一种基于驾驶安全舒适性的特长隧道中间段照明光环境色温设置方法

技术领域

本发明涉及一种公路特长隧道中间段照明光环境色温设置方法，属于公路隧道照明技术领域。

背景技术

由于LED光源具有响应时间短、能效高、色温可调等可实现仿真自然界光的优势，越来越多地应用于公路隧道照明中。但现阶段特长公路隧道中间段的照明光源特性色温无相关标准依据和系统全面的理论、技术，选用色温在3000-6500K范围不等且为全天候的定值。这种色温设置方式存在色温选用偏低夜晚易产生驾驶疲劳、色温选用偏高产生眩光、难以发挥LED光源最佳照明功效等技术缺陷。

国外研究者发现可见光中的蓝光成分可改变人体生理节律，调节警觉度和生物钟，并将这种光效应称为非视觉光生物效应。而可见光中蓝光比例的大小可表现为色温的高低，因此光环境色温是影响人体生理节律，影响非视觉光生物效应的因素。相关研究者发现在隧道中间段的中间视觉环境下色温可影响人眼的光色敏感度和对目标物细节及颜色的辨认能力，从而影响人眼的视觉功效。国内外对于公路隧道色温选用的研究，缺乏对人体昼夜节律变化的考虑，白天、夜晚色温的设置为同一定值，在隧道中间段环境下将影响视认的效率和驾驶舒适性。在满足照明亮度需求的前提下，为提高特长隧道中间段驾驶的安全性，保障驾驶的舒适性，对色温进行合理设置，充分发挥LED光源的功效，需要寻求一种合理的特长隧道中间段全天候照明光环境的色温设置方法。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的问题，提供白天、夜晚不同时段情况下特长隧道中间段驾驶员对色温的需求。

1.所述的特长隧道中间段白天色温需求：依据同一亮度和显色指数条件下，分析不同色温水平对驾驶员的视认距离和生心理的影响。

采用定性和定量的方法，在室外采集自然光环境下驾驶员的生心理指标，在室内通过调整不同的色温水平，采集80km/h的运行速度下不同色温的驾驶员生心理指标和达到相同视认效果的视认距离参数，研究不同色温对驾驶员生心理和视认距离的影响程度，确定驾驶员白天时段的安全舒适色温需求，其中视认量表如表1所示。采用LED隧道灯及控制器调节色温指标，营造隧道中间段不同色温环境；采用KF2型生心理检测仪来实时采集驾驶员生心理指标；采用卷尺测量驾驶员的视认距离；采用照度计实时采集环境照度、色温等指标，得到不同色温作用下驾驶员驾驶心率相对室外自然光环境下的心率变化率和视认距离指标变化规律，如图2和图3。

表1视认级别分级情况表

实验模拟特长隧道中间段环境，随机选择12位两眼矫正视力达到4.9以上且身体健康的小客车驾驶员。随着隧道中间段光源的色温增加，光色由黄光向白光变化。当室内光源色温为6500K时，光源光色与室外自然光源(色温6453K)光色环境最接近，在一定驾驶任务下缓解驾驶员因室内外亮度差异对视觉产生的影响，因此心率变化率下降；当室内光源色温为4500K时，驾驶员的视认心率变化率呈现显著下降且处于最低水平，即驾驶员的心率指标与室外状态最接近，驾驶员感觉最舒适。

在光源色温增加，光色由黄光向白光变化过程中，在环境亮度水平较低时，驾驶员视认目标物达到“一般清楚”的距离呈降低趋势，且均大于停车视距110m。驾驶员在低色温3500K、4000K两组光源下对目标物的视认距离较大，视觉功效较好。在环境亮度水平较低时，不同光色环境下非彩色目标物与其背景环境颜色对比度不同，目标物与背景环境颜色差异会增加驾驶员对目标物的视敏度。因此，在一定亮度和显色指数条件下，白天隧道采用低色温3500K、4000K黄色光源较高色温的白色光源增加了视认目标物与背景环境的光色对比度，在一定程度上增加了驾驶员视认目标物的视敏度，提高了驾驶视认的视觉功效，有利于驾驶员对目标物的视认。因此考虑驾驶安全和舒适性的白天时段(07:00-21:00) 下特长隧道中间段色温应选取为4500K。

