基于安全视认的白天隧道入口段照明标准测算方法及其系统

摘要

本发明涉及基于安全视认的白天隧道入口段照明标准测算方法，包括：（a）设定隧道入口段内光环境参数；（b）确定隧道内特征位置，测量隧道内特征位置的平均路面亮度L；（c）在隧道内特征位置放置目标物，令驾驶员以不同速度从隧道外驾车驶向目标物，获取驾驶员不同速度下发现目标物的视认距离D，测量驾驶员发现目标物时所在位置的路面亮度L20，求取亮度折减系数K为L与L20的值；（d）重新设定隧道入口段平均路面亮度L，重复（b）和（c），获取多组不同的视认距离D和相应的亮度折减系数K；（e）利用Sigmoid函数模型对多组D与K的数据计算拟合，求得D与K的关系模型公式为；（a）将隧道最高限速的安全停车视距D0代入到所述模型公式中，得出白天隧道入口段的最小亮度折减系数K0。本发明还涉及实现本发明方法的系统。

说明书

技术领域

本发明涉及公路隧道照明技术领域，特别涉及一种基于安全视认的白天隧道入口段照明标准的测算方法及系统。

背景技术

公路隧道照明目的是为安全、高效的隧道交通运行营造良好的光环境，保证隧道路面能见度和驾驶员的可视性，满足驾驶员从环境中迅速获取大量信息的需要，防止因视觉信息不足而引发交通事故。白天隧道入口段照明条件对驾驶员的视觉特性产生直接影响。当照明水平设计不合理时便会导致隧道洞内外光环境变化剧烈，出现“黑洞效应”，使驾驶员出现视觉滞后现象，导致驾驶视认困难和紧张而采取错误的驾驶行为，易诱发交通事故。国内外针对这种问题，提出了对白天入口段的照明进行设计，但也存在问题。

国内外对白天隧道入口段照明设计存在诸多问题。如只考虑了亮度指标，缺乏对色温、显指等光源特性指标的考虑，设计指标过于单一，往往不能满足驾驶员在不同色温、显色指数光源特性照明条件下的实际需要，降低了隧道运行的安全服务水平。研究隧道入口段照明光源特征和视认小目标物的手段多采用静态检测手段，约束了研究成果的可靠性，对一定设计速度或限制速度条件下的隧道入口段照明标准至今缺乏一个合理的检测计算方法，使得隧道的照明设计不能有效消除黑洞效应带来的安全隐患。为了提高公路隧道的行车的安全性、稳定性和舒适性，需要寻求一种能够用于实际驾驶过程中隧道入口段不同光源特性照明标准的测算方法及其系统，特别是对于白天隧道入口段。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述技术缺陷，提供一种多指标、动态测量、可靠性高和满足驾驶员实际需要的基于视认安全的隧道入口段照明标准的测算方法，同时，本发明还提供了一种系统紧凑、操作简易的实现基于视认安全的隧道入口段照明标准的测算方法的系统，此系统提供多种光环境变量，能够动态测量这些变量，从而克服了传统测算系统指标单一、静态检测可靠性低、不能满足实际驾驶需要的技术缺陷。

为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供一种基于安全视认的白天隧道入口段照明标准的测算方法，所述测算方法包括如下步骤：（a）设定隧道入口段内的光环境参数，包括设定隧道内色温为T₀，设定显色指数为Ra₀和隧道入口段内平均亮度为L；（b）确定隧道内特征位置，所述隧道内特征位置是从该特征位置处开始隧道内的路面亮度保持不变, 并测量所述隧道内特征位置的平均路面亮度L；（c）在所述隧道内特征位置处放置目标物，令驾驶员以不同速度从隧道外驾驶机动车向所述目标物方向行驶，从而获取驾驶员不同速度下发现所述目标物所需的视认距离D，并测量驾驶员发现所述目标物时所在位置的路面亮度L₂₀，求取亮度折减系数K为L与L₂₀的比值；（d）重新设定隧道入口段平均路面亮度L，并重复步骤（b）和（c），从而获取多组不同平均路面亮度对应的视认距离D和相应的亮度折减系数K；（e）根据获取的多组视认距离D和相应的亮度折减系数K，利用Sigmoid函数模型对多组D与K的数据进行计算拟合，求得D与K的关系模型公式为                                                ；（f）将所述隧道的设计最高限速速度下的安全停车视距D₀代入到所述模型公式中，得出所述白天隧道入口段所要求的最小亮度折减系数K₀。

