隧道光源顏色對駕駛?cè)藛T視覺系統(tǒng)的作用分析論文
光源的光色包含顯色性和色溫。視覺功效是人借助視覺器官完成一定視覺作業(yè)的能力，通常用完成作業(yè)的速度和精度來評定視覺功效，除了人的因素外，還與照明密切相關(guān)，在一定范圍內(nèi)，隨著照明的改善，視覺功效會有顯著的提高。
目前，歐盟[1]以及CIE[2-3]的隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)都只考慮隧道路面的亮度或者照度水平，對于色溫、顯色性和光譜分布等因素對視覺效果的影響考慮不足，導(dǎo)致對隧道照明質(zhì)量的評價不夠科學(xué)，造成交通安全和能源浪費(fèi)的問題。隨著儀器設(shè)備功能的改進(jìn)和研究方法的發(fā)展，越來越多的研究者開始關(guān)注光源光色對駕駛員視覺功效的影響[4].劉英嬰等[5]通過反應(yīng)時間和瞳孔實(shí)驗(yàn)，將不同色溫的多種光源引入到隧道照明各段并對之進(jìn)行了相應(yīng)的研究，得出了光源色溫與反應(yīng)時間和人眼瞳孔大小的變化關(guān)系，找到適合隧道過渡段照明的光源。張青文等[6]采用視覺功效法，利用“反應(yīng)時間測量系統(tǒng)”,測取了人眼在不同色溫LED光源下的視覺功效，獲得了適用于道路照明的LED光源色溫值并且應(yīng)用于實(shí)踐。陳仲林等[7]基于司辰視覺理論和中間視覺理論，研究了高壓鈉燈和金屬鹵化物燈在不同亮度條件下的發(fā)光效率，進(jìn)行了反應(yīng)時間實(shí)驗(yàn)，得出了金鹵燈的司辰視覺在道路照明下發(fā)光效率高于高壓鈉燈的結(jié)論，該研究方法值得隧道照明借鑒。洪偉鵬等[8]在明視覺和中間視覺條件下，選取了5個背景亮度對10名視覺正常的測試者進(jìn)行了反應(yīng)時間測試試驗(yàn)，研究了高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、緊湊型熒光燈和LED 4種光源的光效。利用反應(yīng)時間的試驗(yàn)結(jié)果，確定了不同光源在隧道照明環(huán)境中的適宜性和節(jié)能性。崔璐璐等[9]研究了隧道照明光源的光色與小目標(biāo)可見度之間的關(guān)系，提出了小目標(biāo)顯色性的視覺實(shí)驗(yàn)方法，為研究隧道照明的小目標(biāo)可見度打開了新思路。Barbur等[10]提出了明視覺、暗視覺和中間視覺在視覺功效中的變化理論，該理論為隧道照明的研究提供了研究方法和一定的理論基礎(chǔ)。Miomir Kostic等[11]利用中間視覺理論，對照了在隧道中應(yīng)用HPS光源和MH光源的不同情況，指出雖然HPS的顯色更高，顏色的表觀也更好，但是MH光源更加實(shí)用和節(jié)能，應(yīng)當(dāng)提倡在隧道照明中使用。
筆者通過實(shí)驗(yàn)研究隧道照明光源的光色對駕駛員視覺功效的影響，以得到顯色性和視覺功效的關(guān)系以及光源色溫、觀察目標(biāo)顏色與視覺功效的關(guān)系。
1顯色指數(shù)對駕駛員視覺功效的影響
1.1顯色指數(shù)對駕駛員視覺的影響實(shí)驗(yàn)
通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究隧道照明光源顯色指數(shù)對駕駛員視覺功效的影響。選擇2座隧道進(jìn)行小目標(biāo)識別實(shí)驗(yàn)，2座隧道分別標(biāo)為1號隧道和2號隧道，其中1號隧道所用光源為高壓鈉燈（HPS）、2號隧道安裝了HPS和LED兩種光源，實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)需要開啟其中一種光源。2座隧道照明光源的基本參數(shù)見表1.
