浙西南山區高速公路隧道洞外亮度L20(S)研究

涂耘 王少飛 侯伶 張琦蔡堅健 謝曉輝 劉琦 潘永杰

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司 隧道建設與養護技術交通行業重點實驗室，重慶 400067;2.國家山區公路工程技術研究中心，重慶 400067;3.浙江金麗溫高速公路有限公司監控中心，麗水 323000)

1 引言

洞外亮度L20(S)是指在公路隧道接近段起點S處，距地面1.5m高、正對洞口方向20°圓錐角視場范圍內實測得到的平均亮度［1～2］，如圖1所示。洞外亮度L20(S)是公路隧道照明設計最重要的基準參數之一，其取值對公路隧道照明系統工程投資和運營費用都將產生較大影響。日本在建設東京灣海底隧道時曾做過詳細比較［3］，如其他基準參數相同，洞外亮度 L20(S)由4000cd/m2提高至 6000cd/m2，照明設備費將增加34～51%，年運營電耗將增加30～46%。根據《公路隧道通風照明設計規范》(JTJ 026.1—1999)［1］，洞外亮度 L20(S)取值將顯著影響公路隧道入口加強照明 (入口段、過渡段)的設計標準。目前，浙西南地區的金麗溫、兩龍高速公路隧道洞外亮度L20(S)通常按4000cd/m2取值，由于沒有考慮公路隧道洞口的具體條件和實際特點，使得部分公路隧道運營照明能耗過高，造成不必要的能源浪費。本文介紹了對金麗溫、兩龍高速公路4座山區公路隧道洞外亮度L20(S)的實測結果，提出浙西南山區高速公路隧道洞外亮度L20(S)建議值，可供高速公路隧道照明系統節能運營及改造設計時參考。

圖1 20°圓錐角視場范圍示意圖

2 公路隧道洞外亮度L20(S)的傳統測算方法

公路隧道洞外亮度L20(S)的傳統測算方法主要有4種:查表取值法、黑度測試法、環境簡圖法和等效亮度法［1～2］。

2.1 查表取值法

在工程設計階段，由于道路沒有完全形成、洞口結構物尚在施工、洞口地形和綠化效果尚未確定，因而很難得到公路隧道洞外亮度L20(S)的精確值，此時可查詢設計規范的建議值。由于查表取值法未考慮實際在建工程的具體特點，其取值結果與實際數值相比誤差一般會比較大。

2.2 黑度測試法

由于公路隧道洞口環境中景物的亮度受晝光影響，是非恒定和瞬息間的變化著。因此，要測試洞口環境中景物的亮度，就必須將眾多被測景物亮度測量限制在極短的時間間隔內。若用亮度計進行逐點測試，就會因耗時過長而帶來一定誤差。黑度法將被測對象一次性同時成像在膠片上，繼而在實驗室認讀負片上被測對象的黑度值，進而再換算成亮度值，就能完成眾多被測亮度對象的同時記錄和取值［4］。

黑度測試法是現行行業規范推薦的一種簡易的公路隧道洞外亮度L20(S)實測方法［1］，上海市照明燈具研究所曾采用黑度測試法對甬臺溫高速公路、福廈高速公路和羅寧高速公路的山嶺隧道進行了一系列實測［4］。該方法缺點是測試精度與感光膠片質量、沖洗狀況等密切相關，且數據處理過程較為復雜［5］。

2.3 環境簡圖法

環境簡圖法是根據公路隧道洞口外一個停車視距處20°圓錐角視場環境簡圖中天空、路面及其他不同洞口景物的亮度來綜合確定洞外亮度L20(S)的方法，其計算公式為:

式中 Lc——天空亮度 (cd/m2);

LR——路面亮度 (cd/m2);

LE——環境亮度 (cd/m2);

Lth——隧道入口段亮度 (cd/m2);

r——天空所占百分比 (%);

Q——道路所占百分比 (%);

ε——景物所占百分比 (%);

τ——隧道洞口所占百分比 (%);

r+Q+ε+τ=1

對100m和160m停車視矩而言，τ值一般低于10%，同時 Lth值較小，因而 τ·Lth可忽略不計，則有:

