隧道照明過渡段亮度動態需求探討

邱 凡 馬小軍 劉乃濤 林 衛 劉 向 臧增輝

(1.南京工業大學 自動化與電氣工程學院，江蘇 南京 210009;2.南京漢德森科技股份有限公司，江蘇南京 211100;3.南京項目管理有限公司，江蘇 南京 210006)

1 引言

按照 《JTJ 026.1—1999公路隧道通風照明設計規范》，長度大于100m的隧道應設置照明［1］。由于早期光源制造工藝落后，調光性能差和控制手段落后等技術條件的限制，為了確保在各種情況的安全，隧道照明系統的設計以亮度需求最大的情況考慮，存在大量冗余，使得過量照明嚴重。洞外亮度按夏天中午的最大亮度進行計算，而實際洞外亮度隨天氣、季節和時間不斷的變化。由于光源亮度隨著使用時間的增加而衰減和燈具受到污染而亮度下降，為確保安全，按照文獻［1］取0.7的維護系數。除此以外，還要考慮一定的設計冗余［2］，造成過量照明。文獻［1］中入口段、過渡段、中間段、出口段按階梯型取值，布燈時無論對稱布置、交錯布置、中間布置還是分回路布置，由于單個燈具的功率較大，使得燈具間的距離也較大，都會造成照度分布不均。熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等燈具不能調光或調節范圍小，并且調光復雜，成本高，所以目前的隧道照明系統一般不能調光或分回路有級調光［3］。LED燈光效高、節能、環保、壽命長、響應時間短，調光方便［4］，在隧道照明中具有廣闊的前景。

2 國內標準和CIE標準的比較

在公路隧道照明中，介于入口段與基本段之間的照明區段稱之為過渡段。其任務是解決從入口段高亮度Lth到基本段低亮度 Lin的劇烈變化給駕駛員造成的不適應現象，使之能有充分的時間過渡，并以漸變的加強照明實現這個過渡［5］。 《公路隧道通風照明設計規范JTJ026.1—1999》中采用CIE適應曲線Ltr=Lth(1.9+t)－1.4，作為過渡段亮度與長度劃分的依據。TR1、TR2、TR3三個過渡照明段的亮度比例按3∶1劃分，如圖1所示。

圖1 國內過渡段長度與相應亮度的劃分

Ltr1=0.3Lth，Ltr2=0.1Lth，Ltr3=0.035Lth，亮度變化較大，尤其是第一次多達0.7Lth，若取洞外亮度L20(S)=5000cd/m2，行車速度v=80km/h，亮度折減系數 k=0.035，Lth=5000×0.035=175cd/m2和過渡1段的連接點處，亮度變化多達122.5cd/m2，不利于眼睛的調節和適應，不利于行車安全。按照文獻［2］計算，三個過渡段的總長度為72+89+133=294m，總的適應時間為13.23s。雖然 《公路隧道通風照明設計規范 JTJ026.1—1999》參考了《CIE88—1990.GUIDEFORTHELIGHTINGOF ROAD TUNNELS AND UNDERPASSES》［6］，但 隧 道內各段的劃分上有所不同。CIE標準將過渡的過程分為三個部分，在前一半停車距離上亮度維持 Lth，使駕駛員適應在隧道的行駛，后一半停車距離開始降低亮度，先線性下降為0.4Lth，然后進入漸變區，亮度按適應曲線Lth(1.9+t)－1.4逐漸降低，直到等于Lin，如圖2所示。

圖2 CIE的隧道亮度適應曲線

以上均為理想的過渡過程，由于前期技術條件的限制，無法對燈具按照適應曲線的亮度要求進行按需調節，而是將CIE適應曲線進行劃分為三段［1］，亮度取值分別為0.3Lth，0.1Lth，0.035Lth，適應距離分別為Dtr1=Dth/3+v/1.8;Dtr2=2v/1.8;Dtr3=3v/1.8。國內標準的過渡段，包括了由Lth到0.4Lth和由0.4Lth到Lin兩個適應過程。實際上適應曲線不是固定不變的，是隨洞外亮度實時變化的，適應距離也是由適應時間和車速算出。為了確保行車安全，《規范》中按最大洞外亮度進行考慮，使得當洞外亮度變小時，過渡段的亮度遠大于實際要求，同時由于過渡段長度的固定，又造成過渡段長度大于實際需求，多開了照明燈具，造成電能的浪費。