进一步的，在（f）步骤后，还有如下步骤进一步对于所述白天隧道入口段所要求的最小亮度折减系数K₀进行校正：（g）设定隧道入口段色温为T₀和显色指数为Ra₀；（h）确定隧道内特征位置，所述隧道内特征位置是从该特征位置处开始隧道内的光照亮度保持不变，在所述隧道内特征位置处放置目标物，将机动车停在距所述目标物安全停车视距D₀处；（i）令所述驾驶员进入所述机动车驾驶室，调节所述隧道入口段平均路面亮度L由小到大，记录所述驾驶员发现所述目标物所需的最小静态亮度值L_f，并同时测量隧道洞口外安全停车视距D₀处的平均路面L₂₀，求取静态最小亮度折减系数K_f为L与L₂₀的比值；（j）重新设定隧道入口段的色温与显色指数中的至少一个，将重复步骤（h）和（i），从而获取不同色温与显色指数对应的静态最小亮度折减系数K_f，将色温为T₀，显色指数为Ra₀对应的静态最小亮度折减系数K_f为基准J，将不同色温与显色指数对应的静态最小亮度折减系数K_f与J相比，求得不同色温与显色指数对应的视觉修正系数a；求出不同光环境下隧道入口段的最小亮度折减系数K_0d为a与K₀的乘积。

本发明的第二方面，提供了一种实现基于安全视认的白天隧道入口段照明标准测算方法的系统，包括隧道入口段子系统，所述隧道入口段子系统包括安装在隧道入口段的可调节输出功率的照明装置，用于设置隧道光环境；测试子系统，所述测试子系统包括机动车、目标物、洞内亮度测量装置、洞外亮度测量装置、色温测量装置、显色指数测量装置、速度测量装置、距离测量装置组成，用于动态测试和静态测试及其数据采集；数据计算子系统，所述数据计算子系统包括计算机系统，用于对于采集数据的拟合与处理。

本发明的方法和系统从驾驶视认安全舒适性的角度考虑，结合驾驶员在实际动态驾驶过程中的视认特性，得到满足驾驶员在不同光环境下安全视认需求的照明标准，以期实现安全、舒适、合理的白天隧道入口段光环境设置。这一方法弥补了从驾驶视认需求角度来研究白天隧道入口段照明指标的空白；另一方面能够辅助营造良好、可靠、安全的视觉环境，确保驾驶员能够以设计速度安全舒适地接近、穿越和通过隧道，降低隧道交通运行风险及隧道照明能耗和成本。通过计算隧道入口自然光源与人造光源耦合作用的不同光环境下满足驾驶员连续动态视认需求的照明标准，就可达到隧道入口段照明节能与交通安全的协调统一。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出基于安全视认的白天隧道入口段照明标准的测算方法的实施方式示意图；

图2示意性示出基于安全视认的白天隧道入口段照明标准的测算方法的实施方式的剖面示意图；

图3系基于安全视认的白天隧道入口段照明标准的测算方法流程图；

图4基于安全视认的白天隧道入口段照明标准的测算的方法流程图。

附图标记 

100 隧道入口段   101 隧道洞口    102 隧道内特征位置   103 目标物   104 机动车

105隧道外特征位置    106 照明装置    107车行道中间线     108 车行道边缘线

109车行道分界线    110 位置点。      

具体实施方式

在下的具体实施方式的描述中，将参考附图描述本发明的具体实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

实施例一

图1和图2示出了本发明提供的基于安全视认的白天隧道入口段照明标准的测算方法的实施方式的示意图。本发明的目的在于通过提供一种白天隧道入口段的照明标准测算方法，以计算出不同光环境下满足安全视认的白天隧道入口段100与隧道外部的路面亮度比值，即隧道内外亮度折减系数，进而，可以根据不同隧道的行驶设计要求，为隧道入口段的照明设计提供参考，确保驾驶者的行驶安全。

白天隧道入口段100光环境复杂，既有自然光又有人工光，为了表征隧道入口段100光环境，使用色温、显色指数、平均路面亮度作为光环境参数，可选取一特征面来代表隧道入口段100内的光环境，此特征面的位置位于隧道内光环境稳定段的开始处。

如图1和图2所示，根据本发明的方法，首先设定隧道入口段的光环境参数，在此实施例中，设定隧道入口段内的色温、显色指数、平均路面亮度的数值。然后确定隧道内特征位置102，具体来说，利用亮度计测量隧道内亮度，从隧道洞口101处向隧道内每间隔1m分别测量路面处的亮度值，当检测到的亮度值不再发生变化时记录下该位置，该位置即为隧道内特征102。隧道内特征102的位置所在道路横断面是隧道内外光环境分界的临界断面，并将此特征断面作为目标物103放置的位置。

