面向驾驶员视觉的公路螺旋形隧道LED照明光源指标研究

王鼎媛，乔梅梅，盛 刚

(北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京 100191)

0 引言

近年来，我国高速公路建设取得了飞速的发展，建设主战场由平原丘陵区逐步转向高山峡谷区，受地理地形、投资和技术等多种因素影响，曲线形螺旋隧道不断涌现，如卧龙沟一号隧道、雅西高速拖乌山和干海子隧道、重庆大化隧道。然而，至今我国尚无关于高速公路螺旋形隧道照明设置的技术标准、规范和指南。经调查发现目前已建设螺旋形高速公路隧道大都按照常规隧道照明技术规范进行设计。事实上，在设计规范方面，我国目前执行的《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70-2-01—2014)，在细则中仅对亮度、均匀度有所规定，对隧道光环境的其他指标如灯具色温、频闪、眩光等要求并没有明确的定量指标[1-3]。针对螺旋式隧道这一特殊隧道线型，隧道色温、灯具配光曲线、灯具布置方式如何设置才能更好地构造一个良好的隧道光环境，给驾驶员提供一个舒适、安全的照明方式是一个需要迫切解决的问题[4-6]。

本研究从高速公路螺旋形隧道这一特殊隧道线形入手，分析由于螺旋形隧道这一特殊隧道线型可能给驾驶员带来的各种安全隐患。采用实车试验采集驾驶员在螺旋形隧道和普通隧道驾驶心率、心率增长率等指标开展研究，优化螺旋形隧道照明设计指标，并分析引发隧道照明中频闪和眩光产生的主要因素，确定频闪和眩光控制指标，提出基于螺旋形隧道的隧道光环境设置原则，以缓解隧道LED照明光环境频闪和眩光给驾驶员造成的烦躁、紧张和焦虑心理，为驾驶员营造一个良好的隧道LED照明光环境，提升隧道照明光环境行车安全性[7-8]。为今后螺旋形隧道照明研究和设计奠定一定的理论基础。

1 螺旋形隧道加强段驾驶员心率变化研究

采用佩戴多通道心理仪实车试验方法，在延崇高速金家庄螺旋形隧道和棋盘梁隧道实测了10名不同年龄段驾驶员驾车通过隧道心率数据。试验数据分为两部分：一是驾驶员在螺旋形和普通型隧道中加强段行驶时的心率数据和心率增长率数据[9-10]；二是驾驶员在螺旋形和普通型隧道基本段中行驶时的心率数据和心率增长率数据。本试验的设备主要包括多通道生理仪、TES-136照度计、行车记录仪、笔记本电脑和试验车辆。两座隧道位于延崇高速河北段，为双向四车道，设计速度80 km/h(表1和表2所示)。试验车辆在隧道内行驶过程中基本处于自由流行驶状态。

表1 金家庄隧道基本情况Tab.1 Basic information of Jinjiazhuang tunnel

表2 棋盘梁隧道基本情况Tab.2 Basic information of Qipanliang tunnel

经试验测试，得出了1#～10#驾驶员在两个隧道加强段中行驶时随机选取的6名驾驶员心率数据如图1所示。

图1 驾驶员在两个隧道加强段行驶时心率数据对比Fig.1 Comparison of heart rate data of drivers when driving in reinforcement sections of 2 tunnels

按式(1)计算两个隧道加强段各驾驶员心率增长率。

(1)

式中，Nj为驾驶员在第j时刻以80 km/h速度在螺旋形隧道内行驶时的心率增长率；nj为驾驶员在第j时刻以80 km/h速度在螺旋形隧道内行驶时的心率值；n为驾驶员在第j时刻以80 km/h速度在普通隧道内行驶时的心率值。

将驾驶员以80 km/h的速度在高速公路螺旋形隧道中行驶的心率和驾驶员以80 km/h速度在高速公路普通接近直线形隧道中行驶心率的心率差，除以驾驶员以80 km/h速度在高速公路普通隧道中行驶的心率，得出驾驶员在螺旋形隧道中行驶时的心率增长率[11]。如图2所示为随机选取的6名驾驶员在螺旋形隧道加强段的心率增长率。

图2 部分驾驶员在螺旋形隧道加强段中行驶心率增长率Fig.2 Heart rate growth rates of some drivers driving in reinforcement section of spiral tunnel

通过1#～10#驾驶员在两个加强段驾驶员心率数据对比分析，结合驾驶员心率增长率数据分析结果得出如下结论：在同等照明光环境下，驾驶员在两个隧道加强段行驶时心率数据总体变化不大。部分心率数据在螺旋形隧道偏高，部分心率数据比直线型隧道偏高，说明驾驶员在两个隧道加强段行驶时驾驶员的心率变化较为舒缓，心率增长率最高不超过15%。综上所述，在加强段，螺旋形隧道对驾驶员的心率变化影响不大，与文献[4-5]和[10]的研究结论基本一致。因此，在隧道照明设计中螺旋形隧道加强段设计指标可按照相关标准规范进行设计。