2.所述的特长隧道中间段夜晚色温需求：依据同一亮度和显色指数条件下，分析不同色温水平对驾驶员的视认距离和生心理的影响。

实验采用方法和采集指标同白天实验，采集时段为夜晚(21:00之后)，得到不同色温作用下驾驶员驾驶心率相对室外自然光环境下的心率变化率和视认距离指标变化规律，如图4和图5。

实验模拟特长隧道中间段环境，在一定显色指数条件下，当光环境亮度为1.5和3.5cd/m

驾驶员视认目标物达到“一般清楚”的距离呈先降低后增加趋势，且均大于停车视距 110m。驾驶员在色温3500K、6500K两组光源下对目标物的视认距离较大，视觉功效较好。当夜晚环境亮度水平较低，在一定的亮度和显色指数条件下，低色温3500K黄色光源增加了视认目标物与背景环境的光色对比度，在一定程度上增加了驾驶员视认目标物的视敏度，提高了驾驶视认的视觉功效；当夜晚在低亮度环境进行较长时间视认时，高色温6500K 对人体褪黑激素的产生具有抑制作用，减缓疲劳，使人清醒，同时高色温时光的散射性强，使驾驶员产生“通透”、“空旷”的主观感觉，驾驶员可在距离较远处看清目标物。因此，在一定亮度和显色指数条件下，夜晚隧道中间段采用低色温3500K或高色温6500K均可达到较好视觉功效。因此考虑驾驶安全和舒适性的夜晚时段(21:00-07:00)下特长隧道中间段色温应选取为6000K。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为白天室内光环境视认心率变化率。

图3为白天不同色温下的视认距离。

图4为夜晚室内光环境视认心率变化率。

图5为夜晚不同色温下的视认距离。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明的设置方法作进一步说明：

1.所述的特长隧道中间段白天色温需求：依据同一亮度和显色指数条件下，分析不同色温水平对驾驶员的视认距离和生心理的影响。

采用定性和定量的方法，在室外采集自然光环境下驾驶员的生心理指标，在室内通过调整不同的色温水平，采集80km/h的运行速度下不同色温的驾驶员生心理指标和达到相同视认效果的视认距离参数，研究不同色温对驾驶员生心理和视认距离的影响程度，确定驾驶员白天时段的安全舒适色温需求，其中视认量表如表1所示。采用LED隧道灯及控制器调节色温指标，营造隧道中间段不同色温环境；采用KF2型生心理检测仪来实时采集驾驶员生心理指标；采用卷尺测量驾驶员的视认距离；采用照度计实时采集环境照度、色温等指标，得到不同色温作用下驾驶员驾驶心率相对室外自然光环境下的心率变化率和视认距离指标变化规律，如图2和图3。

实验模拟特长隧道中间段环境，选择小客车驾驶员，随机招募驾驶员12人，驾驶员两眼矫正视力达到4.9以上，无色盲色弱等眼部疾病，身体状况良好(无高血压、心脏病等)，且精神状态良好(休息良好、反应正常，实验期内无饮酒/用药等不良情况)。在室内营造不同光源色温的环境，如表2，试验步骤如下：

表2 LED光源色温与亮度正交实验参数表

①实验时首先在室内实验环境中安装光源，将光色环境调试均匀，调节光源到预设的亮度和色温水平并记录；

②为被试驾驶员佩戴KF2型生心理检测仪，确定室外驾驶员及目标物的位置，驾驶员对110m停车视距处的目标物进行视认并静处3分钟，测量并记录驾驶员在白天自然光环境下的心率心电水平和色温水平并记录；

③在室内确定驾驶员及目标物的位置。由于室内采集生心理指标时视距为11.5m，且 80km/h的运行速度对应110m停车视距，分别将目标物尺寸(20cm)和被试者目高(1.2m)按同比例换算后，调整为目标物尺寸2.1cm、目高12.5cm，工作人员用黑布遮挡被试驾驶员前方场景，将灰色小目标物放置于试验室已搭好的黑色架子上；

