中国彩色路面隧道光环境与视觉特征研究综述.pdf

第 卷第期 年月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)J o u r n a l o fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g)V o l N o A u g 中国彩色路面隧道光环境与视觉特征研究综述袁景玉黄丽颖姚胜霍悄(河北工业大学建筑与艺术设计学院天津 )摘要:文中在概括隧道彩色路面发展情况的基础上,收集整理了近年来彩色路面条件下隧道光环境与驾驶员视觉特征方面的重要研究成果,梳理了灯具及其布置方式、照度、亮度、色温和显色性、视觉适应时间、视认距离等隧道光环境表征参数,以及人眼注视、瞳孔状态、眨眼特征、主观适应等隧道彩色路面视觉表征参数;对比讨论了彩色路面隧道光环境与隧道彩色路面视觉评价方法,指出了当前研究的主要问题关键词:公路隧道;彩色路面;光环境评价;视觉特征中图法分类号:U d o i:/j i s s n 收稿日期:第一作者:袁景玉(),男,博士,教授,主要研究领域为健康光环境与视觉功效学通信作者:姚胜(),男,博士,讲师,主要研究领域为建筑物理环境营造与优化基金项目:城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程实验室开放课题基金(H J )引言截至 年底,我国公路隧道 处、共 万m作为道路交通系统的重要组成部分,隧道能有效缩短行车里程,节约运输成本但隧道内部空间封闭,全部依赖人工采光,隧道内外光线、出入口车速、内外车道宽度以及路面材料的差异等皆会对车辆行驶安全带来负面影响在隧道进出口处的巨大亮度差异易产生“黑洞”或“白洞”效应(见图),隧道内灯具布置不合理易产生频闪效应图隧道出入口亮度差异现有隧道常采用灰色或黑色的混凝土或沥青路面,色彩单调,易引起驾驶人的疲劳感,造成视觉不舒适,降低对突发事件的敏感度相较于普通沥青混凝土路面,彩色路面对驾驶人具有更为强烈的警示作用及较为优良的视觉调节作用,可以有效缓解视觉疲劳感此外,新型彩色路面铺设材料能有效降低机动车行驶速度,提升行驶安全性目前,针对公路隧道光环境及驾驶员视觉特征的研究多基于传统沥青混凝土路面,而针对彩色路面隧道光环境与视觉特征表征参数及评价的研究较少本文在概括隧道彩色路面发展的基础上,重点讨论了国内现有彩色路面公路隧道空间光环境与视觉特征表征参数及评价方法,并指出存在的主要问题结构框架见图隧道彩色路面发展概况铺设彩色路面后,道路表面将形成mm的构造层,可有效提高车辆轮胎与路面之间的摩擦,同时可以削弱甚至消除水膜的存在,极大提高车辆行驶的安全性此外,彩色路面与普通路面之间强烈的色彩反差可以引起驾驶员的注意,使其减速慢行,从而避免交通事故的发生考虑到内部防火要求,隧道内外的路面往往采用不同的材质,而隧道入口段彩色路面的铺设可以作为路面材质的过渡,提高驾驶的安全性图结构框架目前,国外彩色沥青路面的研究与应用已经较为成熟,早在上世纪五六十年代就开始了针对彩色沥青路面的研究并逐渐应用于道路工程我国对于隧道彩色路面的研究与应用尚处于起步阶段,建成总量较少,发展速度也较为缓慢国内隧道彩色路面相关研究关键词主要集中在光环境、隧道照明和公路隧道上,而针对于色彩选择和铺设形状的相关研究则较少,见图根据图的相关文献统计,我国隧道彩色路面研究起步于上世纪 年代,自 年起,研究成果大量增加并呈增长态势 铺设材料和构造方式隧道内彩色路面的铺设材料主要由粘合剂和集料(骨料)两部分组成常见彩色路面可以按照色彩来源和施工工艺分为表的七种类型 色彩的选择人体对于色彩感知的敏锐程度一般取决于色彩 的对比度 应综合考虑相关生理和心理因图关键词共现网络图文献数量统计表彩色路面做法名称做法普通沥青着色式路面沥青中直接填入无机金属盐类颜料彩色集料压入式路面将装饰性彩色碎石嵌压进沥青混凝土普通沥青与彩色集料拌合式路面通过车辆行驶将集料表面沥青摩擦掉获得路面色彩彩色半柔性路面将颜料掺入浸透性水泥胶浆进行着色,再灌入沥青混合料的空腔中形成路面色彩彩色胶结料(彩色沥青)路面由高分子聚合物、树脂、填充油和其他外加剂聚合形成,塑性和延展性优于普通沥青乳化彩色沥青稀浆封层路面将彩色沥青与稀浆封层技术相互结合彩色抗滑磨耗层路面将树脂基粘结剂和各种不同规格的骨料涂覆与路面表层素,并依据所需功能进行色彩选择,常用的有红色、黄色、绿色、蓝色各种颜色路面的案例与特性见表 