2 螺旋形隧道基本段驾驶员心率变化研究

采用同样的试验测试方法，对10名驾驶员分别进入以上两个隧道基本段的心率和心率变化开展了试验研究。得出的结论如下。

(1)与基本段驾驶时的心率数据相比，驾驶员在进入和驶离两个隧道时心率都会偏高，这说明驾驶员在进入和驶离隧道时，心里较为紧张，注意力较为集中。因此，在所有的隧道进出口加强段照明光环境设计时应充分考虑驾驶员进出时心里紧张的因素，提升隧道进出口加强段的照明光环境质量。

(2)在同等照明光环境下，不熟悉两个隧道的同一个驾驶员在螺旋形隧道基本段心率数值普遍比在直线形隧道基本段行驶时偏高。对两个隧道路线较为熟悉的同一个驾驶员，在螺旋形隧道和普通隧道行驶中的心率相差不大。这说明在螺旋形隧道行驶中，对隧道行驶环境不熟悉的驾驶员会比在普通隧道行驶中更为紧张，心率变化更快。因此，螺旋形隧道基本段照明亮度、均匀度、色温警示性、频闪、眩光指标和布设方法等应开展针对性的优化设计。

3 螺旋形隧道LED照明灯具频闪与眩光抑制技术研究

自从2012年交通运输部、建设部和科技部开展半导体LED照明灯具示范工程以来[12]，LED照明灯具发展迅速，其光效和使用寿命远超传统高压钠灯和无极灯，目前已取代传统隧道高压钠灯成为公路隧道应用最广泛的照明灯具。众所周知，隧道LED照明灯具由光源闪烁而引起的频闪现象是普遍存在的。在隧道照明光环境当中，隧道照明灯具的频闪是一个十分重要的参数。频闪效应对隧道内驾驶员有一定的影响，如易引发视觉错觉、视疲劳，烦躁、紧张、焦虑的心理，这极其容易引发交通事故，严重的频闪危害驾驶员的身体健康，损伤视力等[11]。

3.1 隧道LED照明灯具频闪效应分析

隧道LED照明灯具频闪效应是由于LED芯片供电电流是直流电的原因造成的，其频闪主要有两部分，一是隧道LED照明灯具光源芯片本身的频闪，二是来自LED驱动电源的频闪，因为驱动电源有不同的调光方式而引发。目前，隧道LED照明灯具电源调节有可控硅调光、模拟调光和数字调光方式(简称PWM调光)3种方式[13-14]。可控硅调光是从交流相位0开始，输入电压斩波，直到可控硅导通时，才有电压输入。其工作原理是将输入电压的波形通过导通角切波之后，产生一个切向的输出电压波形。应用切向原理，可减少输出电压有效值，以此来降低普通负载(电阻负载)的功率；模拟调光就是在0～10 V电源上多了2个0～10 V的接口(+10 V和-10 V)，通过改变0～10 V的电压大小来控制电源输出电流从而达到调节LED芯片亮度的目的；10 V电压输出LED芯片光通量最大，0 V电压输出LED芯片光通量最小为0；PWM调节是对模拟信号电平进行数字编码的方法，通过PWM波占空比和频率开关调节隧道LED照明灯具控制电源的开启和关闭，进而改变控制电源正向电流的导通时间，实现对LED芯片光通量大小调节的目的。PWM调节方法基于人眼对亮度闪烁不够敏感的特性，使负载LED时亮时暗。如果亮暗的频率超过100 Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED灯具在闪烁。在一个PWM周期内，因为人眼对大于100 Hz内的光闪烁频率，感知不到亮度的快速变化，所以LED灯具亮的时间在整个占空比周期中所占比例越大人眼感觉LED灯具越亮[15-16]。

3.2 隧道LED照明灯具布设方式产生频闪分析

在隧道照明设计当中，因为加强段照明亮度要求较高，灯具布置间距能够满足频闪要求，而隧道照明基本段，由于照明亮度要求较低，考虑到建设费用，照明的灯具并非是紧挨着排列，而是两盏相邻灯具间隔一定的距离设置的(隧道进出口加强段间隔约1.0 m，过渡段和中间段间隔约5 m和9 m)。所以当驾驶员行驶在公路隧道中时，眼睛不断受到忽明忽暗的刺激，从而造成一定的明暗突变斑马效应，车速越快突变越快，这种现象与光源的频闪效应十分类似，称为公路隧道LED照明光环境“频闪效应”。《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70-2/01)第6.2.1款规定“当行车时间超过20 s时，照明灯具布置应以满足闪烁频率低于2.5 Hz或高于15 Hz 为原则”，目的是消除明暗变化带来的频闪效应[15]。

4 隧道LED照明光环境频闪效应消除措施

(1)加大驱动电源输出电容，提高LED驱动电源输出质量

在LED驱动电源的输出端接入大容量电容，从而平滑电压纹波，根据电容的定义，LED驱动电源电压纹波与接入的电容存在如式(2)的关系，由式(2)可知，接入电容可以减小电压纹波[16]。