實(shí)驗(yàn)選用3種中性色（白色、灰色、黑色）和4種彩色（紅色、黃色、藍(lán)色和綠色）的立方體（尺寸為20cm×20cm×20cm）作為識別目標(biāo)，將識別目標(biāo)放置于隧道內(nèi)的道路上，讓10名測試者分別從距離識別目標(biāo)40、50、60、80、110m的觀察點(diǎn)識別目標(biāo)，并回答以下問題：1）是否存在目標(biāo)物；2）如果存在目標(biāo)物，目標(biāo)物是什么顏色。圖1為實(shí)驗(yàn)布置示意圖。
1.2顯色指數(shù)對駕駛員視覺功效影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在觀察距離為110m的觀察點(diǎn)，1號隧道內(nèi)小 目 標(biāo)（在 此 指 對 目 標(biāo) 物 的 識 別）的 正 確 識 別 率 為69%,2號隧道用LED照明時的正確識別率為86%,2號隧道用HPS照明時的正確識別率為77%;在觀察距離為80m的觀察點(diǎn)，1號隧道內(nèi)小目標(biāo)的正確識別率為77%,2號隧道用LED照明時正確識別率為90%,2號隧道用HPS照明時為80%.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2.
由圖1可以看出，在其他條件相同的情況下，隧道照明光源的顯色指數(shù)越高，越有利于駕駛員對障礙物的識別，有利于行車安全和照明節(jié)能。但目前尚沒有有關(guān)對小目標(biāo)的正確識別率相同時不同顯色指數(shù)的光源所需提供照度之間關(guān)系的研究成果。隧道 照 明 設(shè) 計(jì) 應(yīng) 對 光 源 顯 色 性 提 出 要求，可以參考《工業(yè)企業(yè)照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034-1992）的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。按照該標(biāo)準(zhǔn)第6.2.3條的規(guī)定，對顏色識別有要求的工作場所，當(dāng)使用照度在500lx及以下，采用光源的顯色指數(shù)較低時，宜提高其照度標(biāo)準(zhǔn)值，其提高值為其照度標(biāo)準(zhǔn)值乘以表2中相對照度系數(shù)值。
2色溫對駕駛員視覺功效的影響
2.1隧道照明光源色溫對駕駛員視覺影響實(shí)驗(yàn)
為了研究駕駛員的視覺功效受隧道照明光源色溫影響的情況，在實(shí)驗(yàn)室采用“隧道照明反應(yīng)時間測量裝置”模擬隧道照明的狀況，測試模擬駕駛員在不同色溫光源提供的各背景亮度水平下的反應(yīng)時間�！八淼勒彰鞣磻�(yīng)時間測量裝置”由觀測箱、光學(xué)系統(tǒng)、燈箱、電子計(jì)時儀4個部分組成。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。
為了研究光源色溫對視覺的影響，選擇色溫為2 700K和6 400K的兩種緊湊型熒光燈進(jìn)行反應(yīng)時間對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中分別采用兩種熒光燈提供1.0~4.0cd/m2的背景亮度，用隨機(jī)出現(xiàn)的光斑模擬可能在隧道內(nèi)出現(xiàn)的障礙物，光斑直徑為26mm,相對受測者的眼睛為2°視場左右，視標(biāo)亮度可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，以與背景形成不同的亮度對比，通過加濾光片的方法改變光斑的顏色，使其顏色分別為紅、黃、藍(lán)、綠。測試者在特定的視覺條件下，對視標(biāo)的出現(xiàn)作出最快的反應(yīng)，并通過按鈕由電子計(jì)時儀記錄其反應(yīng)時間。
2.2色溫對駕駛員視覺功效影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
