在白昼，公路隧道的洞口内外会产生巨大的亮度差异，驾驶车辆从洞外进入洞内会使驾驶员产生黑洞现象、视觉适应滞后现象和心理障碍，造成察觉障碍物和采取制动措施的反应时间延长，是极易引发交通事故的特殊路段。隧道入口段照明正是为提高洞内亮度，减少洞内外亮度差异而采取的安全保障措施。由于隧道照明的特殊性——昼夜均需要照明，隧道照明会比道路照明消耗更多的电能。因此，隧道入口段照明的好坏将直接关系到隧道交通的安全与节能。但是，现行有关的公路隧道照明设计规范和标准^{[1, 2]}只考虑了公路隧道路面的亮度或照度水平，没有考虑光源的色温和光谱分布对照明效果的影响。近几年的研究成果表明，光源的色温及光谱功率分布对反应时间与瞳孔大小均有直接影响^{[3, 4]}。

一些学者进行了光源色温对公路隧道照明视觉功效影响的研究，初步研究结果表明用高色温的紧凑型荧光灯照明能缩短反应时间，而低色温的紧凑型荧光灯则会延长反应时间^{[5, 6]}。相对于传统隧道照明光源——高压钠灯(以下简称HPS)和金卤灯(以下简称MH)，LED光源的光效高，色温分布范围广，是目前推广应用的节能光源。如果将LED光源应用于隧道照明，能否实现交通安全与节能？如何确定它适用隧道照明的色温值和光谱分布范围？本文针对以上问题，基于实际视觉试验,分析光源色温与光谱分布对反应时间与周边视觉的综合影响，科学评价光源色温对隧道入口段照明效果的真实影响，提出有利于隧道入口段交通安全与节能的光源，进而确定适用光源的色温值和光谱分布范围。

隧道入口段照明的要求是确保驾驶员在白昼和夜晚以设计速度驾车进入隧道时有良好的视看条件。为了达到这一要求，最重要的是使白昼进入隧道的驾驶员能尽快地视觉适应和有足够的安全停车距离，包括辨认隧道内的道路形状、发现隧道内出现的障碍物和后面的驾驶者。

我国现行的《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ 026.1—1999)^[1]依据洞外亮度，采用k值法确定入口段照明所需的亮度,计算式为：

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此种计算方法取决于k值的确定和洞外亮度的取值，而k值目前国际上还没有公认的确定值，并且式(1)也没有考虑光源的色温和光谱分布对隧道照明效果的影响。

国际照明委员会(CIE)于2004年颁布了《公路隧道及地下通道照明指南》^[2]，对k值法进行了修订。规定入口段前半部分的照明亮度水平应当等于L_e(入口段起点的亮度值)。从入口段长度一半的地方开始，通常建议其亮度水平开始线性逐步降低到某个值，在入口段结束时其值为0.4L_th。L_th采用感知对比度的方法来确定，并考虑了人眼察觉生理和心理的因素,按式(2) 计算:

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CIE规定用来评价照明设计正确与否的安全停车距离SD是由反应时间所行驶的距离X₁和刹车时间所行驶的距离X₂组成的^[2]：

停车距离SD可表示为：

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从式(3)可以看出，当系数f,s一定的时候，安全停车距离主要由司机的反应时间和车速确定。如果假定t₀=1 s，u=80 km/h，s =0，f=0.33(查表A.2.2^[2])，根据式(3)计算出的SD=98.55 m，与我国标准^[1]规定的照明停车视距D_s=100 m很接近(见表 1)。

日本关于交通肇事次数与反应时间关系的调查数据表明，肇事次数与驾驶员反应时间长短成正比关系^[7] ，见表 2。

由此可见，驾驶员的反应时间是保证安全停车视距的关键指标，直接关系到隧道的交通安全，特别是在事故易发的隧道入口段。从表 2中反应时间与交通事故次数呈正相关的关系可以看出，将反应时间作为评价光源视觉功效的参数，是非常重要的，也是必要的。

反应时间试验采用自行研制的隧道照明视觉功效测量系统进行研究，精度达到ms。试验旨在模拟隧道入口段的视看环境，测量人眼在入口段照明条件下察觉视标的反应时间。试验采用7种光源——150 WHPS(色温1 919 K)和150 WMH(色温2 739 K)以及5种色温的LED光源。受测者在特定的视看条件下(由不同的试验参数确定)，一旦发现突然出现的视标立即按下按钮，由电子计时仪记录其反应时间。在受测者开始每组试验前，先用30 min来适应较暗的试验环境，试验情景见图 1。

