第2个回答 2009-09-23
由于司机在进、出隧道时，会产生“黑洞效应”和“白洞效应” 。因此，要使人眼视觉进入隧道内保持清晰，使机动车驾驶员感到心理和视觉的舒适,就要求隧道内的亮度与隧道外的自然光亮度之间有一个良好的过渡和衔接，利用人眼视觉特性，设计符合人眼适应曲线的隧道亮度调节方式。
关键词：人眼视觉特性；人眼适应曲线；隧道亮度调节方式
中文分类号A 文献标识A
Brightness Adjusting for Tunnel
GONG Zhaogang，FU Huihui，ZHANG Xiaohua , GAN Jiangying,SHAO Lihua
( Information Engineering College ,Shanghai Maritime University,Shanghai 200135)
Abstract:Because the domino effect"Black hole"and "White hole"come into being when the driver enter or come out of the tunnel，There should be a good transition between the Tunnel illumination and the environmental brightness in order to guarantee that the visual of eyes could be clear and feel comfortable. The mode of Tunnel illumination which is accord with adaptive curve of eyes is designed by visual characteristics of eyes.
Keyword:visual characteristics of eyes;adaptive curve of eyes; Tunnel illumination
近年来，随着我国交通事业的飞速发展，在山岭和丘陵地区乃至越江过河的交通建设中，隧道方案以能缩短行车里程等优点，得到普遍应用。隧道作为道路上的特殊路段，特别是在隧道的使用过程中，随着时间的变化隧道外部亮度变化很大，当车辆在驶入、通过和驶出隧道的过程中，会出现一系列的视觉问题。大致分为以下两种：短隧道情况下，人从入口可以看到出口外的亮度很高，会产生“黑框”效应；长隧道情况下，当车辆驶入隧道时，会感觉洞口很黑，以至于无法辨认洞口附近的状况，连障碍物也无法辨认，产生“黑洞”效应。车辆在接近隧道出口时，看到的是一个刺眼的眩亮白洞，此时形成“白洞”效应，同样会降低司机出洞口时的视觉功能和视觉舒适，无法准确判定前方的车辆。夜间通过隧道接近出口时也是一样的道理，会产生“黑洞”效应。在进行隧道亮度调节时应注意到这些视觉上的效应，尽量减少这两种效应带来的不利影响。因此，利用人眼视觉特性，设计符合人眼亮度适应曲线的隧道亮度调节方式是很有意义的。
1 人眼视觉特性
当人眼从一个较明亮的环境突然转到一个较暗的环境中时，要经过一段时间才能看清暗环境中的物体，这叫做暗适应，同样当人眼从一个较暗的环境突然转到一个较明亮的环境中时，也需要经过一段时间才能看清亮环境中的物体，这叫做明适应。根据所测经验值采用数据拟合的方法可得暗适应和明适应的函数关系式，如式(1)所示：
（1）
式中：t是适应时间； 是环境亮度变化比； 是接近1 的系数，反映不同人的眼睛适应能力的差别。
当 =0.9， 取不同的值时，具体适应时间可见下表。
表1 适应时间
Tab.1 Adaptive time
0.5 1 2 4 6 8 10
0.9 -0.27 0 0.27 0.54 0.70 0.81 0.9
根据上表描点，制成人眼适应曲线，如图1所示，横坐标 是环境的亮度比，纵坐标 是适应时间(s)。
图1 暗适应和明适应曲线
Fig.1 The curve of dark and bright adaptation
由上图可见：
