基于光氣候理論的隧道洞外景物亮度研究*

孫春紅 楊春宇 陳仲林

(重慶大學建筑城規學院，重慶 400045)

1 引言

公路隧道作為公路上特殊的構筑物，照明有其特殊性。白天隧道外亮度很高，當駕駛人員從高亮度的隧道外進入到黑暗的隧道內時，由于人眼的視覺適應特征，需要一定的適應時間。為了避免因為視覺適應可能出現的安全問題，在隧道的入口段和過渡段需要有較高的照明亮度，保證視覺適應的順利過渡，確保行車安全。但是，高的入口段和過渡段亮度意味著高的電能消耗和使用維護費用。

各國的隧道照明設計標準或指南中，關于隧道入口段的亮度值都是以“一個停車視距處視野范圍內的洞外平均亮度值L20(S)”為參數，乘以亮度折減系數k計算得到的。因此，隧道照明的設計基準——洞外亮度L20(S)的取值大小將直接關系到入口段和過渡段亮度取值大小，也決定了隧道照明節能、營運費用和行車安全等。

作為隧道照明設計最基本參數的隧道洞外景物亮度值L20(S)，很多國家的科研人員進行了較長期的研究。并在這些研究的基礎上給出了隧道洞外景物亮度的建議值。CIE和歐盟關于隧道洞外亮度的建議值是以Postma在荷蘭關于日光照度的相關記錄作為參考依據的。英國的隧道照明標準中關于洞外亮度的規定，是依據Hunt(1979)的全年任意時間日光水平照度的頻率狀況的研究作為參考依據的。《日本隧道照明標準 (JIS Z 9116—1990)》中洞外亮度值是根據Yoshikawa等人對位于日本中部山區的典型高速公路隧道進行了連續一年的測量，給出了洞外亮度平均值。

我國關于隧道照明的研究起步晚，經驗和基礎性的工作不足，在理論上的研究基本處于空白。目前使用的《隧道通風照明設計規范 (JTJ026.1—1999)》中關于隧道洞外景物亮度是直接引用的CIE隧道照明指南和歐盟隧道照明標準制定的。既沒有長期的觀測數據為基礎，更沒有考慮我國的實際光氣候條件和地區差異。

為了填補這一空白，20世紀90年代后期，重慶交通科學研究院在福建通過環境簡圖法進行了洞外亮度實測。2001年10月上海市照明燈具研究所利用黑度法對福建10條隧道的隧道洞口亮度進行了測試。2005—2006年重慶交通科學研究院用數碼相機現場拍照法對福建省多條公路路段的32處隧道洞口的洞外亮度數據進行了測試和分析。但是由于測試僅限于福建省內，并且每個隧道測試時的光環境條件都有很大的隨機性，不能表達不同地區和不同光氣候條件下洞外亮度的差異。

要獲得不同地區隧道洞外景物亮度，需要大范圍、長時間對各地隧道洞外亮度測試，才可能獲得某一地區有代表性的、適宜的亮度參數。我國目前還沒有這樣大量的、長期的洞外景物亮度測試數據作為制定標準的依據。實際上，不同的地理位置、不同的光氣候條件、以及洞口要素的不同材質和反射性能，其表面亮度值差異很大。我國幅員遼闊，地理緯度跨度較大，光氣候條件差異巨大，想以一個地方的數據作為國家行業標準和規范，不夠嚴謹。

因此，為了得到符合我國國情，能反映不同地區的光氣候差異、更具普適性的隧道洞外景物亮度值，本文提出以光氣候理論為基礎，用已有的長期觀測的光氣候數據資料來研究隧道洞外景物亮度。這種研究方法可以彌補我國洞外景物亮度觀測數據和理論研究的不足，也可以彌補隨機測量的所帶來的偶然性誤差。

2 隧道洞外景物亮度的參考光氣候條件

為了確保任何情況下隧道入口段的交通安全，原則上，入口段亮度 (Lth)需要設計為全年可能出現的最高入口段亮度值，也就是要以全年洞外景物最大表面亮度值為取值依據。但是，在實際的隧道照明設計時，如果用全年最大洞外景物表面的亮度值計算入口段所需照明亮度值，需要很高的入口段照明，無論從照明的經濟性還是工程實施的必要性都是不合適的。

國際照明委員會在文件CIE 88—2004中明確指出:“如果用視野范圍內的表面上出現的最高亮度值計算入口段亮度將會需要很高的入口段照明。因此提議用一年中至少出現75小時的最高亮度值作為計算參照值……”這種提法實際上是基于累積頻率的概念。CIE標準中提出的不是直接針對于某一特定時間的最高值，而是記錄超過一定出現頻率的較大值。

