隧道LED照明關鍵問題探討

1 引言

隧道一種特殊的管狀構造物，與洞外明亮寬敞的道路不同，車輛白天進出隧道是一個從明亮進入黑洞，又從黑洞走向明亮的過程，在這個過程中存在幾個特殊的視覺問題，車輛白天進入隧道，在隧道入口會出現“黑洞效應”;進入隧道后，肉眼需要一定時間才能適用隧道內部的光環境，出現“適應滯后現象”;在隧道出口處，由于洞外亮度極高，在出口處出現“白洞效應”。由于這幾種特殊的視覺問題，給隧道照明提出了極高的要求。

由于隧道照明是一種密集、定向照明，需要隧道燈具一天24小時連續不間斷點亮， 而LED光源作為一種定向照明光源，特別適合隧道這種密閉空間內的密集照明，能最大限度地發揮LED節能的特點，并且隧道內部相對恒溫的工作環境、汽車行駛的空氣流動特性也很有利于LED隧道燈燈具的散熱，因此隧道照明被認為是LED照明的最佳應用領域之一。

近年來，在國家“十城萬盞”的推動下， 廣東、福建、浙江、江蘇、安徽、上海等全國各地紛紛開展隧道LED照明試點工程。重慶也緊追試點工程的步伐，目前重慶現有隧道總計超過200座，而在建隧道170余座、總延長近300公里，其中3000米以上特長隧道41座，自2007年開始逐步試點多座隧道，但由于相關部分和LED燈具生產企業對隧道照明的特殊性認識不足、而LED光源本身也尚在發展中，前期重慶各地的LED隧道照明試點工程中暴露出了很多問題，節能、照明效果令人很不滿意，因此相關交通主管部門對隧道LED照明總體持謹慎態度。

為了促進重慶LED隧道照明的健康發展及全面推廣應用，針對隧道LED照明目前存在的各種問題，重慶市高速公路集團、招商局重慶交通科研設計研究院、重慶大學、交通部公路設計研究院，聯合開展了《高速公路隧道LED智能照明系統設計及應用成套關鍵技術研究》的重慶市科技攻關重大項目研究，旨在總結國內隧道照明的經驗教訓，深入認識隧道LED照明的規律與特點，發現國內隧道LED照明試點工程中暴露出來的共性問題，找出問題的原因、制定相應的對策，使隧道LED照明的優勢得以發揮、而不足得到逐步克服。通過項目的實施，在隧道照明的關鍵問題研究方面取得了明顯的進展，對隧道LED照明提出了很多有益的建議。

2 隧道LED照明的共性問題探討

2.1 隧道LED照明的光源色溫選擇問題

2.1.1行車安全性對光源色溫的要求

在LED光源中，色溫越高、光效越高，純粹從節能的角度看光源的色溫越高越好。由于色溫兼具生理性和心理性兩種屬性，其中生理性包含反應時間、中間視覺效應、對障礙物的分辨能力等指標[1];心理性包含舒適感、滿意度等指標。其中反應時間對于保障道路照明節能和交通安全是至關重要的，反應時間短、發生交通事故的可能性就越小。因此在隧道照明中，不應單純考慮節能指標進行光源的色溫選擇，還應重點考慮安全指標、從人眼的反應時間出發進行光源的色溫選擇。

人眼的反應時間不但與照明光源的亮度、被照體的對比度等有關，還與照明光源的色溫有關。通過研究不同背景亮度下光源色溫與反應時間的關系，確定隧道光源合理的色溫區間，將有利于隧道照明交通安全和科學節能。為了探究在不同背景亮度下，人眼對不同色溫的反應時間，選擇2700K - 6400K的幾種不同色溫的緊湊型熒光燈、無極熒光燈進行了對比試驗[2]-[3]。圖1為2700K、6400K兩種不同相關色溫緊湊型熒光燈反應時間與背景亮度之間關系的歸一化實驗結果，圖2為4000K、5000K、6500K三種相關色溫的無級熒光燈反應時間與背景亮度之間關系的歸一化實驗結果，但是圖1是將2700K的緊湊型熒光燈在背景亮度1.0cd/m2的反應時間實測值作為歸一化初始值，圖2是將4000K的無極熒光燈在背景亮度0.32cd/m2的反應時間實測值作為歸一化初始值。

從圖1、圖2可以看出，對于緊湊型熒光燈，高色溫6400K的反應時間比低色溫2700K的反應時間短;對于無級熒光燈，色溫4000K和5000K的反應時間相當，且都低于色溫6500K時的反應時間。根據反應時間的研究結果，從隧道照明的安全性出發，色溫為4000K~5000K的光源優于高色溫6500K或者低色溫2700K的光源。