表路面色彩选择铺装色彩特性红色易使驾驶员集中注意力,但长期接触易产生疲劳感黄色明视度较高,能最大限度吸引人的视线,穿透性强绿色对人眼刺激最小,可以有效减缓驾驶人的视觉疲劳蓝色在明视觉条件下,视觉负荷也较小 形状排列彩色路面铺装的形状排列对于驾驶人的视觉影响也不相同,见表刘晓健 通过模拟实验得出臂章式路面铺装能有效降低驾驶员在驶入隧道前的车速,增加隧道行车安全性;胡晓 提出鱼刺形隧道标线可以使路面变窄的视错觉效果增武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷强,当车速在 k m/h,鱼刺形标线的横向宽度为m,线宽为 c m,夹角为 ,闪现频率为H z时可获得最佳视错觉效果,标线颜色宜采用反光性及视认性较好的黄色或白色;文献 运用心理学评价S D法得出条块相接的红色沥青路面舒适性与安全性最优表彩色路面铺设形状名称实例臂章式彩色路面铺装鱼刺型标线条块相接型铺装彩色路面隧道光环境 隧道光环境表征参数现有隧道光环境的表征参数主要包括灯具及其布置方式、照度、亮度、色温和显色性等,这些参数共同决定着隧道内光环境能否满足安全、舒适、节能的要求 灯具及其布置方式在我国公路隧道中,最常采用的照明设备为高压钠灯和L E D灯高压钠灯具有发光功率大、透雾性强、色泽柔和、使用寿命长等特点;L E D灯则更为安全节能,发光效率更高,无明显闪烁,具有较强的可控性隧道照明灯具的布置方式主要有中央布灯、两侧对称布灯、两侧交错布灯和中线侧偏布灯方式(见图)杨韬 提出中间排列布置方式可获得最经济的照明效果,为避免闪烁效应,灯具应安装在隧道顶部两侧或中央,高度宜在路面以上m,并呈线性布置;王希良等 通过仿真实验得出在隧道出入口段中央布灯方式最优的结论 彩色路面构造做法和色彩与传统沥青混凝土路面均不相同,导致路面反射系数也存在差异,这进一步影响到隧道内灯具的选择及其布置的方式 照度在隧道照明中若照度过高,不仅会造成资源图隧道内灯具布置方式(剖面图)图隧道内灯具布置方式(顶视图)浪费,还易产生视觉疲劳;而照度过低则会使隧道能见度降低,隧道内路面的照度值通常依据对应的亮度值及相关换算系数求得,换算系数一般由现场实测确定实验表明,视觉疲劳较小的最低照度值为 l x,而最适宜的照度值范围为 l x 亮度在一定范围内,亮度越高,驾驶员的视觉效果越好,而过高的亮度会导致瞳孔强烈收缩,引起视觉疲劳;亮度过低,视网膜的照度不够,会降低物体的对比度,造成视物费力 相较于传统路面,彩色路面颜色更浅,有利于增加隧道空间亮度亮度均匀度是进一步评价隧道光环境优劣的参数,主要受到灯具配光和布灯方式的影响,公路隧道基本照明亮度总均匀度不得低于 c d/m当布灯间距较大或配光选型不合理时易导致亮度均匀度降低 色温和显色性隧道光环境中色温与显色性对于驾驶员的视觉认知效果会产生相应的影响高色温环境可以更好地感知亮度,在 K时人眼具有较高的视觉清晰度 光源的显色性越高,目标和背景第期袁景玉,等:中国彩色路面隧道光环境与视觉特征研究综述的对比度越高,暗适应时间越短 隧道光环境评价方法基于隧道光环境的表征参数,众多学者对隧道内光环境展开评价,但由于工程实例较少,且缺乏彩色路面条件下的相关照明规范,关于彩色路面条件下隧道光环境的评价方法研究相对较少文献 提出了结合物理量和生物量交互的隧道光环境信息感知方法及评价指标;翁季等 将公路隧道照明质量评价体系按照安全性、舒适性和辨识性进行分类,并分列了路面平均亮度、路面亮度总均匀度、路面平均照度、路面照度总均匀度、阈值增量等指标项,以车道中线亮度纵向均匀度、m高墙面平均亮度、对比显示系数、小目标物可见度S T V值等作为具体评价指标,对隧道内照明质量做出了定量分析,但其仅是针对隧道照明环境进行的研究,并未考虑驾驶员的视觉反应隧道彩色路面视觉特征 隧道彩色路面视觉表征参数 人眼注视注视时间即受试者注视目标物所占的累计时间 注视时间过长,易产生紧张感,使视野敏感度降低,处理信息能力下降,不利于其对周围整体环境的监视 