原文：《Determination of Speed-Dependent Roadway Luminance for an Adequate Feeling of Safety at Nighttime Driving》[1]

作者：Anil Erkan, Sebastian Babilon, David Hoffmann, Timo Singer, Tsoni Vitkov, Tran Quoc Khanh.

編譯：繆雯卿  郭雨欣

指導(dǎo)：林燕丹

簡介：駕駛員在道路交通中利用視覺來識別和處理重要信息和危險情況。為了保證可靠和準(zhǔn)確的視覺系統(tǒng)性能，在白天和夜間駕駛期間都需要充足的道路照明。Erkan等人的研究確定了與速度相關(guān)的最小道路亮度，該亮度使駕駛員在夜間行駛時有足夠的安全感。

-道路亮度與安全感知-

視覺系統(tǒng)是駕駛員在道路交通中的主要信息獲取系統(tǒng)[2]，負(fù)責(zé)在早期階段識別和處理重要信息和危險。為了保證可靠和準(zhǔn)確的視覺系統(tǒng)性能，在白天和夜間駕駛期間都需要充足的道路照明。各種研究表明，道路亮度的增加會導(dǎo)致夜間事故的顯著減少[3]。此外，駕駛員的主觀安全感也受到積極影響[4]。因此，道路亮度的變化對夜間交通中駕駛機(jī)動車的安全性產(chǎn)生了重大影響。研究表明，城市環(huán)境感知亮度的增加通常會提升人們的安全感和舒適感[5]。在城市地區(qū)，這種亮度的增加可以通過改善街道照明系統(tǒng)來實現(xiàn)。但是在鄉(xiāng)村道路和高速公路上，通常沒有安裝固定照明設(shè)備。道路僅由車輛前照燈照明，因此，前照燈的設(shè)計必須能夠提供足夠的道路照明。Erkan等人通過進(jìn)行綜合建模,將行駛速度作為一個潛在的影響因素，確定道路上需要哪種最低亮度才能使駕駛員感到足夠明亮，以促進(jìn)駕駛員安全感的提升，從而改善駕駛體驗和舒適度。

-研究問題-

對于夜間駕駛，增加道路亮度和改善亮度感知有利于提高安全性和駕駛舒適性。本研究通過考慮真實夜間駕駛場景中駕駛速度對亮度感知的影響，制定了以下三個研究問題：

（1）車輛前方不同區(qū)域亮度感知的相關(guān)性評估；

（2）分析不同區(qū)域亮度感知與行駛速度的關(guān)系；

（3）確定足夠的安全感亮度閾值，以保障夜間駕駛的安全。

-研究設(shè)計-

為了能夠調(diào)整車輛前方的亮度水平，對標(biāo)準(zhǔn)的商用LED前照燈系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，使其能夠通過電腦控制脈寬調(diào)制（PWM）值和前照燈近光分布的強(qiáng)度。對于每種道路照明設(shè)置，受試者根據(jù)其對亮度的感知和安全感進(jìn)行評估。共有23名受試者（5名女性，18名男性）參加了實驗，年齡在22至37歲之間。

1. 靜態(tài)試驗

在靜態(tài)試驗中，每位受試者坐在駕駛員座椅上在不同PWM值下評價車輛前方道路的亮度。共隨機(jī)測試了12種不同的亮度級別。對于受試者的亮度感知采用語義和五步雙極評分量表結(jié)合的方式進(jìn)行評估，值為“1”表示“非常暗”，值為“5”表示“非常亮”。在給出最終評分之前，針對每個測試場景，進(jìn)一步詢問受試者是否敢于在給定的道路亮度下駕駛車輛。

在完成靜態(tài)測試條件后，要求受試者指出車輛前方不同區(qū)域與亮度評估的相關(guān)性。以車頭為起點，測試車輛所在車道被劃分為三個不同的區(qū)域：第一個區(qū)域即近場，為0 m到20 m；第二個區(qū)域即中場，為20 m到32 m，第三個區(qū)域即遠(yuǎn)場，從32 m延伸至道路消失點，見圖1[6,7]。

圖1 測試車輛前方區(qū)域劃分

為了直觀的獲得車輛前場空間亮度分布，使用成像亮度計測量在前照燈最大亮度（PWM值為255）時車輛前方區(qū)域的空間亮度分布，如圖2中顯示了所劃分的區(qū)域能夠較好的對應(yīng)三個不同的亮度區(qū)域。

