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摘要：车辆在进隧道前，尤其是晴天，常常会出现明显的失能眩光，或“黑洞”现象，大大降低了驾驶员观察隧道内的辨识力，造成行车安全隐患。所以，通过找到隧道内、外光环境照度或亮度值与人眼对物体的辨识度（视力等级）之间的关系，依据它们之间存在的量化关系，确定隧道内外各个阶段的照度大小，可以避免明显的失能眩光现象和资源浪费。
关键字：视力等级、失能眩光、隧道照明
Experiment Designs for The Relation Between Two Environment of Different Illumination and Visual Grade
Lin Hai-yan,Heng Tao,Yang Jian-guo,Li Chun-fei,Liu Bao-quan,Yang Yong-shun
（School of Architecture &Urban Planning,Shenzhen University ，Shenzhen 518060,China）
Abstract：Before the cars drive into the tunnel，especially in sunny day，it will often appear obvious disability glare,even the phenomenon of“black hole”,which greatly reduces the strength of the driver's identification to observe tunnel and causes potential safety hazard of traffic. Therefore, after finding out the relationship of object’s recognition (visual grade )between inside tunnel and external light environment illumination or brightness,determinning the tunnel illumination intensity in various stages on the basis of the quantitative relationship between home, we can try to avoid obvious disability glare phenomena and the waste of resources.
Keywords：Visual Grade、Disability Glare、Tunnel Lighting
一、 引言
目前，我國机动车数量逐年迅猛增长，为了增加城市间交通的方便和提高道路的畅通性，公路隧道也普遍地应用在道路建设中。由于隧道内人造光源照度与隧道外天然照度相差较大，特别是在晴天，驾驶员在进入隧道时对物体的辨识力会有所降低，甚至产生“黑洞”现象。为了保证进入隧道的行车安全，驾驶员必须在进入隧道前能清楚到观察隧道内的行车情况。所以，我们将研究分析人眼在亮环境中观察暗环境目标物时，照明环境对视力的影响程度。
好的隧道照明设计是确保道路高效安全的交通运输有效手段，而在隧道照明中无眩光条件下的适当高照度，可使隧道行车感到轻松。当然，在公路隧道照明中，还要走出"越亮越好"的误区，过亮不仅不节能，还十分刺眼，让人视觉短暂失能，严重危及行车安全。隧道内外光环境照度的差别存在，使得隧道设计中间段、入口段、过度段、出口段的照度要求都不一样，以确保机动车的行车安全。