注视时间也可以累积注视时间、平均注视时间和注视持续时间等参数表征此外,注视次数、注视角度和注视点等参数也是衡量隧道光环境的重要指标注视次数是指在一定时间内,受试者视点落在某一区域内的次数,注视次数与受试者对于此区域的感兴趣程度成正相关注视角度是指受试者注视某个目标时,眼球相对于头部在水平垂直方向上转动的角度 注视点即人眼注视的焦点,当受试者注视点发生前移时,视野会明显变窄,若注意力集中于前方较窄的区域内,则无法对于周围环境的信息进行有效快速的采集提取 瞳孔状态瞳孔状态用于表征驾驶员接受的外界信息量,还可以表示出信息的刺激程度和驾驶员的心理状态,常用的评价指标有瞳孔直径、瞳孔面积与瞳孔面积变化率瞳孔直径与瞳孔面积可以准确反映受试者的视觉心理状态,其影响因素有光照强度、受试者情绪等 瞳孔放大即代表受试者心理状态较差,处于紧张状态,视觉舒适度较差;反之,则证明受试者状态较为松弛其可间接反应出受试者所应对的视觉环境的复杂程度瞳孔面积变化率是用来描述受试者在受到外界信息刺激后极短时间内瞳孔面积的变化情况,在数值上等于变化前后瞳孔面积之差与变化时间的比值,瞳孔面积变化率越大,表明受试者的紧张感增强 当驾驶速度过大时,瞳孔面积变化率增大,人眼的视网膜难以成像清晰 眨眼特征眨眼特征包括眨眼次数、眨眼持续时间与眨眼频率可以反映人生理上的不适和心理压力状态当被测者感到焦虑时眨眼次数会显著增加,而在高度警觉时,眨眼次数会显著减少;此外疲劳也会导致眨眼次数和眨眼时间的增加 主观适应)视觉适应时间驾驶员在进入隧道时,环境光由亮变暗,人眼的瞳孔直径变大,此过程为暗适应,反之为明适应,持续时间一般为s 视觉适应时间过长对于行车安全有不利影响在隧道照明设计中,应尽量缩短视觉适应时间,由于明适应相对与暗适应要容易,所以对出口段的照明要求相对较低,但也应符合相关规范规定 )视认距离驾驶人在发现前方标识到采取措施的距离被称作视认距离在一定行驶速度下,驾驶员视认距离越长,则该隧道段内的光环境质量越差研究表明通过改变道路路面颜色,可以提高隧 道 内 的 照 度 与 亮 度,从 而 缩 短 视 认 距离 隧道彩色路面视觉评价方法基于上述表征参数,国内学者针对彩色路面隧道内驾驶人的视觉特征和评价方法进行了研究文献 建立了隧道路面色彩衔接段的视觉负荷评价方法,通过彩色路面环境下的眼动实验,提出了隧道彩色路面色彩衔接段颜色为灰黄色组合时瞳孔面积瞬间最大速率最小,此时驾驶员的视觉刺激最小,最有利于驾驶安全文献 在现场调研的基础上,建立了隧道入口段视认距离、亮度差与运行速度三者之间的关系模型,当光色环境保持不变时,驾驶员的视认功效会随着其亮度水平的提升而升高此外,其建立了不同光源特性、不同运行速度下满足驾驶视认需求的光源特性量化评价指标体系(见表)杨龙清等 基于隧道照明区段划分,对彩色路面环境下的隧道视点位置、视野角度和视距进行分析,构建了隧道的三维驾驶视觉空间(见图武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷表光源特性量化评价指标隧道区段时间评价指标入口段白天亮度折减系数、色温及显色性、视认距离夜间光源特性评价指标、视认距离中间段全天路面亮度、光色、亮度均匀系数、视认距离出口段白天色温和显色性、亮度差异水平、均匀性、视认距离夜间亮度差、色温及显色指数、视认距离),此技术有助于分析驾驶员的视觉规律图隧道三维驾驶视觉空间示意图卓曦等 提出了注视点分布的莫兰指数、扫视时间加权的扫视幅度和基于瞳孔面积变化率的不舒适时间比例个视觉诱导评价指标模型(见表),进而确定了基于k m e a n s聚类的视觉诱导评价方法,并通过实验模拟得出黄色系和红色系路面环境下隧道视觉诱导性较优表视觉诱导评价指标模型指标评价标准注视点分布的莫兰指数模型均值越大,表明注视点分布趋于聚集,反之注视点分布趋于分散(取值范围为到)扫视时间加权的扫视幅度模型均值较小,表明驾驶员以小范围扫视即可获取信息,此时驾驶紧张度较低,反之则紧张度较高基于瞳孔面积变化率的不舒适时间比例模型均值较小,说明视觉舒适度较好,反之则视觉舒适度较差现有隧道内彩色路面相关研究多以驾驶安全性及视觉警示作用为出发点,对长距离驾驶员视觉舒适性提升关注较少,因此,通过对多维方面评价指标进行综合分析,构建综合驾驶安全性与视觉舒适性的视觉评价模型是十分重要的结 