彭 力，翁 季，杜 峰，王娅菲

（重庆大学建筑城规学院；山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆400045）

公路隧道由于具有缩短里程、节省时间、提高运输效率、节省用地和保护生态环境等优点，在山区公路建设中被广泛采用。重庆已建成高速公路隧道160余座，隧道里程300多km，隧道照明设施的规模及数量越来越大，隧道的运营电费和维护费用也越来越高，隧道照明节能与安全的矛盾越来越突出，处理不好必将影响高速公路的可持续发展。

参考国外相关规范制定的公路隧道照明规范、标准以及实施细则在应用过程中存在诸多问题。首先，国外的很多客观条件与中国有很大区别，如洞外气象条件、常年的天气状况、隧道限速情况、车辆数量、隧道内道路修建标准等；其次，在新的发展情况下，光源和灯具已经从荧光灯过渡到高压钠灯、金卤灯和LED，光源和规范之间存在不配套的情况；再次，规范和标准中缺少动态指标，隧道内的光适应过程本身就是动态的，而规范往往从静态出发进行研究；最后，现阶段CIE的技术报告及相应的规范和实施细则都是依据视觉功效法（包括瞳孔变化、反应时间、注视点变化以及兴趣区域变化等指标）研究明暗适应过程、适应时间、可见阈、K值、隧道各照明段动态行驶长度、隧道行驶安全性和舒适性评价、智慧照明等，缺少对光源色温的研究，特别是在隧道入口色温突变时对驾驶员瞳孔变化、反应时间等视觉功效和警觉性、情绪、持续注意力等光生物效应的影响。笔者通过梳理对隧道照明色温的相关研究，总结已有成果，分析现有的实验方法和技术手段，为隧道智慧照明设计提供一定的理论参考和依据。

1 隧道智慧照明研究历程

隧道智慧照明研究从CIE（国际照明委员会）规范出发，《公路隧道和地下通道照明指南》（CIE 88—2004）中回顾和定义了公路隧道和地下通道照明的各项因素之后，重点推荐了白天和夜间照明问题，提出为适应内外部光线波动问题而采取的措施。《机动及人行交通道路照明》（CIE 115—2010）中介绍了环境系数，保证环境有充足光线进入时以显示环境目标。蒲山久夫做了2个系列实验，以补充日本照明学会隧道照明报告，这些实验是关于快速变化时眼睛瞬时适应的实验研究。第1个实验是测量亮度突变之后的视力恢复时间，即明暗适应时间。第2个实验是检测亮度降低时在何种程度上可保持视力敏锐度，该指标跟小目标物的发现密切相关。中道文基和成定康平指出，隧道入口段亮度的需求值最少应为驾驶员适应亮度的10%～12.5%。在关于隧道入口照明的研究中，靠近隧道的洞外亮度被看作是驾驶员的适应亮度。人眼的适应亮度不是由视野内的平均亮度决定，更主要是由投向视网膜中央窝的亮度决定，因此，驾驶员在靠近隧道入口处时适应亮度会逐渐降低。其分析了驾驶员驶近隧道时适应时间的衰减，并在实验结论的基础上用公式表达出所需要的隧道内的亮度值，即找出了隧道照明适应曲线中接近段到入口段的关系，也是K值法的基础。但是Schreuder（施罗德）学派和Narisada（成定康平）学派对于K值法的数值推荐值相差很大，有说法是Narisada学派最终放弃了其对K值的推荐结论。根据文献，Narisada在另外的文章中指出，在障碍物识别模拟实验中，其采用的识别距离是注视点开始的距离，而Schreuder采用的是适应点开始的距离，二者区别较大，注视点距离为大于150 m，而适应点距离为25 m（根据隧道道路坡度有所改变）。之所以二者差距达到4～7倍，主要在于实验设定参数的不同，最终其推荐指标乘以2之后是可以采用的。由于K值法使用的方便性，现行的各国隧道照明设计规范（标准或技术导则）多推荐采用K值法确定隧道入口段亮度。但是CIE 88—1990、欧盟隧道照明标准CR 14380:2003与日本机动交通隧道照明标准对于K值的规定存在差异，两个学派依据的都是相同的模拟测试方法，只是在测试基本参数的选用上差别很大。两个学派提出的折减系数K的取值都是基于对障碍物识别的模拟实验，并非直接考虑人眼的视觉适应。中国所采用的K值是二者的中间值。