目前，道路隧道照明设计规范中，隧道入口主要采取分段逐步降低照度措施，降低隧道内外过大的照度差，减小由于过大照度差引起眼睛不适的影响，避免降低驾驶员的视觉辨识力。规范中只对隧道内各个分段做了一个照度最低值或折减系数的规定。但在实际行车中，尤其是晴天进入隧道时常常会出现明显的视觉短暂不适应，存在行车的安全隐患。所以，通过找到隧道内、外光环境照度或亮度与视力等级之间的关系，根据它们之间的量化关系，确定隧道内外各个阶段的照度大小，可以避免明显的失能眩光现象和资源的浪费，同时可以为隧道照明的折衷设计提供一个参考。
二、 实验方案及步骤
此实验方案的概念是从入隧道时看物体此事件中抽取其主要因素，即为在亮环境中对暗环境的物体进行辨识。所以有三个变量：亮环境的光照，暗环境的光照，和物体可识别度。
2.1实验环境及设备
实验环境：四周反射率为零的黑布房。
设备材料：照度测试仪器（XYI-III柱面照度计，水平照度计），标准“E”字视力表，光源（LED，高压钠灯）。
2.2实验方案
实验方案：
1模拟人眼在亮环境下看暗环境的目标物：亮环境由高显色指数的高压钠灯照明提供；暗环境由白色LED照明提供；处于暗环境的物体则由标准视力表代替，提供人眼对物体视觉辨识力的量化参考。为防止两种光环境的相互干涉，在目标物与观察者之间放置两个隔板，两隔板中间都留有略大于目标物的方形孔，给予视线通过。实验操作示意见图1。
2光环境指标采用照度计测量：用水平照度计测量视力表表面的照度；用半柱面照度计放置于亮环境（方向指向视力表），测量人眼接收到的灯光照度。
3通过分别改变亮环境下人眼所接收到的照度和暗环境下物体表面的照度，研究人眼对视力表可辨识到的视力等级，以此评定两种环境下对人眼辨识力（视力等级）的影响。
实际操作控制：
目标物暗环境：目标物光环境采用色温为5500K的LED光源，LED光源用电压调控器控制。目标物照度共十三个等级，目标物光环境照度数值，见表1。
观察者处亮环境：观察者光环境采用色温为3900K的高压钠灯光源，光环境照度采用不同面积小孔的黑色挡板控制，两种光环境都要达到均匀、可控状态。均匀小孔面积占板面积的5%-80%。观察者光环境照度数值，见表1。 标准“E”字视力表：为了增大观测者在不同亮度环境下的视力等级的敏感度，视力表底面采用的RGB灰度为{95，95,95}，“E”字采用的RGB灰度为{0，0,0} 。 “E”字推算出的21个等级：{0.1、0.11、0.12、0.14、0.15、0.17、0.2、0.22、0.25、0.28、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.56、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0}（见图2）。观察者在最有利条件下的视力等级为0.7，观察者标准视力为1.0，该试验过程对观察者的视力等级约降低了0.3。
2.3实验步骤
1. 保证测试环境的可控性度，观察者与目标物周边都用不反光黑色布遮挡，观察者与目标物之间距离5.0米，中间放有两个略大于视力表孔的隔板。
2. 确定观察者光环境照度：将打有一定比例的小孔面积的黑色板遮挡高压钠灯，读取照度计的数值。例如表1中3840lx。
3. 确定目标物光环境照度：调节电压调控器控制LED光源，使得水平照度计的照度为某一数值。例如表1中105.3lx。
两种光环境照度等级 表1
4. 两个光环境稳定后取下遮挡视线的挡板，观察者在5秒内观看视力表，确定“E”字等級，并记录。
5. 重复步骤3、4，逐级完成表1中目标物光环境十三个照度值。
6. 重复步骤2-6，逐级完成表1中观察者光环境十三个照度值。
7. 实验完毕。
三、 实验数据计算与分析
根据目前的《公路隧道通风照明设计规范》和相关文献，一般采用亮度指标评价隧道中的照明情况。依据相关文献结论：干燥的路面（雨水路面几乎没有漫反射，即漫反射系数≈0）的前提下，路面平均照度换算系数（lx/(cd/m2)）: 沥青路面为15lx/ (cd/m2)；混凝土路面为10lx/(cd/m2))。依据该换算系数，目标物和观察环境可根据路面材料换算成相应的亮度值，见表2.