基于以上的觀點，從工程的實際需要出發，用累積出現頻率達到75個小時的最大亮度值作為確定洞外景物表面亮度的標準參考值。因此，本文確定用累積頻率75小時最大亮度值所對應的光氣候狀況作為研究隧道洞外景物亮度的基準參考光氣候條件。

本文以1983—1984年，中國氣象科學研究院和中國建筑科學研究院組織的，對全國14個有代表性的城市的光氣候觀測站進行的光氣候觀測數據，包括:每小時記錄的水平面總照度、水平面散射照度、水平面直射照度、以及日面狀況和云量狀況的觀測數據為依據。

首先以重慶為例，通過對重慶1984年全年每小時記錄的水平面總照度的篩選分析，發現重慶1984年全年最大水平面總照度為125000lx，出現在1984年8月15日中午12:30。

累積出現頻率達到75小時的最大水平面照度值為97000lx，即:全年記錄數據中有75小時的水平面總照度大于97000lx，見圖1。

圖1 重慶地區1984年全年水平面照度累積頻率分布

分析大于97000lx的75個小時水平面照度值在不同時刻和不同月份所占比例，如圖2和圖3。從圖2中可以知道最大的75個水平面照度值主要出現在正午前后。出現在12:30和11:30總共達83%;出現在其他時段的:10:30時6個，14:30時1個。

（2）擁擠踩踏事故處置預案。志愿者應負責好劃分區域內的人員流動與安全防范，禁止出現由于游客量增加而發生推擠、踩傷等狀況。一旦出現，進行現場疏導，并求助組織方進行現場協調。

圖2 最大的75小時水平面照度在不同時刻的百分比

圖3 最大的75小時水平面照度在不同月份的百分比

如果考慮最大的75個水平面照度值的季節分布，從圖3可以看出，全部在暖半季。而以6、7、8月為主，占到了91%，其他的9%出現在5月和9月。并且6、7、8月出現的比例比較接近，近似均勻地分布在夏季的3個月。

累積出現頻率達到75小時的水平面照度，即大于97000lx的75個最大水平面照度值，對應的日面狀況均為日面可見，其中80%的日面為 θ2狀態，20%的日面為θ狀態。沒有出現日面為П的情況。這說明:水平面照度的最大值都出現在晴天空狀況下。

綜合以上的分析，重慶地區研究隧道洞外亮度可以將基準參考光氣候條件定義為:夏至日正午的晴天空，參考水平面照度可以選擇97000lx。

進一步分析其他13個城市的光氣候觀測數據，得到同樣的結論:累積頻率75小時的最大水平面照度值都出現在夏季正午前后的晴天空條件下。只是累積頻率75小時的最大水平面照度值，不同地區存在差異。

因此，以累積出現頻率75小時的最大水平面照度和所對應的天空條件作為計算該地區隧道洞外景物亮度的基準參考光氣候條件是合適的。不同地區的光氣候差異表現在參考水平面照度值大小的差異。

3 參考光氣候條件下的隧道洞外景物表面照度

通過對重慶、貴州、福建等地的20多條隧道的實地調研，發現隧道洞外一個停車視距、20°視野范圍內，典型的景物要素有洞口、路面、端墻、護坡、巖壁、綠化、建筑物、廣告牌等。這些被照表面的亮度都取決于被照表面的照度值和反射特征。所調研的隧道中未出現天空，因此本文的討論中未考慮天空亮度。

3.1 水平面照度值與垂直面照度值的轉換系數

既然隧道洞口所有的景物表面都可以簡化為鉛垂面，那么如果能找到水平面照度和垂直面照度的轉換關系，就可以方便地將光氣候觀測數據中的水平面照度值轉化為垂直面照度。

垂直面照度轉換系數是指在一標準天空下，某一垂直面照度與水平面總照度的比值。重慶大學奚于成博士對此進行了研究，并給出了與日面狀況和云量相關的、不同朝向的垂直面照度轉化系數。與研究隧道口洞外景物亮度的基準參考天空條件對應，為了簡化計算，我們選取標準晴天空條件，即考慮日面狀況為θ2和總云量為0的條件下，不同方向的垂直面照度轉換系數。由于我們研究隧道洞外景物亮度的參考光氣候條件是夏至日正午，而在正午時刻東西方向的垂直面照度轉換系數應該基本相當，因此，本文根據文獻 ［5］，并將東西方向合并取平均值，給出了累積出現頻率75小時的最大水平面照度的參考天空條件下的垂直面照度轉換系數，如表1。