(2)

式中，V为驱动电源电压纹波；Imax为LED电流峰值；Imin为LED电流谷值；Co为增加的电容；f为驱动电源的工作频率。但采用这种方法来降低电压纹波存在一定的缺点，因为单独增加电容的容量一般会增大产品的体积，因此可以利用晶体管的放大特性，构成有源滤波器。具体做法为将电容接在晶体管基极上，经过放大，可以等效成一个较大的电容，但是这种方法又会造成灯具成本的增加。

(2)减少纹波电压对LED芯片光通量稳定性的影响

① 对于大功率单颗LED芯片封装的隧道LED照明灯具，宜通过调压控制，给LED芯片输出最佳驱动电流。如图3所示，将驱动电流调节在LED光源伏安曲线额平缓区间段，尽量选取LED光源伏安曲线平缓区间段的电流进行驱动输出。

图3 隧道LED照明灯具伏安特性曲线Fig.3 Volt-ampere characteristic curve of tunnel LED lighting fixtures

② 对于多颗小功率LED芯片串并联封装的隧道LED照明灯具，宜增加串联LED芯片个数。由于驱动电源输出的纹波电压不变，串联的LED芯片个数颗数越多，纹波电压造成光通量影响就越小，产生的纹波电流也相应越小，进而形成的频闪效应也越小。如果使用并联方式实施分流驱动电流，同样可以达到减低纹波电流，但要注意各分支LED芯片正向压降要尽量保持一致，否则易出现各分支电流区别过大的问题，进而易造成隧道LED照明灯具光通量输出均匀性差的问题。

(3)选择合适隧道LED照明灯具的电源驱动方式

隧道LED照明灯具的供电电源一般两种驱动方式，一是恒压驱动电源，二是恒流驱动电源。恒压驱动电源是指在允许的负载情况下，输出恒定的电压，电压大小不随负载变化而变化。恒流驱动电压是指在允许额定功率负载情况下，输出恒定的电流，电流不随负载的变化而变化[9]。从图4可知，隧道LED照明灯具伏安特性曲线可看出，隧道LED照明灯具驱动电流随着电压的升高而升高，电压的小幅度波动会引起驱动电流的大幅度波动，因为消除隧道LED照明灯具频闪的主要因素在于消除LED的电流波动大小，故隧道LED照明灯具宜采用恒流驱动电源进行供电[17-18]。

图4 隧道中间段LED照明灯具纵横向配光曲线与效果Fig.4 Vertical and horizontal light distribution curve and effect of LED lighting fixtures in middle section of tunnel

(4)优化隧道LED照明灯具布置方式和布设间距

根据《公路隧道照明细则》等相关规定，可以得出闪烁频率低于2.5 Hz或高于15 Hz都是可以忽略的。而根据式(3)可以得出，频闪与布灯间距和行车速度的关系。

(3)

式中，f为照明的频闪频率；v为行车速度；l为灯具布置间距。

以金家庄螺旋隧道为例，隧道照明行车速度为80 km/h，即22 m/s；如果要求闪烁频率低于2.5 Hz，则布灯间距应大于9 m，如果要求闪烁频率高于15 Hz，则布灯间距应小于1.4 m。隧道根据频闪频率可以得出灯具布灯间距，但是如果金家庄隧道布灯间距大于9 m，受隧道线型影响、灯具配光曲线等因素影响，会在路面形成亮度不同、明暗交替的“斑马线”现象，隧道基本段纵向均匀度会很差。驾驶员在基本段的行车过程中明暗对比明显，会使驾驶员眼睛对隧道LED照明光环境产生明暗频闪现象，从而引起视觉生理不适，进而产生心理紧张，影响行车安全。考虑螺旋形隧道曲线为增强诱导性，金家庄隧道采用连续布灯方式，抑制隧道LED照明光环境的频闪现象。

如图4所示，对隧道中间段LED照明灯具的纵横向配光曲线进行了优化和模拟确定，可显著缓解隧道LED照明光环境炫光现象。

5 结论

基于隧道LED照明光源，分析了螺旋形隧道和直线形隧道加强照明段和基本段驾驶员行驶心率影响机理，以此为理论依据，提出了在螺旋形隧道加强段和基本段要对隧道照明光环境进行优化设计的要求。根据隧道LED照明灯具的特性，分析了隧道LED照明灯具频闪产生的原因，根据隧道LED照明灯具布置间距和频闪的计算公式，并结合频闪相关研究结论，合理确定频闪范围，明确了隧道LED照明灯具布置间距的合理取值，提出了隧道LED照明光环境频闪效应综合消除措施，有助于提升隧道LED照明光环境的视认性水平，为螺旋形隧道LED照明灯具关键指标的优化设计和布设提供了理论依据，具有重要的指导意义。