照度转换成亮度值 表2
目前，在机动车道路中沥青路面较为常见，以下都以沥青路面为例进行分析比较，并统计出两种亮度环境下（从亮环境观察暗环境）的视力等级，见表3。从表中可以看出，最不利情况下视力等级为0.1，最佳情况下的视力等级为0.7。
两种光环境下的视力等级 表3
根据表3绘制出不同亮度环境下的视力等级分布图，见图4（表中的系列分别表示的是观察者人眼所处的亮度）。
从图4中显示：
1.在处于某一亮度环境下，人眼对目标物的辨识度（视力等级）随目标物环境亮度的不同，有不同的辨识度数值。两种光环境与视力等级关系曲线大致相同。目标物亮度从1.1cd/m2增大到10.5cd/m2时，视力等级都会增加0.3—0.4。
2.在某一目标物亮度时，观察者环境亮度从384cd/m2减小到11.06cd/m2时，视力等级会增加0.3—0.4。
所以我们可以通过上述数据分析，可以找到目标物亮度、观察者环境亮度与视力等级之间的关系：
1.在目标物亮度逐渐增大时，不同的观察者环境亮度所对应的视力等级浮动曲线大概一致。
2.在观察者环境亮度逐渐增大时，不同的目标物亮度所对应的视力等级浮动曲线大概一致。
3.在两目标物亮度差值固定时，不同的观察者环境亮度所对应的视力等级差值相对固定。
4.在两观察者环境亮度差值固定时，不同的目标物亮度所对应的视力等级差值相对固定。
四、实验结果讨论
通过上述实验数据分析，利用EXCLE分析软件，对图中曲线进行公式拟合，见表4。由于在实验中调整了视力表中背景灰度，观测者视力比标准情况下的视力降低了0.3，为了保证换算关系与标准视力一致，所以在拟合公式的基础上应该加上常数0.3。
拟合公式表 表4
拟合公式适用于目标物亮度处于1.1—10.5cd/m2。范围， 上面的公式显示只是在特定的观察者环境亮度值可用。可实际上的亮度值可能偶然的某个值。
目前可以参考的解决办法有：
1.观察者环境亮度为表4相邻两亮度之间时，可以用插入法把该目标物亮度下的视力等级换算出来，或根据视力等级反推出目标物亮度。
2.由于实验的过程不能完全符合实际的场景，所以在上面基础上，我们需要再强化，理论上拟合一个符合实际的三维曲面图模型——x-y-z三坐标图，对应的目标物亮度x和观察者环境亮度y都有对应的一个视力等级z。这样实际应用中，为控制视力等级z需要的值，感应器测量隧道外亮度y，可以通过自动调节系统调节隧道内的亮度值x，达到所需。即为根据室外亮度（照度）的大小来改变隧道内的照明。
由于此次为探索性的实验设计，所以对于实际存在的问题，只是提出一个解决问题的方向，更需要的是未来进一步的研究。目前的隧道照明设计中，对隧道内、外的亮度（照度）情况，缺少一个定量的关系分析，经常会出现不论是晴天还是阴天，隧道照明不变，或是多打开、少打开照明器的简单措施，并不能完全消除照明不适对行车的安全影响和照明资源的浪费。通过此设计实验提出的方向应用于实际中，就可以在一定程度上避免隧道内外亮度相差过大造成的失能眩光，保证机动车驾驶员观察隧道内良好视力，确保机动车的行车安全，达到了节能减排的要求。
参考文献：
［1］李铁楠．城市道路照明设计［M］．北京：机械工业出版社，2007．
［2］程 云，王国建. LED隧道灯在隧道照明工程中重点技术指标的分析［J］.2009中国道路照明论坛论文集，2009：271-274.
［3］邓云塘. LED隧道照明的优化 [J]. 照明工程学报, 2011，22（zl）：42-45.
［4］刘磊实. 城市道路照明设计中失能眩光的计算与控制 [J]. 照明工程学报, 2009,19(01)：77-80.
［5］JTJ026_1_1999 公路隧道通风照明设计规范 [S]. 北京：人民交通出版社，2000
［6］刘德强，郑 威，黄耀伟，汪福威，田 君. 浅析隧道照明时设计及LED隧道灯配光设计 [J]. 照明工程学报, 2009,20(zl)：53-58.
［7］陈伟民，赖 伟.隧道LED照明关键问题探讨［J］. 24-27.
［8］邹吉平，李 丽，解全花，李志业，王 俊. 重视道路和隧道照明中亮度与照度的关系[J]. 照明工程学报, 2009,20(zl)：39-45.
［9］柳孝图.建筑物理［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.
［10］江松柏, 郭玉萍, 于庆潭, 李丽玲. LED路灯灯具光型分析与道路照度模拟[J]. 照明工程学报, 2009,(S1)：65-69
［11］朱小清.照明技术手册（第二版）[K].北京：机械工业出版社，2004.
