道路常亮型LED补光灯对驾驶人员的视觉影响

夏义红，妮尕尔阿依·塔伊尔，毛思晴，郭海林

(中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

随着道路视频监控技术的发展与普及，道路上的常亮型LED补光灯越来越多，以满足光线不足情况下视频拍摄的光照要求。但是，道路常亮型LED补光灯因其亮度高的特性，会引起驾驶人员在短时间内视力下降，甚至看不清路况的情况，从而导致驾驶安全风险上升。

国内外专家就驾驶安全进行相关研究，主要分为辅助驾驶系统、驾驶安全隐患、环境对驾驶人员的影响以及基于视知觉特性的驾驶行为研究等。文献[1-4]研究驾驶人的视觉行为规律，为提高驾驶人行车安全性、规范交通设施提供重要依据；刘锡成[5]研究分析眩光对驾驶人员的视觉造成的影响；文献[6-7]基于眩光产生原理，分析未来道路监控补光灯眩光污染造成的危害以及控制问题；较多文献中的视觉影响通过瞳孔大小变化来体现，胡英奎等[8]的研究表明驾驶员瞳孔大小主要与亮度变化有关，同时受驾驶员心理等因素的影响；Pokorny等[9]认为影响瞳孔大小的因素主要包括外部刺激和观察者自身因素2个方面，外部刺激包括照明水平等；为研究光源对瞳孔大小的影响，Crawford[10]记录了人眼瞳孔直径在不同光刺激(从高刺激到低刺激)条件下随时间的变化情况。目前针对道路LED补光灯对驾驶人员视觉影响的相关文献多侧重于理论分析或运用数码相机进行实验，运用眼动仪来进行实验的较少。

本文基于眼动实验研究道路LED补光灯对驾驶人员的影响，以武汉市某一街道上的常亮型LED补光灯为研究对象，以实测的现场光照数据为依据，设计并开展室内实验，通过眼动数据分析常亮型LED补光灯的照度对驾驶人员视觉的影响，为道路常亮型LED补光灯照度设置提供依据。

1 道路现场实测与分析

1.1 现场测量方案

根据《中国成年人人体尺寸》(GB/T 10000—1988)[11]以及《机动车辆 间接视野装置 性能和安装要求》(GB 15084—2013)，测得被测者臀部和后背部靠在同一铅垂面上这一坐姿状态下的人体尺寸。驾驶员的眼点参数如图1所示[12]。

图1 驾驶员的眼点参数

由图1可知，通过汽车制造厂确定的驾驶员设计乘坐位置中心，作1个平行于汽车纵向基准面的纵向垂直面，从该平面内的驾驶员“座椅基准点”向上635 mm，作垂直于该平面的1条直线，在此直线段与该平面的交点的两侧各32.5 mm处(总距离为65 mm)作2个点，即为驾驶员的左、右眼点。

根据坐姿人体参数以及驾驶人员眼点参数可以得出大汽车和小轿车人眼到地面的距离参数。对于小轿车，座椅基准点距离路面约400～600 mm，对于大汽车，座椅基准点距离路面约1 000～1 500 mm。因此对于小轿车驾驶员的眼点离地面1 035～1 235 mm，对于大汽车驾驶员的眼点距离路面约1 635～2 135 mm。

由于小轿车和大汽车高度不一，为实验的方便和准确性，在实验过程中取眼点离地面的平均值，因此小轿车眼点离地面的距离为1 135 mm，大汽车眼点离地面的距离为1 885 mm。

为分析驾驶人员的眼睛从开始受到灯光影响到结束的范围和在此过程中的光照强度和环境照度变化，选择武汉市某一街道常亮型LED监控补光灯为测量目标，利用红外线测量仪、照度计、卷尺进行实地测量。

1.2 现场数据测量与分析

从事故发生的时间段来看，一天中20∶00—24∶00是公路交通事故高发时间段[13]，死亡事故高发时间段为18∶00—21∶00[14]。在18∶00—21∶00时间段行车，驾驶员身体疲乏，反应迟钝，视线不清，同时夜晚驾驶员注意力难以集中，容易发生交通事故。通过调研发现，实测现场夜间有路灯的道路，光环境较为明亮，有常亮型LED监控补光灯照射的区域较刺眼。结合现场实际情况，测量现场照度的时间安排在每天的19∶15，19∶45，20∶15，连续测量3 d。测量参数为常亮型LED监控补光灯的高度，人眼开始受光照影响时的光照强度和结束时的光照强度及此段距离。利用红外线测量仪测量常亮型LED监控补光灯高度的结果见表1。

表1 LED监控补光灯灯高参数

在常亮型LED补光灯能照到的范围内用照度计连续3 d在每天的19∶15，19∶45，20∶15 3个时间点测量道路中间的光照强度。测量时从距离常亮型LED补光灯22 m处开始测量，地面测量距离与方向示意如图2所示。每隔1 m测量1个照度值，第23个点位位于常亮型LED补光灯的正下方。测量项目为驾驶人员眼睛开始感受到LED补光灯的光照强度，最强光照强度和结束时的光照强度，以及环境照度。