在兩種光源提供的不同背景亮度下，測試者對不同顏色光斑的反應(yīng)時間平均值見圖4.由圖4可以看出，在隧道照明條件下，當(dāng)緊湊型熒光燈的`色溫為6 400K時，測試者的反應(yīng)時間相對較短；當(dāng)緊湊型熒光燈的色溫為2 700K時，測試者的反應(yīng)時間相對較長。
當(dāng)目標(biāo)光斑顏色不同時，測試者的反應(yīng)時間與背景亮度之間的關(guān)系總體來看基本相似，測試者的反應(yīng)時間都是隨著背景亮度的增大而變短，且背景亮度相同時，測試者都是在高色溫的緊湊型熒光燈下的反應(yīng)時間比在低色溫的緊湊型熒光燈下的反應(yīng)時間短，見圖5.但對于紅、黃、藍(lán)、綠4種不同顏色的目標(biāo)光斑而言，當(dāng)背景亮度相同時，測試者在2種色溫光源下的反應(yīng)時間之差有明顯差別。由圖5可以看出，對于藍(lán)色目標(biāo)光斑，當(dāng)背景亮度相同時，測試者在色溫為6 400K的緊湊型熒光燈下的反應(yīng)時間與色溫為2 700K的緊湊型熒光燈下的反應(yīng)時間之差較大，而對于黃色和綠色的目標(biāo)光斑，該反應(yīng)時間之差較小。這說明，對于實(shí)際的彩色隧道照明應(yīng)用，如果以反應(yīng)時間作為評價指標(biāo)，高色溫的緊湊型熒光燈比低色溫的緊湊型熒光燈照明效果好。如果再考慮道路上可能出現(xiàn)的障礙物的顏色，當(dāng)障礙物的顏色富含可見光中的短波成份時，高色溫照明光源的照明效果優(yōu)勢更加明顯。
反應(yīng)時間實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的照明環(huán)境實(shí)驗(yàn)條件（背景亮度、視標(biāo)偏心角、視標(biāo)對比度）下，駕駛員在色溫6 400K的緊湊型熒光燈下對紅、黃、藍(lán)、綠4種顏色目標(biāo)光斑的反應(yīng)時間都比在色溫為2 700K的緊湊型熒光燈下短。分析這2種不同色溫緊湊型熒光燈的光譜組成可以發(fā)現(xiàn)，這2種緊湊型熒光燈的光譜能量分布曲線形狀基本相似，只是色溫為6 400K的緊湊型熒光燈比色溫為2 700K的緊湊型熒光燈光譜中的短波成分多些。測試者在兩種色溫緊湊型熒光燈下對各種顏色目標(biāo)光斑的反應(yīng)時間之差的差別明顯，駕駛員在高色溫照明環(huán)境中更容易發(fā)現(xiàn)富含短波成份的障礙物，而對于黃色、綠色障礙物而言，駕駛員在不同色溫照明環(huán)境中的反應(yīng)時間差別不如對藍(lán)色障礙物明顯。
雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高色溫光源對于隧道照明效果更好，但隧道照明不能僅僅考慮駕駛員的反應(yīng)時間，還應(yīng)考慮隧道空氣狀況等對照明效果的影響。實(shí)驗(yàn)室獲得的駕駛員在不同光環(huán)境中的反應(yīng)時間只能作為隧道照明光源選擇的因素之一，隧道照明光源的選擇還要綜合考慮隧道照明環(huán)境的各種影響因素。
3結(jié)論
1）在其他條件相同的情況下，隧道照明光源的顯色指數(shù)越高，越有利于駕駛員對障礙物的識別，二者之間存在著正相關(guān)的關(guān)系，有利于行車安全和照明節(jié)能。在隧道照明設(shè)計(jì)中，以滿足照明的安全和舒適為主，兼顧節(jié)能，應(yīng)盡可能選擇高顯色指數(shù)的光源。
2）在真實(shí)考慮色彩的隧道照明環(huán)境中，背景亮度越大，駕駛員的反應(yīng)時間越短，相應(yīng)的視覺功效更好。背景亮度固定時，對于光譜能量分布曲線相似的隧道照明光源，駕駛員在富含短波段成分的照明環(huán)境中的視覺功效更好，照明效果更好。目標(biāo)物顏色富含短波成份時，在高色溫照明環(huán)境下更容易被發(fā)現(xiàn)。
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