1. 作者简介：林海炎（1991～），男，广东陆丰人，学生，深圳大学建筑与城市规划学院，建筑学专业。
2. 通讯作者：衡 涛（1977～），男，甘肃文县人，讲师，深圳大学建筑与城市规划学院，现主要从事建筑物理实验室管理，以及建筑物理实验教学。
基金项目：深圳大学实验室开放基金资助（2011344）
关键字：视力等级、失能眩光、隧道照明
Experiment Designs for The Relation Between Two Environment of Different Illumination and Visual Grade
Lin Hai-yan,Heng Tao,Yang Jian-guo,Li Chun-fei,Liu Bao-quan,Yang Yong-shun
（School of Architecture &Urban Planning,Shenzhen University ，Shenzhen 518060,China）
Abstract：Before the cars drive into the tunnel，especially in sunny day，it will often appear obvious disability glare,even the phenomenon of“black hole”,which greatly reduces the strength of the driver's identification to observe tunnel and causes potential safety hazard of traffic. Therefore, after finding out the relationship of object’s recognition (visual grade )between inside tunnel and external light environment illumination or brightness,determinning the tunnel illumination intensity in various stages on the basis of the quantitative relationship between home, we can try to avoid obvious disability glare phenomena and the waste of resources.
Keywords：Visual Grade、Disability Glare、Tunnel Lighting
一、 引言
目前，我國机动车数量逐年迅猛增长，为了增加城市间交通的方便和提高道路的畅通性，公路隧道也普遍地应用在道路建设中。由于隧道内人造光源照度与隧道外天然照度相差较大，特别是在晴天，驾驶员在进入隧道时对物体的辨识力会有所降低，甚至产生“黑洞”现象。为了保证进入隧道的行车安全，驾驶员必须在进入隧道前能清楚到观察隧道内的行车情况。所以，我们将研究分析人眼在亮环境中观察暗环境目标物时，照明环境对视力的影响程度。
好的隧道照明设计是确保道路高效安全的交通运输有效手段，而在隧道照明中无眩光条件下的适当高照度，可使隧道行车感到轻松。当然，在公路隧道照明中，还要走出"越亮越好"的误区，过亮不仅不节能，还十分刺眼，让人视觉短暂失能，严重危及行车安全。隧道内外光环境照度的差别存在，使得隧道设计中间段、入口段、过度段、出口段的照度要求都不一样，以确保机动车的行车安全。