④工作人员放下黑布并记录放下黑布的时间，同时被试驾驶员开始进行视认目标物并静处3分钟；

⑤用黑布遮挡驾驶员视线，同一亮度环境下，调整色温水平，重复步骤④；

⑥调节下一组亮度，重复步骤④和⑤，直至同一个被试驾驶员在所有光环境下全部实验完成；

⑦更换下一名驾驶员，重复步骤②-⑥至12名驾驶员在所有光环境下的视认生心理指标采集完成；

⑧视认距离实验。工作人员帮助被试驾驶员熟悉视认量表，如表1，同时工作人员用黑布遮挡被试驾驶员前方场景，随机摆放调整尺寸后的视认目标物；

⑨工作人员放下黑布，12名被试驾驶员依次开始进行目标物视认。被试驾驶员前后移动位置，直至对目标物的视认达到“一般清楚”级别，工作人员记录此时的视认距离；

⑩同一亮度环境下，调整色温水平，重复步骤⑨至全部色温环境视认完成；

在一定的亮度和显色指数条件下，随着隧道中间段光源的色温增加，光色由黄光向白光变化。当室内光源色温为6500K时，光源光色与室外自然光源(色温6453K)光色环境最接近，在一定驾驶任务下缓解驾驶员因室内外亮度差异对视觉产生的影响，因此心率变化率下降；当室内光源色温为4500K时，驾驶员的视认心率变化率呈现显著下降且处于最低水平，即驾驶员的心率指标与室外状态最接近，驾驶员感觉最舒适。

在一定的亮度和显色指数条件下，随着光源的色温增加，光色由黄光向白光变化，驾驶员视认目标物达到“一般清楚”的距离呈降低趋势，且均大于停车视距110m。驾驶员在低色温3500K、4000K两组光源下对目标物的视认距离较大，视觉功效较好。在环境亮度水平较低时，不同光色环境下非彩色目标物与其背景环境颜色对比度不同，目标物与背景环境颜色差异会增加驾驶员对目标物的视敏度。因此，在一定亮度和显色指数条件下，白天隧道采用低色温3500K、4000K黄色光源较高色温的白色光源增加了视认目标物与背景环境的光色对比度，在一定程度上增加了驾驶员视认目标物的视敏度，提高了驾驶视认的视觉功效，有利于驾驶员对目标物的视认。

因此考虑驾驶安全和舒适性的白天时段(07:00-21:00)下特长隧道中间段色温应选取为4500K。

2.所述的特长隧道中间段夜晚色温需求：依据同一亮度和显色指数条件下，分析不同色温水平对驾驶员的视认距离和生心理的影响。

实验采用方法、步骤和采集指标同白天实验，采集时段为夜晚(21：00之后)，得到不同色温作用下驾驶员驾驶心率相对室外自然光环境下的心率变化率和视认距离指标变化规律，如图4和图5。

在一定显色指数条件下，当光环境亮度为1.5和3.5cd/m

驾驶员视认目标物达到“一般清楚”的距离呈先降低后增加趋势，且均大于停车视距 110m。驾驶员在色温3500K、6500K两组光源下对目标物的视认距离较大，视觉功效较好。当夜晚环境亮度水平较低，在一定的亮度和显色指数条件下，低色温3500K黄色光源增加了视认目标物与背景环境的光色对比度，在一定程度上增加了驾驶员视认目标物的视敏度，提高了驾驶视认的视觉功效；当夜晚在低亮度环境进行较长时间视认时，高色温6500K 对人体褪黑激素的产生具有抑制作用，减缓疲劳，使人清醒，同时高色温时光的散射性强，使驾驶员产生“通透”、“空旷”的主观感觉，驾驶员可在距离较远处看清目标物。因此，在一定亮度和显色指数条件下，夜晚隧道中间段采用低色温3500K或高色温6500K均可达到较好视觉功效。

因此考虑驾驶安全和舒适性的夜晚时段(21:00-07:00)下特长隧道中间段色温应选取为6000K。

上述具体实施方式仅为本设置方法的其中一种，是对本发明结合具体隧道设计速度进行的详细说明。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、替换和改变，均包含在本发明的保护范围之内。