基于路灯低频闪烁能量比率解释的实验研究

时间：2024-07-28

陈神飞，张兵，李玮晟，杨松柏，赵海天

(1.同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092；2.深圳大学建筑与城市规划学院，广东深圳 518060)

引言

不连续布置的路灯对驾驶员视觉造成的刺激，在隧道照明、地下通道照明中表现为闪烁效应，而这一现象在现有的低位照明中也很明显[1-4]。不合理的频闪频率会造成驾驶员视觉疲劳[5,6]，视敏度下降[7]等视觉特征变化，也会引发驾驶员紧张、焦虑、烦躁、癫痫等身体不适[8-14],甚至引发交通事故[15,16]。

国际照明标准中, 以国际照明委员会CIE为主, 在《Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses》(CIE 88—2004)中指出“照明频闪频率应该控制在小于2.5 Hz或大于15 Hz的范围内”[4]，闪烁频率取决于行驶速度以及灯距，以减小超低频闪烁带来的影响。《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ 026.1—1999)规定中只表明路灯的间距和车速对“频闪”闪烁的影响。

根据BLOCH’S[17]定律，人眼能感觉到外界刺激的两个条件是：刺激信号需要有一定的强度和一定的作用时间。很多标准与规定只是考虑“频闪”闪烁的频率，有效控制路灯间距和车速就可以减小“频闪”闪烁强度，而完全忽略了闪光能量对频闪闪烁强度的影响。北美照明工程学会IESNA[18](Illuminating Engineering Society of North America)阐明了产生频闪的原因是由于路灯发光面与周边环境之间形成明显的亮度反差。当反差越大时，驾驶员明暗视觉交换程度较强，很快导致视觉疲劳，疲劳程度随时间增长；当反差越小时，驾驶员明暗视觉交换程度较弱，达到视觉疲劳的时间延长，比如，由于白天环境亮度均衡，驾驶员视觉不易疲劳，而一旦进入采用人工光源的隧道，或者低位照明的道路，高亮度的人工光源对人眼造成的眩光引发的强烈刺激与低亮度的环境对人眼造成的微弱刺激促使驾驶员明暗视觉不断的交换。而光源刺激信号的大小实质上就是光源能量的高低。

本文通过设计实验，模拟不同亮度的环境对人眼的刺激，检测在不同亮度刺激下，人眼视觉疲劳程度的大小，研究关于路灯光源能量大小对人眼视觉疲劳影响。揭示了能量比率在闪烁强度中的主导地位，为道路照明设计与隧道照明设计提供参考依据。

1 实验方法

1.1 实验目的

利用相对运动原理，驾驶员不动，模拟的路灯相对驾驶员运动。保证LED灯的运动速度不变，即闪烁的频率不变，改变不同的亮度等级。测试者观看同样时间长短，不同亮度等级的运动的灯带，采用闪光融合频率计检测出测试者每次实验前、后的临界频率值，比较不同亮度等级实验前、后临界频率的差值大小，判断驾驶员视觉疲劳的程度。

1.2 实验装置

实验装置由传动装置、观测装置、检测装置组成。实现速度可控、亮度可控、频率可控。

传动装置由步进电机提供动力，带动皮带及LED灯匀速运动，通过输入特定参数，达到速度控制，实现频率可控操作；观测装置，为受试者实验时所需佩戴的镜筒，避免测试者视野受外界干扰,如图1所示。检测装置是采用闪光融合频率计，通过检测测试者临界闪光融合频率(critical flicker frequency, CFF)作为视觉疲劳的参考指标[19-22]，图2为实验场景图。

图1 实验模型部件图(a)[23]；观测镜筒装置(b)Fig.1 Experimental model part drawing (a); observation tube device (b)

图2 实验场景图(测试时实验室其他照明设备都关闭，图片中已打开)Fig.2 Experimental scene diagram (other lighting in the lab is turned off during the experiment, the image is already open)

1.3 实验光源参数指标

实验中各亮度等级下LED灯参数如表1所示。

表1 实验中使用LED灯的参数[23]

1.4 实验方法与步骤

本实验通过设计模拟道路照明光环境试验台，测试者通过观察前面试验台上模拟的道路照明的灯光进行道路驾驶实验测试，如图3所示。实验采用的频闪频率为6 Hz。

图3 实验测试时相应位置关系图及个测试点实际视野图Fig.3 Corresponding positional relationship diagram and actual test field of a test point during experimental test

实验一共分低、中、高三组亮度等级，每组实验开始前后，测试者采用最小变化法测出其临界闪光融合频率(CFF)值，多次测试取平均值，记为C1-1、C1-2，C2-1、C2-2，C3-1、C3-2，并计算其差值记为ΔC1： ΔC1=C1-1-C1-2；ΔC2：ΔC2=C2-1-C2-2，ΔC3：ΔC3=C3-1-C3-2，每组实验中途休息半小时以上。

2 数据处理与分析

2.1 实验数据统计结果

将实验记录的数据全部输入到SPSS软件中[24]，CFF平均值数据统计如图4、图5所示。

图4 低、中、高亮度测试前CFF值(a)和测试后CFF值(b)Fig.4 CFF value before low, medium and high brightness experiment (a) and CFF value after experiment (b)

图5 (a)低亮度实验前、后CFF值；(b)中亮度实验前、后CFF值；(c)高亮度实验前、后CFF值；Fig.5 (a) CFF values before and after low brightness experiment; (b) CFF values before and after medium brightness experiment; (c)CFF values before and after high brightness experiment