目前，道路隧道照明设计规范中，隧道入口主要采取分段逐步降低照度措施，降低隧道内外过大的照度差，减小由于过大照度差引起眼睛不适的影响，避免降低驾驶员的视觉辨识力。规范中只对隧道内各个分段做了一个照度最低值或折减系数的规定。但在实际行车中，尤其是晴天进入隧道时常常会出现明显的视觉短暂不适应，存在行车的安全隐患。所以，通过找到隧道内、外光环境照度或亮度与视力等级之间的关系，根据它们之间的量化关系，确定隧道内外各个阶段的照度大小，可以避免明显的失能眩光现象和资源的浪费，同时可以为隧道照明的折衷设计提供一个参考。
二、 实验方案及步骤
此实验方案的概念是从入隧道时看物体此事件中抽取其主要因素，即为在亮环境中对暗环境的物体进行辨识。所以有三个变量：亮环境的光照，暗环境的光照，和物体可识别度。
2.1实验环境及设备
实验环境：四周反射率为零的黑布房。
设备材料：照度测试仪器（XYI-III柱面照度计，水平照度计），标准“E”字视力表，光源（LED，高压钠灯）。
2.2实验方案
实验方案：
1模拟人眼在亮环境下看暗环境的目标物：亮环境由高显色指数的高压钠灯照明提供；暗环境由白色LED照明提供；处于暗环境的物体则由标准视力表代替，提供人眼对物体视觉辨识力的量化参考。为防止两种光环境的相互干涉，在目标物与观察者之间放置两个隔板，两隔板中间都留有略大于目标物的方形孔，给予视线通过。实验操作示意见图1。
2光环境指标采用照度计测量：用水平照度计测量视力表表面的照度；用半柱面照度计放置于亮环境（方向指向视力表），测量人眼接收到的灯光照度。
3通过分别改变亮环境下人眼所接收到的照度和暗环境下物体表面的照度，研究人眼对视力表可辨识到的视力等级，以此评定两种环境下对人眼辨识力（视力等级）的影响。
实际操作控制：
目标物暗环境：目标物光环境采用色温为5500K的LED光源，LED光源用电压调控器控制。目标物照度共十三个等级，目标物光环境照度数值，见表1。
观察者处亮环境：观察者光环境采用色温为3900K的高压钠灯光源，光环境照度采用不同面积小孔的黑色挡板控制，两种光环境都要达到均匀、可控状态。均匀小孔面积占板面积的5%-80%。观察者光环境照度数值，见表1。 标准“E”字视力表：为了增大观测者在不同亮度环境下的视力等级的敏感度，视力表底面采用的RGB灰度为{95，95,95}，“E”字采用的RGB灰度为{0，0,0} 。 “E”字推算出的21个等级：{0.1、0.11、0.12、0.14、0.15、0.17、0.2、0.22、0.25、0.28、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.56、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0}（见图2）。观察者在最有利条件下的视力等级为0.7，观察者标准视力为1.0，该试验过程对观察者的视力等级约降低了0.3。
2.3实验步骤
1. 保证测试环境的可控性度，观察者与目标物周边都用不反光黑色布遮挡，观察者与目标物之间距离5.0米，中间放有两个略大于视力表孔的隔板。
2. 确定观察者光环境照度：将打有一定比例的小孔面积的黑色板遮挡高压钠灯，读取照度计的数值。例如表1中3840lx。
3. 确定目标物光环境照度：调节电压调控器控制LED光源，使得水平照度计的照度为某一数值。例如表1中105.3lx。
两种光环境照度等级 表1
4. 两个光环境稳定后取下遮挡视线的挡板，观察者在5秒内观看视力表，确定“E”字等級，并记录。
5. 重复步骤3、4，逐级完成表1中目标物光环境十三个照度值。
6. 重复步骤2-6，逐级完成表1中观察者光环境十三个照度值。
7. 实验完毕。
三、 实验数据计算与分析
根据目前的《公路隧道通风照明设计规范》和相关文献，一般采用亮度指标评价隧道中的照明情况。依据相关文献结论：干燥的路面（雨水路面几乎没有漫反射，即漫反射系数≈0）的前提下，路面平均照度换算系数（lx/(cd/m2)）: 沥青路面为15lx/ (cd/m2)；混凝土路面为10lx/(cd/m2))。依据该换算系数，目标物和观察环境可根据路面材料换算成相应的亮度值，见表2.