式中 Lc、LR、LE可采用亮度儀測試確定;r、Q、ε取值則由環境簡圖來確定。

環境簡圖法是國際照明委員會 (CIE)最早推薦的一種洞外亮度L20(S)測算方法［2］，招商局重慶交通科研設計院隧道工程所曾在國內首次采用環境簡圖法，對京珠高速公路粵境北段和南段隧道群進行了大量現場實測和數據分析，為工程建設提供科學合理的指導意見，節約了近千萬元的投資和運營費用［6～7］。

采用環境簡圖法時，環境亮度測試值會受到測試人員的經驗影響，不同人員測得的樣本景物亮度差別很大，同樣會造成洞外亮度L20(S)取值有較大誤差。

2.4 等效亮度法

等效亮度法是國際照明委員會 (CIE)目前最新提出的一種洞外亮度L20(S)測試方法［2］，其計算公式為:

式中 Lseq——等效光幕亮度 (cd/m2);

Lije——眼睛所能看見的每個地帶的亮度(cd/m2);

Lij——每個地帶的平均亮度 (在汽車外擋風玻璃遷測試)(cd/m2);

Lws——擋風玻璃損失亮度 (cd/m2)，可忽略不計。

采用等效光幕亮度法測試公路隧道洞外亮度L20(S)所使用的儀器較為復雜，其計算方法也比較繁瑣［8～9］，實際工程應用的可操作性較差。

3 公路隧道洞外亮度L20(S)數碼測試分析法

上述4種公路隧道洞外亮度L20(S)測算方法均存在測試時間過長、數據處理繁瑣、誤差相對較大等缺點，因而未能在實際工程中得到全面推廣應用。隨著電子技術和光學技術的發展，數碼相機制造工藝日臻完善，其質量和性能有了大幅提升。數碼相機用于光環境測試的潛能高于傳統測光儀器且價格較低。采用數碼相機作為測光工具不但可擺脫感光膠片的局限性，而且還能將采集的光信息數據直接輸入計算機，使得公路隧道洞外亮度L20(S)的整個測試過程由采用普通黑白相機測試的4步 (拍攝、沖洗、輸入、處理)簡化為現場拍攝和計算機處理2步，在縮短測試周期的同時大大減少數據分析工作量［10～12］。這種測試方法精度較高，也有利于工程應用。

3.1 數碼測試法的基本原理

根據攝影理論和照相光度學，曝光量H和攝像過程中所采用的光圈數 F、曝光時間T、目標物亮度L存在如下關系:

式中 τ——鏡頭光學透射系數，其反映感光材料的主要特征指標。

數碼相機CCD板對外界光能量的響應是線性的，其存在如圖2所示的感光特性曲線。數碼測試法就是利用數碼相機生成的數字圖像灰度D與曝光量H之間存在的線性關系:D=f(lgH)(特性曲線中的直線段部分)，通過獲取某幅數字圖像的灰度值后求出拍攝圖像時所用的曝光量H，再由式 (5)得到亮度L。

圖2 數碼相機感光特性曲線

3.2 數碼測試法的主要設備

本研究通過數碼測試法實測公路隧道洞外亮度L20(S)所使用的儀器主要包括:

(1)數碼相機1臺，型號:NIKON E8800(如圖3所示);

(2)木質灰卡1套，型號:Kodak(如圖4所示);

(3)亮度儀1臺，型號:MINOLTA LS100(如圖5所示);

(4)野外測試用三腳架1副;

(5)指南針一部;

(7)記錄夾一副。

圖3 NIKON E8800

圖4 KODAK Gray Cards

圖5 MINOLTA LS100

3.3 數碼測試法的一般步驟

本研究采用數碼測試法實測公路隧道洞外亮度L20(S)的一般步驟如下:

(1)確定數碼相機拍攝點位置 (公路隧道設計速度為80km/h、洞口外道路縱坡為0%時，拍攝點距洞口100m)，并用指南針測試洞口朝向;

(2)將數碼相機鏡頭中心調整為距路面1.5m;

(3)將反射率為18%的灰卡置于拍攝點和洞口之間，灰卡中心距路面1.5m;

(4)開啟亮度儀后調整其焦距，使測試對象在儀器觀景窗中清晰可見;