然后，以该隧道内特征102以内一段区域的平均亮度作为路面亮度的表征值。分别测量出隧道内特征位置102以内且相邻照明装置106之间的车行道分界线109、车行道边缘线108以及车行道中间线107上水平间隔1m的多个位置点110的亮度，记录并进一步计算出平均路面亮度，则该平均路面亮度为隧道内特征位置102的路面亮度表征值。具体地，计算平均路面亮度所选择的隧道内区域是由隧道内特征102的位置向隧道内方向测量的一段区域。具体的测量距离例如为隧道内两相邻照明装置之间的距离。

然后，将一目标物放置在隧道内特征102的位置所在道路横断面处，由驾驶员驾驶机动车104以不同的行驶速度驶入隧道，在行驶过程中由隧道外视认隧道入口段内目标物103，采集不同行驶速度下驾驶员的视认距离D，即发现目标物时与目标物的距离。

根据本发明的本实施例，驾驶员坐在机动车中平均目高约为1.2m。通过机动车非接触速度仪记录驾驶员驾车的运行速度和发现目标物时车辆的位置，即该位置为隧道外特征位置105，并测量出隧道外特征位置105至隧道内特征位置102的距离，即视认距离D，所述利用非接触速度仪测量视认距离的方法，是当驾驶员发现所述目标物时触发非接触速度仪，记录下一个位置，当驾驶员通过所述特征位置102，即通过所述目标物位置时，再次触发所述非接触速度仪，记录下另一个位置，两个位置之差为视认距离D。

然后，将隧道内光环境改变设定为不同的亮度，由驾驶员驾驶机动车104以不同的行驶速度驶入隧道，在行驶过程中由隧道外视认隧道入口段内目标物103，采集不同光环境和不同行驶速度下驾驶员的视认距离D。

根据本发明的本实施例，采用的显色指数为70，实验表明显色指数越高越接近太阳光，越有利于视认，即越高越好。本实施例中选取较低的显色指数70，考虑了最不利的极端情况，而实际生产出来的灯具通常都不低于70的显色指数，因此都会更优于本实施例的极端情况。本试验中的显色指数和色温均选择为实测的数值，这是由于一般的灯具在实际安装后会与出厂时标定的色温与显色指数有偏差。测量显色指数和色温的方法同平均亮度类似，可以测量多点后取平均值。

为了消除驾驶员之间的差异，选择多名不同年龄段、不同驾龄段和不同视力段（正常视力范围内）的驾驶员以不同的速度驾驶机动车104，重复以上试验获得并记录下多组数据。经分析，驾驶员视认主要受洞内外亮度差异和驾驶员自身的行车感觉的影响，因此导致每位被试驾驶员对小目标物的视认距离与车辆运行速度的相关性较差，故无需考虑运行速度的影响，从而可以利用多组数据建立视认距离D与亮度折减系数K的计算模型，并通过该模型测算出合理的亮度折减系数。

如图3所示，具体给出了本发明基于安全视认的白天入口段照明标准测算方法的实施步骤，具体步骤如下：

步骤201，设定隧道内的光环境参数，所述光环境参数为色温、显色指数和平均路面亮度，将隧道内光环境照明设定在某一色温T₀、显色指数Ra₀和隧道入口段平均路面亮度L。在本发明的本实施例中测量色温与显色指数可以利用分光辐射照度计来测量，测量隧道入口段平均路面亮度L可以采用亮度计或照度计来测量，采用照度计时，需利用平均照度与平均亮度之间的关系，即平均照度换算系数来求取亮度。

步骤202，确定隧道内特征位置102，该隧道内特征位置102为隧道内外光环境分界的临界断面，即从该位置处隧道内的环境亮度开始保持不变，并测量所述隧道内特征位置的平均路面亮度L。

根据本发明的本实施例，确定隧道内特征位置所使用的方法是从隧道洞口处向隧道内每间隔特定距离（例如，1m）分别测量路面处的亮度值，当检测到的亮度值不再发生变化时记录下该位置点，则该位置即为隧道内特征位置102。且特征位置所在道路横断面是隧道内外光环境分界的临界断面。