照度转换成亮度值 表2
目前，在机动车道路中沥青路面较为常见，以下都以沥青路面为例进行分析比较，并统计出两种亮度环境下（从亮环境观察暗环境）的视力等级，见表3。从表中可以看出，最不利情况下视力等级为0.1，最佳情况下的视力等级为0.7。
两种光环境下的视力等级 表3
根据表3绘制出不同亮度环境下的视力等级分布图，见图4（表中的系列分别表示的是观察者人眼所处的亮度）。
从图4中显示：
1.在处于某一亮度环境下，人眼对目标物的辨识度（视力等级）随目标物环境亮度的不同，有不同的辨识度数值。两种光环境与视力等级关系曲线大致相同。目标物亮度从1.1cd/m2增大到10.5cd/m2时，视力等级都会增加0.3—0.4。
2.在某一目标物亮度时，观察者环境亮度从384cd/m2减小到11.06cd/m2时，视力等级会增加0.3—0.4。
所以我们可以通过上述数据分析，可以找到目标物亮度、观察者环境亮度与视力等级之间的关系：
1.在目标物亮度逐渐增大时，不同的观察者环境亮度所对应的视力等级浮动曲线大概一致。
2.在观察者环境亮度逐渐增大时，不同的目标物亮度所对应的视力等级浮动曲线大概一致。
3.在两目标物亮度差值固定时，不同的观察者环境亮度所对应的视力等级差值相对固定。
4.在两观察者环境亮度差值固定时，不同的目标物亮度所对应的视力等级差值相对固定。
四、实验结果讨论
通过上述实验数据分析，利用EXCLE分析软件，对图中曲线进行公式拟合，见表4。由于在实验中调整了视力表中背景灰度，观测者视力比标准情况下的视力降低了0.3，为了保证换算关系与标准视力一致，所以在拟合公式的基础上应该加上常数0.3。
拟合公式表 表4
拟合公式适用于目标物亮度处于1.1—10.5cd/m2。范围， 上面的公式显示只是在特定的观察者环境亮度值可用。可实际上的亮度值可能偶然的某个值。
目前可以参考的解决办法有：
1.观察者环境亮度为表4相邻两亮度之间时，可以用插入法把该目标物亮度下的视力等级换算出来，或根据视力等级反推出目标物亮度。
2.由于实验的过程不能完全符合实际的场景，所以在上面基础上，我们需要再强化，理论上拟合一个符合实际的三维曲面图模型——x-y-z三坐标图，对应的目标物亮度x和观察者环境亮度y都有对应的一个视力等级z。这样实际应用中，为控制视力等级z需要的值，感应器测量隧道外亮度y，可以通过自动调节系统调节隧道内的亮度值x，达到所需。即为根据室外亮度（照度）的大小来改变隧道内的照明。
由于此次为探索性的实验设计，所以对于实际存在的问题，只是提出一个解决问题的方向，更需要的是未来进一步的研究。目前的隧道照明设计中，对隧道内、外的亮度（照度）情况，缺少一个定量的关系分析，经常会出现不论是晴天还是阴天，隧道照明不变，或是多打开、少打开照明器的简单措施，并不能完全消除照明不适对行车的安全影响和照明资源的浪费。通过此设计实验提出的方向应用于实际中，就可以在一定程度上避免隧道内外亮度相差过大造成的失能眩光，保证机动车驾驶员观察隧道内良好视力，确保机动车的行车安全，达到了节能减排的要求。
参考文献：
［1］李铁楠．城市道路照明设计［M］．北京：机械工业出版社，2007．
［2］程 云，王国建. LED隧道灯在隧道照明工程中重点技术指标的分析［J］.2009中国道路照明论坛论文集，2009：271-274.
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［6］刘德强，郑 威，黄耀伟，汪福威，田 君. 浅析隧道照明时设计及LED隧道灯配光设计 [J]. 照明工程学报, 2009,20(zl)：53-58.
［7］陈伟民，赖 伟.隧道LED照明关键问题探讨［J］. 24-27.
［8］邹吉平，李 丽，解全花，李志业，王 俊. 重视道路和隧道照明中亮度与照度的关系[J]. 照明工程学报, 2009,20(zl)：39-45.
［9］柳孝图.建筑物理［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.
［10］江松柏, 郭玉萍, 于庆潭, 李丽玲. LED路灯灯具光型分析与道路照度模拟[J]. 照明工程学报, 2009,(S1)：65-69
［11］朱小清.照明技术手册（第二版）[K].北京：机械工业出版社，2004.
1. 作者简介：林海炎（1991～），男，广东陆丰人，学生，深圳大学建筑与城市规划学院，建筑学专业。
2. 通讯作者：衡 涛（1977～），男，甘肃文县人，讲师，深圳大学建筑与城市规划学院，现主要从事建筑物理实验室管理，以及建筑物理实验教学。
基金项目：深圳大学实验室开放基金资助（2011344）