同時由于分段調節，亮度呈現階梯型變化，且是4次較大亮度的跳躍，不利于行車的舒適性和安全。亮度階梯型變化和適應曲線的對比如圖3所示。

圖3 亮度階梯型變化和適應曲線的對比

3 利用CIE適應曲線求取各個點的亮度需求

設入口為原點，x為汽車在隧道內的位置，假設汽車以設計車速v勻速行駛，剛進入隧道內時，前半個照明停車視距內需求亮度為L=L;后半個照明停車視距內，需求亮度ths由L線性下降為 0.4L，對點和點ththth(Ds，0.4Lth)求直線得式 (1):

解 (1)得:

亮度下降到0.4Lth后按適應曲線Lth(1.9+t)－1.4逐漸降低，直到等于L［in6］，這個過程的過渡時間可由方程 Lth(1.9+t)－1.4=Lin，解得 t=10a－1.9，令a=

設x=DT為過渡段和中間段的連接點，汽車以速度v運動到點DT，則

所以

亮度需求由0.4Lth過渡到Lin的過程中，亮度需求

所以，從剛進入隧道，到過渡到中間段整個的適應過程的亮度實際需求函數為:

4 動態調光方案

4.1 洞外亮度變化時，適應曲線的變化

某隧道設計車速80km/h，雙車道單向交通，水泥混凝土路面，縱向坡度2%(Ds取95m)，設計交通量21865輛/日，隧道內路面寬度 W=9m，燈具的安置高度5m，洞外亮度取 L20(S)=5000cd/m2［7］。

當車流輛較大時，k取0.035，Lin取4.5cd/m2，按照 《規范》有:

適應距離共383.78m，適應時間為17.27s當車流量小時，k取0.025，Lin取2cd/m2

適應距離共383.78m，適應時間為17.27s

按照動態調光方案，當車流量較大時，L20(S)變化，適應距離和適應時間的變化如表1，圖4所示。

當車流量較小時，L20(S)變化，適應距離和適應時間的變化如表2，圖5所示。

適應時間的長短主要決定于Lth/Lin的大小，Lth/Lin越大則適應時間越長，而 Lth由洞外亮度 L20(S)決定，所以L20(S)和Lin相差越大，適應時間越長。從表中可看出，按照 《規范》當車流量較小時，取較小的Lin，使得Lth/Lin變大，反而需要更長的適應時間和適應距離。同等條件下Lin越小，過渡段越長，基本段越短，如圖6所示。所以，基本段亮度的取值不僅要考慮車速和交通量，還要考慮過渡段和基本段長度不同所花費照明成本。

圖4 車流量較大時，洞外不同亮度對應的洞內亮度需求曲線

表1 車流量較大時，洞外不同亮度對應的適應距離和適應時間

表2 車流量較小時，洞外不同亮度對應的適應距離和適應時間

4.2 動態調光的調節條件分析

按洞外最大亮度和最高行車速度計算出最長的過渡段距離，為了提高亮度的均勻性，燈具沿隧道均勻交錯布置，如圖7所示。當洞外亮度變小時，可以關閉一些不必要的加強燈，只開基礎燈。

由于燈具是間斷布置的，各點的亮度需求是連續變化的，通過調節燈具的亮度使得所有點同時恰好都滿足亮度要求非常困難，所以取典型的照明區域為研究對象如 M1，M2，M3，使在該區域內的平均照度和需求的平均照度相等為調節的條件。同時為了體現行駛方向亮度逐漸降低的要求，燈具的實際光通量也應該是逐漸減少，減少的幅度與燈具間的距離和燈具的配光曲線有關。

設減少的幅度為ζ(0<ζ<0.5﹚則燈具①～⑨的光通量分別為:(1+ζ)Φ1，Φ1，(1 －ζ)Φ1;(1+ζ)Φ2，Φ2，(1 － ζ)Φ2;(1+ ζ)Φ3，Φ3，(1 － ζ)Φ3;并且滿足(1－)Φ1>(1+Φ2，(1－ζ)Φ2>(1+ζ)Φ3的值可通過現場測量選取。由于燈具均勻布置，光通量逐漸降低，若 M1，M2滿足照度要求，M1，M2之間的 M12也能滿足要求。M1，M2，M3等作為一個計算和控制單元，以M1為例進行照度計算。