图2 地面测量距离与方向示意

通过现场测量获得该常亮型LED补光灯位置23个测量点位上每个点位的18组数据，并绘制离地面1 135 mm和1 885 mm高度上的光照强度变化趋势图，如图3～4所示。

图3 离地面1 135 mm高度上的光照强度

图4 离地面1 885 mm高度上的光照强度

由图3～4可知，在水平方向上，离地面1 135 mm和1 885 mm高度上的照度变化趋势都是从第8个测量点处光照强度开始上升，第15个测量点处达到最大，第20个测量点处开始恢复正常照度。

在竖直方向上，23个测量点在1 885 mm高度上的照度平均值是1 135 mm高度上的照度平均值的2倍左右。在水平位置第15个测量点处，照度平均值达到最大，1 135 mm高度上的照度平均值为347.33×10-1lx，而在1 885 mm高度上的照度平均值为778.78×10-1lx。

测量过程中，离地面1 135 mm高度上的最低照度为60×10-1lx，最高照度为371×10-1lx；离地面1 885 mm高度上的最低照度为123×10-1lx，最高照度为805×10-1lx。根据现场测得的最低照度和最高照度，为室内实验研究设置照度梯度提供参考。

2 室内实验研究

为研究道路常亮型LED补光灯对驾驶人员视觉的影响，基于现场实测光照数据在实验室内模拟驾驶人员驾驶过程中受到常亮型LED补光灯照射的过程，通过眼动仪采集被试者的眼动数据，分析常亮型LED补光灯对视觉的影响规律。

2.1 实验原理

瞳孔大小变化的临床表现为：正常的瞳孔为圆形，对光的反应敏感，正常成人瞳孔的直径一般为2～4 mm之间，两眼对称的情况下通常差异不超0.25 mm。当相差不超过0.5 mm，且瞳孔的反应和药物试验均无不正常情况，也可以看作正常的差异。瞳孔的变化范围可以非常大，当极度收缩时，人眼瞳孔的直径可小于1 mm，而极度扩张时，可大于9 mm[15]。

瞳孔大小发生变化主要与光照强度有关，在光照强度大时，瞳孔缩小以减小光线对视网膜的刺激；光照强度小时，瞳孔放大以使视网膜得到足够刺激，帮助分辨物体。人眼的视觉功效是由瞳孔大小决定的，瞳孔收缩能提高视觉功效；反之，瞳孔放大会降低视觉功效，但瞳孔缩小或放大到一定程度时会导致看不清楚目标。除此之外，知觉、记忆、思维、语言加工、动机、情绪等许多高级心理活动也与瞳孔大小的变化有关系[16]。Lowenstein等[17]以及Kahneman等[18]的研究表明，疲劳会使瞳孔直径逐渐缩小。瞳孔大小变化能反映驾驶人在驾驶过程中遇到的疲劳或不舒适的心理、生理状态。实验选取LED灯的光照强度作为研究因素，选择瞳孔大小和视觉感受作为驾驶人视觉受影响的评价指标。

2.2 实验设备

实验设备主要包括上海心仪科技公司所生产的Tobii Pro Glasses眼动仪、Tobii Pro Lab(x64)数据分析软件、照度可调节LED灯、标准E字视力表等。

2.3 实验准备

实验随机选取6名正常视力者和6名不正常视力者总计12名被试者进行实验测试，12名被试者的视力情况见表2。被试者的年龄均在21～24岁之间，矫正视力均为5.0。将这12名被试者的瞳孔大小参数作为有效样本，编号为1～12。

表2 被试者视力情况

在实验开始之前，将被试者带入暗室，通过足够长的时间(40～50 min)适应暗室的环境，为实验做准备，并告知被试者实验的具体操作和相关注意事项。被试者在距离视力表3 m远处，戴好眼动仪后进行校准，要求每个被试者平视视力表4.9的位置。要求被试者在实验过程中，每个照度照2 s后立即说出自身视觉感觉：看清(1)或看不清(0)。实验结束后结合眼动数据分析照度对视觉的影响。

依据现场LED灯光照强度的测量结果以及可调节LED灯照度限制，设置7个光照强度进行实验，分别为：100×10-1，300×10-1，500×10-1，700×10-1，900×10-1，1 300×10-1，1 700×10-1lx。