许世岩等[25]针对平均年龄为24岁的群体研究表明，正常状态下人眼双眼CFF值测试在27～40 Hz之间，缪毅强[26]等通过对大量不同职业、年龄、性别的测试，得出正常人的闪光融合频率在30～45 Hz之间。图4为每组实验开始前，测试者的闪光融合频率测试值，其范围在30～45 Hz之间。图5为每组实验，测试前后CFF值，其对应的差值，即为测试者实验前后，视觉敏锐度的改变大小。

2.2 数据正态分布检验

ΔC1、ΔC2、ΔC3正态分布检验从研究过程来分析，每个测试者最终测试的结果互相之间保持独立，因此，需要先检验ΔC1、ΔC2、ΔC3是否满足正态分布的假设。

本文数据主要采用Shapiro-Wilk检验方法对总体的分布进行检验[27,28]。假设：

H0: ΔC1、ΔC2、ΔC3与正态分布没有显著区别;

H1: ΔC1、ΔC2、ΔC3与正态分布存在显著区别。

检验结果如表3所示。单样本k-s检验结果表明(ΔC1:P=0.200>0.05;ΔC2:P=0.200>0.05;ΔC3:P=0.200>0.05); 单样本S-W检验结果表明(ΔC1:P=0.943>0.05;ΔC2:P=0.130>0.05;ΔC3:P=0.502>0.05)，则拒绝H0，即符合正态分布。

表3 ΔC1、ΔC2、ΔC3正态分布检验分析表

2.3 独立样本的差异显著性分析

在整个实验探索的过程中，无法预测受试者性别、实验测试时所坐的位置(位置不同面对灯运动的角度不一样)以及实验过程中照明环境亮度变化是从low → high或者是从high → low对实验结果的影响，因此对数据进行显著性分析。性别和照明环境亮度变化对实验结果影响采用Mann-Whitney U检测[29-33]，实验位置，即角度不同对实验结果的影响采用Kruskal-Wallis (K-W) 检测[34]。

2.3.1 视觉疲劳程度与性别差异的显著性分析

实验过程中，被试对象有21人，其中男性11人，女性10人，平均年龄在25岁左右为探究实验测试结果与性别不同是否存在显著性差异，对该实验数据进行差异显著性检验，采用Shapiro-Wilk (SW) 检验。

如表4所示，列出了用Mann-Whitney U方法进行检验的结果。使用检验Exact方法计算出的三种测试结果的双侧显著性水平为P=0.973、0.705、0.468均大于0.05，所以实验前后视觉疲劳程度与性别没有显著性差别。

表4 视觉疲劳程度与性别差异的显著性分析表

2.3.2 视觉疲劳程度与实验亮度由low → high和high → low的显著性分析

在实验过程设计中，无法否定实验中光照强度变化从low→high,还是从high→low对实验的影响，在实验设计中，有12位被试者的实验环境亮度由low→high,有9位被试者的实验环境亮度变化是high→low。如表5所示，为实验环境亮度变化是否对实验结果有显著性影响的分析。

表5 视觉疲劳程度与实验亮度由low → high和high → low的显著性分析

如表5所示，列出了用Mann-Whitney U方法进行检验的结果。使用检验Exact方法计算出的三种测试结果的双侧显著性水平为P=0.508、0.554、0.247均大于0.05，所以实验前后视觉疲劳程度与实验环境亮度是从low→high,还是从high→low没有显著性差别。

2.3.3 实验前后视觉疲劳程度与实验测试者所处位置差异显著性分析

在实验的过程中，为缩短实验的周期，分别采取了3个不同的位置及角度进行实验，以减少实验的偶然性。如表6所示，为实验过程中被测试者的测试位置不同是否对实验结果有显著性差异的检验。

如表6所示，列出了用Mann-Whitney U方法进行检验的结果。使用检验Exact方法计算出的三种测试结果的双侧显著性水平为P=0.127、0.271、0.833均大于0.05，所以实验前后视觉疲劳程度与实验被试者所处位置没有显著性差异。

表6 实验前后视觉疲劳程度与实验测试者所处位置差异显著性分析

3 实验结果

由以上分析可以知道实验结果与被试者性别、实验环境光照强度变化形式及被试者实验所处位置和角度没有显著性差异，则可以将实验变量进一步简化。表7为实验环境亮度等级与被试者测试前后CFF差值的数据。

表7 ΔC与实验光强度数据表

续表7

将该表的数据导入SPSS软件中进行散点图绘制，得到ΔC与L-fluctuation的散点分布图，如图6所示。由图可以看出，随着实验环境亮度的增大，ΔC也随着增大。说明实验环境亮度越大，对视觉疲劳程度影响越大。

图6 实验前、后CFF差值(ΔC)与实验LED亮度等级对数(L)的关系曲线Fig.6 Relation curve between CFF difference (ΔC) before and after experiment and logarithm of LED brightness level (L)

4 讨论

图6的数据反应了临界闪光融合频率差值与实验环境亮度等级的关系。从图中可以看出，在相同频率下，相同时间内，光照强度越大，测得的人眼闪光融合频率越小，ΔC越大，说明对人眼视觉刺激越大，视觉疲劳程度越大。即在相同的条件下，光强越小，对人眼形成的刺激越小，达到视觉疲劳的时间就越长。在实验过程中，测试的实验亮度等级只有三个，低等、中等、高等三个等级的亮度差别较大，在该范围内，临界闪光融合频率差值ΔC的升高与实验亮度等级的对数成线性关系。根据Ferry-Porter定律[35，36]，临界闪光融合频率差值与亮度等级对数应该满足ΔC=klogl+c，k和c都是常数。由于实验过程中亮度等级次数较少，还需进一步探索不同等级亮度对临界闪光融合频率的影响。