(5)將亮度儀對準灰卡，讀取測試亮度值，同時用數碼照相機拍攝洞口及周圍景觀照片 (含灰卡);

(6)通過自行開發的“隧道洞口亮度測試系統”［13］(如圖6所示)分析數碼相片中的灰卡亮度值，并將其與亮度儀測取的灰卡亮度值進行對比，選取一定誤差范圍內 (≤5%)的數碼照片進行數據分析，從而獲得較為精準的公路隧道洞外亮度L20(S)。

圖6 公路隧道洞口亮度測試系統軟件登錄界面

4 浙西南高速公路隧道洞外亮度L20(S)測試

本研究在2010年8月晴好天氣狀況下，對浙西南地區的金麗溫、兩龍高速公路的4座高速公路隧道洞外亮度L20(S)展開現場實測，其部分測試分析結果如圖7～圖10所示。4座公路隧道的洞外亮度L20(S)變化曲線如圖11～圖14所示。

圖7 陽山隧道洞外亮度L20(S)測試分析圖 (11:00)

圖8 牛廷嶺隧道洞外亮度L20(S)測試分析圖 (14:00)

通過采用數碼測試法對陽山隧道、牛廷嶺隧道、閹基頭隧道和東田隧道的洞外亮度L20(S)進行現場實測，并結合浙江西南部氣象條件，本研究得出如下分析結論:

(1)金麗溫、兩龍高速公路隧道洞口外一個停車視距處 20°圓錐角視場范圍內天空含率一般為0%。

圖9 閹基頭隧道洞外亮度L20(S)測試分析圖 (13:00)

圖10 東田隧道洞外亮度L20(S)測試分析圖 (11:00)

圖11 陽山隧道洞外亮度L20(S)變化曲線

(2)金麗溫、兩龍高速公路采用端墻式洞門的公路隧道，其洞外亮度 L20(S)取3000 cd/m2較為合理;采用削竹式洞門的公路隧道，其洞外亮度L20(S)取2500 cd/m2較為合理。

(3)根據金麗溫、兩龍高速公路隧道洞外亮度實測數據，在夏季 (6月～8月)晴好天氣狀況下，洞外亮度L20(S)的最大值一般出現在11:00～14:00。因此，公路隧道照明控制采用時序控制法時，應注意時間段的劃分，實現節能運營。

圖12 牛廷嶺隧道洞外亮度L20(S)變化曲線

圖13 閹基頭隧道洞外亮度L20(S)變化曲線

圖14 東田隧道洞外亮度L20(S)變化曲線圖

5 公路隧道接近段減光措施

如果公路隧道洞門景觀設計不考慮周圍環境亮度，要么將給公路隧道運營安全埋下隱患，要么將使得公路隧道照明系統設置龐大造成電能浪費。因此，應通過對洞口山坡綠化或對結構物進行減光處理，盡量降低洞外亮度L20(S)。例如，接近段路面采用深色材料 (如圖15所示)、對洞門端墻進行暗化處理 (如圖16所示)、在洞口附近種植深色植被(如圖17所示)等。

圖15 公路隧道接近段深色路面

圖16 公路隧道洞門端墻進行暗化處理

植被反射光比裸露的巖石、土坡、混凝土、端墻等反射光柔和得多。植被大致可以分為草地和樹木，前者表面為毛狀結構，由很多垂直面組成，后者可以視為更大的毛狀結構，亮度特性與前者大體類似。因此，在公路隧道入口附近種植具有垂直表面的植被較為有利。應當注意的是，同為綠色植物的闊葉樹與針葉樹的光譜反射曲線雖大體相似，卻又略有不同，由圖18可知，種植針葉樹比闊葉樹好些，洞口種植像松塔那樣具有水平成層枝葉的喬木是比較理想的;另一方面，高大喬木可以投下濃重的陰影，避免或減弱陽光對路面的照射，對降低接近段路面亮度十分有益。

此外，洞口處的大型淺色調廣告宣傳牌越少越好、最好沒有，這是因為大型淺色調廣告宣傳牌對提升洞外亮度 L20(S)有一定的影響 (如圖19所示)，加之廣告信息屬冗余信息，容易導致駕駛員分散注意力 (公路隧道入口本身就是事故高發地段)。