2.4 实验过程

室内实验过程分为2个阶段：预实验和正式实验。

1)预实验。实验的准备工作就绪后，开始进行实验。每个被试者实验时眼睛必须平视前方，在进行实验时，根据100×10-1，300×10-1，500×10-1，700×10-1，900×10-1，1 300×10-1，1 700×10-1lx依次调节LED灯的光照强度，每个照度照射2 s后，被试者立刻说出视觉感受并进行记录，同时测得相应照度下的瞳孔大小。每次光照强度调节后，先让被试者有1～2 min的适应时间，降低由于调节照度给实验带来的误差。实验结束后，对眼动仪记录的眼动数据进行处理，导出两眼瞳孔大小变化参数并进行分析。由于Tobii Pro Lab(x64)软件导出数据较多，因此在数据处理过程中取10组有效数据的平均值，同时降低误差对实验结果的影响。

2)正式实验。预实验得到的数据比较理想，正式实验按照预实验的步骤依次对12名被试者依次进行实验。实验现场如图5所示。

图5 实验现场

3 实验结果与分析

3.1 照度对瞳孔大小的影响

瞳孔大小的变化可起到调节进入眼内光量的作用。在光照强度比较高时，瞳孔缩小以减小光照强度对视网膜的刺激。本文实验选取每个被试者10组有效瞳孔大小数据，并取其平均值，12名被试者左、右眼瞳孔大小与照度的关系分别如图6～7所示。

图6 12位被试者左眼在7个照度下的瞳孔大小变化

图7 12位被试者右眼在7个照度下的瞳孔大小变化

不同被试者的瞳孔大小存在个体差异，所以被试者所受到照度的影响也会有所区别，但整体分析被试者受影响程度大小大致相同。由图6～7可知，随着照度的增大，被试者左、右眼瞳孔呈逐渐缩小的趋势。当照度从100×10-1lx变化到700×10-1lx，被试者瞳孔缩小得相对较快，而从700×10-1lx变化到1 700×10-1lx时，被试者瞳孔缩小得相对较慢。不同被试者在同一照度下也有区别，12名被试者左眼瞳孔大小平均从5.6 mm缩小到2.7 mm，被试者右眼瞳孔大小平均从5.4 mm缩小到2.6 mm，瞳孔大小变化范围差值平均为2.7 mm。瞳孔缩小说明光照强度太高，刺激视网膜收缩，以提高视觉效果，但瞳孔缩小到一定程度会看不清楚目标，被试者的瞳孔大小下降至大约3.5 mm时开始看不清楚目标。

3.2 照度对被试者视觉感受的影响

不同照度下被试者瞳孔随着照度的增大而缩小，当瞳孔严重缩小时会导致视线模糊，看不清目标。为研究照度对被试者视觉感受的影响，记录每个照度照射2 s后被试者的视觉感受，并进行分析。记录结果见表3。

表3 照度对被试者视觉感受的影响

由表3可知，照度在100×10-1～700×10-1lx时对被试者视觉感受的影响较弱，当照度从100×10-1lx变化到700×10-1lx，正常视力的被试者均能看清目标，非正常视力的被试者大部分能看清目标，其中被试者7由于近视度数比较高，从300×10-1lx照度开始看不清目标；当照度从700×10-1lx变化到1 700×10-1lx时，正常视力的被试者均在这一范围内的某一照度下开始看不清目标，最早出现在900×10-1lx，最晚出现在1 700×10-1lx，非正常视力的被试者(被试者7除外)在700×10-1lx或900×10-1lx照度下开始看不清目标，在700×10-1lx到1 700×10-1lx的照度范围内，被试者受影响程度较深。不同视力的被试者，视觉影响也不同，非正常视力的被试者对光的敏感性比正常视力的被试者高，而且近视度数越高，视觉影响越早。例如，被试者2和被试者11在700×10-1lx照度下开始看不清目标，而被试者7在300×10-1lx照度下开始看不清目标。

4 结论

1)道路常亮型LED补光灯在水平方向上，离地面1 135 mm和1 885 mm高度上的照度变化均随着测量点位靠近道路常亮型LED补光灯而呈先上升后下降的趋势。在竖直方向上，离地面1 885 mm高度上的照度平均值是离地面1 135 mm高度上的照度平均值的2倍左右。

2)在照度从100×10-1lx变化到1 700×10-1lx的过程中被试者瞳孔逐渐缩小，左眼变化区间为5.6～2.7 mm，右眼变化区间为5.4～2.6 mm。被试者的瞳孔缩小至约3.5 mm时开始看不清楚目标。

3)照度的变化对被试者视觉感受有一定影响。照度在100×10-1lx到700×10-1lx的范围内对被试者视觉感受的影响较弱；照度从700×10-1lx变化到1 700×10-1lx，被试者受影响程度较深。

4)不同视力的被试者，视觉影响也不同，非正常视力的被试者对光的敏感性比正常视力的被试者要高，而且近视度数越高，视觉影响越早。被试者2和被试者11在700×10-1lx照度下开始看不清目标，而被试者7在300×10-1lx照度下就开始看不清目标。

5)为减小道路常亮型LED补光灯对驾驶人员的视觉影响，建议道路常亮型LED补光灯的照度设置在700×10-1lx以下。