2.1.2行車舒適性對光源色溫的要求

從隧道照明舒適性和滿意度出發，前人的研究表明[1]，不同的色溫對人的感覺不同，主觀亮度受照度、色溫及顯色性的交互影響，人在低照度的環境下偏好低色溫，當照度愈高時，則偏向于較高的色溫。人對色光環境的舒適區域范圍如表1所示。

由于不同隧道區段、不同的交通量、不同的行車速度對應著不同的照度值標準，根據表1所示的心理感覺與光源色溫、照度的關系，對于照度值小于500Lux隧道照明區段，采用暖色或者中間色較好，對于照度值大于500Lux而小于2000Lux的隧道照明區段，采用中間色或者冷色較好。

因此，在進行隧道照明設計時，需在在滿足隧道照明設計物理標準的前提下，充分考慮使用者的視覺舒適性，并在光效、反應時間、色溫之間取得平衡。結合反應時間與色溫、視覺舒適性與色溫、光效與色溫關系的研究成果，色溫為5000K左右的LED光源是隧道照明光源的較好選擇。

2.2 隧道LED照明光源配光與隧道配光方式的探討

根據國家隧道照明標準“公路隧道通風照明設計規范JTJ 026.1—1999”的要求，將隧道照明按照不同的區段分為了如圖3所示的入口段照明、過渡段照明、中間段照明、出口段照明、接近段照明等，不同的區段對應著不同的設計亮度值。

根據CEN技術報告“CR 14380-2003”[4]，將隧道照明系統分為圖4所示的寬光帶對稱照明系統和圖5所示的非對稱照明(逆光照明)系統。另外還有一種圖6所示的非對稱的照明系統—順光照明系統，要實現隧道照明在符合照明質量的前提下經濟合理的設計，需要從燈具配光和隧道配光兩方面入手。

在燈具配光方面，由于不同的隧道結構(寬度、高度)、以及不同的隧道內部條件(路面反射系數、墻面反射系數)、隧道的不同區段(基本段、過渡段、入口段、出口段、加強段)對照明的要求有很大差異，使得隧道燈有各種不同的布燈方式(側面、頂部布燈，單側、雙側布燈，對稱、交叉布燈等)，從而對應這不同的燈具配光形式，因此燈具的配光設計方面，需要將燈具的光學配光指標與隧道具體的內部結構、區段、布燈方式相結合。

對于隧道中間段，由于燈具排布間隔較大，適宜采用寬光帶對稱照明配光，即要求LED隧道燈配光呈蝠翼或朗伯型分布，其最大光強投射角和空間各方向的光強值根據隧道結構、內部條件而定。對于隧道入口段和出口段，亮度值要求很高，需要隧道燈具密集排布，布燈間距很小，可以采用逆光照明方式或者順光照明方式。由于逆光照明方式能較容易辨別障礙物，并且大幅度提高路面的平均亮度，但是眩光明顯，適應于交通流量較小的道路隧道入口段。順向照明方式，光線照射在行駛車輛的后面，可以提高后行車輛的目視性，增強交通安全性。特別是在汽車剛進入隧道和開出隧道時，能有效的改善先行車輛突然消失這一現象，起到防止事故，緩解阻塞的作用。這種照明方式適應于交通流量大、設計速度高的城市隧道。這兩種照明方式對應的LED隧道燈的配光呈偏轉的聚光型或者側射型，其最大光強投射角和空間各方向的光強值根據隧道結構、內部條件而定。

在隧道配光方面，為了達到符合國標亮度值、節能、經濟的目的，需要對LED照明燈具進行合理的優化布局設計。對于圖7所示的隧道斷面模型，需要優化的參數主要為燈具排列方式(單排中央排列，雙排交錯排列，雙排對稱排列)、布燈高度H，布燈位置X，安裝傾斜角A，安裝間隔S等幾個參數。由于照明計算是個很復雜的工程，因此進行優化設計時，需要借助相關照明設計軟件并基于相關優化算法實現節能、經濟的隧道照明設計。

2.3 功能照明與引導照明配合問題探討

功能照明和引導照明是道路照明不可缺少的兩部分。功能照明幫助駕駛員分辨前方路面障礙物，且輔助道路監控系統記錄發生車輛事故的過程;引導照明是為了凸顯道路的邊緣或者隧道輪廓，避免車輛發生擦邊、碰壁現象。車輛在高速公路行駛時，由于高速公路禁止行人行走，而沒有設置路燈照明等功能照明，依靠汽車的前照燈完成道路照明的功能，并利用道路兩旁反射標志完成引導照明的功能，顯示道路邊緣，防止車輛擦邊，從而保證行車安全。