圖2 測試車輛前方的空間亮度分布

2. 動態(tài)試驗

在動態(tài)測試條件下，受試者以恒定速度（定速巡航控制）沿著由兩條車道組成的800米長的直線測試跑道行駛，每條車道的寬度為3.50米，重復(fù)30 km/h和60km/h的實驗。與靜態(tài)情況相比，在最初的12種亮度設(shè)置中選擇了6種亮度。對于每個速度級別，隨機(jī)呈現(xiàn)不同亮度級別進(jìn)行評估。每次測試后，受試者評價了對每組行駛速度和亮度的安全感知。

-研究結(jié)果-

1. 車輛前方亮度及其在不同評價區(qū)域間的相關(guān)性

圖3顯示了三個不同區(qū)域（參見圖1和圖2）的平均道路亮度和標(biāo)準(zhǔn)差，這三個區(qū)域的平均亮度值與驅(qū)動LED前照燈所用PWM值對應(yīng)。對于評估區(qū)域和PWM值的每個組合，可以提取相應(yīng)的平均道路亮度用于進(jìn)一步分析。

圖3 平均亮度值和標(biāo)準(zhǔn)差

采用線性回歸確定不同評估區(qū)域之間的平均亮度相關(guān)性。從圖4可以看出，近場的平均亮度與中場和遠(yuǎn)場的平均亮度之間存在顯著的線性關(guān)系，r=0.999，p<0.001，R2=0.998；r=0.998，p<0.001，R2=0.996。

圖4 與近場平均亮度相關(guān)的中場和遠(yuǎn)場區(qū)域的平均亮度值

在靜態(tài)條件下（0 km/h），對不同車輛前場區(qū)域的相關(guān)性進(jìn)行評估，以評估受試者的亮度感知。如圖5所示，相應(yīng)的方框圖顯示了受試者在三個不同評估領(lǐng)域的中位數(shù)和分位數(shù)。

圖5車輛前方三個不同評估區(qū)域評分

Friedman檢驗顯示，受試者的評分在各個評估領(lǐng)域之間存在顯著差異。遠(yuǎn)場的評分與其他兩個評估領(lǐng)域之間有顯著差異（p<0.001，z=?3.34；p<0.001，z=?3.86）。然而，近場和中場評分之間沒有顯著差異。因此，可以得出結(jié)論，就受試者的亮度感知而言，車輛前方的近場和中場同等重要，而遠(yuǎn)場與其評估不太相關(guān)。因此，對于夜間駕駛時的亮度感知應(yīng)將近場和中場結(jié)合，將其視為一個單獨的評估區(qū)域。

2. 與車速相關(guān)的車輛前方亮度評估

為了確定受試者的感知亮度與近場和中場評估區(qū)域的平均道路亮度之間是否存在顯著相關(guān)性，采用對數(shù)函數(shù)對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖6所示。

圖6 不同行駛速度下近場和中場的亮度評估與平均路面亮度關(guān)系

隨著道路亮度的增加，亮度等級呈對數(shù)增長；隨著速度的增加，相同的道路亮度值會變得更暗。虛線表示夜間駕駛?cè)蝿?wù)的較低安全感閾值[8],從圖6中可以看住隨著行駛速度的增加，該閾值亮度向更高的值移動。

3. 確定安全感亮度閾值

為確定不同速度水平下的安全亮度閾值，使用Linschoten等人定義的心理測量函數(shù)進(jìn)行分析[9]，通過化簡本試驗采用的心理測量函數(shù)如下：

其中表示具有50%正響應(yīng)概率（即“明亮”或更高評級）的平均道路亮度，定義曲線的陡峭度，應(yīng)用于不同試驗條件的邏輯回歸模型的結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同行駛速度下“明亮”及更好評價的相對頻率

“明亮”或更好評價的概率隨著道路亮度的增加而增加，并且在更高的速度下必須有更高的道路亮度，以保持相同的概率水平。從圖8所示的心理測量函數(shù)的倒數(shù)可以進(jìn)一步確定達(dá)到超過標(biāo)準(zhǔn)50%閾值的特定概率水平所需的平均道路亮度。為了最大限度地提高駕駛員的總體安全感，在實踐中可能會用到更大的概率閾值，例如75%、90%或99%。

圖8 不同速度下不同概率等級的獲得“明亮”及以上評價所需的亮度

為了更詳細(xì)地研究這種規(guī)律，并推算出更高的速度下亮度的閾值，對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的線性回歸分析，包括四個常見的概率閾值，即50%、75%、90%和99%。各回歸曲線如圖9所示。相應(yīng)的確定系數(shù)始終大于0.99，確定了行駛速度和所需道路亮度之間的線性關(guān)系，以達(dá)到“明亮”及以上評價的特定評估等級，從而確保充分的安全感。