束 语现阶段在彩色路面条件下隧道内光环境与驾驶员视觉特征的研究中主要沿用普通沥青混凝土路面的相关表征参数与评价指标,但彩色路面因其较高的反射系数和有别于传统的构造方式对隧道驾驶安全性提出了新的要求本文从隧道彩色路面发展概况、彩色路面隧道光环境和隧道彩色路面视觉特征个方面进行了相关研究综述综合现有研究,彩色路面较高的反射系数有助于改善隧道光环境,其中红色系路面有助于提高驾驶人的视觉警示性以及隧道运营的经济性能;模拟实验多基于现有规范,不能兼顾隧道环境之间的差异性,参数设置范围小,未结合空气质量、隧道内温湿度和围护结构等相关情况进行综合考量,对隧道现状还原性低;彩色路面隧道相关研究应综合其特征参数进行光环境与驾驶员视觉评价,将定性与定量研究相互结合,为彩色路面隧道的发展和有关规范更新制定提供依据参 考 文 献 年我国交通运输行业发展统计公报发布J隧道建设(中英文),():高静,高国栋,李俊隧道进出口彩色沥青路面探析J北方交通,():杜志刚,潘晓东,杨轸,等高速公路隧道进出口视觉震荡与行车安全研究J中国公路学报,():李炳杰基于视觉明暗适应变化规律的公路隧道洞口景观优化研究D重庆:重庆交通大学,黄莹基于虚拟现实的隧道内彩色路面视觉舒适研究D天津:河北工业大学,刘艳明新型防滑彩色路面技术分析J黑龙江交通科技,():杨波,闫旭亮,吴平,等基于驾驶员行为模型的彩色安全路面设计方法研究J公路交通科技(应用技术版),():苏彤毅彩色防滑路面在福银高速公路(宁夏境)隧道入口路段的应用J江西建材,():邓蕾蕾彩色路面设计与工程应用研究D重庆:重庆交通大学,梁波,梁加林,何世永,等公路隧道光环境信息感知及试验研究J隧道建设(中英文),():龙瑛高速公路彩色沥青路面对行车安全的影响研究D成都:西南交通大学,朱沁茹彩色路面环境下公路隧道照明设施优化技术研究D福州:福州大学,刘晓健基于视觉评价的高速公路隧道进出口路面色彩研究D天津:河北工业大学,胡晓越 江 隧 道 入 口 段 优 化 设 计 J综 合 运 输,():杜志刚,余昕宇,向一鸣,等基于交通事故预防的高速公路隧道光环境优化研究J武汉理工大学学报(交通科学与工程版),():杨韬隧道照明反射增量系数研究D重庆:重庆第期袁景玉,等:中国彩色路面隧道光环境与视觉特征研究综述大学,王希良,李晓寒,韩美玲,等高速公路隧道按需照明的节能控制J照明工程学报,():刘强基于安全节能的隧道入口照明方法改善研究D石家庄:石家庄铁道大学,酆庆,李恭慰,王美昌公路隧道照明设计要领C中国照明学会()学术年会,北京,祁长峰,黄心宁试述视疲劳的成因及解除方法J中国眼镜科技杂志,():刘松荣,赵卫斌,史玲娜,等基于质量提升的隧道照明节能设计研究J地下空间与工程学报,(增刊):黄媛高速公路隧道光环境分析及照 明 技术 应用D西安:长安大学,翁季,陈秀雯,黄珂,等公路隧道照明对比显示系数探讨J灯与照明,():,施卢丹高速公路特长隧道驾驶员眼动注视特性研究D西安:长安大学,孙婷婷隧道入口驾驶员视觉特性与景观营造技术研究D重庆:重庆交通大学,袁伟城市道路环境中汽车驾驶员动态视觉特性试验研究D西安:长安大学,郭宝义夜间公路隧道出入口段驾驶员眼动特性研究D西安:长安大学,焦方通,杜志刚,王首硕,等城市水下特长隧道出入口视觉及舒适性研究J中国公路学报,():尚婷,唐伯明,段萌萌基于驾驶员瞳孔面积变化率的公路视错觉减速标线横向宽度研究J重庆交通大学学报(自然科学版),():杜志刚,黄发明,严新平,等基于瞳孔面积变动的公路隧道明暗适应时间 J公 路交 通科 技,():乔飞艳高速公路隧道路段对驾驶员视觉及心率影响规律研究D长春:吉林大学,陈文成,陈大华,林燕丹,等隧道照明的探讨及其实践C海峡两岸第十一届照明科技与营销研讨会,厦门,刘洋基于驾驶员生理与心理反应的公路隧道光环境分析D呼和浩特:内蒙古农业大学,刘国贵,劳春江,陆远迅基于视认特性的公路隧道限速标 志位 置研 究J山 西 建 筑,():杨龙清,江建,王家主,等彩色路面环境下隧道驾驶视觉空间研究J福建交通科技,():卓曦,唐璐璐,王家主,等彩色路面环境下隧道视觉诱导性评 价J福 州 大学 学报(自然 科学 版),():AR e