当 =1时， =0，即环境亮度不改变时，眼睛不存在适应问题；当1< <10时，O< <1，即环境亮度由 变化到 ， 时，眼睛就需要一段时间适应亮度的变化，才能保证眼睛的视觉功能，由于 > ，这个适应过程称为暗适应；当0< <1时， -∞< 因此，当车辆以速度v从亮度为 的a点驶向亮度为 的b点时，按照人眼视觉特性，要让人眼完全适应这个亮度的变化，则必须满足以下两个条件：
(1)a、b两点的距离 大于在人眼的适应时间内车辆所能行驶的最远距离 ，即 >
(2)a、b两点间的亮度需按照人眼适应曲线来渐变
只有满足了这两个条件，司机才可以完全适应从 到 的亮度变化。如果 小于 或者亮度进行突降，则人眼就很难适应这种亮度变化，造成司机视觉模糊，从而降低车速，导致车辆通过隧道的整体速度下降，造成交通拥堵，后果不堪设想。
由以上分析可知，当车速为v时，人眼在不同亮度环境中的适应方程如下所示，其中 ， ：
（2）
当隧道过渡段任意亮度值为 ,其所对应的过渡段距离为S，隧道外亮度为 时：
（3）
两边除以0.9v得，
两边移项得，
两边取以10为底的指数得，
化简得， （4）
由以上结论可知，当V一定时，隧道过渡段的亮度 不仅是随着洞外亮度 的变化而变化的，而且跟其所对应的过渡段距离S成一定的指数关系，式(4)即为按照人眼适应曲线而进行的亮度调节函数。
2 隧道照明设计
隧道照明按区段可分为引入段、适应段、过渡段、中间段和出口段，各区段应根据不同位置上的亮度检测器的实测值设计合适的长度和亮度值以满足人眼的视觉特性。其中，按照人眼适应曲线，调节隧道过渡段、出口段亮度是隧道照明设计的关键。
S A P B
隧道长度(m)
引入段 适应段 过渡段 中间段 出口段
图2 各照明段亮度与长度
Fig.2 The brightness and length of each tunnel segment
2.1 引入段L20(S)
驾驶员驶向隧道时，引入段亮度决定了隧道内入口段的亮度要求，在实际取值中存在一定难度，即用哪一点的亮度代表引入段亮度，同时在隧道施工前后，洞口环境往往变化很大。在隧道照明设计中，可参考实测资料。
2.2 适应段Lth
为使驾驶员维持良好的视觉状态，确保安全，在隧道入口段的开头需要相对较高的亮度。在开始部分时亮度要求保持不变并跟此处所设置的亮度检测器的亮度值检测值有关。
2.3 过渡段Ltr
驾驶员进入长隧道后需要一些时间将人眼调节到能适应中间段较低亮度水平,过渡段亮度从最高到最低的变化必须逐步进行,这也是过渡段照明的目的。因此，过渡段是人眼能否适应隧道中间段亮度的关键。这一区域亮度不断下降直到跟中间段相同为止。如图(2) 所示。
中间段的照明无需任何变化,只要提供均一的稍高于普通开放式道路照明水平的亮度即可。除了高亮度使驾驶员感到更安全外,还要考虑路面的反射条件,需要相对较高的亮度主要是因为在隧道内由于污染的影响降低了能见度。这一区域在过渡段和出口段之间，通常是隧道最长的部分。它的亮度水平要求通常决定于车速和交通状况，具体设计，可参考实测值。
实现过渡段亮度调节，有两种控制方法可供选择，一是无级调节法，二是逻辑开关法。无级调节法是由可控硅为基本控制元件的电子控制器完成无级调光的。 随着洞外光强的变化，整个照明控制系统会处在动态平衡状态下，从而得到合适的亮度。理论上，无级调光是一种很好的方法，它能得到连续性很好的光，但存在如下弱点：① 线路复杂，调试(尤其是现场调试)困难；② 故障率高、维修保养不便；③ 洞内亮度检器需要量大，工程量大，增加投资；④ 最适合无级调光系统的执行元件是白炽灯，这种灯的缺点是光线不好，寿命短。因此，目前的隧道照明工程很少采用无级调光。而选择光线较好的照明灯具，利用灯具的不同排列组合和现场控制器提供的数字信号对照明灯进行逻辑控制，使其产生近似图3所示的阶跃式的亮度调节，称为逻辑开关法 。由于控制程序和线路设计简单，灯具选择灵活，维修保养容易，目前的隧道照明大都采取这种方法。以下采用逻辑开关法进行设计。
值得注意的是，在隧道亮度调节方式的设计过程中,隧道过渡段的亮度可以使用阶跃式下降的方式,只要相邻阶跃的亮度比不超过3:1就可以,否则就超出了人眼对亮度的适应能力。过渡段具体设计如下。其中Ltr是适应段亮度检测器的实测值，Lin是中间段亮度检测器的实测值。
1）过渡段亮度(u=1)
①段的亮度 Ltr1=Ltr/3 ②段的亮度 Ltr2=Ltr1/3 ③段的亮度 Ltr3=Ltr2/3
