按重要性排序）为：能见度水平、车流、内部区域亮度和车辆速度。在这个基础上建立了照明亮度的动态优化模型。并基于典型的长高速公路隧道照明场景，结合两种智能控制算法，建立了并优化了照明控制模型。最后，结合动态优化模型和智能控制模型，提出了一种改进照明环境的方法并验证了其有效性。研究结果表明，在涉及不同时间段和天气条件的照明场景中，其所提出的方法能够动态调整长隧道内的照明亮度，以确保路面平均亮度达到安全亮度标准。研究结果显示，在晴天、阴天和雨天，安全亮度合格率分别提高了 39% 、26.04% 和 5.21% ，同时能耗可分别降低 21.59% 、32.13% 和 33.03%。

为了降低入口处突然变化的照度，隧道内的昏暗环境对于驾驶人的不利影响，Wang 等开发了反光视觉引导设施，并选取指标有驾驶行为如速度和横向偏移以及视觉行为如瞳孔面积和注视点分布时间证明其效果。Xiao 等采用了Sparrow Search Algorithm （SSA） 算法构建了对于不同照明服务状态下的隧道交通安全评价模型，优化了 Extreme Learning Machine （ELM） 模型，在 SSA-ELM 模型下，推荐的隧道安全指数阈值为 0.6，安全指数低于 0.6 的隧道照明服务存在安全隐患，且该项研究也对于隧道的安全和节能提供了参考意见。还有学者采用粒子群优化（PSO）算法优化反向传播（BP）神经网络，并构建了一种新的道路隧道交通安全智能预测方法，以预测不同照明服务状态下的交通安全系数。其研究结果表明，模拟车速与视觉清晰度呈负相关，而照明衰减与视觉清晰度呈正相关，灯具故障数量与视觉清晰度呈负相关。当照明衰减低于70% 或四盏及以上灯具发生故障时，道路隧道的照明服务状态会严重威胁交通安全。PSO-BP 神经网络模型能够准确预测交通安全系数，根据该模型评定的交通安全系数的临界值为0.5965。

2. 色温对行车安全影响

近年来，隧道的照明设计已经越来越完善，学者们对于隧道的视觉信息研究的范围也更加广泛且深入。Wen 等研究发现根据典型的季节环境和不同的入口颜色设计不同组的模拟实验，结果表明，驾驶人的春季和冬季行为幅度较大，交通安全风险相对较高；秋季环境下驾驶人的操作稳定性较差，使用与环境颜色和谐统一的设计方案可提高驾驶人的行车稳定性。

并且，色温也和能见度相互作用，影响着驾驶人的反应时间：在高能见度环境下，提高光源亮度可以有效降低驾驶人的反应时间，最高降幅达到 20% ；在低能见度环境下，如能见度为 50m，驾驶人的最长反应时间增加了超过 25% ，在低能见度环境下，建议采用3000K 低色温照明。

有学者通过模拟驾驶的方法，测量及拟合得到 3 种照明色温下的安全舒适度评价值 - 亮度数学模型，其实验所得数据如表 2 所示。得出实验环境下最优评价值对应的照明色温及亮度 ： 当照明色温为白光，亮度为 2.147cd/m2 时，驾驶员的安全舒适评价值最优，为 0.145。比较 3 种色温条件各自最优评价值下的亮度，白光亮度最低，因此选用白光作为隧道照明色温，兼有节能减排作用。

作者简介：于家宝（2004-）男，汉族，吉林省德惠市人，本科在读

项目来源： 24 年大学生创新创业训练计划资助项目 项目编号：S202410191065 项目名称：隧道行车驾驶员生理及心理特征研究