步骤203，在隧道内特征位置102放置目标物，令驾驶员以不同的速度从隧道外驾驶机动车向隧道内目标物方向行驶，采集每个速度下各自的针对目标物103的视认距离D，为了测量方便，可以利用机动车上安装的非接触速度仪来测量驾驶速度。并测量距隧道洞口安全停车视距D₀处，距地面1.50m高正对洞口方向20°视场实测得到的平均亮度L₂₀，求取亮度折减系数K为L与L₂₀的比值。

根据本发明的本实施例，例如，要求驾驶员从隧道外2km处驾驶机动车104向隧道内目标物方向直线行驶，在行驶过程中对隧道内目标物进行视认，以能否轻松快速的发现目标物为判别标准。当驾驶员发现目标物时，即可采集机动车位置数据，通过触发机动车104上安装的非接触速度仪标记此时机动车104的具体位置（即隧道外特征位置105）；当机动车104行驶到目标物103位置时，再次标记机动车104此时的具体位置（隧道内特征位置102）；计算两位置之间的距离，该距离即为视认距离D。

步骤204，改变隧道内光环境照明的平均路面亮度，重复步骤202和步骤203，得到多组不同平均路面亮度下对应的视认距离D和相应的亮度折减系数K。

步骤205，将步骤204得到的多组视认距离D和相应的亮度折减系数K的数据通过利用Sigmoid函数模型对两组信息进行拟合，采用拟牛顿法中的BFGS方法进行参数学习，求出D与K的关系模型公式，如关系模型公式为：

                                 （1）

步骤206，将隧道的设计最高限速限制速度下的停车视距D₀代入到上述公式（1）中，测算得到该隧道所要求的最小亮度折减系数K₀。通过上述测算满足该隧道最高限速速度下最小亮度折减系数，并由此来设定隧道内亮度值，这样就保证了隧道入口段行车的安全性。

在实际路况下，道路上的障碍物大多由不规则的多面体组成，汽车底盘离地最小高度变化在0.10~0.20m之间。道路上引起车辆倾覆的最大障碍物高度为18cm，当高度大于18cm时驾驶员必须采取躲闪措施。按视认最不利原则并结合CIE 2004年隧道照明指南中的推荐，本发明的本实施例中的目标物采用例如反射率为20%，形状为20cm×20cm×20cm的灰色立方体。

实施例二

       参照图1、图3与图4，基于本实施例，本发明的基于视认安全的白天隧道入口段照明标准测算方法可进一步测算出白天隧道入口段不同光环境下的最小亮度折减系数K_0d，还包括静态测量步骤，进一步对于所述白天隧道入口段所要求的最小亮度折减系数K₀进行校正，所述静态测量步骤包括以下步骤，

步骤207，设定隧道光环境，包括设定隧道光环境的色温为T₀和显色指数为Ra₀；

步骤208，确定隧道内特征位置102，在所述隧道内特征位置102处放置目标物103，将机动车停在距所述目标物安全停车视距D₀处，所述安全停车视距D_o与隧道的设计最高限速速度相对应；

步骤209，令所述驾驶员进入所述机动车104驾驶室进行静态测试，调节所述隧道入口段100平均路面亮度L由小到大，记录所述驾驶员发现所述目标物103所需的最小静态亮度值L_f，并同时测量洞外距地面1.50m 高正对洞口方向20°视场实测得到的平均亮度L₂₀，求取静态最小亮度折减系数K_f为L与L₂₀的比值。

本发明的本实施例中，所述驾驶员在机动车104中坐姿直立，目高例如为1.2m。本发明实施例的测量洞外亮度的步骤采用洞外亮度测量装置，所述洞外亮度测量装置如可为光强检测器，可将其架设在距隧道洞口101安全停车视距，距地面1.5处，正对隧道洞口方向20°视场。

步骤2010，重新设定隧道内色温与显色指数中的至少一个，重复步骤208和步骤209，从而获取不同色温、显色指数对应的静态最小亮度折减系数K_f，将色温为T₀，显色指数为Ra₀对应的静态最小亮度折减系数K_f为基准J，将不同色温与显色指数对应的静态最小亮度折减系数K_f与J相比，求得不同色温与显色指数对应的视觉修正系数a。

步骤2011，求出不同光环境下的白天隧道入口段的最小亮度折减系数K_0d为a与K₀的乘积。

通过本发明的本实施例，针对不同光环境下进行动态、静态测试，确定出以不同显色指数和色温下满足安全停车视距D₀为基准的最小亮度折减系数，确定了驾驶员在白天通过隧道所需的安全视认的最小亮度折减系数，为车辆的隧道安全通行的的安全视认提供了可靠的光环境设置标准。