表1 隧道洞外景物水平面照度與不同方向垂直面照度的轉換系數 (來源:文獻 ［5］)

2.2 以重慶為例計算隧道洞外景物表面照度

根據光氣候理論研究和已有成果的運用，以及對重慶已有的光氣候觀測資料的分析，我們確定了重慶地區隧道洞外亮度的參考水平面照度為97000lx，參考天空條件為夏至日正午的標準晴天空。根據此條件選擇的垂直面照度轉換系數表 (表1)，計算出不同朝向的表面照度值，見表2。為了簡便同時滿足工程的需要，精確到1000lx。

表2 重慶地區隧道洞外景物表面照度值

4 隧道洞外典型景物表面亮度

通常為了行車安全，在隧道入口處的構建筑物盡量避免使用定向反射率高的材料，因此我們將隧道洞外典型景物表面定義為漫反射或近似漫反射表面。對于均勻漫反射可以用公式:L=E·ρ/π計算得到。

為了簡化計算，本文將典型的隧道洞外景物要素分成幾類，分別考慮其表面亮度。

a)洞口亮度:根據隧道入口段的亮度要求直接給出了洞口亮度為200cd/m2。對于路面、構建筑物和綠化植被則進行了分別討論。

b)路面亮度:路面比較特殊，其表面為水平面，并且由于路面材料的不同，以及使用過程中的污染，其反射特征具有特殊性。考察路面的表面亮度，首先確定某一地區的參考水平面照度，以及參考水平面照度中直射照度和散射照度;確定該地區夏至日正午的太陽的天頂角γ;根據太陽天頂角和路面材料做法確定路面類型。查CIE的簡化亮度系數表，確定該天空條件和路面狀況下的亮度系數r，得到太陽直射光的亮度。根據路面材料確定散射光的平均反射系數Q0，計算得到散射光的亮度，兩者之和即為天然光條件下的路面亮度。

c)構建筑物的表面亮度:先假設其為均勻漫反射或近似均勻漫反射材料;根據參考光氣候條件中參考水平面照度的垂直面轉化系數轉化成不同方向的垂直面照度，根據常用材料反射系數表選定材料的反射系數，就可以計算出構建筑物的表面亮度。為了簡化計算，本文分成深淺材質，取了兩種典型反射系數值 (ρ=0.2和ρ=0.5)計算。

d)植被綠化表面亮度:將灌木、喬木和坡面上的草本植物理解成鉛垂面;用參考水平面照度的垂直面轉化系數轉化為不同方向的垂直面照度。選取兩種不同深淺的植被 (ρ=0.05和ρ=0.1)，就可以計算出植被表面亮度。

簡化之后的重慶地區隧道洞外典型景物亮度取值見表3。

同樣，可以根據不同地區的光氣候觀測資料確定參考光氣候條件，并計算出各個地區的隧道洞外典型景物表面亮度，作為隧道照明設計的基準參數和依據。

5 小結

本文在國內外隧道照明研究成果基礎上，以光氣候理論為依據，結合CIE關于隧道洞外亮度值取值原則中的累計出現頻率的概念，確定用參考光氣候條件作為計算隧道洞外景物亮度的基準。通過對多個城市的光氣候觀測數據的分析，對這一理論的普適性進行研究。并以重慶為例，給出計算了隧道洞外典型景物亮度值的方法，并計算出重慶地區的隧道洞外典型景物亮度值。

表3 重慶地區隧道洞外典型景物亮度值L(cd/m2)

光氣候理論研究隧道洞外景物亮度，可以得到更準確、更符合我國光氣候特點的隧道洞外景物亮度的標準參考值，為隧道照明設計提供更切合實際的基礎數據，避免因隧道洞外亮度值取值的不準確帶來的能源浪費或者因此造成的安全隱患。

［1］公路隧道通風照明設計規范 (JTJ026.1—1999)．中華人民共和國行業標準，2000年

［2］Tunnel Entrance Lighting:A Survey of Fundamentals for Determining the Luminance in the Threshold Zone(E)，CIE/CIE 61—1984

［3］CIE 88:2004， 2nd Edition． GUIDE FOR THE LIGHTING OF ROAD TUNNELS AND UNDERPASSES

［4］JIS Z 9116—1990． 日 本．Lighting ofTunnels for Motorized Traffic

［5］奚于成，楊光璇，張青文．從水平面照度到垂直面照度轉換系數的探討，照明工程學報，1994，9