v i e wo fL i g h tE n v i r o n m e n t a n dV i s u a lC h a r a c t e r i s t i c so fC o l o rR o a dT u n n e l s i nC h i n aY U A NJ i n g y u H U A N GL i y i n g Y A OS h e n g H U OQ i a o(S c h o o l o fA r c h i t e c t u r ea n dA r tD e s i g n,H e b e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,T i a n j i n ,C h i n a)A b s t r a c t:O nt h eb a s i so fs u mm a r i z i n gt h ed e v e l o p m e n to ft u n n e lc o l o rp a v e m e n t,t h ei m p o r t a n tr e s e a r c hr e s u l t so ft u n n e l l i g h te n v i r o n m e n ta n dd r i v e rsv i s u a lc h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h ec o n d i t i o no fc o l o rp a v e m e n t i nr e c e n t y e a r sw e r e c o l l e c t e da n ds o r t e do u t,a n d t h e t u n n e l l i g h t e n v i r o n m e n t c h a r a c t e r i z a t i o np a r a m e t e r ss u c ha sl a m p sa n dt h e i ra r r a n g e m e n t,i l l u m i n a n c e,b r i g h t n e s s,c o l o rt e m p e r a t u r ea n dc o l o rr e n d e r i n g,v i s u a la d a p t a t i o nt i m ea n dv i s u a lr e c o g n i t i o nd i s t a n c e,a sw e l la sh u m a ne y e sg a z e,p u p i l s t a t e,b l i n k i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n ds u b j e c t i v ea d a p t a t i o nw e r es o r t e do u t T h ev i s u a le v a l u a t i o nm e t h o d so ft u n n e l l i g h te n v i r o n m e n ta n dt u n n e lc o l o rp a v e m e n tw e r ec o m p a r e da n dd i s c u s s e d,a n dt h em a i np r o b l e m so f c u r r e n t r e s e a r c hw e r ep o i n t e do u t K e yw o r d s:h i g h w a y t u n n e l s;c o l o r e dp a v e m e n t;l i g h t e n v i r o n m e n t a l a s s e s s m e n t;v i s u a l c h a r a c t e r i s t i c s武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