圖9 四種概率閾值下不同速度所需的平均道路亮度

從不同概率閾值獲得的回歸斜率來看，在更高的閾值下，可以觀察到所需道路亮度的急劇增加，表1顯示了根據(jù)相應(yīng)回歸方程確定的某些中等和更高速度水平下不同概率閾值的所需亮度值。

表1 不同速度水平下不同概率閾值所需的平均道路亮度值

表中粗體數(shù)字表示使用的標(biāo)準(zhǔn)LED前照燈無法提供道路亮度的情況，即在130 km/h的行駛速度下超過50%的受試者認(rèn)為現(xiàn)有的照明道路“黑暗”或道路照明更差。這會導(dǎo)致安全感顯著降低，并且在高速行駛時很可能會降低識別和處理重要信息和危險的效率。此外，除了靜態(tài)情況外，在其他速度條件下，至少90%的受試者會將道路評估為“明亮”或更好。這表明，標(biāo)準(zhǔn)LED近光燈系統(tǒng)通常不適合在高速公路和鄉(xiāng)村道路上常見的高速行駛。即使在中等速度下，當(dāng)前一代的前照燈系統(tǒng)也不是最優(yōu)的，因此非常需要在主觀安全要求和客觀夜間駕駛性能方面進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

-結(jié)論-

Erkan等人的研究確定了與速度相關(guān)的最小道路亮度，以便駕駛員在夜間駕駛時有充足的安全感。研究結(jié)果表明，在靜態(tài)情況下為了讓50%的受試者感覺到道路明亮，要求車輛前方32米范圍內(nèi)的平均道路亮度為0.88 cd/m^2。此外，行駛速度對最小道路亮度也有顯著影響。例如，在60 km/h時，亮度必須增加到1.54 cd/m^2，50%的受試者才能感覺到道路照明充分，有足夠的安全感。

文獻(xiàn)來源：

[1] Erkan, A.; Babilon, S.; Hoffmann, D.; Singer, T.; Vitkov, T.; Khanh, T.Q. Determination of Speed-Dependent Roadway Luminance for an Adequate Feeling of Safety at Nighttime Driving. Vehicles 2021, 3, 821–839. https://doi.org/10.3390/ vehicles3040049.

[2] Sivak, M. The information that drivers use: Is it Indeed 90 % visual? Perception 1996, 25, 1081–1089. doi:10.1068/p251081.

[3] Fotios, S.; Gibbons, R. Road lighting research for drivers and pedestrians: The basis of luminance and illuminance recommendations. Light. Res. Technol. 2018, 50, 154–186. doi:10.1177/1477153517739055.

[4] Wagner, M.; Khanh, T.Q. Sicher durch die n?chtliche Stadt – Helligkeits- und Kontrastwahrnehmung in der st?dtischen Stra?enbeleuchtung aus Fahrersicht. Licht 2020, 72, 108–113.

[5] Pe?a-García, A.; Hurtado, A.; Aguilar-Luzón, M.C. Impact of public lighting on pedestrians’ perception of safety and well-being. Saf. Sci. 2015, 78, 142–148. doi:10.1016/j.ssci.2015.04.009.

[6] Kleinkes, M. Objektivierte Bewertung des Gütemerkmals Homogenit?t für Scheinwerfer-Lichtverteilungen, 1st ed.; Berichte aus der Physik, Shaker: Aachen, Germany, 2003.

[7] Kobbert, J. Optimization of Automotive Light Distributions for Different Real Life Traffic Situations. Ph.D. Thesis, Technical University of Darmstadt, Darmstadt, Germany, 2019. Available online: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8382/ (accessed on 25 October 2021).

[8] Wagner, M.; Khanh, T.Q. Sicher durch die n?chtliche Stadt – Helligkeits- und Kontrastwahrnehmung in der st?dtischen Stra?enbeleuchtung aus Fahrersicht. Licht 2020, 72, 108–113.

[9] Linschoten, M.R.; Harvey, L.O.; Eller, P.M.; Jafek, B.W. Fast and accurate measurement of taste and smell thresholds using a maximum-likelihood adaptive staircase procedure. Percept. Psychophys. 2001, 63, 1330–1347. doi:10.3758/BF03194546.