图 1 反应时间试验Fig. 1 Experiment of reaction time

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5名受测者(3男2女，年龄20~24岁)参与了试验，所有的受测者都拥有正常的色觉和矫正视力。试验根据我国《公路隧道通风照明设计规范》要求，采用入口段亮度公式L_th = k×L₂₀(s)计算背景亮度L_b。

取行车速度80 km/h，查规范表得k=0.025。由于重庆地区大多属于山区地貌，且多雾，洞外亮度L₂₀取3 200 cd/m²，入口段亮度L_th=0.025×3 200=80 cd/m²。试验中设置背景亮度L_b=80 cd/m²，即对应的是隧道入口段的亮度。

每个受测者在每种光源下测试45个数据： 3个视标对比度×15个目标物位置(其中0°，10°，-10° 视角各5个)，共7种光源。试验参数设置见表 3。

对于试验中的每一种测试条件，反应时间是指从视标突然出现(电子快门打开)到受测者按下按钮时的时间差。对3种对比度下所有受测者完成的反应时间取平均值，计算结果见表 4。

从表 4可以看出，同一受测者在相同照明水平下但处在不同色温光源的照明条件下，反应时间值的差异很大。例如受测者HWQ在MH条件下的反应时间245 ms比他在LED4条件下的反应时间143 ms多了近一倍时间。而且，这并非个别现象，从5位受测者(3男2女)的反应时间数据来看，每个人均显示MH的反应时间最长，LED4的反应时间较短，这表明光源色温对反应时间的影响是存在的。平均值的数据显示了在隧道照明入口段，MH的反应时间最长，表明色温为2 739 K的MH的视觉功效最低。LED光源的反应时间值均小于HPS和MH，说明在隧道照明入口段，LED光源的视觉功效均高于HPS和MH，并且随着LED光源色温值升高，反应时间有递减趋势。LED4的色温值最高为5 128 K，反应时间也最短，说明高色温的LED4在入口段照明水平下视觉功效最高。LED光源中反应时间最长的是LED3，色温值为3 686 K。

LED4与LED3的光谱功率分布比较见图 2。LED4的波长最高峰值在460 nm附近，且辐射量数值达到1.5e^-3，光谱分布明显向蓝绿光方向积聚；另一个突起位于560 nm附近，但是辐射量数值只有1e^-3，LED4的光谱分布明显偏向短波方向。而LED3的最高峰值在580 nm附近，向长波方向偏移，虽然在460 nm附近也有一个突起，但辐射量数值只达到了6e^-4，不到LED4的一半。LED3的光谱分布明显向黄绿光方向积聚。 LED4和LED3的光谱功率分布不同不仅决定了二者的色温不同，而且在相同照明水平下，对反应时间的影响也显著不同。

图 2 LED4与LED3光谱功率分布Fig. 2 Spectral power distributions of LED4 and LED3

图选项

1999年，I. Lewin^[8]就指出在不同的照明环境下，人眼对不同波长的光的反应不同，真实评价光源的输出光通量应该基于在使用此种光源的照明环境下人眼的反应。由于过去在设计室外照明的时候忽略了光源光谱分布的影响，所以这一信息具有开拓性意义。与此相关提出了几个重要问题：如果蓝/绿光影响加强的情况只出现在特定情况，那么会是哪些情况？它们和交通事故有怎样的关系？在真实场景中，这一影响有什么巨大作用？它们是微小的还是显著的？本文的试验结果表明，在隧道入口段照明水平下，会出现蓝/绿光影响加强的情况。光源的色温及光谱分布对人眼反应时间的影响是显著的。光谱分布偏向蓝绿光的LED光源会缩短人眼的反应时间，而驾驶员反应时间越短，越能保证足够的安全停车视距，因此与交通事故有着重要的关系。

根据感光细胞在视网膜上的分布以及眼眉、脸颊的影响，人眼的视看范围有一定的局限。但确切而详细地了解和识别对象物体的形状、色彩或亮度差时，观察的范围距视线中心不超过1°～2°，称为中心视场；其他部分属于周边视场，视看机能显著下降，形象虽在视野之内，但也是模糊不清的^[9]。