但是，隧道智慧照明的研究只针对动态K值和动态照明是不足的，洞外环境是全天候的，不同时段、不同洞口朝向的隧道外天然光色温并不相同，人眼对不同色温光环境的适应能力也不相同。2002年，在对人眼的视觉功效研究中，美国布朗大学David Berson发现了第3种视觉感光细胞——神经节细胞。中国把这种细胞作用下的视觉称为“司辰视觉”。刘英婴利用司辰视觉理论研究隧道照明中的光生物效应问题，发现具有更多短波的金属卤化物灯的光生物效应光通量比高压钠灯高得多。但鉴于LED光源具有亮度高、功耗低、寿命长、启动快、功率小、频闪少、不易产生视觉疲劳等优点，应当尽可能发展LED。通过视觉功效和光生物效应实验研究，将5种色温的LED光源与传统照明光源相比较，分析光源色温与反应时间和人眼瞳孔大小变化的关系，提出适合隧道照明入口段和中间段的LED光源光色，为LED在隧道照明中的应用研究提供实验依据与参考。

2 色温突变对驾驶员造成的影响

光视觉效果的研究超过了500年，自电光源的出现，对隧道内停车视距、反应时间等视觉功效的研究，在很长时间内都是隧道照明研究的重点。而生物解剖学上ipRGCs感光细胞的发现，使隧道智慧照明研究开始考虑光生物效应的影响，特别是在驾驶员进入隧道的瞬间色温突变状态下人的生理状态发生的变化（图1～ 图 3）。

图1 进入隧道前10 s

图2 进入隧道前5 s

图3 进入隧道瞬间

H.C.Walkey针对单色目标测试了反应时间和搜索时间，从而检测潜在因素和亮度对比度（针对背景亮度）之间的关系。视觉搜索对于亮度变化比反应时间更加明显，通过缩放对比度的作用，搜索性能可做到不变，但反应时间的范围在中间视觉下却变化明显。利用彩色刺激研究了2种中间视觉性能模型，描述反应时间和搜索时间在彩色适应下的独立性。研究的“有效对比度”模型描述了反应时间和搜索时间的光谱独立性。一种基于反应时间的中间视觉亮度效率模型描述了在对彩色信号无影响情况下每种反应的独立性。虽然没有针对公路隧道照明，但其对中间视觉下反应时间和搜索时间的探索方式是与公路隧道照明研究相通的。

另外，进入隧道后人的警觉性改变也是研究的新方向之一。警觉是一种感官意识积极关注外部的状态，发现并及时应对危险或紧急情况，或快速感知并行动，与心理学以及生理学相关。缺乏警觉性是许多疾病的症状，包括发作性睡病、注意力缺陷障碍、慢性疲劳综合征、抑郁症或睡眠剥夺。石路发现，光源色温对CNV等功能具有显著影响，CNV是反映人体大脑皮层高级神经活动的诱发电位，其各组成部分反映人体大脑不同的生理状态。高色温时，人体大脑皮质觉醒水平升高，注意及警觉程度加大。

3 结论

在进入隧道的瞬间，各种光参数都发生了改变，人们对除色温外的光参数研究较多，为全面了解智慧照明过程，着重分析色温突变对驾驶员视觉功效的影响。在隧道照明研究中，光源色温是一个影响光效的重要因素，现有隧道照明标准中，对视觉识别能力被色温影响的程度未进行详细考虑，规范也不能完全准确地对隧道照明效果进行评价。加入色温修正系数，能更好地诠释驾驶员进入隧道过程中视觉适应过程和驾驶员进入隧道加强照明段后生理状态发生的改变。总体来看，目前基于色温突变的隧道智慧照明研究仍处于探索阶段，研究成果还没有整合到公路隧道照明设计应用或导则、标准中。公路隧道智慧照明设计如何平衡视觉需求与健康需求，处理节能与成本之间的矛盾，完善现有的照明设计体系，最终实现有利于行驶安全的隧道智慧照明光环境，是未来研究的重点方向。

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