圖5 車流量較小時，洞外不同亮度對應的洞內亮度需求曲線

圖6 相同洞外亮度，不同車流量的亮度需求曲線

利用系數曲線圖計算路面的平均水平照度可按式 (4)計算:

圖7 過渡段的典型區域燈具布置

式中 N——燈具布置系數，對稱布置時取2，交錯及中線布置時取1;

η——利用系數;

W——隧道路面寬度;

S——燈具間距。

由于現在每盞燈的光通量不同，對式 (4)做如下改進:

該區域的平均亮度為:Lav=(L1+L2+L3)。

L1，L2，L3為燈具①②③所在位置的亮度實際需求，可由上面求得的亮度實際需求函數式 (3)計算。

平均亮度與平均照度間的換算關系一般可按瀝青路面 (15～22)lx/cd·m－2，水泥混凝土路面(10 ～13)lx/cd·m－2選取［1］。調節各個燈具的光通量，使得Eav=Ex。但這樣會使洞外亮度有微小的變化或系統有微小的干擾，都會使燈具進行調光，影響燈具的壽命。為了避免頻繁地調光，當|Eav－Ex|≥ε(ε為預先設定的某個較小的數)時，系統才進行調節。

LED的光輸出基本與輸入功率或者輸入電流成正比，因而LED的調光很簡單，只要調整LED的輸入電流即可。一般采用PWM調光的方法。PWM調光是保持電流的大小恒定，以一定頻率開通和關斷LED，通過調節開通和關斷時間比來實現調光［8］。

5 結論

通過對國內隧道照明的亮度階梯型劃分與CIE理想適應曲線的比較知:① 固定的階梯型亮度劃分，有4次較大亮度跳躍，不利于眼睛的調節和適應;② 固定適應段長度劃分又造成過渡段長度大于實際需求，多開了照明燈具，造成電能的浪費。為達到節省電能和提高視覺舒適性的要求，可從以下幾方面對隧道照明過渡段做一些改進:

(1)燈具沿隧道均勻交錯布置使光通量逐漸減少，這樣不但可達到節能的目的，同時使亮度漸變的變化，分布更加均勻。

(2)通過在相同車流量下，對不同洞外亮度時洞內亮度需求曲線的比較;以及在相同洞外亮度，不同車流量時，洞內亮度需求曲線的比較，可知:按最大洞外亮度，最大車流量的標準設計隧道的照明，會使隧道內的亮度遠遠大于實際需求的亮度，產生過量照明，造成大量電能的浪費。因此應進行動態調光，即根據車流量和洞外亮度，實時地對照明亮度需求進行動態調節。

(3)采用光效高、節能、環保、壽命長、響應時間短、調光方便的LED光源。通過調整各個LED燈的PWM頻率就可達到動態調光的目的，從而滿足按需照明要求，不但可以節約電能，減少隧道照明系統運行維護的成本，而且提高了視覺舒適性，有利于行車安全。

［1］交通部部頒標準.公路隧道通風照明設計規范(JTJ026.1—1999) ［S］.北京:人民交通出版社2004.

［2］饒頌濤.淺談LED照明燈具亮度智能化無級控制技術在公路隧道中的應用 ［J］.科技信息 2009.13.

［3］周健，侯鵬，林利安等.公路隧道LED燈照明系統無級調光控制方式研究 ［J］.公路交通科技應用技術版2009.11.

［4］方志烈.半導體照明技術 ［M］.北京:電子工業出版社2009.

［5］陳仲林，翁季，胡英奎等.公路隧道入口段照明計算方法 ［C］.上海市照明學會2008年年會論文集2008.

［6］CIE Technical Report.88-2004.Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses［R］2004.

［7］趙中杰編著.公路隧道機電工程 ［M］.北京:人民交通出版社2007.

［8］馬小軍主編.智能照明控制系統 ［M］.南京:東南大學出版社2009.