對于隧道照明，因為車輛是行駛在一個狹窄超長的隧道空間，駕駛員同時兼備心理性(反應時間等)和生理性(安全感等)兩種狀態，因此隧道照明最好采用功能照明和引導照明相結合的形式，即隧道頂部安置LED隧道照明燈具，隧道兩側安置LED指示燈具。但是由于車輛在隧道行駛時會將前照燈開啟，因此可以適當降低中間段的照明亮度指標，而依靠汽車前照燈完成部分功能照明的作用。

2.4 隧道LED照明燈具可維護性問題探討

2.4.1隧道LED照明燈具的通用性、互換性問題探討

2.4.1.1 燈具結構尺寸的通用性、互換性問題探討

目前LED隧道照明示范工程主要有兩種方式。一種方式是在原來高壓鈉燈的安裝條件的基礎上用LED隧道燈替換高壓鈉燈;另一種方式是根據LED隧道燈的配光性能并結合隧道的實際情況設計隧道燈的安裝方式(安裝間距、安裝位置、安裝傾斜角等)，由于不同的隧道、不同規格型號的LED隧道燈對應著不同的安裝方式，這樣一來造成安裝方式千差萬別，LED隧道燈的支撐架也形式各異。由于各LED隧道燈具生產廠家生產的燈具型號各異、安裝尺寸各異，這給LED隧道燈的后期維護、更換帶來的極大的困難。因此急需解決安裝、結構的通用性問題，才能規范市場，促使LED隧道照明產業的健康發展。

對于用LED隧道燈替換高壓鈉燈方式，需要統一LED隧道燈的安裝尺寸，即安裝間距、膨脹螺釘的規格、空間安裝高度等;對于直接用LED隧道燈進行設計的方式，需要不同廠家、不同型號的LED隧道燈燈具能實現燈具互換、廠家互換、型號互換，最大程度上解決LED隧道燈安裝、結構的通用性問題。

2.4.1.2 燈具電源的可換性問題探討

由于LED芯片、封裝、散熱技術的發展，LED自身的光衰問題逐步得到解決，使得LED驅動電源的問題日益凸顯，其壽命遠遠小于LED的壽命，在現有的LED隧道燈產品應用過程中，其失效很大程度上是電源故障造成的，驅動電源已經逐步成了LED隧道燈的瓶頸，因此更換電源而不換燈成為一個LED隧道光源維護使用中的實際需求。為了方便地更換電源，在進行LED隧道燈設計時，需要將驅動電源全部外置，即使LED隧道燈燈體與驅動電源分離。

2.4.2灰塵污染與清洗

由于隧道是個相對封閉的管道，雖然進行了通風設計，但是常年累月的車輛通行，車輛尾氣等污染氣體不能及時排出，這些灰塵部分粘結到LED隧道照明燈具的玻璃罩或者透鏡上，使得燈具的照明效果變差，并且灰塵落在散熱器上將使得LED隧道燈散熱通道阻塞，散熱性能下降，從而造成燈體內的溫度上升，并使LED隧道燈的光衰加劇。

與高壓鈉燈相比，由于LED是冷光源，如果密封設計合理，則LED可以耐受水的直接沖洗。因此如果在LED隧道燈設計時結合LED作為冷光源的特性，努力提高燈具密封、抗水性能，使得LED隧道燈燈具工作直接能耐高壓水直接沖射，就可以在燈具正常工作條件下、實現燈具的在線定期清洗維護，從而提高燈具的光效、改善照明效果。

3 結論

隧道照明設計是一個復雜的工程，隧道照明效果是LED燈具、隧道照明環境、隧道照明設計等多方面共同作用的綜合結果。本文分析了國內隧道LED照明試點工程中暴露出來的共性問題，并對問題提出了可行性的建議。如LED隧道燈的色溫選擇需要在反應時間、視覺舒適性、光效、色溫之間取得平衡，以5000K左右為宜;要達到最佳隧道照明效果，必須綜合考慮燈具配光與隧道配光、順光與逆光方式相結合;為了車輛駕駛員心理性和生理性的統一，需實現功能照明與引導照明相結合，并可適當降低中間段的亮度值;在燈具的維護性和更換方面，LED燈具的安裝尺寸最好統一，且不同廠家的燈具互換、型號互換，LED隧道燈燈體與驅動電源分離等。上述的這些問題是目前存在的國內隧道LED照明示范工程中的問題，通過LED生產企業與隧道照明設計部門的共同努力，完全可以解決，從而能使隧道LED照明的在兼顧安全性、使用性、節能性的條件下，充分發揮LED的優勢。

參考文獻

[1] 吳春海LED路燈色溫的思考與選擇[C]，2009.

[2] 陳忠林、張青文、胡英奎等道路照明水平下光源色溫與反應時間之間的關系探討[C]，2009

[3] 崔璐璐、陳忠林、殷穎等隧道照明安全與光源光色研究[J].照明工程學報，2009，20(2):24-29.

[4] CR 14380，Lighting application-Tunnel lighting CEN Report.