隧道光源顏色對駕駛人員視覺系統的作用分析論文
隧道光源顏色對駕駛人員視覺系統的作用分析論文
光源的光色包含顯色性和色溫。視覺功效是人藉助視覺器官完成一定視覺作業的能力，通常用完成作業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，在一定範圍內，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]的隧道照明設計規範和標準都只考慮隧道路面的亮度或者照度水平，對於色溫、顯色性和光譜分佈等因素對視覺效果的影響考慮不足，導致對隧道照明質量的評價不夠科學，造成交通安全和能源浪費的問題。隨著儀器裝置功能的改進和研究方法的發展，越來越多的研究者開始關注光源光色對駕駛員視覺功效的影響[4].劉英嬰等[5]透過反應時間和瞳孔實驗，將不同色溫的多種光源引入到隧道照明各段並對之進行了相應的研究，得出了光源色溫與反應時間和人眼瞳孔大小的變化關係，找到適合隧道過渡段照明的光源。張青文等[6]採用視覺功效法，利用“反應時間測量系統”,測取了人眼在不同色溫LED光源下的視覺功效，獲得了適用於道路照明的LED光源色溫值並且應用於實踐。陳仲林等[7]基於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光效率，進行了反應時間實驗，得出了金滷燈的司辰視覺在道路照明下發光效率高於高壓鈉燈的結論，該研究方法值得隧道照明借鑑。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行了反應時間測試試驗，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。利用反應時間的試驗結果，確定了不同光源在隧道照明環境中的適宜性和節能性。崔璐璐等[9]研究了隧道照明光源的光色與小目標可見度之間的關係，提出了小目標顯色性的視覺實驗方法，為研究隧道照明的小目標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。Miomir Kostic等[11]利用中間視覺理論，對照了在隧道中應用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光源更加實用和節能，應當提倡在隧道照明中使用。
筆者透過實驗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係以及光源色溫、觀察目標顏色與視覺功效的關係。
1顯色指數對駕駛員視覺功效的影響
1.1顯色指數對駕駛員視覺的影響實驗
透過現場試驗研究隧道照明光源顯色指數對駕駛員視覺功效的影響。選擇2座隧道進行小目標識別實驗，2座隧道分別標為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，實驗過程中根據需要開啟其中一種光源。2座隧道照明光源的基本引數見表1.
實驗選用3種中性色（白色、灰色、黑色）和4種彩色（紅色、黃色、藍色和綠色）的立方體（尺寸為20cm×20cm×20cm）作為識別目標，將識別目標放置於隧道內的道路上，讓10名測試者分別從距離識別目標40、50、60、80、110m的觀察點識別目標，並回答以下問題：1）是否存在目標物；2）如果存在目標物，目標物是什麼顏色。圖1為實驗佈置示意圖。
1.2顯色指數對駕駛員視覺功效影響的實驗結果分析
實驗結果表明，在觀察距離為110m的觀察點，1號隧道內小 目 標（在 此 指 對 目 標 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，1號隧道內小目標的正確識別率為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%.實驗結果見圖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越高，越有利於駕駛員對障礙物的識別，有利於行車安全和照明節能。但目前尚沒有有關對小目標的正確識別率相同時不同顯色指數的光源所需提供照度之間關係的研究成果。隧道 照 明 設 計 應 對 光 源 顯 色 性 提 出 要求，可以參考《工業企業照明設計標準》（GB 50034-1992）的相關規定執行。按照該標準第6.2.3條的規定，對顏色識別有要求的工作場所，當使用照度在500lx及以下，採用光源的顯色指數較低時，宜提高其照度標準值，其提高值為其照度標準值乘以表2中相對照度係數值。
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驗
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，在實驗室採用“隧道照明反應時間測量裝置”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時間。“隧道照明反應時間測量裝置”由觀測箱、光學系統、燈箱、電子計時儀4個部分組成。實驗裝置如圖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行反應時間對比實驗。實驗中分別採用兩種熒光燈提供1.0~4.0cd/m2的背景亮度，用隨機出現的光斑模擬可能在隧道內出現的障礙物，光斑直徑為26mm,相對受測者的眼睛為2°視場左右，視標亮度可以根據需要調節，以與背景形成不同的亮度對比，透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、綠。測試者在特定的視覺條件下，對視標的出現作出最快的反應，並透過按鈕由電子計時儀記錄其反應時間。
2.2色溫對駕駛員視覺功效影響的實驗結果分析
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時間平均值見圖4.由圖4可以看出，在隧道照明條件下，當緊湊型熒光燈的`色溫為6 400K時，測試者的反應時間相對較短；當緊湊型熒光燈的色溫為2 700K時，測試者的反應時間相對較長。
當目標光斑顏色不同時，測試者的反應時間與背景亮度之間的關係總體來看基本相似，測試者的反應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時間比在低色溫的緊湊型熒光燈下的反應時間短，見圖5.但對於紅、黃、藍、綠4種不同顏色的目標光斑而言，當背景亮度相同時，測試者在2種色溫光源下的反應時間之差有明顯差別。由圖5可以看出，對於藍色目標光斑，當背景亮度相同時，測試者在色溫為6 400K的緊湊型熒光燈下的反應時間與色溫為2 700K的緊湊型熒光燈下的反應時間之差較大，而對於黃色和綠色的目標光斑，該反應時間之差較小。這說明，對於實際的彩色隧道照明應用，如果以反應時間作為評價指標，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的障礙物的顏色，當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勢更加明顯。
反應時間實驗結果表明，在不同的照明環境實驗條件（背景亮度、視標偏心角、視標對比度）下，駕駛員在色溫6 400K的緊湊型熒光燈下對紅、黃、藍、綠4種顏色目標光斑的反應時間都比在色溫為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現，這2種緊湊型熒光燈的光譜能量分佈曲線形狀基本相似，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光斑的反應時間之差的差別明顯，駕駛員在高色溫照明環境中更容易發現富含短波成份的障礙物，而對於黃色、綠色障礙物而言，駕駛員在不同色溫照明環境中的反應時間差別不如對藍色障礙物明顯。
雖然實驗結果表明高色溫光源對於隧道照明效果更好，但隧道照明不能僅僅考慮駕駛員的反應時間，還應考慮隧道空氣狀況等對照明效果的影響。實驗室獲得的駕駛員在不同光環境中的反應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境的各種影響因素。
3結論
1）在其他條件相同的情況下，隧道照明光源的顯色指數越高，越有利於駕駛員對障礙物的識別，二者之間存在著正相關的關係，有利於行車安全和照明節能。在隧道照明設計中，以滿足照明的安全和舒適為主，兼顧節能，應儘可能選擇高顯色指數的光源。
2）在真實考慮色彩的隧道照明環境中，背景亮度越大，駕駛員的反應時間越短，相應的視覺功效更好。背景亮度固定時，對於光譜能量分佈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境中的視覺功效更好，照明效果更好。目標物顏色富含短波成份時，在高色溫照明環境下更容易被發現。
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