2）过渡段距离
总距离为：
①段的距离
②段的距离
③段的距离
过渡段具体设计，如下图所示
(m)
适应段 过渡段Dtr 中间段
图3 过渡段具体设计
Fig.3 The concrete design of tunnel intergrade
另外，如图4所示，可以看出:
1）随着隧道外亮度q的不断变化，不仅隧道内的亮度调节应按照人眼适应曲线作相应的调整，而且适应距离也在作相应的变化。如曲线e、c所示，当隧道外亮度从 变化到 时，隧道内的亮度调节应按照人眼适应曲线从e变化到c,适应距离也从 变化到 。
2）过渡段距离 是根据隧道外最高亮度值qmax来确定的，如曲线a所示。
3) 当隧道外亮度为任意亮度值q 时，跟qmax相比隧道内、外亮度变化范围较小，同时隧道过渡段距离 已经确定，因此，隧道内亮度调节的相邻阶跃亮度比可以低于3：1，达到2：1或者更低，人眼也就能够更好地适应隧道内、外的亮度变化，更好地满足了行车要求。如图当隧道外亮度为q1,q2时，隧道内的亮度调节可分别按曲线d、b进行。
图4 亮度调节曲线
Fig.4 The curve of brightness adjusted
2.4 出口段
这一区域的亮度水平也由外部亮度决定，在此段司机是明适应，由适应曲线可以看出，明适应部分曲线较陡，适应时间很短，但当出口是朝正南或正西方向时，由于外部较亮，为使驾驶员在明亮出口的视觉背景下可清晰看见前面大车阴影中的小车,以及离开出口时有良好的后向视觉,出口段的亮度可以按照人眼适应曲线进行设计，设计方法可参照过渡段。从图1可以看出，由于人眼明适应时间很短,因此，在出口段亮度调节的过程中，相邻阶跃的亮度比可以高于3：1。
综上所述，隧道亮度设计的关键是如何按照人眼适应曲线实现入、出口段亮度亮度调节的问题。要按照人眼适应曲线实现亮度亮度调节，须在洞外设置亮度检测器，以检测洞外亮度；在入、出口段分别设置相应数量的亮度检测器检测不同位置上的亮度；也要在隧道内相应位置设置一定数量的光检器检测基础亮度。这样，不仅很好的满足了行车需求，而且大大节省了电能。
3 结语
我国有很多隧道，如山区高等级公路隧道、过江隧道、过河隧道、湖底隧道、海底隧道、广场隧道、过街隧道、建设城市环线的快速通道等，隧道总长度超过1000km。而现阶段，我国隧道设计规范采用的却是国际亮度协会提供的根据白种人进行测定的人眼适应曲线。因此，对隧道亮度进行分析与计算，有助于起到更合理地进行亮度系统设计，提出新的亮度设计理念、完善设计准等作用，对我国的交通建设与发展具有深刻意义，同时也能推动亮度行业的健康发展。
参考文献：
[1]龚兆岗.LED可变情报板的亮度调节.《现代显示》,2006,(4)
[2]王学堂，赵展旗.隧道照明控制工程研究.《西安公路交通大学学报》,1998,(1)
[3]陈文成，陈大华，林燕丹.隧道照明的探讨及其实践.《海峡两岸第十一届照明科技与营销研讨会专题报告文集》
[4]交通部部颁标准.公路隧道通风照明设计规范(CJJ45-2006)[S].人民交通出版社，2006.
[5]交通部部颁标准.公路隧道通风照明设计规范(JTJ026.1-1999)[S].人民交通出版社，2000.
作者简介：
龚兆岗：（1950—），男，电子信息教授级高级工程师，上海海事大学硕士生导师，上海邦达电子系统工程有限公司常务副总经理、总工程师，上海市信息学会理事，2004上海市科技创业领军人物，交通部部颁标准《高速公路LED可变信息标志技术条件》、《高速公路LED可变限速标志技术条件》起草小组成员。研究方向：通信与信息系统，信号与信息处理，智能交通系统。
付慧慧：（1985—），女，上海海事大学信息学院通信与信息系统硕士研究生。研究方向：通信与信息系统，智能交通系统。
张小花：(1982-) 女，上海海事大学信息学院信号与信息处理硕士研究生。研究方向：信号与信息处理，智能交通系统。
甘江英：（1983—），女，上海海事大学信息学院通信与信息系统硕士研究生。研究方向：通信与信息系统，智能交通系统。
邵丽华：（1981—），女，上海海事大学信息学院通信与信息系统硕士研究生毕业。研究方向：通信与信息系统，智能交通系统。本回答被提问者采纳