丹麥金碩公司專家1992年訪華時介紹了挪威公路隧道接近段減光措施的研究成果［6］:① 植被和灌木可降低洞外亮度5%～7%;②洞門端強采用深暗顏色，可降低洞外亮度5%～7%;③洞口外至少一個停車視距長路面采用暗色材料，可降低洞外亮度12% ～27%。

圖17 適宜的洞口綠化

圖18 綠色植被的光譜反射曲線

6 公路隧道洞外亮度L20(S)取值效益分析

目前，浙西南大量公路隧道照明系統設計通常采用的洞外亮度L20(S)≥4000cd/m2。根據分析計算，當公路隧道洞外亮度L20(S)降低為3500cd/m2時，加強照明系統大約可節能11.78% (按系統功率計算);若降低至3000cd/m2時，加強照明系統節能可達25.39% (按系統功率計算)，從而大幅減少電能消耗、保護生態環境、節約運營費用，產生較好的經濟效益、社會效益和生態效益。

7 結語

(1)本文介紹了一種采用數碼測試法快速實測試公路隧道洞外亮度L20(S)的新穎技術，其克服了傳統公路隧道洞外亮度L20(S)測算方法的弊端，使得大規模、高效率地測試公路隧道洞外亮度L20(S)成為可能，具有較好的應用前景，可在實際工程中全面推廣應用。

(2)通過對地處浙西南的金麗溫、兩龍高速公路隧道洞外亮度L20(S)進行測試分析，采用端墻式洞門的公路隧道，其洞外亮度L20(S)取3000 cd/m2較為合理;采用削竹式洞門的公路隧道，其洞外亮度L20(S)取2500 cd/m2較為合理。

圖19 公路隧道洞口不宜設置廣告牌

(3)基于環境景觀理論，提出符合“環境友好型”山區高速公路隧道設計理念的接近段減光措施，包括接近段路面采用深色材料、對洞門端墻進行暗化處理、在洞口附近種植深色植被等。分析計算表明，應用本研究成果，可大幅減少電能消耗、保護生態環境、節約運營費用，產生較好的經濟效益、社會效益和生態效益。

致謝:本項目調研、測試工作得到金麗溫高速公路有限公司監控中心、麗水管理處、龍麗管理處、麗龍管理處及陽山隧道管理所、牛廷嶺隧道管理所等部門的鼎力支持，在此一并表示衷心的感謝!

［1］公路隧道通風照明設計規范 ［S］JTJ 026.1—1999.

［2］Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［S］.CIE 88:2004.

［3］鄭漢璋.CIE《公路隧道與地道照明準則 NO.26/2.1990》中的概念更新與不足 ［C］∥第二屆全國公路隧道學術會議論文集.重慶:交通部重慶公路科學研究所，1993.138～144.

［4］曹言瑞，章海璁.隧道洞外亮度L20值的黑度法測量和洞口裝飾的討論 ［J］.光源與照明，2003， (3):20～24.

［5］陳仲林，孫春紅.公路隧道照明設計研究 ［J］.燈與照明，2007，31(3):32～35，52.

［6］屈志豪，趙清碧，劉相華.用環境簡圖法測試隧道洞外亮度L20(S)［J］.公路交通技術，2004，(5):117～121.

［7］涂耘.公路隧道節能照明系統研究 ［J］.公路交通技術，2008，(6):117～120.

［8］殷穎，陳仲林，崔璐璐.隧道入口段亮度計算方法比較研究 ［J］.燈與照明，2008，32(2):20～24.

［9］胡英奎，陳仲林，孫春紅，等.公路隧道洞外亮度的確定方法對比分析 ［J］.燈與照明，2010，34(2):1～3，7.

［10］涂耘，王小軍，周健.福建公路隧道洞外亮度L20(S)研究 ［J］.公路交通技術，2007，(S1):96～99.

［11］鄭瓊水.隧道入口段照明設計探討 ［J］.公路交通技術，2007，(4):114～115，122.

［12］涂耘，王少飛，張琦，等.西漢高速公路隧道照明系統評估研究 ［J］.照明工程學報，2010，21(5):15～21，36.

［13］王少飛，李科，陳建忠.公路隧道洞外亮度L20(S)測試分析軟件 ［J］.中國交通信息產業，2009， (5):91～93.