实施例三

根据本发明的实施例一建立的模型，可以用于基于视认距离（驾驶员能够发现目标物103时机动车104与目标物103之间的距离）的亮度折减系数的计算方法，以下为该模型具体应用的实施例：

用于计算机动车驾驶员在某省高速公路白天行驶时隧道入口段安全的亮度折减系数K。某省高速公路隧道全长555m，设计速度和最高限速为80km/h，隧道入口段光色环境为色温5700K、显色指数70，隧道内铺装沥青混凝土路面。目前国际上在道路视觉认知方面所采用的被试驾驶员数量尚未达到共识，从已发表的国际论文中一般为4~8名，最多至15名，本发明的本实施例中随机抽取了6名机动车驾驶员，测算不同的隧道内路面亮度，要求驾驶员驾驶机动车以一定的速度从隧道外向隧道内行驶，并在行驶过程中对前方目标物103进行视认，以能否轻松快速的发现目标物103为判别标准，记录驾驶员对目标物103的视认情况。

在视认过程中分别采集驾驶员在试验路段上行驶时的视认信息和隧道洞内光环境信息，再根据本发明的模型进行白天隧道入口段亮度折减系数计算。驾驶员在不同隧道入口段亮度折减系数情况下对隧道内目标物进行视认，共采集样本22个，其中有效样本为15个，如表1所示。

表1 白天入口段动态视认结果汇总

建立亮度折减系数与视认距离之间的Sigmoid函数模型，模型为，将设计最高限制速度80km/h的停车视距D=110m代入模型中，即可计算出最小亮度折减系数：0.045，故建议将隧道入口段亮度折减系数在0.045以上以保证白天隧道入口段的行车安全，如果此隧道将来改变最到限制速度，也可通过亮度折减系数与视认距离之间的模型，求出最小亮度折减系数，见表2

表2 不同最高限制速度对应的亮度折减系数

实施例四

本发明在实施例三的基础上，本发明通过进一步改变色温，进行静态视认，求出视觉修正系数a，见表3，

表3 视觉修正系数

根据本发明的实施例，求出不同光环境下、不同最高限制速度对应的最小亮度折减系数，结果见表4，此折减系数适用于自由流交通状况，

表4 不同光环境、不同最高限制速度对应的最小亮度折减系数

实施例五

    本发明还提供了一种实现基于视认安全的白天隧道入口段照明标准测算方法的系统，包括隧道入口段子系统，所述隧道入口段子系统包括安装在隧道入口段100内的可调节输出功率的照明装置，用于设置隧道光环境；测试子系统，所述测试子系统包括机动车104、目标物103、洞内亮度测量装置、洞外亮度测量装置、色温测量装置、显色指数测量装置、速度测量装置、距离测量装置组成，用于动态测试和静态测试及其数据采集；数据计算子系统，所述数据计算子系统包括计算机系统，用于测试数据的拟合与处理。

       本发明的本实施例中，所述隧道入口段子系统中，所述照明装置可设置为各种照明灯具，通过照明灯具对光环境参数色温、显色指数、亮度进行调整。为了测量步骤简化，所述色温测量装置和显色指数测量装置为分光辐射照度计，所述距离测量装置和速度测量装置集成为一个，为非接触式速度仪，使得系统简化；隧道内路面亮度测量装置为亮度计或照度计，当为照度计时，通过求取平均亮度与平均照度之间的关系，即平均照度换算系数，来求取亮度。

       对大客车而言，小客车视野开阔程度较低，相同环境下驾驶员对目标物103的视认更加困难，在本发明的本实施例中，按最不利原则选取所述机动车104例如为小客车。

       为了更有效地测量隧道口的洞外亮度，使得所测的数据更具有代表性，本发明的本实施例对隧道外亮度测量装置的位置进一步说明为在距隧道洞口安全停车视距D₀，距地面1.5m高处，所述洞外亮度测量装置正对隧道洞口方向20°视场，所述亮度测量装置可以是光强检测器，也可以是亮度计或者其他仪器。

本发明不仅考虑隧道内的光环境信息，还综合考虑了驾驶员的动态因素。通过本发明的测算方法可以有效地测算出白天隧道入口段的最小亮度折减系数，不仅提高了白天隧道入口段驾驶员行车的安全性，也为隧道照明的节能运行和道路交通安全研究提供了参考依据。

所述附图仅为示意性的并且未按比例画出。虽然已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解本发明的保护范围并不局限于这里所描述的实施例。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。