在中心视场或者中央窝，视觉主要受锥状细胞主导。锥状细胞在高亮度水平下十分活跃，并大多集中在中央窝。当我们盯着某一物体看时，是在使用锥状细胞形成影像，锥状细胞的光谱反应与明视觉的V(λ)曲线十分吻合，这时的视觉属于中央视觉。而不在中心视场的物体即周边视场是受杆状细胞主导的。杆状细胞主要分布在中央窝边缘。这些不在视线中央的物体包括：在驾车行驶中从侧面接近的另一辆车，或一名突然横穿马路的儿童，这时的视觉属于周边视觉。实际上，对于发现运动的物体，周边视觉是非常锐敏的^[10]。它能探测视野中的运动物体，一旦发现运动物体，眼球很快转动，使运动物体的像落在视网膜中央窝上，由视网膜中央窝检测运动物体的细节。

试验中分别测试了视标偏心角θ为0°和±10°的反应时间，见表 5~表 7。视标偏心角0°对应于中央视觉，而视标偏心角±10°对应于周边视觉。

从表 5可知，当视标偏心角为0°时，LED的反应时间比HPS和MH都要短。说明在中央视觉条件下，LED光源的视觉功效高于HPS和MH。LED光源中，当色温大于3 500 K以后，随着色温的增高，反应时间有缩短的趋势，其中反应时间最短的是LED4，色温为5 128 K。高色温的LED4光源在中央视觉条件下，能提高人眼的反应速度，表明视网膜锥状细胞对其光照的刺激是敏感的。

从表 6~表 7可知，当视标偏心角为±10°时，LED的反应时间比HPS和MH都要短，说明在LED光源的照明条件下，周边视觉的功能都好于HPS和MH。LED光源中反应时间最短的是LED4，色温为5 128 K，说明在色温高的LED光源的照明环境中，人眼的周边视觉最灵敏，同时也表明视网膜周边的杆状细胞对LED4光源的光照同样是敏感的。从以上分析可以发现，LED4光源的光谱分布不仅有利于中央视觉，并且对周边视觉也是最有利的。

在以往道路照明的研究中，大量研究集中在对道路中间目标的辨别上，把一固定的小目标放在道路中间，然后测试不同照明条件下驾驶员的分辨能力。这种试验完全忽略了周边视觉的作用。实际情况是，大量不安全因数可能来自路旁的运动物体，例如行人、动物或汽车等，它们有可能进入行车路径，驾驶员必须要提前看到它们，并识别它们的行进方向，然后才能采取必要的措施。因此，避免交通事故发生的最重要的早期察觉得益于周边视觉，以及保持合适的行车路线或者判断到路边距离的能力，这几乎完全依赖于周边视觉^[8]。所以，为了保证交通安全，应该研究光源照明对人眼周边视觉的作用。

通过以上的试验结果分析得出，光源的色温以及光谱分布对反应时间和周边视觉均有密切影响。通过与传统光源HPS和MH比较研究发现：(1)在隧道入口段的照明水平下，LED光源的反应时间和周边视觉都优于HPS和MH，这表明LED光源产生的视觉功效更高；(2)即使发光类型一样，高色温LED光源的视觉功效高于低色温LED光源，这表明光源色温的实质是光源的光谱分布，而人眼对不同波长光的反应不同导致了人眼的反应时间不同；(3)在相同背景亮度下，LED光源产生的反应时间优于HPS和MH，这表明在评价隧道照明光源和光照效果时，不能只衡量路面的亮度水平是否达到标准值，还要基于人眼对此种光源的光刺激产生的实际反应，因此可将反应时间作为量化评价指标。

综合分析反应时间和周边视觉的试验数据，本文得出最利于隧道入口段交通安全的照明光源是色温在5 000 K左右、光谱分布偏向蓝绿光的LED光源。由于LED光源光效高，色温又可以人为调节，将其应用于隧道入口段的照明，可以在满足交通安全的前提下实现照明节能的要求。隧道照明分成入口段、过渡段、中间段和出口段，每一段的照明水平和要求不同。本文针对隧道入口段照明做了研究，希望通过反应时间试验方法能正确评价隧道照明光源和光照效果，确定适宜隧道照明各区段的光源及其色温和光谱分布范围。